一种超短波信道跳频同步方法及仿真*

丁昊成　彭军伟,2　杨　平

(1.武汉船舶通信研究所　武汉　430205)(2.哈尔滨工程大学信息与通信工程学院　哈尔滨　150001)



一种超短波信道跳频同步方法及仿真*

丁昊成1彭军伟1,2杨平1

(1.武汉船舶通信研究所武汉430205)(2.哈尔滨工程大学信息与通信工程学院哈尔滨150001)

摘要同步是跳频通信系统关键技术之一。针对超短波跳频通信系统中同步的需求,提出了一种跳频同步方法,利用时间信息划分同步时隙,采用自同步头法并利用跳频同步信息中携带的相关码和TOD信息,实现准确、快速的初始同步。主要研究了跳频同步信息格式、跳频图案同步、跳频跟跳等问题,并对其同步性能进行了分析。仿真结果表明该跳频通信系统的初始同步时间能够满足需求,并且在高斯白噪声信道以及战术信道具备良好的捕获概率。

关键词自同步法; 同步跟跳; 同步时隙; 跳频同步信息

Frequency Hopping Synchronization Method and Simulation in VHF Channel

DING Haocheng1PENG Junwei1,2YANG Ping1

(1. Wuhan Maritime Communication Research Institute, Wuhan430205) (2. College of Information and Communication Engineering, Harbin Engineering University, Harbin150001)

AbstractSynchronization is one of the key techniques to frequency-hopping(FH) communication. Based on the requests of synchronization for a VHF FH communication system, this paper puts forward a synchronization scheme, which is achieved accurately and rapidly by using a self synchronization-head method combined correlation code with time of day, which contains synchronous interval information. This paper mainly studies frame format of FH synchronization, synchronization of FH pattern, FH tracking, and so on. The performance of synchronization shows that the time of initial synchronization in FH communication system meets the requirements. In addition, simulation under the gauss white noise channel and tactical channel indicates that the system has high capture probability.

Key Wordsself synchronization, FH tracking, synchronous interval, FH synchronization information

Class NumberTN91

1引言

跳频通信是现代通信领域中一种有效的抗干扰通信手段。对于中低速跳频通信形成直接的威胁主要有跟踪式干扰或转发式干扰。能够有效对抗这种干扰的措施是提高跳速。这样研究高速跳频通信系统成为了必然[1]。跳频同步建立的快慢和同步系统的抗干扰能力,直接影响跳频系统的性能,跳频同步的实现是跳频通信的难点。

跳频同步的关键是跳频图案的同步,常用的跳频同步方法有独立信道法、参考时钟法、同步字头法、自同步法[2]。独立信道法利用专门的信道来传送同步信息,易于被敌方发现和干扰。参考时钟法需要高精度时钟进行同步,在实际应用中较少使用。同步字头法在跳频通信之前,选定一个或几个频道,先传送一组特殊的携带同步信息的码字,为了使同步信息隐蔽,应采用尽量短的同步字头,但是同步字头太短又影响传送的同步信息量,需折衷考虑[3]。自同步法是利用发端发送的数字信息序列中隐含的同步信息,在接收端将其提取出来从而获得同步信息实现跳频,具有节省信道、节省信号功率和同步信息隐蔽等优点,但由于发端发送的同步信息序列中包含信息有限,所以此法只适用于跳频序列较短的情况[4]。基于自同步法,本文提出了一种适用于超短波信道的跳频同步方法,可以保持简单快速的跳频同步,仿真结果表明该跳频通信系统的初始同步时间能够满足需求,并且在高斯白噪声信道以及战术信道具备良好的捕获概率。

2跳频同步方法

跳频自同步法利用发端发送的数字信息序列中隐含的同步信息,在接收端将其提取出来从而获得同步信息实现跳频,其跳频同步信息包含频率信息(相关码)[5]、时间信息(time of day,TOD)[6]、前导序列以及其他信息,其中频率与相关码为一一对应关系,其跳频信息帧格式如图1所示。

