基于序列部分頻點(diǎn)匹配的跳頻自同步方案

趙祥武，全厚德，崔佩璋

(陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，河北 石家莊 050003)

0 引言

跳頻同步技術(shù)作為跳頻通信的關(guān)鍵核心，跳頻電臺(tái)性能的好壞跟同步性能的優(yōu)劣有著必然的關(guān)系，同時(shí)直接決定著跳頻通信系統(tǒng)能否正常工作，對于能夠及時(shí)使用跳頻電臺(tái)傳輸有用信息提供了良好的保障，所以跳頻同步需要盡可能小的同步時(shí)間，對于干擾能夠及時(shí)地抵抗，抗干擾性能要好，跳頻同步信號(hào)要足夠的隱蔽，避免敵方偵測干擾[1]。傳統(tǒng)跳頻同步方法主要有四種，分別為參考時(shí)鐘法、獨(dú)立信道法、同步字頭法和自同步法等。自同步法是指利用發(fā)射端中信息帶有同步信息，接收端提取到同步信息，進(jìn)而達(dá)到同步的目的。常見的自同步方法有串行自同步捕獲方案與并行自同步捕獲方案，但是串行捕獲方案同步捕獲時(shí)間較長，并行捕獲方案系統(tǒng)太復(fù)雜。

自同步方案雖然可以節(jié)省信道資源的優(yōu)點(diǎn)，但是需要多次發(fā)送同步引導(dǎo)碼進(jìn)行同步，易被敵方干擾。所以本文提出了基于序列部分頻點(diǎn)匹配的自同步方案。

1 工作原理

傳統(tǒng)同步方案包括同步捕獲、同步識(shí)別、同步跟蹤三個(gè)方面[2]。同步捕獲階段需要依靠同步引導(dǎo)碼來輸送跳頻同步的信息，這樣才能實(shí)現(xiàn)跳頻同步。本文就提高同步信息的隱蔽性，提出了新型的跳頻同步方案。

1.1 序列部分頻點(diǎn)匹配自同步方案同步原理

序列部分頻點(diǎn)匹配的自同步方案中接收機(jī)處于三種工作狀態(tài),分別為同步捕獲狀態(tài)、正常跳頻狀態(tài)、同步保持狀態(tài)。同步捕獲階段不需要同步引導(dǎo)碼，接收機(jī)處于同步捕獲狀態(tài)時(shí)，各支路按某種算法選擇各支路的頻率與本地跳頻序列產(chǎn)生器生成的頻率進(jìn)行混頻，通過能量比較輸出各支路最佳頻率，接收端通過搜索這些同步頻率并與接收端本地跳頻序列產(chǎn)生器進(jìn)行相位的移動(dòng)調(diào)整跳頻信號(hào)的相位，實(shí)現(xiàn)收發(fā)雙發(fā)的同步。序列部分頻點(diǎn)匹配的自同步方案同步捕獲的原理框圖如圖1所示。

圖1 序列部分頻點(diǎn)匹配的自同步方案同步原理框圖Fig.1 Synchronization schematic block diagram of self-synchronization scheme with partial frequency point matching in sequence

設(shè)發(fā)射機(jī)發(fā)射的跳頻序列設(shè)為N,跳頻序列N中有部分序列f1,f2,f3，…，fn已知，接收機(jī)在進(jìn)行同步捕獲時(shí)，通過能量比較后捕獲到一條跳頻同步序列設(shè)為N1，序列N1中只有用來完成同步的部分頻率f1,f2,f3，…，fn已知，f1,f2,f3，…，fn是接收端本地偽隨機(jī)碼發(fā)生器產(chǎn)生的每一條支路用來進(jìn)行混頻的頻率，這些頻點(diǎn)的時(shí)頻對應(yīng)關(guān)系通過分析可知，而同步序列中其他未知的頻點(diǎn)不影響同步過程，此時(shí)認(rèn)定N1為發(fā)射的跳頻序列其中的一段短序列，通過相位移動(dòng)可以準(zhǔn)確地完成跳頻同步。

