短波跳頻通信系統同步方法的研究分析

吳鑒冰

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣東 廣州 510663）

短波跳頻通信系統同步方法的研究分析

吳鑒冰

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣東 廣州 510663）

文章介紹了短波通信抗干擾的幾種方法，分析了跳頻同步技術的特點、技術原理及影響因素、同步技術實現過程；設計了一種并行搜索TOD同步字頭法，這種方法同步速度快，適用于快速跳頻系統。

短波跳頻通信；跳頻同步技術；TOD信息；并行搜索；TOD同步字頭法

1 短波通信抗干擾技術分析

1.1 頻率跳變

頻率跳變關鍵技術是頻譜感知，目前多采用DSP，FPGA等數字技術實現頻譜感知。在電子通信偵察機接收到信號頻率時，加載同頻率的干擾信號，干擾信號則由頻率合成器合成。頻譜感知系統采用數字化雙信道模式，便于接收信號和實施干擾。理論上，跳頻速率越高，干擾信號越強，但是在實際應用中，由于受掃描間隔的影響，跳頻速率過高，容易引起有用信號的惡變，導致無法接收有用信號。因此，需要統籌考慮信道帶寬及信道切換時間，同時還要考慮信號信道駐留時間、短波通信多徑效應的特點，選擇合適的跳頻速率。信道掃描多采用數字預置頻率集掃描模式，也有采用全頻段順序掃描。為了取得良好的干擾效果，干擾信號跳變圖案應區別于有用信號，這樣便于干擾信號的識別。目前軍事應用中，干擾偵察機的干擾跳速可以達到500 H/S[1]。

1.2 自適應跳頻

自適應跳頻主要針對敵方人為干擾。自適應跳頻特點在于精確感知敵方干擾信號后，在收發信號過程中有效進行信道切換，即捕獲到某個頻率點干擾，立即在下一次跳變點更換掉上一頻率。自適應跳頻必須對信號樣本具有足夠的分析能力，然后才能實現接受功率的精確檢測，尤其對于中頻信號進行頻譜分析，跳頻掃描速率應達到足夠快，采樣速率和跳頻駐留時間應作為主要考慮參數，從而實現較高的掃描速度。自適應跳頻采用雙工信道模式，引入非對等時分技術，對功率譜進行預估計，保證下行鏈路通信質量，又可以實現上行通信控制，提取相應頻點功率譜密度，建立通信鏈路修正頻率表，提升頻譜感知質量，增強抗干擾性能，自適應跳頻實現了頻率和功率的自適應。短波自適應跳頻在國外軍事應用于CSF-350 H，CHX-200等電臺，但在中國還沒有成熟技術應用到軍事領域。

1.3 差分跳頻技術

差分跳頻（Differential Frequency Hopping，DFH）是在頻域和時域內實現冗余度自接插入的跳頻技術。該項技術沒有增加額外數據碼元，采用自糾錯控制算法，在阻塞及瞄準模式的干擾中，實戰效果明顯。另外采用跳頻發射時駐留時間內設置的特殊碼組以及同步固定頻率特性，能識別跳頻質量的好壞，自動診斷干擾效果，在軍事抗干擾實戰中應用廣泛。

1.4 混合多址接入技術

混合機制融合了競爭機制和分配機制優點。通信空閑時段，利用競爭機制的MAC協議，減少延時，增加信道資源利用率；通信繁忙時段，則通過分配機制的MAC協議，實現無分組碰撞，增大吞吐量。

2 跳頻同步技術

2.1 跳頻同步的分類

跳頻系統通常由偽隨機序列控制，硬件系統中的頻率合成器生成載波頻率，跳頻接收機和發射機在載波頻率一致，同一時間段內發送和接收信號時，才能實現安全可靠通信，跳頻系統的同步主要是位同步、幀同步、載波同步和跳頻圖案的同步；位同步主要類型為碼元定時、偽隨機序列chip等同步方法，實現接收雙方位信息的同步，系統只有檢測到幀同步信息后，才能提取有用信號的信息；載波同步通過一般的頻率合成器處理。對跳頻圖案的同步進行分析和研究，即偽隨機序列同步，其同步具體內容如圖1所示。

圖1 跳頻圖案的同步原理

2.2 同步技術原理及影響因素

同步技術核心是實現兩端通信的時間同步。跳頻同步要求接收端和發射端必須保持跳頻序列相一致，頻率合成算法相同，碼相位和頻率起跳時刻統一。跳頻同步技術原理是，接收信號前，接收機提取發射端發射信息中的跳頻序列、跳頻圖案模式、起跳時間等內容，接收過程需要對頻率/時間漂移、多徑效應等形成的誤差進行及時調整，滿足同步要求。接收端讀取發送端同步信息完成后，開始啟動本地跳頻序列發生器，接收跳頻信號，并對基帶信號進行解調處理，實現跳頻通信安全、穩定聯接[2]。同步不確定影響因素主要包括頻率源的漂移、電波傳播的時延、多普勒頻移、多徑效應等。頻率漂移主要是由頻率源元器件老化等引起，頻率源作為跳頻系統核心，可以產生fc,f L ,fr/fcLk等頻率，引起載波頻率漂移，導致碼元時鐘頻率偏移，最終積累為碼相位的偏移，影響系統性能。

