王 壯 余國(guó)文

（1.空軍預(yù)警學(xué)院研究生管理大隊(duì) 武漢 430019）（2.空軍預(yù)警學(xué)院五系 武漢 430019）

1 引言

跳頻通信由于抗截獲、抗干擾能力強(qiáng)，保密性能好，具有選址功能等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于軍事通信和民用通信中。跳頻通信系統(tǒng)利用擴(kuò)展頻譜技術(shù)，將信號(hào)擴(kuò)展到很寬的頻帶上，在接收端對(duì)擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，恢復(fù)成窄帶信號(hào)［1］。本文利用 MATLAB／SIMULINK對(duì)跳頻系統(tǒng)的跳頻序列產(chǎn)生，跳頻同步設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真，為今后更加深入的研究對(duì)跳頻系統(tǒng)的干擾提供依據(jù)。

2 時(shí)間信息（TOD）的相關(guān)概念

2.1 TOD信息的含義與格式

時(shí)間信息（Time of Day，TOD）就是跳頻圖案實(shí)時(shí)狀態(tài)信息或?qū)崟r(shí)時(shí)鐘信息，在電臺(tái)內(nèi)部一般以跳頻間隔為單位計(jì)時(shí)，包括：年、月、日、時(shí)、分、秒、跳數(shù)，共 Mbit。在使用TOD時(shí)，通常用低段TOD表示TOD的低Nbit信息，表征了跳頻電臺(tái)的分、秒、跳信息，記為TODl；用高段TOD表示高（M－N）bit信息，表征了跳頻電臺(tái)的年、月、日、時(shí)、分信 息，記 為 TODh［2～3］。如圖1所示。

圖1 TOD格式

2.2 TOD信息的產(chǎn)生與作用

圖2 計(jì)數(shù)式TOD工作原理圖

TOD信息就是由實(shí)際時(shí)間映射的用二進(jìn)制矢量表示的數(shù)字序列流，分為移位寄存式TOD和計(jì)數(shù)式TOD。計(jì)數(shù)式TOD是目前比較通用的方案，它的TOD初值是由用戶在按壓PTT鍵的實(shí)際時(shí)間按一定數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換得到的二進(jìn)制數(shù)字［4］。計(jì)數(shù)式TOD工作原理如圖2所示。

計(jì)數(shù)式TOD工作原理如下：用戶在按壓PTT鍵時(shí)讀取時(shí)間信息，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字后送到TOD寄存器中作為TOD初值。時(shí)鐘脈沖的產(chǎn)生頻率與跳頻電臺(tái)的跳頻速率保持一致，計(jì)時(shí)單位為跳頻間隔，加法器在時(shí)鐘脈沖的控制下工作，運(yùn)算結(jié)果送到TOD寄存器中作為當(dāng)前時(shí)刻的時(shí)間信息。因此，隨著跳頻通信的進(jìn)行，TOD信息實(shí)時(shí)變化。

TOD作為偽隨機(jī)序列發(fā)生器的初始數(shù)據(jù)，和原始密鑰數(shù)據(jù)PK共同控制產(chǎn)生跳頻圖案。由于收發(fā)雙方產(chǎn)生跳頻圖案的方法是一致的，不同的只是TOD。因此，只要知道TOD值就可完成跳頻同步，跳頻系統(tǒng)的同步可歸結(jié)為TOD的同步。同步信息的發(fā)送，需要在跳頻頻率集中根據(jù)一定的算法計(jì)算出同步頻率集。在以TOD為主要同步信息的同步系統(tǒng)中，通常利用TODh的值來(lái)確定k個(gè)頻率作為同步頻率，并且按規(guī)定同步頻率集隨著TODh的變化而相應(yīng)的進(jìn)行替換。

基于TOD的同步方法就是發(fā)送端發(fā)送自己的TOD，接收端通過(guò)對(duì)發(fā)送端同步信號(hào)的搜索，從中提取出發(fā)送端的TOD，用它來(lái)修正本端的TOD，從而完成同步［5］。

3 跳頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

跳頻通信中的關(guān)鍵技術(shù)包括跳頻圖案的產(chǎn)生和跳頻同步的設(shè)計(jì)等。

3.1 跳頻圖案的產(chǎn)生

在跳頻通信中，為了提高跳頻通信系統(tǒng)的抗干擾性能和保密性能，其跳頻圖案不是簡(jiǎn)單由偽隨機(jī)碼控制的，而且還需要加上另外的保密、抗干擾措施，以防止敵方對(duì)跳頻通信的干擾。其做法是：以原始密鑰數(shù)據(jù)PK和跳頻的時(shí)間信息TOD作為偽隨機(jī)碼發(fā)生器的初始數(shù)據(jù)，產(chǎn)生偽隨機(jī)碼，并與原始密鑰數(shù)據(jù)、跳頻的時(shí)間信息經(jīng)過(guò)非線性運(yùn)算后確定跳頻圖案［5］。常用的跳頻序列有m序列、M序列、gold序列、RS序列、混沌序列等，本系統(tǒng)采用的是RS序列，它是建立在m序列的基礎(chǔ)之上的。如圖3所示。