1.2 同步捕獲搜索匹配算法原理

跳頻同步開始之前，收發(fā)雙方首先會(huì)進(jìn)行粗略地時(shí)間調(diào)整，保證時(shí)間誤差在有關(guān)跳頻規(guī)定的誤差時(shí)間之中。新型跳頻同步方案的接收機(jī)設(shè)置依然采用并行的同步支路設(shè)置，利用有限量的支路進(jìn)行并行接收，設(shè)支路數(shù)為S。同步開始前，發(fā)射機(jī)在空中發(fā)射沒有被調(diào)制的跳頻信號(hào)N，接收端進(jìn)入同步捕獲狀態(tài)，接收到的信號(hào)經(jīng)各支路與本地頻率合成器產(chǎn)生的頻率進(jìn)行混頻后，進(jìn)行能量比較，通過一段時(shí)間之后，接收端可以通過能量比較確定出接收到的跳頻同步序列，該跳頻同步序列按一定的時(shí)間順序的本地頻率合成器的混頻所組成，它是發(fā)射機(jī)在空中發(fā)射的跳頻信號(hào)的某部分的序列，記為N1。接收機(jī)通過對本地頻率合成器的跳頻頻點(diǎn)進(jìn)行快速地掃描，掃描結(jié)果是收發(fā)兩端在相位誤差最大的時(shí)間范圍內(nèi)的跳頻序列P，在跳頻序列P中使用某種特定的算法對接收到的序列N1進(jìn)行匹配，肯定會(huì)匹配到似然度最大的跳頻序列N2，通過N2在P中的相對位置，可以算出接收機(jī)與發(fā)射機(jī)的相位差的大小，然后調(diào)整本地時(shí)鐘，這樣才可以實(shí)現(xiàn)同步捕獲。接下來接收機(jī)進(jìn)入跳頻工作狀態(tài)，同步識(shí)別完成以后，接收機(jī)進(jìn)入跟蹤狀態(tài)，依靠鎖相環(huán)的技術(shù)完成相位誤差的進(jìn)一步縮小，縮小到規(guī)定誤差范圍，這樣才算完成了同步跟蹤工作，跳頻電臺(tái)完成了同步捕獲和跟蹤之后，收發(fā)雙方轉(zhuǎn)而進(jìn)入正常通信狀態(tài)。同步捕獲搜索匹配算法原理如圖2所示。

圖2 同步捕獲搜索匹配算法原理框圖Fig.2 Principle block diagram of synchronization acquisition search matching algorithm

當(dāng)外界存在干擾時(shí)，如果接收端通過能量比較后得到的序列N1與發(fā)射端向空中發(fā)射的跳頻序列N出現(xiàn)差異時(shí)，此時(shí)認(rèn)定跳頻同步捕獲存在誤碼，然后再從序列P中搜索匹配N1，將出現(xiàn)兩種狀況：第一種是序列P中并沒有搜索匹配到N1，跳頻電臺(tái)重新進(jìn)行同步捕獲，直到完成跳頻同步過程；第二種情況是序列P中出現(xiàn)了序列N1，系統(tǒng)發(fā)生虛警，跳頻電臺(tái)在經(jīng)過同步識(shí)別模塊時(shí)會(huì)處理掉這種情況，然后重新進(jìn)行捕獲，然后完成同步。

根據(jù)有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)對于跳頻電臺(tái)的捕獲時(shí)間的具體設(shè)定，在本節(jié)中假設(shè)如下：收發(fā)兩端最大時(shí)間誤差為5 min，設(shè)定跳速為200跳/s,跳頻頻點(diǎn)設(shè)為512個(gè)，由于收發(fā)雙方不能明確相位前后關(guān)系，通過前后各5 min快速掃描，所以最大的相位誤差為120 000跳，掃描得到的跳頻序列為P，我們假設(shè)接收機(jī)跳頻序列P1滯后于發(fā)射機(jī)P，對序列部分頻點(diǎn)匹配的自同步方案進(jìn)行詳細(xì)說明，同步捕獲完成后，接收端根據(jù)當(dāng)前相位快速掃描P得到序列P2，并且發(fā)射機(jī)用于進(jìn)行同步的序列也在P2中，由圖2中可以看出發(fā)射機(jī)超前的相位時(shí)長為T，接收機(jī)在T1時(shí)開始捕獲到跳頻同步序列N，在T2時(shí)完成對同步序列的捕獲，并且對序列N在接收端的序列P2中進(jìn)行匹配，在T3時(shí)刻，序列N匹配完成，得到序列N在P2中的位置信息，最后利用計(jì)算可以得到T的具體值，然后調(diào)整接收端的相位，完成同步捕獲，即收發(fā)雙方相位相同。

