雙通道局部序列相關(guān)跳頻同步捕獲方法

孫慧賢,張玉華,趙禹博,朱連宏

(1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū),河北 石家莊 050003;2. 陸軍裝甲兵學(xué)院士官學(xué)校,吉林 長春 130117;3. 軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院系統(tǒng)總體研究所,北京 100101)

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中對電磁頻譜的控制已成為掌握戰(zhàn)爭主動權(quán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),通信電子戰(zhàn)受到了高度重視,使得通信對抗雙方展開了激烈的較量。隨著通信對抗技術(shù)的不斷發(fā)展,干擾機變得越來越智能,以至可以快速準確地截獲跳頻通信的某些參數(shù)并實施有針對性的干擾[1-3]。

從現(xiàn)代通信對抗視角看,跳頻同步捕獲過程是敵方偵察和干擾的重點目標之一。造成此類情況的主要原因是傳統(tǒng)的跳頻同步捕獲方法使得跳頻同步頻點在統(tǒng)計特性上與業(yè)務(wù)通信頻點的統(tǒng)計特性不同。例如,利用同步字頭進行同步捕獲的方法,采用頻表中部分頻點集合發(fā)送調(diào)制有TOD(time of date)信息的同步字頭。用于跳頻同步的頻點集合中頻點數(shù)目要遠小于整個頻表的頻表數(shù)。而且,為了提高捕獲概率,通常需要在特定的頻率集合內(nèi)重復(fù)發(fā)送,使得同步頻點出現(xiàn)的概率要高于頻表中其他頻點。

針對傳統(tǒng)跳頻同步方法同步跳周期短、跳頻點數(shù)少、周期循環(huán)規(guī)律強等特點,干擾方可以對跳頻同步信號進行識別、分離并干擾同步信號方式來破壞跳頻系統(tǒng)的正常工作,使得對跳頻同步信號實施靈巧式干擾成為可能[2]。

為了提高跳頻通信的抗跟蹤干擾能力,對偶序列跳頻作為一種新興的跳頻通信方式被提出[4-6]。該方法利用兩個(或多個)跳頻序列之間的差異來表達消息,將數(shù)據(jù)信道和補償信道頻率分別按不同跳頻序列跳變,使干擾方無法準確跟蹤補償信道,可以有效對抗跟蹤干擾;而接收機射頻前端采用窄帶接收,與差分跳頻的寬帶接收相比可有效抑制部分頻帶干擾。對偶序列跳頻可以在通信過程中保障系統(tǒng)的抗干擾能力,但是,需要系統(tǒng)的同步方法同步進行改進,避免靈巧式干擾的壓制。

為了提升對偶序列跳頻通信同步信息的隱蔽性,本文利用雙通道接收架構(gòu),通過對跳頻長周期序列進行局部滑動相關(guān),實現(xiàn)跳頻通信的自同步捕獲,該方法無需在載波上調(diào)制同步字頭信息,僅通過跳頻序列局部匹配實現(xiàn)自同步,具有良好的抗偵察和抗干擾能力。

1 對偶序列跳頻系統(tǒng)雙通道接收原理

對偶序列跳頻是以跳頻序列作為信息載體,利用跳頻序列偽隨機特性構(gòu)建的一種新型跳頻抗干擾通信方法[4]。通常,利用兩個跳頻序列同時工作,用于傳遞消息的跳頻序列控制數(shù)據(jù)頻率占用信道,作為數(shù)據(jù)信道;另一個跳頻序列對應(yīng)的頻率作為補償頻率不發(fā)射信號,作為補償信道。數(shù)據(jù)信道與補償信道形成對偶關(guān)系。由于數(shù)據(jù)信道利用信道占用表示消息,致使跟蹤干擾失效,而補償信道實際上是保持靜默的信道,因此難以截獲。且兩信道獨立偽隨機跳變,亦很難通過截獲數(shù)據(jù)信道的頻率推知補償信道的頻率,具有先天的抗跟蹤干擾的能力。

