宽带跳频信号捕获分析方法研究

傅旭红

摘   要：跳频通信系统在军事、雷达通信等领域应用广泛。在电子对抗战中，跳频通信技术可用于保障通信的稳定。在民用通信领域中，如家庭射频、无线个人局域网中，利用跳频通信技术能够实现可靠的抗干扰数据传输。快速、准确地实现跳频同步是跳频通信系统正常运行的基础。跳频同步又分为同步捕获和同步跟踪两个阶段。文章主要对宽带跳频信号捕获分析方法进行研究。

關键词：跳频通信系统;民用通信;跳频同步;跳频信号捕获;跳频快速捕获

跳频通信系统具有抗干扰、抗衰落、低截获等优势。第一个实用跳频通信系统于1963年应用于美军指挥舰上，用于对抗敌对干扰。自此以后，跳频通信技术得到了持续的发展与广泛应用，在电磁环境复杂、 恶劣的电子对抗战中，在民用通信领域等，均利用跳频通信技术完成抗干扰数据传输。跳频同步作为跳频通信系统正常工作的必要条件，是使收发两端频率跳变规律完全一致，要求频率一致、相位一致，并具有很强的抗干扰性、通信实时性。跳频同步分同步捕获和同步跟踪两个阶段。同步捕获是在1/2个频隙宽度的精度上完成粗同步，同步跟踪是完成进一步的精确同步、相位实时锁定。同步捕获的性能在很大程度上决定了同步系统的性能，自跳频通信系统问世以来，关于跳频信号同步捕获的研究从未停止，研究成果也较为显著[1]。

1    宽带跳频信号的常见捕获方式分析

宽带跳频信号的常见捕获方式有等待法、匹配滤波器捕获、滑动相关法。等待法捕获是将本地频率合成器输出固定于跳频图案的某一频点，接收到对应频率信号时，可通过混频滤波输出中频信号。等待法捕获方式的捕获时间与跳频伪码周期之间呈正比。

匹配滤波器是在接收端设置N个频率合成器，其中，N是跳频图案中所有频点的数量，采用匹配滤波器捕获能够较快实现跳频快速捕获。因采用频率的合成器较多，导致应用匹配滤波器捕获的成本较高。当宽带跳频通信系统处于同步状态时，仅需要一个频率合成器工作，从而导致资源浪费。在系统结构复杂度方面，匹配滤波法捕获需要由多条混频、滤波、检波、二值判决等组成相关支路[2]。

滑动相关法捕获应用的原理为在本地频率合成器频率输出、发端的频率跳变完全一致时，经混频后即输出中频，包络检波后输出值较大。按包络检波输出可判断频隙收发端跳频频点、频率相同与否。对跳频序列周期内判决结果可进行累加统计，以统计计数结果控制搜索指令，计数器输出超出预定门限值则捕获成功，计数器输出低于门限值则视为本地频率合成器频率跳变规律与发送方不一致，可通过搜索指令对本地跳频序列进行相移后，进行跳频周期相关运算，直至捕获成功[3]。在系统结构的复杂度上，滑动相关法捕获需要一条混频、滤波、检波、二值判决等组成的相关支路，系统结构简单，故滑动相关法捕获应用较为广泛。

2    宽带跳频信号的捕获方法优化研究

2.1  宽带跳频信号捕获方法优化的必要性

为了提高抗干扰能力，现代雷达、通信系统的跳频带宽已提高至几十兆赫兹、几百兆赫兹，跳变速率达到千跳/s以上，高速跳变信号捕获在通信、电台设备维护、电子对抗中有着重要的意义。常用的宽带跳频信号捕获分析方法具有很大的分析带宽，但因自身扫频设计，需按照一定频率步进按照时间顺序进行扫描，导致可能遗漏当前扫描位置、时间外信号信息等，仅适用于分析频率特性较稳定的信号。常用宽带跳频信号捕获只能保留频率、幅度信息，无法反映跳频信号随着时间变化的特性，使得扫频方式不能完全捕获快速跳频信号，无法实现对跳频信号参数的精确分析。