2.3 跳頻圖案同步過程

跳頻圖案的同步過程包括捕獲、跟蹤，即初始同步（粗同步）。接收端搜索發射信號中的初始相位信息，進行有效提取，并隨機對本地跳頻碼相位進行調整，滿足收發兩端跳頻碼相位誤差控制在1切普內。跟蹤（精同步）主要實現精確對準捕獲后剩余信息相位差，實現接收端、發送端跳頻碼相位完全一致和同步保持。

跳頻同步初始化完成，接收機對本地時鐘進行同步調整，搜索發射端的跳頻信息，信息搜索到以后實施捕獲，完成搜索程序，開始進入同步跟蹤程序，跟蹤結束對同步過程進行鎖定。如果信號處于誤差范圍之外，處于失步狀態，系統將重新對信號進行捕獲。同步捕獲時，對信號檢測概率要求盡量大，同步過程盡量減少虛警檢測的概率。跳頻通信中的同步方法可根據需要選擇采用自同步法、TOD信息同步字頭法、參考時鐘法、獨立信道法、同步字頭法、并行搜索TOD同步字頭法等。

3 并行搜索TOD同步字頭法

3.1 并行搜索TOD同步字頭法序列格式

基于并行搜索TOD同步字頭法對接收端和發送端信息同步，信號采用伯努利01序列作為前導序列，前導序列的目的在于實現接收端完成同步頻率的跟蹤，伯努利01序列隨機性較好，偽裝性能高。幀同步序列是一種相關碼序列，接收端根據相關峰檢測同步序列，對同步跟蹤效果進行驗證。幀同步實現以后，發送端開始傳輸TOD信息中的TODH，TODL等信息，接收端對TODH，TODL信息進行有效提取處理，并根據接收信息及時調整本地的TOD信息，TOD同步字頭法序列格式中的網號是實現跳頻組網信息的重組。并行搜索TOD同步字頭法序列格式如圖2所示。

圖2 并行搜索TOD同步字頭法序列格式

3.2 同步方案

并行搜索TOD同步字頭法在發送端發送數據信息前，先發送一組建立同步信息的同步序列，建立收發端的序列同步。初始化序列完成，收發兩端采用TODH轉換規則，在跳頻頻率表中進行同步選頻。同步選頻一般選擇最大信道間隔、最寬帶寬的跳頻頻率，以有效增強信號的抗干擾能力。選頻結束，發送端依次循環跳變的同步頻率上發送同步序列。接收端是基于并行方式實現接收同步，其規則是在n條并行支路上，接收系統同時搜索同步信號，起始頻率以及發送端同步跳變。

3.3 性能分析

式（1）中，前導序列為n1，TOD及網號為n3，幀同步序列為n2，調頻周期Th，假設跳頻速率為1 000 h/s，信息比特率為500 bit/s，n1=20跳，n2=62跳，n3采用（3，1）線性分組碼編碼。收發雙方的時間相差≤1 h，則TOD信息傳輸速率為22 bit，同時設網號信息5 bit，n3=162跳，則TS=244 ms＜600 ms，能夠滿足軍隊標準規定。

4 結語

跳頻通信信號機制和工作原理比較獨特，對抗各種干擾效果良好，其衰落與跟蹤技術性價比高，其關鍵技術是實現收發雙方的跳頻同步，同步方法研究尤為重要，文章通過基于并行搜索TOD同步字頭法進行了介紹與分析，該方法性能優良，適合快速跳頻系統。

[1]葛海波，劉斐，周艷娥，等.一種快速的DS/FH混合擴頻信號捕獲方案及其性能分析[J].電訊技術，2013（9）：1148-1153.

[2]孫寧波.混合擴頻系統解跳技術的研究及實現[D].杭州：杭州電子科技大學，2011.

Study and analysis on the synchronization method of shortwave frequency hopping communication system

Wu Jianbing
（Haige Communications Group Limited by Share Ltd, Guangzhou 510663, China）

This paper introduces several methods of anti-jamming of shortwave communication, analyzes the characteristics, principle and in fl uencing factors of frequency hopping synchronization technology, and implementation process of synchronization technology,designs a parallel search TOD synchronization head method that has synchronous speed and suitable for fast frequency hopping system.

shortwave frequency hopping communication; frequency hopping synchronization technology; TOD information; parallel search; TOD synchronization head method

吳鑒冰（1979— ），男，廣東饒平，碩士，工程師；研究方向：軟件工程。