短波跳时跳频信号的同步技术研究

梁东坡,周安栋,王永斌,屈晓旭

(海军工程大学电子工程学院,湖北武汉430033)

0 引言

短波跳时跳频技术具有很好的抗定位能力,而跳时跳频同步是跳时跳频通信的关键技术,只有实现了快速精确的同步,才能正确地接收和解调信息,因此同步系统是跳时跳频通信系统的核心之一。跳时跳频同步的关键是跳时同步和跳频图案的同步,目前的同步多采用包含时间信息的同步字头,将携带有时间信息的同步头置于跳频信号的最前面,收端从同步头中捕获到同步信息后调整本地跳频序列发生器,从而使收发双方实现同步。这种同步方法具有同步搜索快、易于实现以及同步可靠等特点[1,2,7],但是在跳时跳频系统中,信号发送比较慢,采用这种同步方法,占用时间资源较多,所以该文基于跳时跳频信号特征和考虑节约时间资源,提出一种跳时跳频信号同步方法。

1 跳时跳频信号同步原理及捕获

1.1 同步方法原理

传统的同步方法采用的同步头+TOD信息在这里不适用,因为这样导致帧同步头过长,现在采用一种去掉TOD信息的同步头,同步头与跳时PN码和跳频PN码为一一对应关系,信号接收下来同时送入FPGA模块和DSP模块,在同步过程中用滑动窗与接收的信号做相关,检测帧同步头的到来,在FPGA中做帧同步,然后在DSP中做位同步,提取帧同步头信息,得到跳时、跳频PN码信息,控制跳时、跳频PN码产生模块输出与发送端相同的跳时、跳频PN码以进行信号的准确接收。

1.2 帧同步过程

接收信号经过A/D转换和下变频后分别送到FPGA和DSP中,在FPGA中进行信号帧同步检测,采用滑动窗相关检测的方法。一个码元持续时间为T。取与同步头长度相等的接收信号与同步头进行相关,为保证不漏掉同步头中的某个码元,每次滑动半个码元(T/2,也是一个时间元持续时间)再做相关,相关值最大的信号为当前同步头信息,取其接收时间为当前信息接收时间,并存储检测值次大的相关值、接收信息时间、最大和次大之间的移动方向,检测过程如图1所示(接收窗超前信号窗口)。

图1 滑动窗相关检测

在做滑动窗相关检测时是接收信息同时和同步头库中的所有同步头做滑动相关,找出最大为当前使用的同步头。因为每次滑动 T/2的长度,在帧同步结束时,可以捕获到同步头75%的能量,也就是说采样时刻与接收码元之间的时间偏移最大值Δ tmax=T/4。

1.3 位同步过程

图2 接收时刻超前码元时刻

当接收时刻滞后码元时刻时位同步时,位同步示意图与接收时刻超前码元时刻的情况类似。

2 同步性能分析

2.1 同步时间

2.2 检测概率和虚警概率

在加性高斯白噪声(AWGN)信道分析同步系统的性能,给出同步系统的检测概率Pda和虚警概率Pfa。

当无信号存在并且无干扰时,由文献[4]则虚警概率为：

式中,r为判决门限,Q1(◦)为马库姆函数。

当有信号存在且不存在部分频带干扰时,检测概率为：

当无信号存在且有部分频带干扰时,虚警概率为：

当有信号和部分频带干扰同时存在时,检测概率为：

综合上面4种情况,AWGN信道下,虚警概率和检测概率可表示为：

同步头中包含M跳同步序列,因此同步头的虚警概率和检测概率为：

3 同步性能仿真

AWGN信道下,考虑干扰,虚警概率、捕获概率与信噪比、判决门限以及干扰功率之间的关系,噪声为归一化噪声。图3为高斯白噪声下虚警概率Pfa和判决门限r之间的关系(考虑干扰存在的情况)。

图3 虚警概率与判决门限和干扰功率的关系

图3表明,虚警概率Pfa随着判决门限r的增大而减小,当 r=6.8时,Pfa=0.01,随着干扰功率与噪声功率比J/N0的增大而增大,所以存在干扰时,虚警概率大于无干扰时的虚警概率。

图4为高斯白噪声下捕获概率和虚警概率、信噪比之间的关系(考虑干扰存在的情况),由图可以看出,存在干扰时虚警概率为0.01,信噪比大于3.5 dB时,捕获概率可以达到95%以上;相同信噪比下随着虚警概率的减小,检测概率减小,图中虚警概率Pdf取到。

图4 捕获概率和虚警概率、信噪比之间的关系

图5为高斯白噪声下捕获概率与干扰频点数和信干比之间的关系,取虚警概率 Pfa=0.01,信噪比Es/N0=4,E/J为信干比,由图可以看出,随着干扰频点数的增大,捕获概率相应增大,捕获概率均达到97%以上。

图5 高斯白噪声下捕获概率与干扰频点数的关系

4 结束语

采用了新的同步方法,分别探讨了有无干扰2种情况下,在高斯白噪声信道下虚警概率、捕获概率及捕获时间等,并对其进行了仿真。由参考文献[8]跳频同步可靠性指标,同步系统仿真说明：在干扰存在的情况下,该系统具有较高的捕获概率,能够进行稳定地同步,还具有同步时间较短的性能。

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