对宽带跳频信号捕获方法进行优化，实现宽带跳频信号实时快速捕获分析，可利用宽带采样、宽带丰富的触发功能、宽带高速处理特性，实时、快速地计算出宽带跳频参数，同时，将信号无缝捕获至存储内存中，并能够对已捕获信号进行分析，如频域分析、时域分析、调制域分析。实时快速宽带跳频信号捕获方式涉及发射端、信道、接收端几个部分，包含跳频码发生器、频率合成器、跳频同步控制器、基带调制器、跳频调制器、跳频解调器、信道等。其中，跳频码发生器可产生伪随机码序列，频率合成器能在高精度参考频率下产生一系列离散频率，跳频同步控制器为快速跳频通信系统，基带调制器与解调器则决定着基带数据调制解调的方式[4]。实时快速宽带跳频信号捕获兼具跳频系统的所有优点，传输同样信息信号时需要的传输带宽远远超过常规通信系统中各种调制方式需要的带宽，即便在低信噪比下，信道也能在相同容量下传送信息，并具有抗人为干扰、抗多径干扰、抗窄带干扰等特点，目前对宽带跳频系统造成最大威胁的是频率跟踪式干扰，应用实时快速宽带跳频信号捕获，当跳频速率足够高时，如跳频速率超过一万次/s则能够有效对抗频率跟踪式干扰。借助实时快速宽带跳频信号，捕获每个数据码元在不同频率上的传输，当频率最小间隔>信道带宽，则频率分集可获得抗多径干扰能力[5-7]。

2.2  宽带跳频信号捕获方法优化方法

基于宽带跳频信号捕获方法优化，建立实时快速宽带跳频信号捕获方法，可采用匹配滤波器进行直扩伪码的捕获，在抗干扰性能上，匹配滤波器具有最高级别的抗干扰性，基于匹配滤波器法实现宽带跳频信号捕获方法的优化是可行的。为了提高系统的抗干扰性和保密性，使得信息不容易被干扰者截取和篡改，可以使跳频周期延长并且采用多达十几年跳频周期不重复的方法来对抗干扰。这种长周期的跳频序列用传统的方法不易实现，系统用高稳定度的时钟源作为标准，把时间用计数器递增排列，用移位寄存器产生TOD（Time of Day）序列，然后用分组加密算法对序列加密后由跳频密钥控制其产生跳频图案。TOD通过收发双方根据本地的高精度时钟各自产生，具有独立性。由于收发双方的时间不可能完全相同，所以两者的TOD信息有可能不同，从而导致两者的频率跳变规律也不同，使得收发双方不能同步，无法解调信息。发送端将本地的TOD信息作为发送内容的一部分给收端，收端进行捕获后解出发端的TOD信息，然后根据此信息调整本端的TOD信息，使得两端的TOD一致，完成后续同步跟踪过程。TOD信息由高位TODH和低位TODL组成，TODH以分钟为单位计时，完成系统的粗同步，而TODL以每跳的时间为单位计时，当计满一分钟时低位就向高位进一位，完成系统的精同步。基于TOD的同步包含前导序列、帧同步信息、TODL信息以及网号信息[8]。

