一種高速跳頻圖案的高效同步方法

李阿明， 李騰飛， 張明利

（上海無線電設備研究所，上海200090）

0 引言

跳頻系統的抗干擾能力與跳頻系統的跳速密切相關，跳頻速率越高，信號頻率被捕獲的可能性就越小，從而削弱跟蹤式干擾對跳頻系統的影響。高速跳頻在實現有效對抗干擾的同時也帶來了一系列的技術難題，其中最急需攻克的難題之一就是對高速跳變頻率的接收同步問題。因此，如何有效實現高速可靠的同步技術，是跳頻通信系統的研究核心。高速跳頻對通信系統的同步捕獲能力要求高［1］，需要系統能夠自動快速實現同步，再同步能力要強，寂靜后能迅速再同步，同時能夠有效對抗干擾引起的虛假同步，且新設備能夠快速入網等。本文結合同步字頭法和參考時鐘法，并利用一種多頻點同步頭結構，設計了一種新的跳頻同步方案，可以在較大的時間動態范圍內實現高速跳頻的快速捕獲和同步。

1 跳頻同步實現途徑

（1）獨立信道法

獨立信道法利用獨立的一個信道來傳送同步信息，實現系統的跳頻通信。該方法能夠連續傳送大量的同步信息，同步建立迅速，保持時間長。但該方法使用定頻傳送同步信息，隱蔽性差，易被發現和干擾。

（2）參考時鐘法

參考時鐘法通過中心站分發高精度時鐘信息，網內通信設備依據該時鐘基準生成跳頻圖案，控制收發信機工作頻率。有了相同的時間基準，便可以實現收、發雙方跳頻圖案的同步。由于利用了精確的時鐘來減小收發雙方偽隨機碼相位的不確定性，因此具有同步速度快、準確度高的特點。如果公共時基精度和穩定度足夠高，用這種方法可以進一步提高跳速、縮短同步時間。但是，該方法對時鐘穩定性要求較高，并且對于相對位置和速度高速變化的通信雙方，跳頻同步精度將受到嚴重影響。

（3）同步字頭法

同步字頭法是在跳頻信號前放置同步頭，用于攜帶跳頻同步信息，接收端可以根據同步字頭的特點，將其從接收到的跳頻信號中識別出來，并利用其攜帶的同步信息調整偽隨機發生器，實現收發雙方跳頻同步。

采用該方法時，接收機可在某一固定頻率上等待同步頭的到來，或對同步頭頻率進行掃描搜索。這種方法具有同步搜索快、容易實現、同步可靠等優點。但是，同步字頭一旦受到干擾，整個跳頻通信系統將無法工作。所以使用同步字頭法時，需要設法提高同步字頭的抗干擾性與隱蔽性能。

（4）自同步法

自同步法是將同步信息包含到發送的信息序列中，在接收機端通過一定的方法將該同步信息提取出來，進而實現收發雙方的跳頻同步。該方法可以有效節省信道資源和信號功率，并且同步信息隱蔽性好，抗干擾能力強，組網靈活。但其同步信息有限，同步時間較長，跳頻頻道數較少，不利于實現高跳速和多跳頻頻道數。

在跳頻系統設計中，往往使用多種同步方法綜合的設計方案，融合不同同步方法的優點，規避其缺點。在兼顧抗干擾能力和捕獲時間的同時，使系統達到最佳的同步性能。

2 高速跳頻通信同步方案

本文結合同步字頭法和參考時鐘法，提出一種適應于高速跳頻通信的跳頻圖案同步方案。利用參考時鐘法控制生成同步頭使用的跳頻頻率，有效提高了同步頭的隱蔽性；將多個頻點用于捕獲同步，降低了對時間精度的要求，有效地解決了參考時鐘法易受時鐘穩定性影響的問題，并且提高了同步頭和整個系統的抗干擾能力。數據段通過同步頭提供的時鐘信息，則可以穩定高效地實現高速跳頻。

