一种基于时间信息ＴＯＤ的跳频同步方法

2009-05-12张远贵向新梅文华曹闹昌

现代电子技术 2009年2期

张远贵　向　新　梅文华　曹闹昌

摘要：同步是跳频通信系统关键技术之一。针对跳频通信系统中同步的主要要求，提出一种基于时间信息TOD的跳频同步方案，并设计该同步方案的系统原理框图；研究同步序列格式和跳频同步的捕获和跟踪；分析该方案的同步性能。仿真结果表明，该跳频同步方案具有同步时间短，捕获概率高，虚警概率低和抗干扰能力强的特点。

关键词：跳频同步；时间信息；捕获概率；虚警概率；同步头

中图分类号：TN914文献标识码：B

文章编号：1004 373X(2009)02 082 03

Synchronization Scheme for Frequency Hopping Communication System Based on Time of Day

ZHANG Yuangui1,XIANG Xin1,MEI Wenhua2,CAO Naochang2

(1.Engineering Institute,Air Force Engineering University,Xi′an,710038,China；

2.Beijing Aeronautical Technology Research Center,Beijing,100076,China)

Abstract：Synchronization is one of the key techniques for Frequency Hopping(FH)communication system.Based on the main requirement of synchronization for FH communication system,a synchronization scheme based on the Time of Day(TOD) of FH system is presented in this paper.Configuration of the system model is given at first.Then the method of frequency hopping synchronization,the format of synchronization information and the capture of synchronization are studied in the paper.At last,the performance of synchronization is analyzed.The simulation results show that this method has the feature of short synchronization time,high capture probability,low false probability and high anti－jamming performance.

Keywords：frequency hopping;time of day；capture probability；false probability；synchronization head

跳频技术独特的抗干扰性能使其在军事领域得到了越来越广泛的应用，具有成为战术通信主导技术的趋势。而跳频同步是跳频通信的关键技术。在跳频系统中接收机本地输出的跳变频率必须与发送端的跳频器产生的频率严格地同步，才能正确地进行相关解调，从而解调出有用信号。但由于时钟漂移、收发信机之间距离不定，产生了时间差异，又因为振荡器频率漂移等引起的收发失步，所以同步的过程就是搜索，消除时间与频率差的过程，以保证收发双方码相位与载波的一致性。只有建立起准确的跳频同步，跳频系统才能正常工作。同步建立的快慢和同步系统的抗干扰能力直接影响着整个跳频系统的性能，它已成为跳频通信的关键技术。

1 基于时间信息TOD的跳频同步原理

采用基于时间信息(Time of Day,TOD)的跳频同步方法是基于精确时钟法、同步头法、自同步法提出的一种综合的同步方法。该方法是将携带有时间信息的同步头置于跳频信号的最前面，收端从同步头中捕获到同步信息后，调整本地跳频序列发生器，从而使收发双方实现同步［1］。这种方法同步时间快，同步概率大，随机性能好，能够满足战术通信的各种要求。

1.1 TOD在同步过程中的作用

信息(Time of Day，TOD) 就是跳频图案实时状态信息或实时时钟信息。实时时钟信息包括年、月、日、时、分、秒、毫秒、微秒等；状态信息指伪码发生器实时的码序列状态。根据这些信息，收端就可以知道当前跳频驻留时间的频率和下一跳驻留时间应当处在什么频率上，从而使收发端跳频器同步工作。TOD以每一跳的时间为单位，为减小收发时钟的误差，由高精度时钟源提供。收发双方的伪随机码和产生跳频图案的方法是一致的，不同的只是时间信息TOD。由此可见，只要知道TOD值收发双方就可完成跳频同步。TOD是时间变量，随着时间的变化而变化，由于时钟有误，因而TOD也会积累产生误差。因此，跳频系统的同步可归结为TOD的同步。基于自适应捕获的跳频同步方法就是在一定的条件下，通过对发端同步信号进行搜索，从中提取出发端的TOD，用它来修正本端的TOD，从而完成同步跟踪。由于各台的时钟精度不可能一致，经过一段时间后各台的TOD就会有差异，当经过时间稍长，就不可能用自己的TOD接收到其他电台的信号(频率不同)。因此，发送同步头的目的就是发送自己的TOD，对方可以从同步头中提取发端的TOD，然后修正自己的TOD，这样可使收发同步工作，完成信息传输。