前导序列是在与TOD信息相对应的频率上进行发送的，假定系统有n个跳频频率，分别是f1，f2…fn，与n个相关码序列相对应。低轨卫星将本地时间信息转化为TODHs信息后，n个时间信息TODHs-i（i=0，1，2…n-1）按照算法计算出的n个同步头频率为fi（i=0，1，2…n-1）。如果收发双方的时间差在一分钟之内，则两者的TODH相同，超过一分钟则更新一个频率，超过n分钟则所有频率被更新。收端借鑒匹配滤波法，先设置n条支路进行信号搜索，不同的支路根据不同的起始频率有规律地跳变，它的后一支路的起始频率则为该支路起始频率的下一个频率。比如第一条支路的频率按照f1，f2…fn进行跳变，第二条支路的频率按照f2，f3…fn，f1进行跳变，其他支路参照该情况。收端采用接收速率为发端1/（n+1）的速率对发送端相关码的频率进行扫描，每个支路中接收到的信号与本地频率发生器产生的中频信号混频并通过中频滤波器滤波后进行平方检测。若发送时间与接收时间的间隔大于一跳间隔，中频滤波器的输出则为0;否则，在中频滤波器带宽内，有信号通过滤波器，经过峰值检测得到对应的相关码。同时，为了防止虚警，需要对其后K跳也进行相关峰值检测，如果收到的L个相关码大于K/2，则表示捕获成功，否则不成功，再重新进行扫描。收端根据检测到的相关码根据频率表找出对应的频率值编号，然后计算出本地频率值编号与发端频率值编号的差值，并用该差值与本地TODH的值计算得出发端的TODH值，从而转入跟踪阶段（见图1）。

3    结语

匹配滤波器法、滑动相关法、等待搜索法等是现阶段宽带跳频信号捕获的常用方式，其中，匹配滤波器法具有最高级别的抗干扰性能。在宽带跳频信号捕获分析中，以常用信号捕获方式为基础，构建宽带跳频信号捕获分析的优化方法，充分利用匹配滤波器捕获、等待搜索法捕获等方式，通过高速数字处理与信号触发能力，对宽带跳频信号进行分析，这些是常用捕获方式难以实现的。利用TOD时间信息与匹配滤波器相结合进行实时、快速宽带跳频信号的捕获方法具有处理能力强、速率高等优势，且具有强抗干扰、快速捕获、结构简单、易于实现等特性，能够缩短跳频快速捕获时间，使接收机短时期内建立起系统的快速同步。相信伴随着对宽带跳频信号捕获分析方法研究的深入，未来能够出现更加理想的跳频信号捕获方法，兼具匹配滤波法的快速捕获速度、滑动相关法的简单系统结构，同时，保持最高级别的抗干扰性。

[参考文献]

[1]王庆胜，竺小松，汪海兵.一种解决多相滤波信道化信号接收模糊的方法[J].电子信息对抗技术，2016（5）：35-40.

[2]余婉婷，于宏毅，杜剑平，等.联合波形重构的数字调制信号直接定位方法[J].信号处理，2018（7）：799-810.

[3]李伶研，高振斌，宋涛，等.频谱仪在电磁近场探测中的自动化应用[J].现代电子技术，2018（14）：141-146.

[4]李金光，李永彬，刘浩，等.基于载波频谱分析的并行捕获算法研究[J].电子世界，2018（10）：94-95.

[5]TZOREFF E，WEISS A J.Expectation-maximization algorithm for direct position determination[J].Signal Processing，2016（10）：133.

[6]DU J，WANG D，YU W，et al.Direct position determination of unknown signals in the presence of multipath propagation[J].Sensors，2018（3）：18.

[7]冯旭东，王琼.浅析测控雷达信号频谱特性分析[J].信息技术与信息化，2018（5）：104-106.

[8]李春奇，吴迪，赵拥军.利用多普勒的运动单站直接定位算法[J].信号处理，2018（5）：66-71.

Research on acquisition and analysis method of broadband frequency hopping signal

Fu Xuhong

（Nanjing Panda Handa Technology Co.， Ltd.， Nanjing 210000， China）

Abstract：The frequency hopping communication system is widely used in the fields of military and radar communication. The frequency-hopping communication technology can be used to guarantee the stability of the communication in the war of resistance to the war. In the field of civil communication， such as home radio frequency and wireless personal area network， reliable anti-interference data transmission can be realized by using frequency hopping communication technology. Fast and accurate frequency hopping synchronization is the basis of the normal operation of the frequency hopping communication system. The frequency hopping synchronization is divided into two phases： synchronous capture and synchronous tracking. In this paper， the analysis and analysis method of the wideband frequency hopping signal is mainly studied.

Key words：frequency hopping communication system; civil communication; frequency hopping synchronization; frequency hopping signal acquisition; frequency hopping fast acquisition