2 同步方案設(shè)計(jì)

2.1 同步捕獲方案設(shè)計(jì)

序列部分頻點(diǎn)匹配的自同步方案的系統(tǒng)框圖如圖3所示。接收端共有S條混頻支路，每條支路的設(shè)計(jì)與構(gòu)造相比于并行自同步方案的支路設(shè)計(jì)并無差別，使用相同的濾波器以及平方律檢波器,每條支路進(jìn)行混頻的頻點(diǎn)都是發(fā)射機(jī)中隨機(jī)抽選的，保證了跳頻序列的隨機(jī)性[3]。接收端本地頻率合成器受支路頻率控制，工作處于三種工作狀態(tài)：一是同步捕獲狀態(tài)，支路頻率控制器控制頻率合成器合成S條支路頻率；二是正常跳頻通信狀態(tài)，本地支路頻率控制器不發(fā)揮作用，本地PN序列生成器控制頻率合成器進(jìn)行工作；三是同步保持狀態(tài)，同步完成之后，本地頻率控制器控制頻率合成器避免由于時(shí)間誤差的增加導(dǎo)致失同步。頻率合成器由S路DDS完成。

圖3 序列部分頻點(diǎn)匹配自同步方案系統(tǒng)框圖Fig.3 System block diagram of sequence partial frequency matching self-synchronization scheme

接收端進(jìn)行跳頻同步捕獲時(shí)，本地支路控制器進(jìn)入同步捕獲狀態(tài)，從而使得頻率合成器進(jìn)入工作狀態(tài)，控制其產(chǎn)生S路混頻頻率，假定接收端使用支路數(shù)S=21，同步序列N分為21個(gè)小組，本地支路頻率控制器隨機(jī)從每組頻點(diǎn)中抽出一個(gè)頻率作為混頻的頻率，如果接收端在一段時(shí)間內(nèi)沒有完成跳頻捕獲，系統(tǒng)則自動(dòng)重新選擇每組中的頻點(diǎn)進(jìn)行頻點(diǎn)更替，替換下來的頻率被標(biāo)記下來，以后不再進(jìn)行更替。接收機(jī)支路數(shù)的選擇在接下來的分析中會(huì)有說明，不在此進(jìn)行敘述。接收端進(jìn)行信號(hào)頻率判決后，經(jīng)過對支路判決后的頻率進(jìn)行能量比較，選取的規(guī)則是每跳中能量取得最大，這就表明此頻率為有用信號(hào)的頻點(diǎn)，然后進(jìn)行頻率的捕獲，通過一段時(shí)間的捕獲，依據(jù)時(shí)間先后順序確定各支路最佳頻率選擇，這樣可以得到用于同步的跳頻序列N，其中序列包括n個(gè)頻點(diǎn)，這n個(gè)頻點(diǎn)的位置關(guān)系確定了同步序列的唯一性，如果在序列P中出現(xiàn)好多相似的同步序列N，跳頻通信系統(tǒng)會(huì)發(fā)生虛警，所以利用n的多少以及n個(gè)頻點(diǎn)在序列里的位置關(guān)系來唯一確定同步序列N。由于同步序列N是隨機(jī)選擇的，n作為序列N的唯一變量，n的選擇很關(guān)鍵，n的數(shù)值越大，同步序列N出現(xiàn)相似的概率會(huì)很小很小，但是同樣也會(huì)影響到整個(gè)同步系統(tǒng)的時(shí)間，n的數(shù)值越小，同步序列N出現(xiàn)相似的概率會(huì)增加，但同時(shí)捕獲時(shí)間很明顯減少。