1.2 快速扫描驻留同步中同步头的构成

发端在发送数据之前首先发送一个同步头，同步头由n个频率组成，按f1,f2,…,f璶编号，依次发送。这些同步头频率的产生与跳频图案的产生方法类似，为跳频图案的一个子集。为提高同步头频率的抗干扰性能。这些同步头频率也随机变化，每经过T1时间更换1个频率，经过nT1时间后，同步头频率就变成一个全新的频率集［2］。同步头由n(n1+n2)个频率组成，如图1所示。

图1 同步结构

在同步头频率中前nn1个频率发送的是相关码，对收端而言主要完成同步头频率的捕获，称为相关跳；后nn2个频率主要用于完成同步跟踪。为提高同步的可靠性，同步头中的TOD可以多发送几次，这样收端的一次同步概率大大加大。为提高同步头的保密性，可以在发送TOD时在每跳中只发送部分TOD信息，这样加大了敌方捕获同步头的难度。这种同步方法的同步时间就是同步头的时间。

1.3 同步过程中收端快速扫描驻留同步

收端采用快速扫描驻留同步的方法［1］。分两步进行，即扫描和驻留。扫描是完成同步头频率的捕获，驻留是从同步头频率中提取同步信息从而完成收发双方的同步。发端通过自己的TOD确定出同步头频率，由于收发双方的TOD有差异，因而确定的跳频同步头的频率就可能有差异。扫描驻留方式同步，允许的最大频率不相同数为n－1，即收发双方由自己的TOD确定的同步头频率只要有2个相同，就可以通过同步头进入同步。每次通话时，发端首先把同步头发送出去n(n1+n2)个频率，然后再发送要传输的信息。

这种同步方案的接收频率合成器有两种工作状态，一种是跳频工作状态，在PN码的作用下按跳频图案输出本地跳频信号；另一种是扫描工作状态，这时频率合成器置于由TOD决定的某一同步头频组上。扫描输出n个同步头频率。一个频组的持续时间等于一个chip(跳频信号每跳占用的时间，也叫频隙［3］)占用的时间T。每一个扫描子频隙的时间为T/n。显然这种状态时频率合成器的频率转换速率提高了n倍，所以称快速扫描。接收端工作时，首先使频率合成器工作在扫描状态，用通过TOD确定的n个同步头频率对发端的同步头频率进行扫描。在图2中，发端的同步频率为f1,f2,…,f璶，收端用自己当前TOD决定的同步头频率为f′1,f′2,…,f′璶，收发双方的同步头频率中只要有一个频率相同(比如：f1和f1′)就能完成捕获。在扫描过程中，由于系统指标保证了收发双方至少1个频率相同。因而可以从相同的频率中(相关跳中)完成捕获。捕获的标准是连续接收到K个特征码，一旦接收到K个特征码，表明发端的同步头中有该频率。收端由捕获转为驻留阶段。将收端的频率停留在捕获的频率上。接收该频率上的同步信息。用接收到的对方的TOD修正本端的TOD。就可完成收发双方的跳频同步。同步头频率接收完后，转入正常的信息接收。

图2 快速扫描驻留同步

1.4 连续同步和迟入网同步

连续同步和迟入网同步是通过接收/发送方在信息跳中插入的勤务跳实现同步的，这些含有同步信息的勤务跳构成勤务序列。勤务信息是同步保持及快速再同步的保证。实际上迟入网与初始同步基本类似。

2 性能分析

2.1 同步时间

同步时间［4］是指完成同步所需的时间。在基于TOD快速扫描驻留同步过程中。同步时间就是同步头的时间，而同步头频率数为n(n1+n2)，若每跳的持续时间为T璖，则同步时间t璼为t璼=n(n1+n2)T璖。

