基于粗同步跳頻規律的時隙頭提取技術

董石磊，李　悅，劉志榮

(1.中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471003；

2.中電電子進出口總公司，北京 100036)

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基于粗同步跳頻規律的時隙頭提取技術

董石磊1，李悅2，劉志榮2

(1.中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471003；

2.中電電子進出口總公司，北京 100036)

摘要：戰術數據鏈中，時分多址接入(Time Division Multiple Access,TDMA)技術具有良好的抗截獲和抗干擾能力，組網靈活，因此得到廣泛應用。針對偵察TDMA系統時需要確定時隙頭位置(即時隙首脈沖到達時間)的問題，在對TDMA系統結構和時隙結構進行分析的基礎上，研究時隙結構中粗同步部分32個脈沖存在的固有跳頻規律，通過仿真分析提出了基于該跳頻規律的時隙頭提取方法，在脈沖丟失概率較高的情況下對該方法進行了蒙特卡羅仿真測試，仿真結果驗證了算法的有效性，從而為后續的時隙分析奠定基礎。

關鍵詞：TDMA；跳頻圖案；模板匹配；時隙頭

0引言

TDMA體制數據鏈系統通常具有一套基于時間分配的接入體制，與其他體制相比，TDMA效率更高，支持的功能更強大，是目前各國數據鏈裝備研究的重點，具有良好的發展前景。

TDMA體制數據鏈將時間軸劃分為若干個時元，每個時元劃分為若干個時幀，每個時幀劃分為若干個時隙。時隙是TDMA網絡中最基本的時間單位，將這些時間單位分配給每一個參與的系統終端以實現特定功能[1]。

對基于時隙分配的TDMA系統終端進行偵察處理，準確提取出時隙頭至關重要，它是進行后續時隙序列分選實現多目標時隙分離的基礎，目前對該問題還未見有相關報道。本文基于時隙結構中粗同步跳頻的規律，研究滿足復雜電磁環境下的時隙頭提取算法，在脈沖丟失概率較高時，采用模板匹配的方法來提高算法的魯棒性，保證時隙頭提取的準確性。

1TDMA系統

1.1　TDMA結構

TDMA體制數據鏈系統將每24個小時分割為112.5個信號周期，每個信號周期持續時間為12.8 min，稱為一個時元。一個時元可進一步分為98 304個時隙，每個時隙持續時間為7.812 5 ms。時隙是聯合戰術信息分發系統中最基本的時間單位。將這些時間單位分配給每一個參與的系統終端以實現特定功能[1-3]。

在一個時元中，時隙被依次編入3個時隙組，即A組、B組、C組，并且以重復循環方式交替出現。例如，A0、B0、C0，隨后是A1、B1、C1直到A32767、B32767、C32767。這樣每個時元中的每一個時隙均有確切的命名，對所有時元該序列都是重復出現的，如圖1所示。

圖1　時分多址結構

1.2　時隙結構

在每個時隙內，聯合戰術信息分發系統終端既可被設定為發送狀態也可被設定為接收狀態。因此，每個時隙都是一次傳輸時間。一個時隙由若干個部分組成，這些分量按先后順序排列：抖動、粗同步、精同步、報頭、消息、傳播保護[4-7]，如圖2所示。

圖2　時隙結構

時隙開始時的那段延時或靜寂時間稱為抖動。在此期間不發送脈沖。每個時隙間的偽隨機抖動檔次是互不相同的，這種偽隨機方式可通過傳輸保密變量來確定。抖動有益于信號的抗干擾性，因為它使得干擾機很難確定何時發射干擾信號。

抖動之后的兩組預定脈沖碼元包也稱作粗同步和精同步。接收機利用這些模式可以識別信號并與信號同步。隨后是報文傳送部分，在這些脈沖中包含報頭與數據信息。時隙的末端是一段保護期，在此期間可進行信號傳播。

因此，在時隙的粗同步、精同步、報頭和消息中一系列碼元被加密到載有信息的脈沖中再發射出去。抖動和傳播保護部分屬于靜寂時間，在此期間不發射脈沖。

2時隙頭提取關鍵技術

2.1　時隙粗同步跳頻規律

每個時隙的起始脈沖即為粗同步的首脈沖，粗同步包含16個雙脈沖符號，使正在接收的單元實現與發射信號的粗同步。在一個網絡中，不同時隙的粗同步跳頻圖案是不同的。在同一個時隙中，不同網絡的粗同步跳頻圖案也不同。跳頻圖案一般由網絡號和傳輸加密變量來決定。雖然粗同步跳頻圖案不同時隙各不相同，但是粗同步的跳頻方式存在一定的規律性，即通常在頻率集中隨機選取8個頻點，在粗同步的32個脈沖中基于一定規律在這8個頻點中復用，如圖3所示。

圖3　粗同步跳頻規律

2.2　跳頻規律模板匹配法

以上述粗同步跳頻規律為例，可對8個復用的頻點基于脈沖重復間隔建立如下模板：

在脈沖丟失率較大時，還可擴展到第2組8個頻點建立如下模板：

由上述模板可見，f1和f2、f3和f4、f5和f6、f7和f8模板內容相同，因此單純判斷一個頻點滿足上述模板要求還不能確定出時隙頭的位置。若要準確確定出時隙頭的位置，必須有諸如f1和f4、f2和f3等奇數間隔的頻點同時滿足模板要求。通常是將前16個脈沖重復間隔內的所有脈沖全部進行判斷，通過奇數間隔的頻點確定出時隙頭位置，并對這些位置進行統計，剔除個別頻點誤判引入的錯誤結果，以峰值作為準確的時隙頭位置。算法流程如圖4所示。

