基于時間信息（TOD）的跳頻通信系統(tǒng)仿真＊

王 壯 余國文

（1.空軍預警學院研究生管理大隊 武漢 430019）（2.空軍預警學院五系 武漢 430019）

1 引言

跳頻通信由于抗截獲、抗干擾能力強，保密性能好，具有選址功能等特點，被廣泛應用于軍事通信和民用通信中。跳頻通信系統(tǒng)利用擴展頻譜技術，將信號擴展到很寬的頻帶上，在接收端對擴頻信號進行相關處理，恢復成窄帶信號［1］。本文利用 MATLAB／SIMULINK對跳頻系統(tǒng)的跳頻序列產生，跳頻同步設計進行了仿真，為今后更加深入的研究對跳頻系統(tǒng)的干擾提供依據。

2 時間信息（TOD）的相關概念

2.1 TOD信息的含義與格式

時間信息（Time of Day，TOD）就是跳頻圖案實時狀態(tài)信息或實時時鐘信息，在電臺內部一般以跳頻間隔為單位計時，包括：年、月、日、時、分、秒、跳數，共 Mbit。在使用TOD時，通常用低段TOD表示TOD的低Nbit信息，表征了跳頻電臺的分、秒、跳信息，記為TODl；用高段TOD表示高（M－N）bit信息，表征了跳頻電臺的年、月、日、時、分信 息，記 為 TODh［2～3］。如圖1所示。

圖1 TOD格式

2.2 TOD信息的產生與作用

圖2 計數式TOD工作原理圖

TOD信息就是由實際時間映射的用二進制矢量表示的數字序列流，分為移位寄存式TOD和計數式TOD。計數式TOD是目前比較通用的方案，它的TOD初值是由用戶在按壓PTT鍵的實際時間按一定數據格式轉換得到的二進制數字［4］。計數式TOD工作原理如圖2所示。

計數式TOD工作原理如下：用戶在按壓PTT鍵時讀取時間信息，轉換成二進制數字后送到TOD寄存器中作為TOD初值。時鐘脈沖的產生頻率與跳頻電臺的跳頻速率保持一致，計時單位為跳頻間隔，加法器在時鐘脈沖的控制下工作，運算結果送到TOD寄存器中作為當前時刻的時間信息。因此，隨著跳頻通信的進行，TOD信息實時變化。

TOD作為偽隨機序列發(fā)生器的初始數據，和原始密鑰數據PK共同控制產生跳頻圖案。由于收發(fā)雙方產生跳頻圖案的方法是一致的，不同的只是TOD。因此，只要知道TOD值就可完成跳頻同步，跳頻系統(tǒng)的同步可歸結為TOD的同步。同步信息的發(fā)送，需要在跳頻頻率集中根據一定的算法計算出同步頻率集。在以TOD為主要同步信息的同步系統(tǒng)中，通常利用TODh的值來確定k個頻率作為同步頻率，并且按規(guī)定同步頻率集隨著TODh的變化而相應的進行替換。

基于TOD的同步方法就是發(fā)送端發(fā)送自己的TOD，接收端通過對發(fā)送端同步信號的搜索，從中提取出發(fā)送端的TOD，用它來修正本端的TOD，從而完成同步［5］。

3 跳頻通信系統(tǒng)設計

跳頻通信中的關鍵技術包括跳頻圖案的產生和跳頻同步的設計等。

3.1 跳頻圖案的產生

在跳頻通信中，為了提高跳頻通信系統(tǒng)的抗干擾性能和保密性能，其跳頻圖案不是簡單由偽隨機碼控制的，而且還需要加上另外的保密、抗干擾措施，以防止敵方對跳頻通信的干擾。其做法是：以原始密鑰數據PK和跳頻的時間信息TOD作為偽隨機碼發(fā)生器的初始數據，產生偽隨機碼，并與原始密鑰數據、跳頻的時間信息經過非線性運算后確定跳頻圖案［5］。常用的跳頻序列有m序列、M序列、gold序列、RS序列、混沌序列等，本系統(tǒng)采用的是RS序列，它是建立在m序列的基礎之上的。如圖3所示。