在對偶信道跳頻模式中,利用跳頻序列作為信息表達載體的另一個優(yōu)點是接收方可以同步接收,這使得建立窄帶接收機成為可能,相比差分跳頻的寬帶接收方式減少了潛在補償信道數(shù)量,可具有更好的抗窄帶阻塞干擾性能。對偶序列跳頻通信系統(tǒng)雙通道接收機結(jié)構(gòu)如圖1所示。在接收端,兩個窄帶接收通道并行工作,第i個接收通道利用跳頻序列FSi(i=0,1)與接收信號進行混頻,并經(jīng)窄帶濾波后進行信號檢測。經(jīng)判決后,確定接收信號所屬的跳頻序列號,進而映射為相應(yīng)的發(fā)射信息比特。

圖1 對偶序列跳頻通信系統(tǒng)雙通道接收機結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of dual channel receiver structure for DSFH communication system

2 基于局部序列滑動相關(guān)的自同步捕獲方法

2.1 同步方案

針對對偶序列跳頻通信系統(tǒng)雙通道接收機結(jié)構(gòu),以獲得較高的抗干擾能力為目的,同時充分利用多序列跳頻通信的硬件資源,設(shè)計雙通道滑動相關(guān)自同步捕獲方法。為了不降低對偶序列跳頻通信抗偵察抗干擾能力,該方法在跳頻同步過程中采用與通信過程相同的序列。在該同步捕獲方案中,接收端每一個接收通道的頻率合成器有兩種工作模式：一種是跳頻工作模式,在同步后,用于正常解跳接收到的信號;另一種是跳頻捕獲模式,在通信開始時,用于收發(fā)兩端跳頻頻點的粗同步。基于局部序列滑動相關(guān)的自同步捕獲方案的原理如圖2所示。

圖2 雙通道滑動相關(guān)自同步捕獲原理框圖Fig.2 Block diagram of self synchronization acquisition principle with dual channel sliding

為了實現(xiàn)快速的同步捕獲,在同步捕獲過程中,發(fā)送端發(fā)送全0數(shù)據(jù)信息,故跳頻信號均由通道C0產(chǎn)生。接收端的每條通道置于跳頻捕獲模式,對于接收端的通道C0來說,首先將本地跳頻序列發(fā)生器的相位置于某一初始值,使其產(chǎn)生本地跳頻載波,在同步的前提下,本地跳頻載波與發(fā)射端跳頻載波相差一個固定中頻。將接收到的信號與本地跳頻載波進行混頻,之后進行中頻帶通濾波濾除高頻成分,接著對通帶內(nèi)的信號進行能量檢測,把每一跳信號進行一個周期內(nèi)的積分運算,將積分后的結(jié)果送入門限判決器進行判決。若未超出判決門限,則滑動控制器改變跳頻序列發(fā)生器的時鐘,使之改變1/2個跳頻駐留時間;若超出判決門限,則計數(shù)器累加一次,滑動控制器不改變跳頻序列發(fā)生器的時鐘,此后對連續(xù)的M跳累加結(jié)果送入比較器做比較,累加結(jié)果大于K,則說明初始捕獲完成,輸出捕獲成功標志使能信號,反之,滑動控制器改變跳頻序列發(fā)生器的時鐘,繼續(xù)進行滑動搜索。

接收通道C1在同步捕獲過程中,跳頻序列發(fā)生器的工作模式與通道0相同,完成與C0同樣的功能。當完成捕獲后,會輸出各自的捕獲成功標志使能信號,最后,將兩個通道的捕獲成功標志使能信號進行邏輯或,作為最終是否轉(zhuǎn)入同步跟蹤的使能信號,只要有一條通道捕獲成功,即為對偶信道跳頻系統(tǒng)捕獲成功。

為了縮短捕獲時間,合理利用雙通道的資源,設(shè)計了等速掃描、連續(xù)監(jiān)測的并行逆向滑動搜索方式,其原理圖如圖3所示。接收通道C0的通道滑動搜索方向與跳頻方向一致,接收通道C1在初始相位處等待。接收通道C1的相關(guān)積分結(jié)果超過判決門限時,則其自動翻轉(zhuǎn)頻點輸出順序,進行捕獲驗證,驗證成功時,輸出捕獲成功標志使能信號,反之說明出現(xiàn)虛警,繼續(xù)在出現(xiàn)虛警的頻點處等待。顯然,相比于傳統(tǒng)的滑動相關(guān)捕獲方法,這是一種更為快速的捕獲方式,后面會從理論的角度證明該捕獲方法的性能。

