短波跳頻通信同步技術(shù)研究

劉 剛

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，短波跳頻通信設(shè)備的應(yīng)用和處理也受到了人們的廣泛關(guān)注。通過整合技術(shù)內(nèi)容來提高通信質(zhì)量，提升接收端和發(fā)送端的調(diào)頻同步處理效果，從而為通信節(jié)點同步穩(wěn)定性的優(yōu)化提供保障。

1 短波跳頻通信系統(tǒng)概述

近年來，短波通信的使用范圍在不斷擴大，其借助大氣層完成傳播的過程中不會受到中繼站、傳輸媒介等的影響，在建立遠距離通信的基礎(chǔ)上還能實現(xiàn)便捷化維護管理。相較于其他技術(shù)模式，短波跳頻通信技術(shù)體系在經(jīng)濟成本和安全性方面更具優(yōu)勢。

1.1 基本原理

短波跳頻通信系統(tǒng)處理過程中，結(jié)合短波信道時變色散特性搭建對應(yīng)的信道模型，利用系統(tǒng)傳輸函數(shù)H(f,t)替換時不變系統(tǒng)H(f)，并配合沖擊響應(yīng)H(t,τ)替換時不變系統(tǒng)h(t)[1]。搭建的短波信道模型如圖1所示。

圖1 短波信道模型

跳頻技術(shù)最大的優(yōu)勢就在于其抗干擾性較好，有效彌補了短波通信的短板。建立符合系統(tǒng)應(yīng)用要求的控制模型，在發(fā)送端將傳輸信息或數(shù)據(jù)結(jié)合調(diào)頻圖案規(guī)律進行跳變處理后，接收端就能結(jié)合規(guī)律完成射頻信號的及時性接收管理，并配合解調(diào)頻處理完成數(shù)據(jù)的整合分析。

在短波跳頻通信系統(tǒng)中，各個模塊相互配合完成相應(yīng)工作，具體如表1所示。

表1 短波跳頻通信系統(tǒng)各模塊作用

綜上所述，利用同步頻率捕獲和跳頻同步實現(xiàn)收發(fā)數(shù)據(jù)的實時性傳輸和處理，配合其高靈敏度特性就能構(gòu)建更加穩(wěn)定且靈活的同步體系。

1.2 主要指標

1.2.1 部分頻帶干擾

短波跳頻通信本身以數(shù)據(jù)傳輸作為基礎(chǔ)，為了維持收發(fā)端安全穩(wěn)定運行和數(shù)據(jù)可控性，需要對干擾情況進行集中處理。其中，部分頻帶干擾是較為重要的數(shù)據(jù)指標。在二進制數(shù)字頻率調(diào)制（2 Frequency Shift Keying，2FSK）方式中，設(shè)定基礎(chǔ)調(diào)頻系統(tǒng)信道的帶寬為B，若無干擾條件且環(huán)境僅為高斯白噪聲，單邊的功率譜密度為N0，此時誤碼為

式中：Eb表示信號平均功率；erfc表示互補誤差函數(shù)。在無法完全改善干擾源的狀態(tài)下，一般采取增加跳頻帶寬的方式來避免干擾因子增多對信號傳遞產(chǎn)生的影響，優(yōu)化其抗干擾性能[2]。

1.2.2 抗轉(zhuǎn)發(fā)式干擾

在信號傳遞過程中，干擾機會對發(fā)送端產(chǎn)生的跳頻信號產(chǎn)生影響并直接截獲，借助放大和加噪處理環(huán)節(jié)有效實現(xiàn)干擾的轉(zhuǎn)發(fā)控制。假設(shè)發(fā)送端和接收端之間的距離為d1，干擾機到發(fā)送端的距離為d2，干擾機到接收端的距離為d3，電磁波傳播速率為c，則要滿足：

式中：tp表示跳頻信號在干擾環(huán)境中經(jīng)歷的具體時間；th表示跳頻信號每次跳頻的具體持續(xù)時間；L表示發(fā)送端頻率捕獲確認需要的跳頻數(shù)量[3]。

結(jié)合相應(yīng)的數(shù)據(jù)關(guān)系可知，借助提高跳頻速率的方式，可以有效減少轉(zhuǎn)發(fā)式干擾產(chǎn)生的問題。基于抗轉(zhuǎn)發(fā)式干擾操作，在跳頻信號跳變規(guī)律無規(guī)則的情況下明確跳頻系統(tǒng)的情況，提高應(yīng)用效果。除此之外，抗跟蹤式干擾等也需要結(jié)合跳頻實際需求進行指標管理和約束控制，從根本上維持應(yīng)用效果，保證同步通信技術(shù)運行質(zhì)量和信號整合水平最優(yōu)化。

1.3 數(shù)學模型

基于噪聲、干擾項對短波跳頻通信系統(tǒng)進行分析，設(shè)計的數(shù)學模型如圖2所示。

圖2 數(shù)學模型

在實際應(yīng)用過程中，利用跳頻調(diào)制處理數(shù)據(jù)信息并提取信息點，獲取對應(yīng)的跳頻信號，即P1(t)=m(t)cos[(w0±nw)t+φn]。在完成分量中頻信號的調(diào)制操作后，解調(diào)就能恢復(fù)發(fā)送端數(shù)據(jù)信息，噪聲和干擾信號都不能和發(fā)送端形成載波混頻，從而有效實現(xiàn)接收端對數(shù)據(jù)的處理[4]。

2 基于TOD短波跳頻通信同步技術(shù)實現(xiàn)

