一种跳频电台组网中跳频图案的同步方法

范真真，张笑宇

(1 山东轻工职业学院信息工程系，山东淄博 255300;2 山东特种工业集团有限公司军品研究所,山东淄博 255200;3 沈阳理工大学研究生院,沈阳 110159)

0 引言

跳频通信技术依靠伪随机码(PN码)对跳频信号的频带展宽，与传统通信技术相比具有良好的三抗(抗截获性、抗干扰性和抗衰落性)通信优势，凭借优秀的抗截获和抗干扰能力，跳频技术通常应用在复杂多变的信息化战场环境的电台组网中[1]。随着信息对抗技术的不断发展，具有更强可靠性和安全性的高速跳频技术出现在信息化战场电台组网中，典型的高速跳频通信系统有CHESS电台、MILSTAR、AFASTCOM通信系统[2-3]。

目前，常见的跳频电台组网中的同步技术有：独立信道法、参考时钟法、自同步法和同步字头法等[4-5]。独立信道法占用的跳频频率频谱资源较高，同步信息存在抗截获和抗干扰能力弱的缺点；参考时钟法高精度的参考时钟设计成本高，在电台组网中难以应用；自同步法由于电台组网请求信号发送的隐藏同步信息有限，电台组网中存在时耗长的缺点；同步字头法在电台组网时速度快、易实现，但需要占用跳频电台组网信道额外的频率和信号功率资源。

跳频技术虽可通过高速跳频获得跳频处理增益，但组网过程中跳速高，驻留时间短，如何快速稳定实现跳频电台组网的跳频图案同步成为技术难题。文中依据跳频通信机理，针对目前跳频图案同步方法的优缺点，提出一种等待搜索和快速扫描法相联合的跳频图案同步方法。

1 跳频系统机理

跳频电台组网中发射机和接收机的主要工作模块为跳频发生器和频率同步器[6]。其中，跳频序列发生器主要用于产生伪随机序列，频率合成器主要用于合成所需要的载波频率[7]。跳频接收机则主要通过频率同步器实现载波频率的同步，完成信息传输。基本原理如图1所示。

图1 跳频通信系统原理图

跳频发射机通过预编码、信息调制和跳频二次调制后将组网信息进行发送。接收机发现了电台组网请求后，无法立即完成解跳和解调，跳频电台同步环路需要首先完成各组网单位间的跳频图案同步[8]。因此，跳频图案同步是信息化战场跳频电台间能否组网成功的先决条件。

2 跳频图案同步方法

2.1 等待搜索法

等待搜索法的基本工作原理是电台信号在跳频频点集的固定频率上等待，当组网电台经过混频、滤波预处理判决后，超出门限值，则表示组网成功，否则继续等待。以图2为例：跳频电台组网请求信号频率变化顺序为{f1,f2,f3,f4,f5,f6,f7,f8,f9,f10}，电台接收机在频率f9上固定等待，当判决超过预先设定的门限时表示搜索频率成功，当搜索到起始组网频率后，跳频电台接收机的跳速调整到组网请求信号相同的跳速。

图2 等待搜索法搜索图

2.2 慢速扫描法

慢速扫描法的基本工作原理是跳频电台接收机跳速是组网请求信号跳速的N分之一，其中N小于跳频频点集里跳频频点数目。以N=8的图3为例：跳频电台组网请求信号频率变化顺序为{f1,f2,f3,f4,f5,f6,f7,f8,f9,f10}，电台接收机频率按图3中间所示的规律跳变，电台接收机经过8跳的驻留时间后改变至下一频率。当电台频率为f10时，即在第二个跳频周期，判决超过预先设定的门限时表示搜索频率成功。当慢速扫描法搜索到起始组网频率后，跳频电台接收机的跳速调整到组网请求信号相同的跳速。

图3 慢速扫描法搜索图

2.3 快速扫描法

快速扫描法的基本工作原理与慢速扫描法不同，跳频电台接收机跳速是组网请求信号跳速的M倍，以M=2的图4为例：跳频电台组网请求信号频率变化顺序为{f1,f2,f3,f4,f5,f6,f7,f8,f9,f10}，电台接收机频率按图4中间所示的规律跳变，搜索频率表分成A/M组，A为组网频点集的频点数目，此时A/M=5，分别为{f1,f6},{f2,f7},{f3,f8},{f4,f9},{f5,f10}。当电台频率组为{f5,f10}时，即在第一个跳频周期，判决超过预先设定的门限时表示搜索频率成功。当快速扫描法搜索到起始组网频率后，跳频电台接收机的跳速调整到组网请求信号相同的跳速。

