高速跳频通信同步捕获方法的研究与仿真

第６期第１４卷第６期２００６年１２月Ｖｏｌ．１４Ｎｏ．６Ｄｅｃ．２００６电脑与信息技术ＣＯＭＰＵＴＥＲＡＮＤＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ文章编号：１００５－１２２８（２００６）０６－００２５－０３高速跳频通信同步捕获方法的研究与仿真尹建方，屈巍，潘成胜（沈阳理工大学通信与网络工程中心，辽宁沈阳１１０１６８）摘要：同步技术是跳频通信系统的关键技术之一。

针对高速跳频通信系统中同步的要求，采用同步头与时间信息相结合的方法实现跳频同步。

文章研究了同步序列格式、跳频图案同步、位同步等问题，分析了同步性能，使用Ｍａｔｌａｂ６．５完成了仿真验证。

同步性能分析结果表明该跳频通信系统的同步时间短、捕获概率高、虚警概率低。

关键词：高速跳频通信；同步头；初始同步；Ｍａｔｌａｂ；捕获概率中图分类号：ＴＮ９１４．４３文献标识码：ＡＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｎｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎｃａｐｔｕｒｅｍｅｔｈｏｄｆｏｒｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄＦＨｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＹＩＮＪｉａｎ－ｆａｎｇ，ＱＵＷｅｉ，ＰＡＮＣｈｅｎｇ－ｓｈｅｎｇ（Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ＆ＮｅｔｗｏｒｋＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＳｈｅｎｙａｎｇＬｉｇｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ１１０１６８，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｋｅｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｆｏｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－ｈｏｐｐｉｎｇ（ＦＨ）ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｒｅｑｕｅｓｔｓｏｆｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎｆｏｒａｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄＦＨｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ，ｗｅａｃｈｉｅｖｅｄｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎｂｙｕｓｉｎｇａｍｅｔｈｏｄｃｏｍｂｉｎｅｄｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ－ｈｅａｄｗｉｔｈｔｉｍｅｏｆｄａｙ（ＴＯＤ）．Ｍａｉｎｌｙｔｈｅｐａｐｅｒｓｔｕｄｉｅｓｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎｓｅｑｕｅｎｃｅ，ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎｏｆｈｏｐｐｉｎｇｐａｔｔｅｒｎ，ｂｉｔｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ，ａｎｄｓｏｏｎ．ＴｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎｉｓａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｓｃｏｍｐｌｅｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇＭａｔｌａｂ６．５．ＴｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎｏｆＦＨｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｍａｋｅｓｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎｔｉｍｅｓｈｏｒｔ，ｃａｐｔｕｒｅｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｈｉｇｈ，ｆａｌｓｅｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｌｏｗ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－ｈｏｐｐｉｎｇｓｙｓｔｅｍb ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ－ｈｅａｄb ｉｎｉｔｉａｌｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎb Ｍａｔｌａｂb ｃａｐｔｕｒｅｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ收稿日期：２００６－０８－２９；修订日期：２００６－０９－２５基金项目：总参谋部“十五”重点预先研究项目（４１１０１０６０２０９）作者简介：尹建方（１９８０－），男，辽宁锦州人，硕士研究生，研究方向：卫星通信、电子对抗、移动网络；屈巍（１９８２－），女，辽宁辽阳人，硕士研究生，研究方向：传感器网络、通信与信息系统；潘成胜，男，教授，博士生导师，研究方向：网络与通信系统检控技术、信息对抗技术。

跳频通信是现代通信领域中一种有效的抗干扰通信手段，其独特的抗干扰性能使其在军事和民用领域都得到了广泛的应用。

对中低速跳频通信系统形成直接威胁的主要有跟踪式干扰和转发式干扰［１］，能够有效对抗这种干扰措施的就是提高跳速和扩展跳频带宽。

这样，研究高跳速、超宽带宽的跳频通信系统成为了必然。

高跳速、超宽带宽的跳频通信系统有着良好的保密能力和抗干扰能力，但其实现带来了一系列的技术难题，如快速同步、组网问题等。

跳频速率越快、带宽越宽，同步技术难度越大，因此，系统在反窃取和抗干扰性能上的提高主要靠跳频同步系统性能指标的提高，第１４卷电脑与信息技术同步系统是此类跳频通信的核心，对跳频同步技术的研究十分重要［２］。