首先將系統參考時鐘TOD分為成高低兩端，其中高段慢變化，低段快變化。高段通過TOD按周期T取整獲得，即TODH，低段為TOD按周期T取余獲得，即TODL。

利用慢變化的TODH生成同步頭使用的跳頻圖案，即使用TODH，TODH+1，TODH+2，…，TODH+（m—1）生成連續m 個頻點fH0，fH1，fH2…，fH（m—1）。將 TODH生成的這些頻點序列用于擴跳頻系統的捕獲和幀同步。這樣同步頭的頻點隨時間變化，且不止一個頻點用于捕獲，使得同步頭能夠獲得足夠的隱蔽性和抗干擾性能。這樣一來既利用了同步頭法同步搜索快，容易實現和同步可靠的特點，又可以有效解決同步頭一旦受到干擾整個系統就無法工作的問題。

同步頭傳輸的同步信息主要包括網號、TODL等同步信息。網號用來傳送組網信息，只有收發網號相同，才能進行組網。傳送的發端TODL時鐘信息，用于生成數據幀的跳頻圖案。保留緩沖用于TODL信息更新和位同步調整。

用接收到的時間信息TODL和本地頻率生成密鑰KEY即可生成同步頭后數據幀的跳頻圖案。

綜上可知，上述方案的核心是要解決如何實現多頻點同步頭的捕獲和同步的問題。

由于時鐘穩定性、移動距離變化等因素會引起收發兩端TODH相對關系的不確定性，帶來同步頭位置跳頻圖案捕獲同步的偏差。因此，需要知道接收端捕獲頻率和發送端頻率的相對時間偏差關系，并且在知道時間相對關系后調整接收頻率值完成同步頭的傳輸，并且根據收發時間相對關系對本地接收時鐘進行調整，實現時鐘同步。

使用多個頻點進行捕獲同步的關鍵是通過一定的方法確定收端與發端的TODH的相對偏差，進而調整后續同步頭的接收頻點，實現同步信息的接收。為此要設計特殊的同步頭幀結構，來實現多頻點捕獲和幀同步相對位置關系的唯一性。利用擴頻系統同步頭捕獲和幀同步相對位置的唯一性，確定收端和發端的TODH偏差。

發端使用 TODH，TODH+1，TODH+2，…，TODH+（m—1）生成的m個頻點，重復發送m次前導序列段擴頻偽碼序列，然后逆序使用這m個頻點發送幀同步段擴頻偽碼序列。這樣設計可實現在前導序列段的任意位置進行接收捕獲，誤捕獲和漏捕獲后仍然有多次機會完成捕獲，大大提高了捕獲的概率，并且m個頻點中任意一個頻點均可以捕獲，有效提高了同步頭的抗干擾能力。

接收端使用寬時間間隔切換捕獲頻點進行循環滑動搜索。在實現捕獲后，接收端更換接收擴頻偽碼序列，并保持捕獲頻點不變。隨后，收端將在幀同步段匹配產生幀同步信號。發端信號捕獲和幀同步位置的相對差值均為唯一值，即通過差值關系可以反推出發送端使用的發送頻點。根據幀同步和捕獲的相對位置差值，就可以知道捕獲對應的發送端的工作頻點，再利用本地捕獲的頻點信息，就可以知道收發端的TODH相對時間差。進而，可以調整接收端同步頭后續頻點與發端對齊，實現跳頻圖案的同步和同步信息的接收，并且利用收發時間差可以調整本地接收時間和發送端時間對齊。

通過同步頭的捕獲同步，有效消除了時間不確定問題對同步頭的影響。收方TODH通過同步頭的捕獲同步修正，TODL通過同步頭傳送，達到與發方TOD一致，從而實現系統的高速跳頻同步。