圖3 并行逆向滑動原理圖Fig.3 Schematic diagram of parallel reverse sliding

2.2 同步捕獲流程

為了直觀地描述并行逆向滑動過程,以上述雙通道系統(tǒng)為例,對其捕獲流程進行說明,具體流程如圖4所示。同步開始時,積分器要清零,準備從零開始進行積分,然后按照并行逆向滑動的方式,對各通道分別配置其初始相位,開始計算第一跳捕獲結(jié)果。

圖4 雙通道同步捕獲流程示意圖Fig.4 Schematic diagram of dual channel synchronous capture process

對于接收通道C0,如果未檢測到超過判決門限的積分量Eh,則在當前頻點駐留等待,直到出現(xiàn)積分量超過判決門限的情況時,轉(zhuǎn)入同步捕獲檢測,即對接下來連續(xù)的M跳進行檢測,如果超過判決門限VT的次數(shù)Nc大于K,那么就表示捕獲成功,反之,在當前頻點繼續(xù)等待。

對于接收通道C1,如果未檢測到超過判決門限的積分量Eh,則本地相位向前滑動Ts,直到出現(xiàn)積分量Eh超過判決門限的情況時,轉(zhuǎn)入同步捕獲檢測,對接下來連續(xù)的M跳進行檢測,如果超過判決門限VT的次數(shù)Nc大于K,那么就表示捕獲成功,反之,本地相位向前滑動Ts,繼續(xù)向前搜索。

2.3 捕獲性能理論分析與推導(dǎo)

為了便于理論分析,以雙通道對偶序列跳頻通信系統(tǒng)的捕獲方法為例,對其同步性能進行理論推導(dǎo)。

1) 同步捕獲時間

假設(shè)收發(fā)兩端的相位相差Nm跳,其中,Nm=1,2,…,Na,跳頻駐留時間為Ts,設(shè)非同步同頻點有a個,對于接收通道C0,其搜索方式為逆向等待,只有當初始相位超前于發(fā)端相位時,才有可能完成捕獲,未同步的前提下,與發(fā)端相位差每次縮短一個頻點距離,故其捕獲時間為

(1)

對于接收通道C1,由于其正向滑動,在未同步的前提下,與發(fā)端相位差每次縮短一個頻點距離,當檢測到非同步同頻點時,判決結(jié)果Eh超過門限VT,故須接下來的M跳去驗證此頻點為非同步同頻點,此時收端相位不滑動,故其捕獲時間為

(2)

聯(lián)合式(1)和式(2),可以得到平均同步捕獲時間為

(3)

對雙通道滑動相關(guān)同步捕獲法的平均同步捕獲時間進行仿真,仿真中參數(shù)設(shè)置為：跳速Ts=0.005 s;設(shè)平均每Nk跳中出現(xiàn)一個非同步同頻點,令Nk=50;收發(fā)兩端相差跳數(shù)Nm由0遞增到400,遞增時,步長設(shè)置為10。連續(xù)檢測跳數(shù)M= 5、7、10,如圖5所示。隨著Nm的增大,平均同步捕獲時間近似呈線性增長,在每隔50跳的時候產(chǎn)生一個跳躍點,這是因為仿真步長設(shè)置為10,每當Nm遞增50時,a的值便遞增1,故平均同步捕獲時間產(chǎn)生階躍;在相同的Nm下,隨著M的增大,平均同步捕獲時間逐漸增大,這是因為隨著連續(xù)檢測跳數(shù)M的增大,當檢測到非同步同頻點a時,損失的時間便會增大,故平均同步捕獲時間也會增大,但是當M增大時,漏警概率也會大大降低,故在實際的通信環(huán)境中,二者還需折中選取。

圖5 不同M值對應(yīng)的平均同步捕獲時間Fig.5 Average synchronization capture time corresponding to M

圖6給出了不同Nk下的平均同步捕獲時間,可以看到隨著Nk的增大,平均同捕獲時間逐漸降低,但是當Nk>100時,隨著Nk的增大,曲線近似重合,說明當同步同頻點降低到一定值時,平均同步捕獲時間便不再降低,因此對于實現(xiàn)對偶序列跳頻通信系統(tǒng)時,設(shè)計合適的跳頻序列對于提升系統(tǒng)的同步性能具有重大意義。

圖6 不同Nk值對應(yīng)的平均同步捕獲時間Fig.6 Average synchronization capture time corresponding to Nk