針對跳頻同步技術(shù)的研究是構(gòu)建跳頻通信控制體系的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，要想維持系統(tǒng)運行的合理性，就要在明確正常通信效果的基礎(chǔ)上提高跳頻同步結(jié)構(gòu)中初始同步、捕獲確認、跟蹤等環(huán)節(jié)的可控性。在接收端捕獲到相應(yīng)跳頻頻率和發(fā)送端跳頻頻率一致后，配合系統(tǒng)完成同步捕獲頻率的檢測和最終確認，從而評價真實的捕獲過程是否受到干擾[5]。以時間信息（Time Of Day，TOD）同步字頭為主分析跳頻系統(tǒng)收發(fā)雙方通信過程，將TOD信息直接映射在跳頻頻率位置，接收端則能有效接收跳頻信號，最終提取可利用信息。依據(jù)約定算法就能實現(xiàn)TOD信息轉(zhuǎn)換為跳頻頻率，從而為雙方同步工作提供保障。

2.1 TOD信息和同步信息

在實際技術(shù)應(yīng)用過程中，讀取本地時鐘獲取的系統(tǒng)信息為TOD，精度水平和本地時鐘相匹配。由于收發(fā)系統(tǒng)端本身就是獨立形態(tài)，因此雙方的TOD信息會存在誤差，要想保證誤差得以有效消解和控制，就要合理調(diào)整本地TOD信息和同步TOD信息，確保接收端和發(fā)送端TOD字頭的一致性[6]。

依據(jù)非線性時間表格式進行評估，將系統(tǒng)時間信息分為高位TOD和低位TOD。將高位TOD表示為TODH，能對同步跳頻頻率進行控制；將低位TOD表示為TODL，能對數(shù)據(jù)跳頻頻率進行控制。設(shè)定32 bits為基準，則TODH表示的最大時間為232min，TODL表示的時間為8 171年。若是跳頻速度按照1 000跳/s，則每一跳的時間約為1 ms，1 min跳頻次數(shù)為60 000次。按照前導(dǎo)序列、幀同步序列、TODL信息的順序，就能完成同步字頭信息的處理。

2.2 信息同步過程

結(jié)合TOD跳頻同步系統(tǒng)的應(yīng)用要求，在接收端和發(fā)送端TOD信息一致的狀態(tài)下，跳頻圖案維持規(guī)范性和一致性是同步的基礎(chǔ)，要想提高信息發(fā)送中的保密性和抗干擾性，就要對信息同步過程進行有效控制和加密處理，維持良好的應(yīng)用狀態(tài)。跳頻同步系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)原理

首先，在系統(tǒng)時間信息獲取后，進行TOD處理和原始密鑰的數(shù)據(jù)輸入，保證跳頻序列發(fā)生器中同步頻率控制字的規(guī)范性，并且依據(jù)合成器的應(yīng)用要求保證跳頻信號生成的規(guī)范性[7]。其次，同步處理工序開始后，發(fā)送端本地時鐘就會完成信息的處理和轉(zhuǎn)換，對其進行計算分析后獲取同步頻率，同時配合接收端計算最終的參數(shù)，保證跳頻的同步性。最后，接收端要結(jié)合信息完成同步頻率數(shù)值的分析，并且配合捕獲確認階段的處理有效了解后續(xù)跳頻連續(xù)監(jiān)測的相關(guān)內(nèi)容，完成捕獲最終確認，實現(xiàn)同步跟蹤。需要注意的是，為了提高應(yīng)用的規(guī)范性，重新開始捕獲同步頻率的過程中也要對捕獲效果進行調(diào)研分析，確保TODL接收信息的完整性和規(guī)范性，提高收發(fā)端系統(tǒng)時間TOD同步處理性能[8]。

2.3 同步頻率捕獲確認

在TOD同步字頭支持下，捕獲對應(yīng)的同步頻率參數(shù)。在獲取捕獲數(shù)據(jù)后，要開展對應(yīng)的確認處理，有效評估捕捉的真實性。一般是對初始同步后接收端和發(fā)送端處于同步頻率的內(nèi)容予以評估，若是超出設(shè)定的數(shù)值閾值，則滿足同步頻率的基本需求，能夠直接完成同步跟蹤階段，并開展數(shù)據(jù)傳輸和傳遞控制；若是數(shù)值無法滿足基本需求，則接收端就要延長掃描時間，完成同步頻率捕獲管控。從理論層面分析，捕獲確認階段檢測出的同步頻率數(shù)量越多，則判定為雙方同步跳頻的可信度越高。然而在實際應(yīng)用環(huán)境中，延長跳頻同步必然會增加工作時長，而除了要綜合考量其可靠性，系統(tǒng)的時效性也是需要重要考量的因素之一。要想保證綜合性能滿足預(yù)期，就要權(quán)衡可靠性和時效性，對每一跳頻處理過程進行檢測結(jié)果分析，分析其可信度，適當減少總跳頻數(shù)量的檢測時長，提高短波跳頻通信同步處理的整體效果。

3 結(jié) 論

總而言之，在短波跳頻通信同步技術(shù)體系中，要結(jié)合TOD同步字頭算法開展相應(yīng)工作。通過完善頻率捕獲和捕獲確認的基本環(huán)節(jié)，減少時延造成的問題，提高數(shù)據(jù)傳遞的可信度和時效性水平，在優(yōu)化綜合檢測方案的同時，推動跳頻技術(shù)在各個領(lǐng)域內(nèi)的不斷發(fā)展，實現(xiàn)經(jīng)濟效益和社會效益的和諧統(tǒng)一。