一種基于時間信息ＴＯＤ的跳頻同步方法

張遠(yuǎn)貴　向　新　梅文華　曹鬧昌

摘 要：同步是跳頻通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)之一。針對跳頻通信系統(tǒng)中同步的主要要求，提出一種基于時間信息TOD的跳頻同步方案，并設(shè)計該同步方案的系統(tǒng)原理框圖；研究同步序列格式和跳頻同步的捕獲和跟蹤；分析該方案的同步性能。仿真結(jié)果表明，該跳頻同步方案具有同步時間短，捕獲概率高，虛警概率低和抗干擾能力強(qiáng)的特點。

關(guān)鍵詞：跳頻同步；時間信息；捕獲概率；虛警概率；同步頭

中圖分類號：TN914文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004 373X(2009)02 082 03

Synchronization Scheme for Frequency Hopping Communication System Based on Time of Day

ZHANG Yuangui1,XIANG Xin1,MEI Wenhua2,CAO Naochang2

(1.Engineering Institute,Air Force Engineering University,Xi′an,710038,China；

2.Beijing Aeronautical Technology Research Center,Beijing,100076,China)

Abstract：Synchronization is one of the key techniques for Frequency Hopping(FH)communication system.Based on the main requirement of synchronization for FH communication system,a synchronization scheme based on the Time of Day(TOD) of FH system is presented in this paper.Configuration of the system model is given at first.Then the method of frequency hopping synchronization,the format of synchronization information and the capture of synchronization are studied in the paper.At last,the performance of synchronization is analyzed.The simulation results show that this method has the feature of short synchronization time,high capture probability,low false probability and high anti－jamming performance.

Keywords：frequency hopping;time of day；capture probability；false probability；synchronization head

跳頻技術(shù)獨特的抗干擾性能使其在軍事領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用，具有成為戰(zhàn)術(shù)通信主導(dǎo)技術(shù)的趨勢。而跳頻同步是跳頻通信的關(guān)鍵技術(shù)。在跳頻系統(tǒng)中接收機(jī)本地輸出的跳變頻率必須與發(fā)送端的跳頻器產(chǎn)生的頻率嚴(yán)格地同步，才能正確地進(jìn)行相關(guān)解調(diào)，從而解調(diào)出有用信號。但由于時鐘漂移、收發(fā)信機(jī)之間距離不定，產(chǎn)生了時間差異，又因為振蕩器頻率漂移等引起的收發(fā)失步，所以同步的過程就是搜索，消除時間與頻率差的過程，以保證收發(fā)雙方碼相位與載波的一致性。只有建立起準(zhǔn)確的跳頻同步，跳頻系統(tǒng)才能正常工作。同步建立的快慢和同步系統(tǒng)的抗干擾能力直接影響著整個跳頻系統(tǒng)的性能，它已成為跳頻通信的關(guān)鍵技術(shù)。

1 基于時間信息TOD的跳頻同步原理

采用基于時間信息(Time of Day,TOD)的跳頻同步方法是基于精確時鐘法、同步頭法、自同步法提出的一種綜合的同步方法。該方法是將攜帶有時間信息的同步頭置于跳頻信號的最前面，收端從同步頭中捕獲到同步信息后，調(diào)整本地跳頻序列發(fā)生器，從而使收發(fā)雙方實現(xiàn)同步［1］。這種方法同步時間快，同步概率大，隨機(jī)性能好，能夠滿足戰(zhàn)術(shù)通信的各種要求。

