一种基于局部序列匹配的跳频自同步方案✴

杜传报，全厚德，赵寰，崔佩璋

一种基于局部序列匹配的跳频自同步方案✴

杜传报，全厚德，赵寰，崔佩璋

（军械工程学院光学与电子工程系，石家庄050003）

为了提高通信系统的同步信息隐蔽性和系统抗侦察能力，提出了基于局部序列匹配的跳频自同步方案，该方案工作在跳频工作状态。本方案中，并行接收机使用很少的支路接收具有某种特征的发送序列L，将序列L与本地序列匹配，确定本地与发射端的跳频序列相位差，调整相位完成同步捕获。通过理论分析，确定了序列L唯一的条件，得到了系统复杂度和捕获时间之间的函数表达式，并给出了系统最优支路数。分析结果表明，该方案不需要同步引导码和勤务频率就可以完成系统的同步保持和迟入网同步，并且捕获速度和系统复杂度均介于滑动相关法和匹配滤波法之间。本方案结合了传统方案的优点，具有良好的隐蔽性，不易被敌方发现和干扰。

通信对抗；跳频同步；初始同步；并行接收机；序列匹配；捕获时间期望

1 引言

在通信对抗中，随着通信侦察和干扰技术的发展，对于跳频同步技术的可靠性、抗侦察性、抗干扰性、抗假冒性提出了更高的要求。传统同步技术有独立信道法、参考时钟法、自同步法、同步字头法。其中自同步法是指通过发射机发送的信息序列中隐含同步信息，在接收机将该同步信息提取出来，从而实现同步的方法。其中常用的串行自同步方案设计简单，但平均捕获时间较长；并行自同步方案平均捕获时间比较短，但设备复杂度高。自同步法具有节省信道、节省信号功率等优点，但自同步法中发射机需要重复多次发射同步引导码进行同步，故存在同步引导码易被敌方侦察干扰的缺点［1］。同步过程完成以后，发射方需要间隔固定时长，周期性地发射含有同步信息的勤务频率完成同步保持和迟入网同步。为了省去同步引导码和勤务频率，提高系统的抗侦察干扰性能，本文提出了局部序列匹配自同步方案，通过适当降低捕获速度换取系统复杂度的降低，同时大大提高了同步信息隐蔽性，并从理论上分析了该方案的可行性。

2 原理描述

接收机和发射机在同步之前，首先会对接收机时间进行粗调整，使得接收机和发射机在国标规定的时间误差范围之中。国家标准规定，战术超短波跳频电台同步的最大时差不小于5min。文中我们假定收发双方的时差最大是5min，跳频电台跳速200 hop／s，跳频频点数目512。同步捕获前接收方并不知道是超前发射方还是滞后发射方，故收方双方最大时差范围是10min，即可能的最大相位差是120 000跳，设为序列P。下面我们以发射机超前接收机的情况为例，对局部序列匹配自同步法的工作原理进行描述：同步前接收机以当前相位为基准快速扫描得到序列P3，发射机当前的相位肯定是在序列P3中。由图1可以看出，接收端序列P2滞后发射端序列P1的相位是Δt长。在t0时刻，接收机端开始捕获到序列L，在t1时刻序列L捕获完成，将序列L和本地序列P3进行搜索匹配，当t2时刻时，L匹配成功，得到L在序列P3中的位置，通过计算求出Δt大小，通过向后调整序列P2的相位使得发射方和接收方相位一致获得初始同步。

3 局部序列匹配自同步法设计

3.1 初始同步方案设计

本方案中，同步信息捕获不使用同步引导码，在跳频工作状态进行同步，同步分为初始捕获、同步匹配、同步跟踪。同步前工作序列不携带数据信息传输，纯载波跳变，同步识别后开始携带数据信息传输，接收机进行数据接收，系统进入同步跟踪状态，进行相位差微调。如图2所示，系统设计N条支路，单条支路结构与传统并行方案中单支路相同，均采用平方律检波器［2］，每条支路上所对应的跳频频率是随机从频点集中选取，接收到含有m跳跳频频率的序列L，这m跳跳频频率及其距离关系能够确使序列L在序列P中是唯一的，其数学分析见3.3节。

同步捕获流程：在同步捕获前，接收机对本地跳频序列进行前后各5min（即局部序列P）快速扫描，得到每跳上的频率及频率在时间上的位置关系。频率控制模块控制频率合成器同时输出N路频率，这N路频率是从整频率集中随机挑选的。发射机发射同步信号时跳频序列相位必然在P中，接收端接收到P中任意一短序列L（该序列在P中是唯一的），与P进行匹配，得到似然度最大的序列L′在P中的位置，可以确定双方的时差，调整本地PN序列相位进行同步识别，识别成功系统进入跟踪模块，跳频载波加载数据传输信息；如果序列L未在P中匹配成功，或者匹配成功后系统同步识别失败，则可确定序列L′为虚警序列，系统重新捕获序列L，再次进行匹配。首先对各支路进行门限判决，若有多个输出产生则无法识别正确的信号支路，当只有一个支路产生输出时，确定此刻接收机接收的载波频率，直至接收到序列L。如果匹配失败和同步识别失败的次数之和超过某门限值时，可认为当前所有支路对应的信道质量很差，通过支路频率控制模块更换载波频率，使系统在更好的信道上接收信息。同步捕获流程见图3。失步再同步、迟入网同步与初始捕获流程相同。接收机系统结构见图2，其中频率合成器由N路DDS实现［3］。