圖3 跳頻圖案的產(chǎn)生

3.2 同步系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

同步系統(tǒng)是跳頻系統(tǒng)的重要組成部分，其性能直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能。在跳頻系統(tǒng)中，收發(fā)兩端的跳變頻率必須嚴(yán)格地同步，才能正確地進(jìn)行解調(diào)，接收有用信號(hào)。常用的跳頻同步方法主要有獨(dú)立信道法、參考時(shí)鐘法、同步字頭法和自同步法。本系統(tǒng)采用的是基于參考時(shí)鐘法和同步字頭法的一種綜合同步法。同步信息格式設(shè)計(jì)如圖4所示［6］。

前導(dǎo)序列用同步頻率發(fā)送相關(guān)碼，以便收方通過(guò)對(duì)它的捕獲取得雙方的粗同步，粗同步指的是收方實(shí)現(xiàn)與發(fā)方在跳沿、跳速、TOD高段和同步頻率等方面的同步；幀同步用于識(shí)別前導(dǎo)序列已經(jīng)結(jié)束、同步信息傳送將要開始；網(wǎng)號(hào)用來(lái)傳送組網(wǎng)信息；TOD段用來(lái)傳送TOD低段。

圖4 同步信息格式

圖5 同步頻率的產(chǎn)生

同步頻率集是用來(lái)發(fā)送同步信息的一組頻率，它是由TODh信息根據(jù)一定算法計(jì)算出來(lái)的，隨TODh值的變化而變化，是跳頻頻率集的一個(gè)子集［7］。假設(shè)同步頻率為5個(gè)，其產(chǎn)生的過(guò)程如圖5所示。

4 系統(tǒng)仿真與結(jié)果分析

4.1 仿真模型的建立

本系統(tǒng)是在Simulink仿真環(huán)境中建立的仿真模型，它能夠反映跳頻通信系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)工作過(guò)程，可以幾乎實(shí)時(shí)的觀測(cè)到信號(hào)的頻譜，還可以根據(jù)研究需要擴(kuò)展仿真模型［8～9］。圖6為系統(tǒng)仿真模型，包括信息的調(diào)制和解調(diào)模塊、跳頻和解跳模塊、仿真結(jié)果的分析模塊以及誤碼計(jì)算模塊。

圖6 跳頻系統(tǒng)仿真框圖

在發(fā)送端，首先用Bernoulli Binary Generator模塊產(chǎn)生二進(jìn)制信號(hào)，與預(yù)先設(shè)計(jì)好的跳頻前導(dǎo)序列和時(shí)間信息TOD等同步信息組成信源數(shù)據(jù)，然后對(duì)其進(jìn)行2FSK調(diào)制。Hop＿Ger模塊用來(lái)控制產(chǎn)生跳頻載波信號(hào)，與信源信號(hào)相乘來(lái)生成跳頻信號(hào)。

在接收端，利用STFT模塊對(duì)跳頻信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析［11］，并在 Matrix View模塊中顯示結(jié)果。同時(shí)在Error Rate Calculation模塊中計(jì)算誤碼率，統(tǒng)計(jì)其誤碼性能。

4.2 仿真結(jié)果分析

系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下：跳頻頻率為1～78MHz的頻段內(nèi)以1MHz為間隔的78個(gè)頻率點(diǎn)，跳速為2000H／s。同步頻率設(shè)為6個(gè)，初始同步中發(fā)送6組同步信息共36跳，此后每隔42跳的語(yǔ)音信息發(fā)送一組6跳的勤務(wù)同步信息。運(yùn)行圖6中的仿真模型，可得到如下的仿真結(jié)果：

圖7 發(fā)射機(jī)狀態(tài)控制圖

圖7中，輸出為“1”時(shí)表示發(fā)送的是初始同步序列或勤務(wù)同步序列；輸出為“0”時(shí)表示發(fā)送的是語(yǔ)音信息。從圖中可以看出，發(fā)射機(jī)首先發(fā)送的是一組初始同步序列，然后開始發(fā)送正常的通信信息，間隔一定時(shí)間后又發(fā)送了一組勤務(wù)同步信息，此后的過(guò)程與此相似。

圖8給出了發(fā)射機(jī)跳頻圖案的仿真結(jié)果，從圖中可以明顯看出，在發(fā)射機(jī)的初始工作階段，頻率呈現(xiàn)規(guī)律性變化，這說(shuō)明此時(shí)發(fā)送的是初始同步信息。此后，頻率呈無(wú)規(guī)律跳變，但我們?nèi)阅茉?.04s和0.06s附近找出與發(fā)送初始同步信息頻率相匹配的兩組頻率，它們分別用來(lái)發(fā)送勤務(wù)同步信息。

圖8 跳頻圖案仿真圖

圖9 接收機(jī)信號(hào)時(shí)頻圖

圖9顯示了對(duì)接收端接收到的跳頻信號(hào)做時(shí)頻分析后的時(shí)頻圖，通過(guò)與圖8進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)接收端的跳頻信號(hào)頻率是按照跳頻圖案的設(shè)計(jì)進(jìn)行跳變的，這說(shuō)明本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是可信的。

5 結(jié)語(yǔ)

本文描述了一種基于時(shí)間信息TOD的跳頻通信系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹了跳頻同步系統(tǒng)中時(shí)間信息TOD的產(chǎn)生與作用，最后設(shè)計(jì)了一種包含TOD同步信息的跳頻通信系統(tǒng)，并應(yīng)用Simulink仿真工具實(shí)現(xiàn)了對(duì)這一系統(tǒng)的仿真分析。仿真結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性，達(dá)到了預(yù)期的目的，為下一步研究對(duì)跳頻系統(tǒng)的干擾提供了理論依據(jù)。

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