1.1 TOD在同步過程中的作用

信息(Time of Day，TOD) 就是跳頻圖案實時狀態(tài)信息或?qū)崟r時鐘信息。實時時鐘信息包括年、月、日、時、分、秒、毫秒、微秒等；狀態(tài)信息指偽碼發(fā)生器實時的碼序列狀態(tài)。根據(jù)這些信息，收端就可以知道當(dāng)前跳頻駐留時間的頻率和下一跳駐留時間應(yīng)當(dāng)處在什么頻率上，從而使收發(fā)端跳頻器同步工作。TOD以每一跳的時間為單位，為減小收發(fā)時鐘的誤差，由高精度時鐘源提供。收發(fā)雙方的偽隨機(jī)碼和產(chǎn)生跳頻圖案的方法是一致的，不同的只是時間信息TOD。由此可見，只要知道TOD值收發(fā)雙方就可完成跳頻同步。TOD是時間變量，隨著時間的變化而變化，由于時鐘有誤，因而TOD也會積累產(chǎn)生誤差。因此，跳頻系統(tǒng)的同步可歸結(jié)為TOD的同步。基于自適應(yīng)捕獲的跳頻同步方法就是在一定的條件下，通過對發(fā)端同步信號進(jìn)行搜索，從中提取出發(fā)端的TOD，用它來修正本端的TOD，從而完成同步跟蹤。由于各臺的時鐘精度不可能一致，經(jīng)過一段時間后各臺的TOD就會有差異，當(dāng)經(jīng)過時間稍長，就不可能用自己的TOD接收到其他電臺的信號(頻率不同)。因此，發(fā)送同步頭的目的就是發(fā)送自己的TOD，對方可以從同步頭中提取發(fā)端的TOD，然后修正自己的TOD，這樣可使收發(fā)同步工作，完成信息傳輸。

1.2 快速掃描駐留同步中同步頭的構(gòu)成

發(fā)端在發(fā)送數(shù)據(jù)之前首先發(fā)送一個同步頭，同步頭由n個頻率組成，按f1,f2,…,f璶編號，依次發(fā)送。這些同步頭頻率的產(chǎn)生與跳頻圖案的產(chǎn)生方法類似，為跳頻圖案的一個子集。為提高同步頭頻率的抗干擾性能。這些同步頭頻率也隨機(jī)變化，每經(jīng)過T1時間更換1個頻率，經(jīng)過nT1時間后，同步頭頻率就變成一個全新的頻率集［2］。同步頭由n(n1+n2)個頻率組成，如圖1所示。

圖1 同步結(jié)構(gòu)

在同步頭頻率中前nn1個頻率發(fā)送的是相關(guān)碼，對收端而言主要完成同步頭頻率的捕獲，稱為相關(guān)跳；后nn2個頻率主要用于完成同步跟蹤。為提高同步的可靠性，同步頭中的TOD可以多發(fā)送幾次，這樣收端的一次同步概率大大加大。為提高同步頭的保密性，可以在發(fā)送TOD時在每跳中只發(fā)送部分TOD信息，這樣加大了敵方捕獲同步頭的難度。這種同步方法的同步時間就是同步頭的時間。

1.3 同步過程中收端快速掃描駐留同步

收端采用快速掃描駐留同步的方法［1］。分兩步進(jìn)行，即掃描和駐留。掃描是完成同步頭頻率的捕獲，駐留是從同步頭頻率中提取同步信息從而完成收發(fā)雙方的同步。發(fā)端通過自己的TOD確定出同步頭頻率，由于收發(fā)雙方的TOD有差異，因而確定的跳頻同步頭的頻率就可能有差異。掃描駐留方式同步，允許的最大頻率不相同數(shù)為n－1，即收發(fā)雙方由自己的TOD確定的同步頭頻率只要有2個相同，就可以通過同步頭進(jìn)入同步。每次通話時，發(fā)端首先把同步頭發(fā)送出去n(n1+n2)個頻率，然后再發(fā)送要傳輸?shù)男畔ⅰ?/p>