由于無法確定接收機(jī)與發(fā)射機(jī)的相位到底是超前或滯后，所以接收端需要在最大雙方時(shí)間誤差T前后都進(jìn)行掃描，序列P的序列長度為120 000跳。FPGA的時(shí)鐘頻率數(shù)量級為109，對于序列P來說掃描時(shí)間的數(shù)量級為10-4，對于同步捕獲來說微乎其微，不影響實(shí)時(shí)性的要求。

同步捕獲流程如圖4所示，系統(tǒng)進(jìn)行同步捕獲時(shí)，由于收發(fā)兩端相位差最大是5 min，所以接收端進(jìn)行了前后5 min的掃描得到了序列P，并明確了序列P中各個(gè)頻點(diǎn)與時(shí)間的對應(yīng)關(guān)系。

圖4 同步捕獲流程圖Fig.4 Flow diagram of synchronization acquisition

2.2 同步保持方案設(shè)計(jì)

跳頻電臺(tái)完成同步后，進(jìn)入正常工作狀態(tài)，當(dāng)跳速為200跳/s時(shí)，對于時(shí)鐘為±10-6漂移一個(gè)周期所用的時(shí)間為41.6 min；對于時(shí)鐘為±10-5漂移一個(gè)周期所用的時(shí)間為4.16 min，證明時(shí)鐘越穩(wěn)定，漂移時(shí)間越長，在序列部分頻點(diǎn)匹配同步方案中，不使用勤務(wù)頻率傳遞同步信息，跳頻電臺(tái)在正常通信中利用鎖相環(huán)技術(shù)進(jìn)行跟蹤相位的校準(zhǔn)，在通信雙方靜默的時(shí)期，收發(fā)兩端的時(shí)鐘會(huì)由于時(shí)鐘穩(wěn)定性的差異發(fā)生時(shí)鐘漂移，本文所提的方案所允許的靜默時(shí)長最多為41.6 min[6]。

接收端正常跳頻工作時(shí)，接收信息的支路固定不變，收發(fā)雙方靜默結(jié)束后，跳頻電臺(tái)會(huì)進(jìn)行同步保持，而頻率合成器也進(jìn)入同步保持狀態(tài)。由本地支路頻率控制產(chǎn)生混頻頻率，設(shè)此支路為S1，而其他支路(S-1條)的混頻頻率與相鄰支路的頻率差在一個(gè)相位上，即如圖中5所示，接收端進(jìn)行同步保持時(shí)，每條支路的頻率都相差一個(gè)相位，由于時(shí)鐘的漂移，假設(shè)某一時(shí)刻支路Sn接收有用跳頻信號(hào)，而相鄰支路Sn-1沒有接收到任何信號(hào)，所以利用相鄰兩條支路的相位差從而校準(zhǔn)收發(fā)兩端的相位差，從而完成同步的保持。

同步保持流程框圖如圖6所示，收發(fā)兩端靜默結(jié)束之后，跳頻電臺(tái)進(jìn)入同步保持，而且支路頻率控制器投入到保持狀態(tài)，各支路開始收到跳頻信號(hào)，經(jīng)過能量比較之后，頻率能量最大的支路被認(rèn)定作跳頻信息的接收支路，經(jīng)過同步識(shí)別確定是否與發(fā)射機(jī)發(fā)射的跳頻頻率相同，由此可以得到本地跳頻信號(hào)相位與發(fā)射機(jī)的跳頻信號(hào)相位差，通過調(diào)整頻率的時(shí)間位置關(guān)系，跳頻電臺(tái)進(jìn)入到正常工作狀態(tài)，完成同步識(shí)別。

