趙龍華 王振華

（1.空軍預警學院研究生管理大隊 武漢 430019）（2.空軍預警學院五系 武漢 430019）（3.95112部隊 佛山 528000）

1 引言

跳頻通信以其強抗干擾性、低截獲概率、易實現(xiàn)多址等特點，已成為當今戰(zhàn)術(shù)通信的主要方式［1］。對于較寬頻段工作的跳頻通信，傳統(tǒng)的方法采用阻塞方式進行干擾，需要大量的干擾資源。如何有效干擾跳頻通信仍然是通信對抗急待解決的難題［2］。對于戰(zhàn)術(shù)電臺中使用較多的PTT通信方式，同步是實現(xiàn)跳頻通信的關(guān)鍵［3］，是實施高效干擾的突破口。為了對跳頻同步過程進行深入研究，文中根據(jù)跳頻通信的工作原理和跳頻電臺的同步原理，借助 Matlab／Simulink仿真工具建立具有同步的跳頻通信系統(tǒng)模型，著重對模型的同步過程進行了分析。

2 跳頻通信系統(tǒng)

跳頻通信載頻受偽隨機碼控制而跳變，由于跳頻同步過程較復雜，目前對跳頻系統(tǒng)的建模分析都假設(shè)收發(fā)雙方共用同一個跳頻產(chǎn)生器，忽略了同步過程［4～8］。然而，實際的跳頻通信系統(tǒng)必須考慮同步過程，如圖1所示。需要發(fā)射的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)調(diào)制后，與載波混頻。載波由偽隨機序列（跳頻序列）控制頻率合成器產(chǎn)生，頻率隨跳頻序列偽隨機地跳變，混頻后的信號經(jīng)寬帶濾波后，由天線發(fā)射出去。在接收端，利用同步電路控制偽隨機序列，使頻率合成器產(chǎn)生的跳變頻率與發(fā)射端跳變頻率同步，接收到的跳頻信號經(jīng)混頻后變成一固定的中頻信號，經(jīng)數(shù)據(jù)解調(diào)，恢復出需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

圖1 跳頻通信系統(tǒng)

3 跳頻同步過程建模

3.1 跳頻同步信息和數(shù)據(jù)發(fā)送格式

跳頻同步是跳頻系統(tǒng)中的關(guān)鍵。由于跳頻系統(tǒng)的載頻在跳頻序列控制下偽隨機跳變，接收機要能正確地進行相關(guān)解跳，從接收到的有用信號中恢復受信息調(diào)制的中頻信號并解調(diào)出有用信號，必須實現(xiàn)收發(fā)雙方的跳頻同步。跳頻同步的方法［9～10，12］很多，包括精確時鐘法、同步字頭法、獨立信道法、匹配濾波器法和自同步法。本文采用跳頻通信中實際常用的同步頭和時間信息（TOD）相結(jié)合的方法，進行跳頻同步的建模。

跳頻系統(tǒng)發(fā)送的同步信息主要分兩種：同步幀信息和勤務幀信息。前者完成系統(tǒng)在初始階段的同步；后者完成遲入網(wǎng)階段的同步和在取得初始同步后的同步保持。一次完整的數(shù)據(jù)發(fā)送格式如圖2所示。跳頻系統(tǒng)首先發(fā)送同步幀信息，供系統(tǒng)完成初始同步，然后發(fā)送數(shù)據(jù)幀信息，并在發(fā)送數(shù)據(jù)幀中間插入勤務幀信息，供系統(tǒng)完成遲入網(wǎng)同步和同步保持。

圖2 數(shù)據(jù)發(fā)送格式

圖3 TOD信息格式

在發(fā)射機和接收機的內(nèi)部都有一個TOD時鐘，它表示跳頻電臺的系統(tǒng)時間信息，一般采用一種非線性的表示方式，將時間信息TOD分成兩部分表示：TOD高段（年、月、日、時、分）和 TOD低段（分、秒、跳），分別記為TODh和TODl。TOD格式如圖3所示。