其中支路频率控制模块有3种模式：一是同步模式，支路频率控制模块在同步过程中控制频率合成器产生并行N路频率；二是正常通信模式，支路频率控制模块不起作用，频率合成器随跳频序列发生器的控制进行频率输出；三是同步保持模式，在静默结束后，支路频率控制模块控制频率合成器同步动态输出当前跳相位前后各10跳相位之内的跳频频率。

在同步模式下，频率控制模块频率选择算法：接收机采用21条支路，所以将频率集分为21组，A=｛A1，A2，…，A21｝，其中A1～A8每组有25个频率，A9～A21每组有24个频率。A1～A21中频率是按照频率集中的最小频率到最大频率的顺序排列选取的，支路控制模块从每组频率中随机挑选一个频率设置到接收机的支路。当接收机经过一定时间仍没有捕获成功，则频率控制模块控制接收机，从每组剩余的频率中挑选一个频率进行支路频率更换，系统对被替换的频率进行标记，认为在一次通信任务中该频率信道传输环境恶劣，后续的同步过程中该频率不参与更换。

3.2 同步保持方案设计

跳频系统实现初始同步以后，对于使用±1× 10-6的时钟，漂移至一个跳频周期的时间，跳频速率为200 hop／s时为41.6min；对于使用±1×10-5的时钟，漂移至一个跳频周期的时间，跳频速率为200 hop／s时为4.16min。说明时钟稳定越低，漂移越快。本方案设计中，取消勤务频率来传输勤务同步信息，在电台正常通信过程中使用跟踪环进行相位较准；在双方静默期间，双方时钟会因为时钟稳定度缘故产生时钟漂移，以时钟±1×10-6和跳速200 hop／s为例，本方案所允许的最大静默时长41.6 ×10min［4］。

如图4所示，正常通信过程中，接收机N条支路中只有支路11在接收信息数据，其它支路不工作。而当电台静默结束后，为了校准双方相位差，支路频率控制模块进入同步保持模式，控制频率合成器，使其在本地PN序列生成器控制下，同时产生此刻跳频相位前后10跳内的跳频频率，依次设置在接收机各支路上，其中只有设置为当前跳频率的支路在接收数据。随着时间推移，各支路的跳频频率是动态变化的。

同步保持流程：当电台静默期结束时，系统状态切换到同步保持模式，接收机所有支路开始接收跳频信号，其中能量输出最大的支路认为是信号接收支路，经过连续跳同步识别以后，确认该支路的跳频频率为当前发射端的跳频频率，可求出本地跳频序列相位和发射端的跳频序列相位之差。依据相位差对接收机各支路跳频频率进行重新配置，系统状态切换到正常通信状态，完成时钟较准。同步保持流程见图5。

3.3 局部跳频序列唯一性

本方案采用线性反馈移位寄存器式结构生成跳频序列［5］，为尽可能解决频率滞留问题，采用基于GF（P）上m序列的一般模型［4］产生跳频序列。国标规定超短波电台序列周期不小于10年，此处跳频序列周期设为236位。一次通信任务只会用到很短一部分跳频序列，局部长序列随机性的好坏影响跳频系统通信质量。已证明120 000跳长的局部序列P随机性满足本方案的要求［6］，本文仅对序列唯一性进行统计分析。序列P中，某含有m跳跳频频率的序列L，以这m跳的频率作为参考频率，参考频率从跳频频点中任意选取，并且这m跳频率的时间间隔任意，L序列重复出现的次数就是我们需要统计的内容。如图6所示，序列L中m跳跳频频率间隔分别为Ra，Rb，…，Rm，取值不定。有R=，这R跳中不含有参考频率。取100条序列样本，每条序列取100个随机短序列L作统计，依据统计结果可以得出：在序列P中，L序列随着参考频率个数增加，重复次数快速减小，重复次数与间隔并无明显关系。间隔R=0时，m≥5，L序列具有唯一性；间隔任意且不为0时，m≥4，L序列是唯一的。比较这两种情况的L序列的统计特性，可以得出同样参考频率个数的情况下，参考频率位置不相邻会使得其出现重复的概率减小，据此处统计结果得出：mmin=5，当m≥5时，序列L在P具有唯一性。如表1所示，上半部分是间隔相邻情况下的统计结果，下半部分是间隔不相邻情况下的统计结果。