2) 同步捕獲概率

發(fā)射端信號表達式可以寫為

S(t)=Acexp(2πjfct),

(4)

那么與之對應(yīng),接收端信號表達式為

r(t)=αejθS(t)+J(t),

(5)

式(5)中,α表示信號的包絡(luò),θ表示隨機相位,J(t)表示加性高斯白噪聲。

以接收通道C0為例,由于雙通道捕獲檢測方法與常規(guī)滑動相關(guān)捕獲法一致,故對于一跳信號的檢測概率為

(6)

式(6)中,方差σ2=N0B/2,其中N0為單邊功率譜密度,B為帶通濾波器的帶寬。

又由于接收端跳頻序列相位超前或滯后于發(fā)射端相位的概率為1/2,即接收通道C0和接收通道C1能夠完成捕獲的概率為1/2,故對于某一跳信號,雙通道捕獲法的檢測概率為

(7)

因此,總的捕獲概率可以表示為

(8)

3 抗干擾性能仿真驗證

本章對所提出的基于雙通道局部序列相關(guān)的跳頻同步捕獲方法進行仿真,驗證同步可行性及其抗干擾性能,并與對數(shù)似然比串行捕獲法[7]和單駐留滑動相關(guān)捕獲法[8]進行對比分析。

仿真分析的參數(shù)設(shè)置為：跳頻速率200 跳/s;數(shù)據(jù)速率200 b/s;頻帶范圍30～36.4 MHz;跳頻頻點數(shù)256;跳頻頻點間隔25 kHz;跳頻帶寬6.4 MHz;采樣率131.07 MHz。

圖7是三種捕獲方法在AWGN信道下的抗干擾性能,仿真中歸一化判決門限設(shè)置VT為0.525。

圖7 AWGN信道下的同步捕獲概率Fig.7 Synchronous acquisition probability in AWGN channel

由圖7可知,在相同條件下,雙通道捕獲法的性能明顯優(yōu)于對比似然串行捕獲和單駐留滑動相關(guān)捕獲,對比似然串行捕獲法次之,單駐留滑動相關(guān)捕獲法性能最差。但雙通道捕獲法較高的性能增益是以犧牲系統(tǒng)復(fù)雜度為代價的,故在實際應(yīng)用時還要折中選取。

隨著信噪比的增大,雙通道捕獲法的捕獲概率上升趨勢較為平穩(wěn),在信噪比達到5 dB時,捕獲概率幾乎達到100%。而對于對比似然串行捕獲和單駐留滑動相關(guān)捕獲法,4 dB的信噪比是捕獲概率的一個分界點,當信噪比小于4 dB時,捕獲概率小于50%,當信噪比大于4 dB后,捕獲概率迅速增高,在信噪比接近7 dB時,捕獲概率幾乎可以達到100%。

圖8分析了三種捕獲方法在部分頻帶干擾下的抗干擾性能,仿真中,部分頻帶干擾由高斯白噪聲經(jīng)過帶通濾波器產(chǎn)生,隨機置于通信頻帶上,干擾帶寬與通信頻帶之比為1∶3。

圖8 部分頻帶干擾下的同步捕獲概率Fig.8 Synchronous acquisition probability under partial band interference

如圖8所示,在AWGN信道加部分頻帶干擾的情況下,三種方法的同步捕獲概率由高到低依次為雙通道捕獲法、對數(shù)似然比捕獲法、單駐留滑動相關(guān)捕獲法,在信干比為4.5 dB時,雙通道捕獲法的同步概率已經(jīng)達到90%左右,對數(shù)似然比捕獲法和單駐留滑動相關(guān)捕獲法的捕獲概率僅為65%和40%,所取得的性能增益較為明顯。

4 結(jié)論

為了提升對偶信道跳頻通信同步信息的隱蔽性,本文采用長周期序列局部匹配思想,設(shè)計了一種雙通道局部序列滑動相關(guān)的跳頻同步捕獲方法。該方法在同步捕獲過程中采用與通信過程中同樣的跳頻序列,提高了同步過程的抗偵察能力,而且采用基于能量檢測的自同步方法可以有效對抗跟蹤干擾。仿真結(jié)果表明該方法在部分頻帶干擾情況下具有更高的同步捕獲概率。