2.3 序列的唯一性分析

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，超短波跳頻電臺(tái)的周期不少于十年，所以該跳頻電臺(tái)的周期設(shè)定為236-1，在跳頻通信中收發(fā)雙方傳遞信息僅會(huì)使用很短的跳頻序列，而收發(fā)雙方相位差確定的序列P的隨機(jī)性會(huì)直接決定通信性能的優(yōu)劣，本方案所需的序列P=120 000，可以滿足實(shí)際的需要[7]，所以本節(jié)就序列N的唯一性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，在序列P中隨機(jī)選擇一段短序列N，其中序列N含有n個(gè)跳頻頻點(diǎn)，以此作為標(biāo)準(zhǔn)頻率，標(biāo)準(zhǔn)頻率隨機(jī)選取，且n個(gè)跳頻頻點(diǎn)時(shí)間位置信息隨機(jī)。

圖5 同步保持方案設(shè)計(jì)Fig.5 The design of synchronization maintenance scheme

圖6 同步保持流程框圖Fig.6 Flow diagram of synchronization hold

圖7 頻率間隔隨機(jī)的同步序列示意圖Fig.7 Synchronization sequence diagram of random frequency intervals

表1 同步序列N在10條長序列P中出現(xiàn)次數(shù)

3 無干擾條件下捕獲性能分析

本同步捕獲方案在沒有干擾環(huán)境中，假設(shè)跳頻頻點(diǎn)為256個(gè)，由跳頻速率可得到跳頻周期為0.005 s，接收機(jī)共有支路S條，即有S個(gè)跳頻頻點(diǎn)來進(jìn)行混頻。跳頻同步時(shí)間為t=tr+ts，其中tr為接收端捕獲到跳頻同步序列N所用的時(shí)間，而ts為能量判決后進(jìn)行序列搜索匹配以及調(diào)整收發(fā)兩端相位差所用的時(shí)間，ts主要由計(jì)算機(jī)硬件處理速度以及搜索算法的快慢來決定，本文主要考慮對tr進(jìn)行理論分析并進(jìn)行仿真分析。

在沒有干擾的情況下，本同步方案的同步捕獲時(shí)間的概率密集度函數(shù)f(x)表示為：

(1)

同步捕獲時(shí)間的分布函數(shù)F(x0)表示為：

(2)

捕獲時(shí)間期望表示為：

(3)

由圖8，圖9中可知當(dāng)接收機(jī)支路數(shù)S越大，跳頻電臺(tái)在短時(shí)間內(nèi)捕獲的概率越大；但是支路越多，相應(yīng)的系統(tǒng)復(fù)雜度越高。如何選擇合適的支路數(shù)，既能滿足同步捕獲的需要，又能盡可能地減少系統(tǒng)復(fù)雜度，是當(dāng)前需要解決的問題。對跳頻同步方案捕獲期望進(jìn)行仿真分析，當(dāng)S=21時(shí)，同步捕獲時(shí)間為0.6 s，經(jīng)過理論計(jì)算與仿真結(jié)果進(jìn)行對比，滿足某標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，即超短波跳頻電臺(tái)的同步捕獲時(shí)間不應(yīng)大于0.6 s。仿真結(jié)果如圖10所示。

圖8 不同支路數(shù)捕獲時(shí)間的概率密度函數(shù)Fig.8 Probability density function of acquisition time for different branches

圖9 不同支路數(shù)捕獲時(shí)間的概率分布Fig.9 Probability distribution of acquisition time for different branches

圖10 不同支路數(shù)下同步捕獲時(shí)間期望Fig.10 Synchronization acquisition time expectations for different branches

4 結(jié)論

本文提出了基于序列部分頻點(diǎn)匹配自同步方案，該方案在不使用同步引導(dǎo)碼的情況下，按照序列部分頻點(diǎn)匹配的同步方案，任意設(shè)定接收頻點(diǎn)，根據(jù)頻點(diǎn)間隔特征信息在本地已知跳頻序列中進(jìn)行搜索匹配，進(jìn)而計(jì)算出跳頻序列收發(fā)兩端的相位差，從而調(diào)整相位差實(shí)現(xiàn)跳頻同步。理論分析與仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案在捕獲時(shí)間上優(yōu)于串行同步捕獲方案，就復(fù)雜度而言，相較于并行同步捕獲方案有了很大的降低，同時(shí)該方案不需要同步引導(dǎo)碼，提高了抗干擾的性能。