2.2 同步保持时间t璶

同步保持时间指在同步后，下一次能通过同步头进入同步的最大时间间隔t璶=(n－1)T1/2ρ。式中，ρ为时钟精度；分母的2考虑了时钟的双向漂移；T1为同步头频率的换频时间。因为同步头频率数为n,所以t璶是完成同步后，由于时钟的漂移，收发双方同步头频率有(n－1)个频率不同所要经过的时间。

2.3 初始同步允许的最大时差

设系统跳频速率为每秒h跳，每隔2x跳更换一个同步头频率，则换频周期t璫=2x/h，在无干扰的情况下，收发双方的同步频率只要有1个相同就可以实现同步。那么n个同步频率允许更换(n－1)个，此时的时差就为初始同步允许的最大时差，即：

Δt璵ax=2x(n－1)/h

2.4 相关码检测概率

若恢复基带信号误比特率为P璪，相关码长度为G，检测门限为g，则正确检测到相关码的概率P璬［5,6］和错误检测概率P璮分别为：

P璬= ∑Gi = gCi璆(1-P璪 )iPG-i璪

P璮= ∑Gi = gCi璆(1-P璪 )G-iPi璪

式中，Ci璆为二项式系数。图3显示当G=64时，P璬与P璪，g的关系曲线。

图3 P璬与P璪，g的关系曲线

图4显示当G=64时，lg P璮与P璪，g的关系曲线。

图4 lg P璮与P璪，g的关系曲线

2.5 捕获概率与虚警概率

设接收方用快速扫描开始搜索的时刻正好对准发送序列的开始时刻，且发方每一频率循环结束后才进行检测结果判决。则M(M为n的正整数倍)次机会中正确检测到信号概率P璫和错误检测到信号概率P璭分别为：

P璫= ∑Mi = 1Ci璆(1-P璬)i-1P璬

P璭= ∑Mi = 1Ci璆(1-P璮)i-1P璮

按大数判决规则(5中取3)进行跟跳验证，验证成功的概率P璼和验证失败的概率P璾分别为：

P璼= ∑5i = 3Ci5(1-P璬 )5-iPi璬

P璾= ∑5i = 3Ci5(1-P璮 )5-iPi璮

由此可以算出捕获概率P璦和虚警概率P璵分别为：P璦=P璫P璼P璵=P璭P璾。图5显示当G=64，M=40时，P璦与P璪，g的关系曲线。图6显示当G=64，M=40时，lg P璵与P璪，g的关系曲线。比较图3～图6可看出，随着误码率的减少，相关码的虚警概率也减少，而捕获概率增大。在同一误码率的情况下，门限g值越高，虚警概率越小，捕获概率也随之减小，因此确定门限值的最佳值应兼顾虚警概率和捕获概率［7］。

图5 P璦与P璪，g的关系曲线

图6 lg P璵与P璪，g的关系曲线

2.6 抗干扰性能

若信道误码率P璪存在时差，有n个有效同步频率。当敌施放干扰时，有q%的频点被干扰时，初始同步概率P璽=1－［1－(1－q%)P璦］。图7为当敌施放干扰时有q%频点被干扰,P璽与P璪,n的关系曲线。图中显示：当有效同步频率n一定时，初始同步概率P璽随着信道误码率P璪的增大而减小；当信道误码率P璪一定时，初始同步概率P璽随有效同步频率数n的增大而增大，系统的抗干扰能力也随有效同步频率数n的增大而增强。但同步频率数n的取值太大，初始同步时间又会太长，因此，同步频率数n需根据系统要求而综合考虑。

3 结语

基于TOD的跳频同步方式，在缩短同步捕获时间方面优于等待搜索式和位移等待式自同步方式；在可靠性方面优于精确时钟定时同步方式；在节省频率资源方面优于插入导频头同步方式。但在收端的快速扫描驻留同步过程中，频率合成器频率转换时间要短，频率跳变速率需增至n倍，收端同步频率集n中的同步头频率数越多，要求频率合成器的频率跳变速率越高。因此这种同步方式性能的提高是以增加频率合成器的技术难度为代价的。

图7 P璽与P璪,n的关系曲线

参考文献

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作者简介张远贵男,1979年出生,云南丽江人,硕士研究生。主要研究方向为跳频通信。