這種同步方案的接收頻率合成器有兩種工作狀態(tài)，一種是跳頻工作狀態(tài)，在PN碼的作用下按跳頻圖案輸出本地跳頻信號；另一種是掃描工作狀態(tài)，這時頻率合成器置于由TOD決定的某一同步頭頻組上。掃描輸出n個同步頭頻率。一個頻組的持續(xù)時間等于一個chip(跳頻信號每跳占用的時間，也叫頻隙［3］)占用的時間T。每一個掃描子頻隙的時間為T/n。顯然這種狀態(tài)時頻率合成器的頻率轉(zhuǎn)換速率提高了n倍，所以稱快速掃描。接收端工作時，首先使頻率合成器工作在掃描狀態(tài)，用通過TOD確定的n個同步頭頻率對發(fā)端的同步頭頻率進(jìn)行掃描。在圖2中，發(fā)端的同步頻率為f1,f2,…,f璶，收端用自己當(dāng)前TOD決定的同步頭頻率為f′1,f′2,…,f′璶，收發(fā)雙方的同步頭頻率中只要有一個頻率相同(比如：f1和f1′)就能完成捕獲。在掃描過程中，由于系統(tǒng)指標(biāo)保證了收發(fā)雙方至少1個頻率相同。因而可以從相同的頻率中(相關(guān)跳中)完成捕獲。捕獲的標(biāo)準(zhǔn)是連續(xù)接收到K個特征碼，一旦接收到K個特征碼，表明發(fā)端的同步頭中有該頻率。收端由捕獲轉(zhuǎn)為駐留階段。將收端的頻率停留在捕獲的頻率上。接收該頻率上的同步信息。用接收到的對方的TOD修正本端的TOD。就可完成收發(fā)雙方的跳頻同步。同步頭頻率接收完后，轉(zhuǎn)入正常的信息接收。

圖2 快速掃描駐留同步

1.4 連續(xù)同步和遲入網(wǎng)同步

連續(xù)同步和遲入網(wǎng)同步是通過接收/發(fā)送方在信息跳中插入的勤務(wù)跳實現(xiàn)同步的，這些含有同步信息的勤務(wù)跳構(gòu)成勤務(wù)序列。勤務(wù)信息是同步保持及快速再同步的保證。實際上遲入網(wǎng)與初始同步基本類似。

2 性能分析

2.1 同步時間

同步時間［4］是指完成同步所需的時間。在基于TOD快速掃描駐留同步過程中。同步時間就是同步頭的時間，而同步頭頻率數(shù)為n(n1+n2)，若每跳的持續(xù)時間為T璖，則同步時間t璼為t璼=n(n1+n2)T璖。

2.2 同步保持時間t璶

同步保持時間指在同步后，下一次能通過同步頭進(jìn)入同步的最大時間間隔t璶=(n－1)T1/2ρ。式中，ρ為時鐘精度；分母的2考慮了時鐘的雙向漂移；T1為同步頭頻率的換頻時間。因為同步頭頻率數(shù)為n,所以t璶是完成同步后，由于時鐘的漂移，收發(fā)雙方同步頭頻率有(n－1)個頻率不同所要經(jīng)過的時間。

2.3 初始同步允許的最大時差

設(shè)系統(tǒng)跳頻速率為每秒h跳，每隔2x跳更換一個同步頭頻率，則換頻周期t璫=2x/h，在無干擾的情況下，收發(fā)雙方的同步頻率只要有1個相同就可以實現(xiàn)同步。那么n個同步頻率允許更換(n－1)個，此時的時差就為初始同步允許的最大時差，即：

Δt璵ax=2x(n－1)/h

2.4 相關(guān)碼檢測概率

若恢復(fù)基帶信號誤比特率為P璪，相關(guān)碼長度為G，檢測門限為g，則正確檢測到相關(guān)碼的概率P璬［5,6］和錯誤檢測概率P璮分別為：

P璬= ∑Gi = gCi璆(1-P璪 )iPG-i璪

P璮= ∑Gi = gCi璆(1-P璪 )G-iPi璪

式中，Ci璆為二項式系數(shù)。圖3顯示當(dāng)G=64時，P璬與P璪，g的關(guān)系曲線。

圖3 P璬與P璪，g的關(guān)系曲線

圖4顯示當(dāng)G=64時，lg P璮與P璪，g的關(guān)系曲線。

圖4 lg P璮與P璪，g的關(guān)系曲線

2.5 捕獲概率與虛警概率

設(shè)接收方用快速掃描開始搜索的時刻正好對準(zhǔn)發(fā)送序列的開始時刻，且發(fā)方每一頻率循環(huán)結(jié)束后才進(jìn)行檢測結(jié)果判決。則M(M為n的正整數(shù)倍)次機(jī)會中正確檢測到信號概率P璫和錯誤檢測到信號概率P璭分別為：

