跳频通信系统中同步技术研究
摘 要：同步技术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要求，采用同步字头与时间信息相结合的方法实现跳频同步。首先研究了跳频同步方法、同步信息格式和初始同步等问题，最后对同步性能进行了分析。结果表明，该跳频通信系统的同步时间短、捕获概率高、虚警概率低。
关键词：跳频通信； 同步字头; 时间信息TOD; 同步方案； 同步性能
中图分类号：TN914.41-34文献标识码：A
文章编号：1004-373X(2011)01-0095-02
Technology of Synchronization in Frequency-hopping Communication System
LI Na
(Beijing HAIGE SHENZHOU Communications Technology Co. Ltd., Guangzhou HAIGE Communications Group，Beijng 100070, China)
Abstract： Synchronization is one of the key technologies of FH communication. The synchronization of frequency hopping is achieved by adopting synchronization head and time of day to meet the requirement of practical development of FH communication system. The method of frequency-hopping synchronization, the format of synchronization information and the capture of synchronization are studied, and the performance of synchronization is analyzed. The results show that the FH communication system has characteristics of short synchronization time, high capture probability and low false probability.
Keywords： frequency-hopping communication; synchronization head; TOD; synchronization scheme; synchronization performance
0 引 言
跳频通信是现代通信领域中一种有效的抗干扰通信手段，其独特的抗干扰性能使其在军事和民用领域都得到了越来越广泛的应用。由于定时时钟相对误差、传输信道的多普勒频移等因素，跳频通信系统存在时间和频率的不确定性，为保证正常工作，建立和实现准确的跳频同步是关键［1］。
1 跳频同步方法的研究
实现跳频同步的方法有许多种，主要有独立信道法、参考时钟法、自同步法和同步字头法［2］。
同步字头法具有同步搜索快，容易实现，同步可靠等特点。其缺点是一旦同步头受到干扰，整个系统将无法工作。故使用同步字头法应设法提高同步字头的抗干扰性和隐蔽性能。本系统采用同步头加勤务跳引导的连续同步方法实现同步，并采用由时间信息TOD(Time of Day)控制伪随机序列得到跳频图案同步来提高同步头的抗干扰能力［3］。
2 同步序列格式的设计
为提高跳频系统同步的抗干扰性和保密性，同步信息包括原始密钥、相关码、跳频频率表、网号、TOD信息及其他信息等［4］。原始密钥、跳频频率表在系统初始化时已设定。跳频同步序列包括前导序列、帧同步、网号、时间信息TOD以及保留缓冲等部分［5］。
其中,前导序列为一组相关性很好的伪随机码，以便收方通过对它的捕获取得双方的粗同步，完成对同步信息的识别。帧同步用来作为信息的开始；网号用来传送组网信息，只有收发网号相同，才能进行组网；时间信息用来传送TOD，保证收发双方伪随机同步跳；保留缓冲用于位同步调整及TOD信息更新等［5-6］。
收发双方的TOD信息保持完全一致是跳频图案同步的关键。为此，设计了一种非线性的TOD表示格式。将TOD分为两段：高段TODh和低段TODl。由年、月、日、时、分、秒组成。收发双方读完实时时钟后,都要将读到的时间信息转化为TODh和TODl两部分。TODh以1 min为计时单位，TODl以跳频间隔为计时单位, 低段记满1 min后向高段进位, 所以低段只需16 b, 高段为32 b。TODh与TODl一起构成了系统实时状态。根据TOD用相应算法计算得到M位的伪随机序列, 用此伪随机序列可以从频率表中取出同步频率［5-8］。
3 初始同步方案
初始同步是发送端在发送数据前，先发送包含同步信息的同步头，接收端通过接收同步头，获取同步信息，从而建立通信的方式。同步时间为完成同步所需的时间，也就是同步头的时间。假设同步头占用的跳数为N，跳速为Rh，同步时间［9］为T=N/Rh。
初始同步是同步头法建立通信的基本手段，要求具有高的同步概率和低的虚警概率。
同步信息是通过相关码的方式发送的，在接收端通过数字相关器对解调后的信号进行相关检测，大于检测门限则认为该跳收发双方的频点对齐。设码元错误概率为p;相关码组的码元数为n;m为判决器容许码组中的错误码元最大数，则相关码组n个码元中所有不超过m个错误码元的码组都能被识别器识别，因此［6］：
相关器的检测概率pd为：
pd=∑mr=0Crnpr(1－p)n－r
相关器的虚警概率pfa为：
pfa=12n∑mr=0Crn
在初始同步方案中，N次搜索中至少要正确接收a次同步码才认为抓住了同步头，因此同步概率Pd为［5］：
Pd=∑Ni = aCiNpid(1-pd)N-i
相应的同步虚警概率Pfa为：
Pfa=∑Ni = aCiNpifa(1-pfa)N-i
4 算法仿真结果分析
初始同步完成两个功能：一是信号到达检测;二是确定最佳采样点。整个过程分为两个阶段：初始判断和判决确认。
仿真条件：同步跳采用2CPM调制方式，脉冲成型采用矩形脉冲，6倍的采样率，加入高斯白噪声，采用差分相干解调方式；同步序列采用自相关性较好的PN伪随机码，长度为63；每时隙有100个符号，最后一位为归零码。
能量门限用来确定接收的信号与本地存储的信号已经基本对齐。相关值门限用来确定发送PN序列的序列号,如图1，图2所示。
当判决出最佳采样点后，要对最佳采样点进行确认。最后得到初始同步的单次检测概率,如图3所示。初始同步的虚警概率如图4所示。
图1 能量因子对单次同步检测概率的影响
图2 PN序列的自相关性与互相关性的对比图
图3 初始同步的检测概率
图4 初始同步的虚警概率
5 结 语
以上同步方案用于跳频通信系统中，经过仿真验证，同步时间短，捕获概率高，同步可靠。同步性能满足设计要求。
参 考 文 献
［1］李燕斌.宽带抗干扰通信系统的跳频同步研究及应用［J］.电讯技术，2002，34(1)：106-109.
［2］梅文化，王淑波，邱永红,等.跳频通信［M］.北京：国防工业出版社，2005.
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［5］尹建方，王红霞,别玉霞,等.高速跳频通信系统同步技术研究与仿真
［6］LIW D, WANG J, YAO Y. Synchronization design of frequency-hopping communication system ［C］// ICCT′98. Beijing: ICCT, 1998.
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［8］吴文卓，张立毅.战术跳频通信系统同步技术研究
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［10］吕红，宋志坚.伪随机码调相跳频信号的波形设计及距离
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