图1　跳频信息帧格式

TOD信息是一个时间变量,随时间的变化而变化,它是由一高精度时钟提供。收发双方的TOD信息保持完全一致是跳频图案同步的关键,TOD信息分为高位TODH以及低位TODL,分别以分钟、跳数为单位[7]。接收单TODH信息通过粗同步捕获修正,TODL通过同步信息进行传输,以达到与发送端TOD信息一致,从而实现跳频同步。

假定收发双方依据TOD信息划分为若干个同步时隙(synchronous interval,SI),每个同步时隙在一组跳频频率集上工作,即收发双方根据TOD信息计算,每间隔SI更新一组频率集进行跳频工作[8],其中每组频率集包含两个频率。无业务工作时,接收端在当前频率集上进行跳频值守,业务发起时,发送端使用前一SI、现SI、后一SI对应的三组频率集共六个频率作为一组频率集进行工作,其跳频频率集如图2所示。

图2　业务发起时,发送端跳频频率集

收发双方通过TOD信息计算自己的跳频频率,采用快发慢收的扫描方式。收发双方的跳频工作模式如图3所示,其中假设收发双方本地时间偏差t0,接收端根据本地TOD信息在值守频率上等待接收跳频信号,并捕获其对应的相关码。当发送端按下握话器(push to talk,PTT)时,先根据本地TOD信息计算跳频图案,并依次切换频率发送跳频同步信息。

图3　收发双方跳频工作模式

当接收端捕获第一个相关码后解析TOD信息,并转为跳速同步跟跳模式,其工作方式如图4所示。

图4　接收端捕获跟跳模式

3仿真分析

仿真采用与实际电台相近的参数,设定同步时隙为20s,设置跳频频点数为6个,负荷跳频同步信息的基带波形采用BPSK调制,其符号速率为20kbps,针对初始同步时间以及同步概率分别进行仿真分析。

3.1初始同步时间

初始同步时间是接收端接收初始同步信息完成跳频同步所需的时间,它与同步信息帧跳数和电台跳频速率的关系为

Ts=N/Rh

(1)

式中,N为同步信息帧的跳数,Rh为跳频速率。本文中N=16,Rh=111h/s,因此可知本文同步方案中同步时间T<0.15s,满足话音电台对同步时间的要求[9]。

3.2同步概率

在高斯白噪声条件下对同步概率进行仿真,设定其信噪比范围为[-7,1]dB,同步概率性能曲线如图5所示。当信噪比为-3dB时,同步概率基本趋近于1;信噪比下降到-6dB时,同步概率还可以达到0.7,可得信噪比大于-6dB时,算法同步性能优异。

同时结合实际应用场景,仿真该同步方法在战术信道条件下的同步性能[10],其性能曲线如图6所示。相比在高斯噪声信道下,同步性能有所下降,当信噪比为0dB时,同步概率才能趋近于1;当信噪比为-5dB时,同步概率还可以保证0.5以上,说明该算法可以满足跳频电台在实际应用中的通信需求。

图5　高斯白噪声信道下的同步概率

图6　战术信道下不同信噪比时的同步概率

4结语

本文描述了一种基于自同步法的跳频同步方法,利用跳频同步信息中携带的相关码和TOD信息,实现准确、快速的初始同步。针对实际应用环境中收发双方时间校准偏差的不确定因素,可以通过改变同步时隙参数适应不同的电台。仿真分析结果验证了同步方法的可行性,初始同步时间和同步概率满足设计指标要求,达到了预期的目的。

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中图分类号TN91

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.01.022

作者简介:丁昊成,男,硕士,研究方向:移动通信和跳频通信。彭军伟,男,博士,研究方向:认知无线电。杨平,男,研究员,博士生导师,研究方向:通信与信息系统,无线通信等。

*收稿日期:2015年7月7日,修回日期:2015年8月25日