3.2 跳頻同步的Matlab／Simulink建模

在Matlab／Simulink環(huán)境中建立的完整跳頻通信系統(tǒng)模型如圖4所示。系統(tǒng)由按鍵控制模塊PTT、發(fā)射機模塊Transmitter、信道、接收機模塊Receiver以及用于評估的誤碼率測試模塊BER組成。假設(shè)信道為高斯白噪聲（AWGN）信道與加性干擾Jamming的和。更復雜的信道可通過更換模型來實現(xiàn)。為有效評估本仿真系統(tǒng)，對其性能進行分析，模型中包含了誤碼率測試模塊。其基本原理是在接收端將接收碼元與發(fā)送碼元逐個比較，并對錯誤碼元個數(shù)進行累加統(tǒng)計，并提供觀察波形的能力。

圖4 跳頻通信系統(tǒng)的Matlab／Simulink建模

發(fā)射機模塊Transmitter的工作狀態(tài)受PTT模塊控制，當PTT輸出為1時，跳頻系統(tǒng)進入工作狀態(tài)；反之，跳頻系統(tǒng)進入靜默狀態(tài)。其內(nèi)部組成如圖5所示，包括發(fā)射控制模塊Tx＿Contr＿subsys、發(fā)射模塊 Tx＿message＿subsys和跳頻產(chǎn)生器模塊Frequency Hopping Generator。

圖5 發(fā)射機模塊

發(fā)射控制模塊用于產(chǎn)生發(fā)射模塊和跳頻產(chǎn)生器模塊所需要的時鐘和控制信號。

發(fā)射模塊數(shù)據(jù)形成、調(diào)制及跳頻的功能。其中信息發(fā)送模塊Tx＿message內(nèi)部如圖6所示，其功能是在TOD時鐘的驅(qū)動下，由狀態(tài)控制輸入通過Multiport Switch模塊選擇發(fā)送同步幀sync＿Info、數(shù)據(jù)幀Data＿info、勤務幀Serv＿info和靜默狀態(tài)時的0輸出。StateContr輸入為發(fā)射模塊工作狀態(tài)控制輸出同步幀、數(shù)據(jù)幀、勤務幀和靜默狀態(tài)時的0輸出。MessClk輸入為TOD時鐘，分別進入到同步幀和勤務幀模塊供提取TODl信息。Data＿Info模塊采用嵌入式Matlab函數(shù)編寫，便于提取數(shù)據(jù)幀信息用于對系統(tǒng)誤碼率的統(tǒng)計；Txmess輸出到數(shù)據(jù)調(diào)制模塊，進行2FSK調(diào)制。

圖6 信息發(fā)送模塊

其中的同步幀模塊仿真如圖7所示，它包含前導序列、幀同步、網(wǎng)號、TODl和空跳模塊，在TOD時鐘的作用下依次輸出，組成同步幀。TODL Info模塊在內(nèi)部完成對系統(tǒng)時鐘低位TODl信息的提取和發(fā)送。

勤務同步信息的格式與同步幀信息的格式大致相同，只是傳送前導序列的跳數(shù)較少。同時為區(qū)分初始同步信息和勤務同步信息的接收，勤務同步信息的相關(guān)碼采用Walsh6－Walsh11，與同步幀（Walsh0－Walsh5）不同，這樣通過對前導序列的相關(guān)峰的捕獲就可以區(qū)分出初始同步和遲入網(wǎng)同步。

圖7 同步幀模塊

發(fā)射機內(nèi)部的跳頻產(chǎn)生器模塊根據(jù)系統(tǒng)時鐘，形成如圖3所示的TOD格式的數(shù)據(jù)，選擇TODh和TOD值作為偽隨機碼生成器的初始值，分別產(chǎn)生相應的同步頻率和數(shù)傳頻率值，控制圖8所示的DDS模塊形成載頻。