在上述算法中，值得說明的是，若在同一時隙內存在多個目標的脈沖序列，需要根據脈沖重復間隔首先進行脈沖分選，分離出不同目標的脈沖序列再進行后續時隙頭提取處理。

圖4　時隙頭提取算法流程圖

2.3　時隙分區重復率計算

在聯合戰術信息分發系統中，時隙是以時隙分區的形式分配給各個網絡終端[8-10]。時隙分區由3種變量定義：一個時隙組(A、B或C)，一個起始數字或索引號(0~32 767)以及重復率。重復率表示在某個時隙分區中有多少個時隙。由于這些時隙是平均分布的，因此可知它們發生的次數[11,12]。若在時隙組A中的時隙總數是32 768或215，該組的時隙分布是每3個時隙間隔出現一次，可以用A-0-15表示，其重復率為15；若A組時隙數為一半時，即16 384或214，它們將每6個時隙出現一次，其重復率為14；若時隙數再為此數的一半，將每12個時隙出現一次，其重復率是13，通過時隙間隔來計算時隙分區的重復率公式如下：

(1)

式中，r表示重復率，I表示時隙間隔。因此，時隙間隔的準確性對重復率的計算有直接影響，而時隙頭的檢測概率是決定時隙間隔的重要因素，若時隙頭丟失較多，在判斷時隙間隔時就會出現倍數的結果。

3算法適用性仿真

按照圖2中的時隙結構來設置時隙內脈沖的參數，每個時隙的脈沖數量設定為258個，并以圖3中的跳頻規律來隨機設置時隙中粗同步的跳頻圖案。通過產生1 000組時隙的脈沖描述字數據流，對不同脈沖丟失概率條件下的時隙頭檢測率進行蒙特卡羅仿真，仿真結果如圖5所示。

由2.3節可知，時隙頭的檢測概率是影響時隙分區重復率計算準確性的重要因素，因此在不同時隙頭檢測概率條件下，對重復率計算的準確性進行了蒙特卡羅仿真。為了能直接體現算法的適用性，以脈沖丟失率為仿真輸入條件，將時隙頭提取算法獲得的時隙頭序列在計算時隙之間的間隔后，利用式(1)來計算時隙分區的重復率，并對計算結果進行直方圖統計，通過峰值來判斷計算的準確性。通過該方式得到的仿真結果如圖6所示?？梢姰斆}沖丟失概率在50%及其以下時，圖5所示的時隙頭檢測概率優于48%，圖6中重復率計算的準確率可達100%，以此驗證了在脈沖丟失概率高達50%時，基于模板匹配的時隙頭提取算法是有效的，可完成時隙頭提取并準確計算出時隙分區的重復率。

圖5　不同脈沖丟失概率下的時隙頭檢測概率

圖6　不同脈沖丟失概率下重復率計算準確率

4結束語

提出了一種基于時隙粗同步跳頻規律的時隙頭提取方法，該方法的主要思想是利用同頻脈沖之間的脈沖間隔生成模板，通過模板匹配的方法對時隙頭進行確定。結合實際中對時隙脈沖的檢測概率，對該方法確定時隙頭的準確性進行了蒙特卡羅仿真，并通過對時隙分區重復率的計算來驗證該方法的有效性。仿真結果表明在脈沖丟失概率為50%及其以下時，通過該算法可以得到準確的時隙分區重復率，從而表明該算法適用于在復雜電磁環境下對TDMA系統的時隙處理，并且算法簡單，易于在工程實踐中實現。

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Technology of Extracting Timeslot Header Based on Coarse
Synchronization Frequency Hopping Pattern

DONG Shi-lei1，Li Yue2，LIU Zhi-rong2

(1.Luoyang Electronic Equipment Test Center of China,Luoyang He’nan 471003,China;

2.China Electronic Import & Export Corporation,Beijing 100036,China)

Abstract：TDMA has wide application in tactical data links in virtue of its good anti-interception,anti-jamming and flexible networking capabilities.Each slot’s pulses can be divided into coarse synchronization,fine synchronization,header and message.By analyzing TDMA system structure and slot structure,the inherent frequency hopping pattern in thirty-two coarse synchronization pulses in timeslot structure.Based on simulation analysis,a timeslot header extraction method is put forward based on the frequency hopping pattern.This method is simulated and tested in the case of pulse lost.The simulation results show that this method is available and can lay a foundation for sequent timeslot analysis.

Key words：TDMA;frequency hopping pattern;template match;timeslot header

作者簡介：董石磊(1985—)，男，工程師，主要研究方向：電子裝備試驗。李悅(1978—)，男，工程師，主要研究方向：電子裝備研制。

收稿日期：2015-06-16

中圖分類號：TN911

文獻標識碼：A

文章編號：1003-3114(2016)01-43-3

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.01.11

引用格式：董石磊，李悅，劉志榮.基于粗同步跳頻規律的時隙頭提取技術[J].無線電通信技術,2016,42(1):43-45，50.