图4 快速扫描法搜索图

2.4 联合同步法

针对以上跳频图案同步方法的优缺点，提出一种等待搜索法与快速扫描法相结合的联合同步法，其基本工作原理是跳频电台接收机跳速是组网请求信号跳速的T倍，以T=A=10的图5为例:跳频电台组网请求信号频率变化顺序为{f1,f2,f3,f4,f5,f6,f7,f8,f9,f10}，电台接收机频率按图5中间所示的规律跳变，{f1,f2,f3,f4,f5,f6,f7,f8,f9,f10}即在第一个跳频周期，判决超过预先设定的门限时表示搜索频率成功。当联合同步法搜索到起始组网频率后，跳频电台接收机的跳速调整到组网请求信号相同的跳速。

图5 联合同步法搜索图

3 仿真分析

在MATLAB 7.1软件环境下对跳频电台组网中的跳频图案同步法进行仿真验证。具体的仿真参数：组网信号的中频为51.25 MHz；采样频率为10.25 GHz；跳驻留时间为6.4 μs；跳间隔为6.6 μs；跳周期为13 μs；跳速为76 923 hop/s；PN码为M码；调制方式为MSK；跳频电台接收到的前8个组网请求频率为{0.917 GHz,1.001 GHz,0.938 GHz,1.082 GHz,1.124 GHz,1.148 GHz,1.061 GHz,1.103 GHz}。电台接收机接收频率为1.051 GHz的电台信号与组网请求信号经混频、滤波的仿真结果如图6所示。

图6(a)是电台信号与第一跳请求信号的混频、滤波结果图，其中电台信号的载波频率为1.051 GHz、请求信号的载波频率为0.917 GHz，滤波并经过能量积分后最大信号幅度值为0.005 V。图6(b)是电台信号与第七跳请求信号的混频、滤波结果图，其中电台信号的载波频率为1.051 GHz、请求信号的载波频率为1.061 GHz，滤波并经过能量积分后最大信号幅度值为0.01 V。

图6 跳频信号混频、滤波处理结果

经过混频、滤波并经过能量积分后的联合同步法在跳频电台组网跳频图案同步的结果如图7所示。

由图7中的结果可知，跳频电台组网跳频图案同步中能量积分最大值出现在7号频点，能量积分值超过0.2 V，其他频点的能量积分均小于0.001 V。通过设定适当的判决门限即可完成跳频电台组网的跳频图案同步。由以上仿真结果及分析，可验证电台组网中联合同步法跳频图案同步的正确性和有效性。

图7 联合同步法跳频图案同步结果

为验证提出的电台组网跳频图案同步性能，在5 dB信噪比条件下，对提出的联合同步方法与传统的等待搜索法、慢速扫描法及快速扫描法进行对比验证。

跳频电台组网中4种跳频图案同步法的频率扫描结果如图8所示，在电台信号与组网信号频点不相同时四种方法的能量积分值均较小；在电台信号与组网信号的频点相同时，四种方法的能量积分值较大，通过合理的门限，均可有效完成跳频电台组网的跳频图案同步，且联合同步方法的搜索步长最小，跳频图案同步时间最短。

图8 4种跳频图案同步频率扫描结果

进一步从平均捕获时间验证文中提出方法的性能，在不同信噪比条件下，对提出的联合同步方法与传统的等待搜索法、慢速扫描法及快速扫描法进行对比验证。

4种跳频图案同步法的平均捕获时间对比结果如图9所示。联合同步法跳频图案同步法的平均捕获时间最短；快速扫描法的平均捕获时间略大于联合同步方法；等待搜索法和慢速扫描的电台组网同步时间均较长。因此，文中提出的联合同步法的跳频图案同步性能优于传统的方法。

图9 4种方法平均捕获时间对比结果

4 结论

依据跳频通信机理，针对目前跳频图案各同步方法的优缺点，为快速稳定的实现跳频系统的跳频图案同步，提出一种等待搜索和快速扫描相联合的跳频图案同步方法。仿真结果表明，联合同步法能有效的完成跳频电台组网时的跳频图案同步，且跳频图案同步时间优于传统的其他方法。