１跳频同步方法的研究实现跳频同步的方法主要有：独立信道法、参考时钟法、自同步法和同步头法［３］。

其中同步头法是指在建立通信之前，先发送一个同步头，利用该同步头实现同步。

同步头中含有生成跳频序列的全部信息，接收机依照同步信息实现跳频同步。

同步头法具有同步搜索快!容易实现!同步可靠等特点，可以实现很高的跳速。

缺点是：虽然不需要专门的同步信息信道，而是利用通信信道来传送同步信息，但还是挤占了通信信道频率资源和信号功率。

另外，一旦同步头受到干扰，整个系统将无法正常工作。

故使用同步头法应设法提高同步头的抗干扰性和隐蔽性，可以采用由时间信息（ＴＯＤ，ＴｉｍｅｏｆＤａｙ）控制伪随机序列得到跳频图案同步来避免此缺点［４］。

２同步序列格式的设计为提高跳频系统同步的抗干扰性和保密性，同步信息包括原始密钥、相关码、跳频频率表、网号、ＴＯＤ信息及其他信息等［５］。

原始密钥、跳频频率表在系统初始化时已设定。

跳频同步序列包括前导序列、帧同步、网号、时间信息ＴＯＤ以及保留缓冲等部分。

其中前导序列为一组相关性很好的伪随机码，以便收方通过对它的捕获取得双方的粗同步，完成对同步信息的识别。

帧同步用来作为信息同步的开始。

网号用来传送组网信息，只有收发的网号相同才能进行组网。

时间信息用来传送ＴＯＤ低段，保证收发双方伪随机码同步跳。

保留缓冲用于位同步调整及ＴＯＤ信息更新等。

ＴＯＤ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。

为此设计了一种非线性的ＴＯＤ表示格式，将ＴＯＤ分为两段：高段ＴＯＤｈ和低段ＴＯＤｌ，分别以分钟、跳频间隔为计时单位。

收方ＴＯＤｈ通过粗同步捕获修正，ＴＯＤｌ通过同步头传送，这样达到与发方ＴＯＤ一致，从而实现跳频同步。

收方或发方每次进入跳频状态，读完各自的实时钟后，都会将时间信息转化成如上所述的ＴＯＤ信息：即ＴＯＤｈ和ＴＯＤｌ两部分。

使用ＴＯＤｈ根据相应的算法算出一个伪随机序列，为使此伪随机序列成为真正意义上的随机，对这一算法提出了很高的要求。

用此伪随机序列可以从频率表中取出同步频率，用这些同步频率传送同步头［１］。

３高速跳频通信同步捕获方案高速跳频通信系统的同步又分为粗同步（即捕获）过程和精同步（即跟踪）过程。

其中捕获过程是后续跟踪、解跳和解调过程的前提条件，是高速跳频通信同步的关键点。

下面重点对同步捕获方案进行研究。

在捕获过程中，首先对信号载波频率进行捕获，然后根据前导序列的相关特性完成对信号的捕获，其原理图如图１所示：每次进行数据通信之前，先用几个跳频频率传送前导序列，完成粗同步（即捕获）后，用后面的几跳传送同步信息，接收方的跟踪部分解调出同步信息中的ＴＯＤｌ精确值。

双方进行通信时，先由发送方将同步头搭载到跳频信号的载波上，设发送方用Ｎ跳传送同步头，其中第一跳频率搭载的是前导序列。

接收方在捕获接收信号的时候，采用慢扫描的方式（即接收方的跳频速率为发送方的１／Ｎ倍，接收方的一跳对应着发送方的Ｎ跳），如图２所示：设发送方的信号表达式为：Ｓｔ（ｔ）＝Ｄｔ（ｔ）・ｓｉｎ（ωｔｔ＋φｔ）（１）其中：Ｄｔ为待调制的前导序列，ωｔ为跳频频率，φｔ・２６・第６期为载波的初始相位。