圖3 跳頻圖案的產生

3.2 同步系統(tǒng)的設計

同步系統(tǒng)是跳頻系統(tǒng)的重要組成部分，其性能直接影響到整個系統(tǒng)的性能。在跳頻系統(tǒng)中，收發(fā)兩端的跳變頻率必須嚴格地同步，才能正確地進行解調，接收有用信號。常用的跳頻同步方法主要有獨立信道法、參考時鐘法、同步字頭法和自同步法。本系統(tǒng)采用的是基于參考時鐘法和同步字頭法的一種綜合同步法。同步信息格式設計如圖4所示［6］。

前導序列用同步頻率發(fā)送相關碼，以便收方通過對它的捕獲取得雙方的粗同步，粗同步指的是收方實現與發(fā)方在跳沿、跳速、TOD高段和同步頻率等方面的同步；幀同步用于識別前導序列已經結束、同步信息傳送將要開始；網號用來傳送組網信息；TOD段用來傳送TOD低段。

圖4 同步信息格式

圖5 同步頻率的產生

同步頻率集是用來發(fā)送同步信息的一組頻率，它是由TODh信息根據一定算法計算出來的，隨TODh值的變化而變化，是跳頻頻率集的一個子集［7］。假設同步頻率為5個，其產生的過程如圖5所示。

4 系統(tǒng)仿真與結果分析

4.1 仿真模型的建立

本系統(tǒng)是在Simulink仿真環(huán)境中建立的仿真模型，它能夠反映跳頻通信系統(tǒng)的動態(tài)工作過程，可以幾乎實時的觀測到信號的頻譜，還可以根據研究需要擴展仿真模型［8～9］。圖6為系統(tǒng)仿真模型，包括信息的調制和解調模塊、跳頻和解跳模塊、仿真結果的分析模塊以及誤碼計算模塊。

圖6 跳頻系統(tǒng)仿真框圖

在發(fā)送端，首先用Bernoulli Binary Generator模塊產生二進制信號，與預先設計好的跳頻前導序列和時間信息TOD等同步信息組成信源數據，然后對其進行2FSK調制。Hop＿Ger模塊用來控制產生跳頻載波信號，與信源信號相乘來生成跳頻信號。

在接收端，利用STFT模塊對跳頻信號進行時頻分析［11］，并在 Matrix View模塊中顯示結果。同時在Error Rate Calculation模塊中計算誤碼率，統(tǒng)計其誤碼性能。

4.2 仿真結果分析

系統(tǒng)設計如下：跳頻頻率為1～78MHz的頻段內以1MHz為間隔的78個頻率點，跳速為2000H／s。同步頻率設為6個，初始同步中發(fā)送6組同步信息共36跳，此后每隔42跳的語音信息發(fā)送一組6跳的勤務同步信息。運行圖6中的仿真模型，可得到如下的仿真結果：

圖7 發(fā)射機狀態(tài)控制圖

圖7中，輸出為“1”時表示發(fā)送的是初始同步序列或勤務同步序列；輸出為“0”時表示發(fā)送的是語音信息。從圖中可以看出，發(fā)射機首先發(fā)送的是一組初始同步序列，然后開始發(fā)送正常的通信信息，間隔一定時間后又發(fā)送了一組勤務同步信息，此后的過程與此相似。

圖8給出了發(fā)射機跳頻圖案的仿真結果，從圖中可以明顯看出，在發(fā)射機的初始工作階段，頻率呈現規(guī)律性變化，這說明此時發(fā)送的是初始同步信息。此后，頻率呈無規(guī)律跳變，但我們仍能在0.04s和0.06s附近找出與發(fā)送初始同步信息頻率相匹配的兩組頻率，它們分別用來發(fā)送勤務同步信息。

圖8 跳頻圖案仿真圖

圖9 接收機信號時頻圖

圖9顯示了對接收端接收到的跳頻信號做時頻分析后的時頻圖，通過與圖8進行比較，可以發(fā)現接收端的跳頻信號頻率是按照跳頻圖案的設計進行跳變的，這說明本系統(tǒng)的設計是可信的。

5 結語

本文描述了一種基于時間信息TOD的跳頻通信系統(tǒng)，重點介紹了跳頻同步系統(tǒng)中時間信息TOD的產生與作用，最后設計了一種包含TOD同步信息的跳頻通信系統(tǒng)，并應用Simulink仿真工具實現了對這一系統(tǒng)的仿真分析。仿真結果驗證了系統(tǒng)的可行性，達到了預期的目的，為下一步研究對跳頻系統(tǒng)的干擾提供了理論依據。

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