圖8 DDS模塊

接收機模塊主要包括信息接收模塊、接收控制模塊和本地跳頻產(chǎn)生器模塊。信息接收模塊對經(jīng)過信道和干擾的發(fā)射信號進行解跳和解調(diào)；接收控制模塊完成對同步信息的捕獲，并控制本地跳頻發(fā)生器產(chǎn)生本地跳頻信號；本地跳頻產(chǎn)生器模塊在接收控制模塊的作用下產(chǎn)生本地跳頻信號。

圖9 接收時同步過程

跳頻系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前，首先發(fā)送同步幀信息，由接收機完成初始同步過程。在初始同步過程中，發(fā)射機在根據(jù)TODh確定的i個同步頻率上循環(huán)發(fā)送相關(guān)序列。接收機則在根據(jù)自己TODh計算出來的i個同步頻率上慢掃描，其掃描速率為發(fā)送方的1／（i＋1），以保證在接收的一跳內(nèi)，能夠完整地收到發(fā)送方的數(shù)據(jù)。跳頻系統(tǒng)的初始同步過程如圖9所示，接收方在慢掃描的狀態(tài)下，完成對同步信息的捕獲，根據(jù)捕獲到的相關(guān)碼與本方相關(guān)碼位置的比較，校正自己的TODh值，同步確認后開始接收幀同步、網(wǎng)號和TODl信息，最終校正自己的TODl，使雙方的TOD信息完全一致，達到跳頻同步。因此其主要過程包括同步捕獲、TODh校正、同步確認和TODl校正。

接收控制模塊如圖10所示，包含同步控制模塊Syn－Contr和本地系統(tǒng)時鐘模塊local＿TODclk，完成對同步信息的捕獲和跟蹤，通過從解調(diào)的信息中提取出同步幀信息，調(diào)整本地的時鐘，使收發(fā)雙方的系統(tǒng)時鐘一致。

圖10 接收控制模塊

跳頻產(chǎn)生器產(chǎn)生頻率號，進入DDS生成相應的頻率，頻率號相同則生成的頻率相同，否則生成的頻率不同。當接收機捕獲到同步信息，本地跳頻轉(zhuǎn)入跟跳狀態(tài)后，接收方調(diào)整自己的TODh值使雙方的同步頻率變化一致，可以持續(xù)接收到同步幀信息，接收機根據(jù)接收到的TODl信息，調(diào)整自己的時鐘，此時雙方的系統(tǒng)時鐘達到一致，初始同步完成后，系統(tǒng)進入數(shù)傳狀態(tài)，使收發(fā)雙方的跳頻頻率達到一致，接收到數(shù)據(jù)幀。

4 對同步過程的仿真實驗

在仿真運行環(huán)境為Windows XP Professional SP3下Matlab R2009a中，利用所建立的模型模擬了跳頻系統(tǒng)的初始同步、數(shù)傳過程和同步保持時的勤務同步過程。

發(fā)射模塊輸出的信號時頻分析部分截圖如圖11所示。其中發(fā)射機的跳頻取值范圍為2.5～12MHz。圖中在發(fā)送同步幀信息的時間（0～0.15s）內(nèi)同步頻率在六個頻率上循環(huán)跳變，同步幀信息發(fā)送完后發(fā)送數(shù)據(jù)幀信息，數(shù)傳頻率開始偽隨機地變化。

圖11 發(fā)射信號的時頻圖

當收發(fā)雙方的頻率達到同步時，接收信號經(jīng)過解跳后的信號頻譜如圖12（b）所示。圖12（a）中也給出了發(fā)射機中2FSK調(diào)制信號頻譜。圖13為發(fā)送和接收碼元信息的波形。