当捕获过程开始时，用本地产生的、长度等于接收信号十倍、与发送端前导序列的载波频率相差一个固定中频Δω的本地信号与接收信号的每一跳信号进行混频。

通过带通滤波器，滤除高频分量，保留固定的中频信号。

只有与本地混频信号相差固定中频的前导序列能够通过滤波器，其他信号都被滤除，即完成了前导序列频率的捕获。

接收端混频信号为：Ｓｒ（ｔ）＝ｓｉｎ（ωｒｔ＋φｒ）（２）其中：ωｒ为本地载波频率，ωｒ＝ωｔ＋Δω，φｒ为本地信号的初始相位。

推导可以得到：Ｓｔ（ｔ）・Ｓｒ（ｔ）＝Ｄｔ（ｔ）・ｓｉｎ（ωｔｔ＋φｔ）・ｓｉｎ（ωｒｔ＋φｒ）＝－Ｄｔ（ｔ）２.ｃｏｓ［（ωｒ＋ωｔ）ｔ＋φｔ＋φｒ］－ｃｏｓ［（ωｒ－ωｔ）ｔ＋φｒ－φｔ］1＝Ｄｔ（ｔ）２ｃｏｓ（Δωｔ＋φｒ－φｔ）（３）式（３）即为混频后固定中频信号的表达式。

然后，将与发送端相同的伪码Ｄｒ（ｔ）调制在频率为固定中频Δω的本地载波上，与经过滤波器的中频信号进行相关运算。

Ｄｒ（ｔ）与Ｄｔ（ｔ）在码相位上可能有延迟，只有在Ｄｒ（ｔ）＝Ｄｔ（ｔ）时，才能产生最大相关峰值。

若相关峰值超过门限，则证明此信号为同步头的前导序列，即完成了捕获；若相关峰值未超过门限，则将本地伪码延迟半个码元，再进行相关运算，直到将伪码相位延迟控制在半个码元间隔之内才完成捕获过程。

４同步性能分析４．１同步时间同步时间是指完成同步所需的时间，也就是初始同步的时间。

设初始同步跳共Ｎ跳，跳速为Ｒｈ时，同步时间为Ｔｓ＝Ｎ／Ｒｈ。

在此同步方案中，理想情况下，同步时间Ｔｓ≈０．２２ｍｓ，同步时间短，显然满足高速跳频通信系统的一般要求。

４．２相关码检测概率若恢复基带信号误比特率为Ｐｂ，相关码长度为Ｇ，检测门限为ｇ。

该方案前导序列共Ｎ１跳，现以Ｎ１＝２０５为例。

为保证验证检测结果作大数判决的需要并兼顾到频率合成器换频的滞后性，至少要留出同步前导序列中的一个频率循环（ｎ＝５跳）用于验证相关码检测结果。

按慢扫描方式，依发送次序搜索到前导序列跳的机会共有Ｎ１／ｎ＝４０次（极端的情况是仅留一个频率循环用于验证），假定每次机会都是均等的，则每次机会中正确检测到相关码的概率Ｐｔ为：Ｐｔ＝Ｇｉ＝ｇ"ＣｉＧ（１－Ｐｂ）ｉＰＧ－ｉｂ。

式中，ＣｉＧ为二项式系数。

图３（ａ）显示了当Ｇ＝６４时，Ｐｔ与Ｐｂ及ｇ的关系曲线。

４．３捕获概率和虚警概率假设一个特殊情况，即接收方用慢跳开始搜索的时刻正好对准发送序列的开始时刻，且每一慢跳结束后才进行检测结果判决，则最多４０次机会中正确检测到的信号概率为：Ｐｃ＝４０ｉ＝１"（１－Ｐｔ）ｉ－１Ｐｔ，按大数判决规则（５中取３）进行跟跳验证，验证成功的概率为：Ｐｓ＝５ｉ＝３"Ｃｉ５Ｐｉｔ（１－Ｐｔ）５－ｉ，则可以算出捕获概率Ｐａ＝Ｐｃ×Ｐｓ。

图３（ｂ）显示了当Ｇ＝６４时，Ｐａ与Ｐｂ及ｇ的关系曲线。

比较图３（ａ）、（ｂ）可以看出，随着误比特率的减小，相关码的正确检测概率在增大，而捕获概率也随着增大。

在同一误比特率的情况下，门限ｇ值越高，则正确检测的概率越大，但捕获概率却随之减小，因此确定门限最佳值应兼顾正确检测概率和捕获概率［１］。