3 通用同步頭設計

通過對上述高速跳頻通信同步方案的分析可知，同步頭結構的設計是實現上述方案的關鍵。滿足上述方案的同步頭結構設計，如圖5所示。使用m個不同頻點發送前導序列的偽隨機碼用于捕獲，且連續發送n次，最后倒序使用這m個頻點分別發送1次幀同步偽隨機碼序列。

設接收端在頻點f（i）實現捕獲，其中i∈｛0，1，2，…，m—1｝；且捕獲對應接收的第j次發送，其中j∈｛1，2，3，…，n｝；捕獲后，接收端的頻點將保持不變，更換接收偽隨機碼序列，直到使用相同的頻點f（i）實現幀同步。此時，幀同步和捕獲相對位置的差值為

設計要求任意兩個不同（i，j）組合對應的差值不同，即D（i，j）互不相同。差值的唯一性將用來判斷接收捕獲頻點與發端頻點相對關系，進而獲得收發端的TODH相對時間差。

滿足上述要求的條件：用于捕獲的頻點序列個數m必須為奇數。連續發送次數n無要求。一般m≥3且m為奇數，n≥2。

簡要證明如下：設E（i，j）=m×j+2i，常數C=m×（n+2）—1，則僅需要判斷E（i，j）在不同（i，j）組合是否存在相同值。

設E（i1，j1）=E（i2，j2），其中i1≠i2，j1≠j2。即m×j1+2i1=m×j2+2i2，即m（j1—j2）=2（i1—i2）。不失一般性可設j1＞j2，i2＞i1。

（1）若m為奇數

為保證兩邊相等，則（j1—j2）為偶數，由于j1≠j2，所以（j1—j2）＞2，由于i1，i2∈｛0，1，2，…，m—1｝，所以 m＞（i2—i1），可得 m（j1—j2）＞2（i2—i1）。所以m為奇數時，不存在使等式成立的情況。

（2）若m為偶數

設i2=i1+m/2，則 m（j1—j2）=（i2—i1）=1，可得（j1—j2）=1，即存在使等式成立的（i，j）組合。所以m為偶數時存在不同（i，j）組合使得差值D（i，j）相同的情況。

當接收TOD時間和發送TOD時間不同步時，為確定捕獲頻點在發送頻點序列中的位置，則可以通過上述差值確定發送頻點的在頻點序列中的相對位置。

頻點生成和系統時間TODH是一一對應的，設頻點更新時間為T，即每隔時間T，頻點更新一次。發送頻點使用當前時間t到時間t+m T的頻點序列。為區分收發頻點分別用fs和fr表示。設捕獲和幀同步對應的頻點分別為fs（i2）和fr（i1）。由于不同頻點幀同步和捕獲的差值是唯一的，所以在接收端發送頻點的位置可以利用該差值推導得到，設為i2。捕獲和幀同步的頻點對接收端來說是已知的，設為i1。則接收端與發送端的時間差為（i1—i2）T。

知道時間差值后，便可以據此調整同步頭后續部分所使用的頻點，與發端對齊。該幀接收成功后可以微調本地接收時間，用以逐漸與發送端實現時間同步。只有時間同步才能有效保證m個頻點用于捕獲，進而有效提高系統抗干擾能力。

圖7為收端fr（0）捕獲了發端頻點fs（m—1），從中能夠看出系統容忍的最大時間不確定范圍區間為（—m T，m T）。為了能正確判斷差值D（i，j），則必須保證頻點fs（0）到fs（2m—2）互不相等，即連續2m—1個捕獲頻點互不相等，否則可能會導致捕獲同步相對位置關系的錯誤。

3 結論

多頻點同步頭的設計使得捕獲同步頻點分散，抗干擾能力強，同時提供了多次捕獲的機制，在首次捕獲受到干擾未完成捕獲的情況下，可再次完成捕獲，有效提高了捕獲的概率。同步頭的跳頻圖案依據系統時間生成，但對時鐘精度要求不高。每幀數據均可快速實現同步，同步時間短，同步可靠。