4 无干扰环境下捕获性能分析

4.1 平均捕获时间

本方案中，A=｛f1，f2，f3，f4，…，f512｝，A是跳频频率集，共有512个跳频频率，每跳周期为0.005 s，接收机设N条支路，对应N跳互不相同的跳频频率。同步时间T=TRe+TM，其中TRe是接收机捕获到序列L所用的时间，L中含用m跳支路所对应的频率。TM是匹配模块在本地已知序列中搜索序列L的最大似然序列L′以及求得相位差调整相位的处理时间，TM主要取决于软件算法及硬件处理速度。这里我们主要对TRe进行求解分析。如图6所示，TRe从接收机接收到第一个频率fa时起，到接收到序列L的最后一个频率fm为止。据3.3节中的结论，此处有m=5。

则平均捕获时间的概率密度函数f（n）为

平均捕获时间的分布函数F（n）为

平均捕获时间期望TRe（N）

跳频周期是0.005 s，由式（1）得到f（x），物理意义是在某时刻捕获到序列L的概率［7］；同样由式（2）得到F（x），物理意义是在某时刻内捕获到序列L的概率。如图7所示，支路数N增大，系统在较短时间捕获成功的概率增大。

图8 绘出了不同支路数N下平均捕获期望的曲线，有N=21时，TRe=0.64 s。t时刻捕获成功的概率为95%时所需要的最小支路数为Nmin，此条件下其平均捕获时长为TRe，并进行了仿真验证，与理论计算相吻合，见表2。

4.2 系统复杂度分析

由本方案的系统框图可知，该方案系统结构介于串行和并行两者之间［8］，在保证捕获速度的要求下，N=21。此条件下，复杂度大约是传统并行匹配滤波法的21／512。关于序列判决和搜索匹配工程上均是由FPGA模块实现，现有器件速度完全可以满足实时性要求。

5 结束语

通过在无干扰环境下进行性能分析，基于捕获时间、系统结构等指标的综合要求，提出了局部序列匹配自同步法。系统复杂性和捕获时间期望值等方面对比表明，该方法不但具有优于传统并行方案的抗干扰特性，其结构远远小于并行匹配滤波法的结构，并且省去了自同步法中特有的同步引导码，同步捕获在跳频工作状态完成，通过牺牲掉部分捕获速度换取同步过程更好的隐蔽性及系统复杂度的降低，经分析，本方案的捕获速度是可以满足通信要求的。其中判决和搜索匹配算法设计是优化本方案性能的关键。本方案对于提高传统跳频通信保密性及可靠性有着重要的意义。本方案是传统两种方案的折衷，下一步工作将利用现有仿真平台，对高斯白噪声、梳状干扰、跟踪式、网间干扰等多种干扰环境进行性能分析和改进。

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DU Chuan-bao was born in Xi′an，Shannxi Province，in 1987.He received the B.S.degree in 2009.He is now a graduate student.His research concerns navigation，guidance and control.

Email：leopardfly222＠163.com

全厚德（1963—），男，辽宁大连人，博士，教授、博士生导师，主要研究方向为通信设备性能测试；

QUAN Hou-de was born in Dalian，Liaoning Province，in 1963.He is now a professor with the Ph.D.degree and also the Ph.D.supervisor.His research concerns communication equipment performance testing.

赵寰（1985—），男，山东临沂人，2010年获硕士学位，现为博士研究生，主要研究方向导航、制导与控制；

ZHAOHuan was born in Linyi，Shandong Province，in 1985.He received the M.S.degree in 2010.He is currently working toward the Ph.D.degree.His research concerns navigation，guidance and control.

崔佩璋（1974—），男，山西长治人，2005年获工学硕士学位，现为讲师，主要研究方向为通信与信息系统。

CUIPei-zhang was born in Changzhi，Shanxi Province，in 1974.He received the M.S.degree in 2005.He is now a lecturer. His research concerns communication and information system.

A Frequency-hopping Self-synchronization Scheme Based on Partial Sequence Matching

DU Chuan-bao，QUAN Hou-de，ZHAO Huan，CUIPei-zhang
（Department of Optics and Electronic Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

For improving the performance of synchronization message concealment and anti-reconnaissance in a communication system，a new self-synchronization scheme called partial sequencematching is proposed which works in FH（Frequency-hopping）status.In this scheme the parallel receiver gets the featured sequence L transmitted with few branches，and the L ismatched with local hopping sequence，then the receiver and trans mitter′s phase difference can be calculated for adjusting this difference tomake system synchronous.Through theoretical analysis，the condition for the uniqueness of the sequence L is determined，the function expression between system complexity and acquisition time is obtained，and finally the optimal number of this system branches is got.The results show that，this schememakes system hold synchronization and late entry synchro

nization without any synchronization lead code and service frequency，and itowns a shorter acquisition time than sliding correlation scheme，and amore simple structure thanmatched filter scheme.This scheme combines tra

ditional scheme advantages，and conceals better during synchronization process，so the system can not be easily found and interfered by enemy.

communication countermeasurement；FH synchronization；initial synchronization；parallel receiver；sequencematching；acquisition time expectation

TN97；TN914.41

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.10.013

杜传报（1987—），男，陕西西安人，2009年获学士学位，现为硕士研究生，主要研究方向为导航、制导与控制；

1001-893X（2011）10-0060-07

2011-04-29；

2011-07-06