圖12 發(fā)射模塊2FSK調(diào)制信號與接收模塊解跳后信號的頻譜

圖13 發(fā)送和接收碼元信息的波形

利用系統(tǒng)模型得到的收發(fā)雙方在初始同步、數(shù)傳過程和同步保持時勤務同步過程的頻率與工作狀態(tài)變化如圖14所示。為便于觀察，頻率采用控制頻率集序號的頻率號描述。狀態(tài)0表示未同步狀態(tài)，狀態(tài)1表示初始同步狀態(tài)，狀態(tài)2表示數(shù)傳狀態(tài)，狀態(tài)3表示勤務跳跟蹤狀態(tài)。圖中接收模塊在初始同步過程中，其頻率號與發(fā)射機的頻率號由不一致到一致，初始同步完成后，系統(tǒng)進入數(shù)傳狀態(tài)雙方頻率號變化一致，當發(fā)射模塊開始發(fā)送勤務幀信息時，接收模塊內(nèi)的跳頻產(chǎn)生器處于勤務跳跟蹤狀態(tài)，由于雙方系統(tǒng)時鐘一致，同步得到保持，勤務跳結(jié)束時，同步轉(zhuǎn)入數(shù)傳狀態(tài)，從而可以接收數(shù)據(jù)幀信息。

5 結(jié)語

實際的跳頻系統(tǒng)具有復雜的同步過程，利用數(shù)學方式很難完全描述系統(tǒng)的性能。Simulink／Matlab是可視化建模仿真平臺，采用方框圖建模的形式更貼近于工程習慣。實驗表明，利用該模型能完整地模擬跳頻系統(tǒng)的初始同步和勤務同步的過程，較好地仿真了具有同步過程的跳頻系統(tǒng)，為進一步深入分析跳頻通信系統(tǒng)的性能以及對其各種干擾的效果提供了一種較好的實驗平臺。

圖14 系統(tǒng)在初始同步，數(shù)傳和勤務同步時收發(fā)雙方頻率號的變化

［1］梅文華.跳頻通信［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2005.

［2］朱永松，張海勇，汲萬峰.跳頻通信抗干擾性能分析［J］.現(xiàn)代防御技術(shù)，2005，33（5）：37－41.

［3］陳永軍，吳杰，許華，等.快速跳頻通信系統(tǒng)同步技術(shù)研究［J］.電子設(shè)計工程，2010，18（11）：58－61.

［4］R.C.Robertson and J.F.Sheltry，“Multiple tone interference of frequency－h(huán)opped noncoherent MFSK signals transmitted over Rician fading channel，”IEEE Trans.Commun.，1996，44：867－877.

［5］王向鴻，趙海濤，關(guān)曉東.跳頻擴頻系統(tǒng)的Matlab模擬仿真實現(xiàn)［J］.軍事通信，2010，10：74－75.

［6］劉克飛，楊東凱，吳江.跳頻通信系統(tǒng)的Simulink仿真實現(xiàn)［J］.系統(tǒng)仿真學報，2009，21（24）：7969－7973.

［7］聶偉，郭梅花，張永杰.跳頻通信系統(tǒng)的研究與 Matlab仿真［J］.軍事通信，2010，10：74－75.

［8］閆云斌，全厚德，崔佩璋.GMSK跳頻通信干擾模式分析及仿真［J］.計算機測量與控制，2011，19（12）：3082－3088.

［9］程郁凡，韓瑋，李少謙.基于FFT的快速跳頻同步信號存在性監(jiān)測［J］.電子科技大學學報，2003，23（5）：535－540.

［10］楊土安.基于頻率估計的短波跳頻同步捕獲技術(shù)的研究［D］.武漢大學，2004.

［11］李正民，陳京育，姬曉陽.基于ARM的多功能無線通信模塊設(shè)計［J］.計算機與數(shù)字工程，2010（3）.

［12］A.K.Elhakeem，GS.Takhar，S.C.Gupt.A New code acquisition techniques in spread－spectrum communiactions，IEEE Trans.Commun，1980：249－257.