P璫= ∑Mi = 1Ci璆(1-P璬)i-1P璬

P璭= ∑Mi = 1Ci璆(1-P璮)i-1P璮

按大數(shù)判決規(guī)則(5中取3)進(jìn)行跟跳驗證，驗證成功的概率P璼和驗證失敗的概率P璾分別為：

P璼= ∑5i = 3Ci5(1-P璬 )5-iPi璬

P璾= ∑5i = 3Ci5(1-P璮 )5-iPi璮

由此可以算出捕獲概率P璦和虛警概率P璵分別為：P璦=P璫P璼P璵=P璭P璾。圖5顯示當(dāng)G=64，M=40時，P璦與P璪，g的關(guān)系曲線。圖6顯示當(dāng)G=64，M=40時，lg P璵與P璪，g的關(guān)系曲線。比較圖3～圖6可看出，隨著誤碼率的減少，相關(guān)碼的虛警概率也減少，而捕獲概率增大。在同一誤碼率的情況下，門限g值越高，虛警概率越小，捕獲概率也隨之減小，因此確定門限值的最佳值應(yīng)兼顧虛警概率和捕獲概率［7］。

圖5 P璦與P璪，g的關(guān)系曲線

圖6 lg P璵與P璪，g的關(guān)系曲線

2.6 抗干擾性能

若信道誤碼率P璪存在時差，有n個有效同步頻率。當(dāng)敵施放干擾時，有q%的頻點被干擾時，初始同步概率P璽=1－［1－(1－q%)P璦］。圖7為當(dāng)敵施放干擾時有q%頻點被干擾,P璽與P璪,n的關(guān)系曲線。圖中顯示：當(dāng)有效同步頻率n一定時，初始同步概率P璽隨著信道誤碼率P璪的增大而減小；當(dāng)信道誤碼率P璪一定時，初始同步概率P璽隨有效同步頻率數(shù)n的增大而增大，系統(tǒng)的抗干擾能力也隨有效同步頻率數(shù)n的增大而增強(qiáng)。但同步頻率數(shù)n的取值太大，初始同步時間又會太長，因此，同步頻率數(shù)n需根據(jù)系統(tǒng)要求而綜合考慮。

3 結(jié) 語

基于TOD的跳頻同步方式，在縮短同步捕獲時間方面優(yōu)于等待搜索式和位移等待式自同步方式；在可靠性方面優(yōu)于精確時鐘定時同步方式；在節(jié)省頻率資源方面優(yōu)于插入導(dǎo)頻頭同步方式。但在收端的快速掃描駐留同步過程中，頻率合成器頻率轉(zhuǎn)換時間要短，頻率跳變速率需增至n倍，收端同步頻率集n中的同步頭頻率數(shù)越多，要求頻率合成器的頻率跳變速率越高。因此這種同步方式性能的提高是以增加頻率合成器的技術(shù)難度為代價的。

圖7 P璽與P璪,n的關(guān)系曲線

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作者簡介 張遠(yuǎn)貴 男,1979年出生,云南麗江人,碩士研究生。主要研究方向為跳頻通信。

向 新 男,1971年出生,湖北枝江人,博士,空軍工程大學(xué)副教授。主要研究方向為超寬帶通信技術(shù)。

梅文華 男,1964年出生,湖南漣源人,北京郵電大學(xué)博士,北京航空工程技術(shù)研究中心副總工程師,高級工程師。