李阿明， 李騰飛， 張明利

（上海無線電設(shè)備研究所，上海200090）

0 引言

跳頻系統(tǒng)的抗干擾能力與跳頻系統(tǒng)的跳速密切相關(guān)，跳頻速率越高，信號頻率被捕獲的可能性就越小，從而削弱跟蹤式干擾對跳頻系統(tǒng)的影響。高速跳頻在實(shí)現(xiàn)有效對抗干擾的同時(shí)也帶來了一系列的技術(shù)難題，其中最急需攻克的難題之一就是對高速跳變頻率的接收同步問題。因此，如何有效實(shí)現(xiàn)高速可靠的同步技術(shù)，是跳頻通信系統(tǒng)的研究核心。高速跳頻對通信系統(tǒng)的同步捕獲能力要求高［1］，需要系統(tǒng)能夠自動快速實(shí)現(xiàn)同步，再同步能力要強(qiáng)，寂靜后能迅速再同步，同時(shí)能夠有效對抗干擾引起的虛假同步，且新設(shè)備能夠快速入網(wǎng)等。本文結(jié)合同步字頭法和參考時(shí)鐘法，并利用一種多頻點(diǎn)同步頭結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種新的跳頻同步方案，可以在較大的時(shí)間動態(tài)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高速跳頻的快速捕獲和同步。

1 跳頻同步實(shí)現(xiàn)途徑

（1）獨(dú)立信道法

獨(dú)立信道法利用獨(dú)立的一個(gè)信道來傳送同步信息，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的跳頻通信。該方法能夠連續(xù)傳送大量的同步信息，同步建立迅速，保持時(shí)間長。但該方法使用定頻傳送同步信息，隱蔽性差，易被發(fā)現(xiàn)和干擾。

（2）參考時(shí)鐘法

參考時(shí)鐘法通過中心站分發(fā)高精度時(shí)鐘信息，網(wǎng)內(nèi)通信設(shè)備依據(jù)該時(shí)鐘基準(zhǔn)生成跳頻圖案，控制收發(fā)信機(jī)工作頻率。有了相同的時(shí)間基準(zhǔn)，便可以實(shí)現(xiàn)收、發(fā)雙方跳頻圖案的同步。由于利用了精確的時(shí)鐘來減小收發(fā)雙方偽隨機(jī)碼相位的不確定性，因此具有同步速度快、準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)。如果公共時(shí)基精度和穩(wěn)定度足夠高，用這種方法可以進(jìn)一步提高跳速、縮短同步時(shí)間。但是，該方法對時(shí)鐘穩(wěn)定性要求較高，并且對于相對位置和速度高速變化的通信雙方，跳頻同步精度將受到嚴(yán)重影響。

（3）同步字頭法

同步字頭法是在跳頻信號前放置同步頭，用于攜帶跳頻同步信息，接收端可以根據(jù)同步字頭的特點(diǎn)，將其從接收到的跳頻信號中識別出來，并利用其攜帶的同步信息調(diào)整偽隨機(jī)發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)收發(fā)雙方跳頻同步。

采用該方法時(shí)，接收機(jī)可在某一固定頻率上等待同步頭的到來，或?qū)ν筋^頻率進(jìn)行掃描搜索。這種方法具有同步搜索快、容易實(shí)現(xiàn)、同步可靠等優(yōu)點(diǎn)。但是，同步字頭一旦受到干擾，整個(gè)跳頻通信系統(tǒng)將無法工作。所以使用同步字頭法時(shí)，需要設(shè)法提高同步字頭的抗干擾性與隱蔽性能。

（4）自同步法

自同步法是將同步信息包含到發(fā)送的信息序列中，在接收機(jī)端通過一定的方法將該同步信息提取出來，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)收發(fā)雙方的跳頻同步。該方法可以有效節(jié)省信道資源和信號功率，并且同步信息隱蔽性好，抗干擾能力強(qiáng)，組網(wǎng)靈活。但其同步信息有限，同步時(shí)間較長，跳頻頻道數(shù)較少，不利于實(shí)現(xiàn)高跳速和多跳頻頻道數(shù)。

在跳頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，往往使用多種同步方法綜合的設(shè)計(jì)方案，融合不同同步方法的優(yōu)點(diǎn)，規(guī)避其缺點(diǎn)。在兼顧抗干擾能力和捕獲時(shí)間的同時(shí)，使系統(tǒng)達(dá)到最佳的同步性能。

2 高速跳頻通信同步方案

本文結(jié)合同步字頭法和參考時(shí)鐘法，提出一種適應(yīng)于高速跳頻通信的跳頻圖案同步方案。利用參考時(shí)鐘法控制生成同步頭使用的跳頻頻率，有效提高了同步頭的隱蔽性；將多個(gè)頻點(diǎn)用于捕獲同步，降低了對時(shí)間精度的要求，有效地解決了參考時(shí)鐘法易受時(shí)鐘穩(wěn)定性影響的問題，并且提高了同步頭和整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力。數(shù)據(jù)段通過同步頭提供的時(shí)鐘信息，則可以穩(wěn)定高效地實(shí)現(xiàn)高速跳頻。

首先將系統(tǒng)參考時(shí)鐘TOD分為成高低兩端，其中高段慢變化，低段快變化。高段通過TOD按周期T取整獲得，即TODH，低段為TOD按周期T取余獲得，即TODL。

利用慢變化的TODH生成同步頭使用的跳頻圖案，即使用TODH，TODH+1，TODH+2，…，TODH+（m—1）生成連續(xù)m 個(gè)頻點(diǎn)fH0，fH1，fH2…，fH（m—1）。將 TODH生成的這些頻點(diǎn)序列用于擴(kuò)跳頻系統(tǒng)的捕獲和幀同步。這樣同步頭的頻點(diǎn)隨時(shí)間變化，且不止一個(gè)頻點(diǎn)用于捕獲，使得同步頭能夠獲得足夠的隱蔽性和抗干擾性能。這樣一來既利用了同步頭法同步搜索快，容易實(shí)現(xiàn)和同步可靠的特點(diǎn)，又可以有效解決同步頭一旦受到干擾整個(gè)系統(tǒng)就無法工作的問題。

同步頭傳輸?shù)耐叫畔⒅饕ňW(wǎng)號、TODL等同步信息。網(wǎng)號用來傳送組網(wǎng)信息，只有收發(fā)網(wǎng)號相同，才能進(jìn)行組網(wǎng)。傳送的發(fā)端TODL時(shí)鐘信息，用于生成數(shù)據(jù)幀的跳頻圖案。保留緩沖用于TODL信息更新和位同步調(diào)整。

用接收到的時(shí)間信息TODL和本地頻率生成密鑰KEY即可生成同步頭后數(shù)據(jù)幀的跳頻圖案。

綜上可知，上述方案的核心是要解決如何實(shí)現(xiàn)多頻點(diǎn)同步頭的捕獲和同步的問題。

由于時(shí)鐘穩(wěn)定性、移動距離變化等因素會引起收發(fā)兩端TODH相對關(guān)系的不確定性，帶來同步頭位置跳頻圖案捕獲同步的偏差。因此，需要知道接收端捕獲頻率和發(fā)送端頻率的相對時(shí)間偏差關(guān)系，并且在知道時(shí)間相對關(guān)系后調(diào)整接收頻率值完成同步頭的傳輸，并且根據(jù)收發(fā)時(shí)間相對關(guān)系對本地接收時(shí)鐘進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步。

使用多個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行捕獲同步的關(guān)鍵是通過一定的方法確定收端與發(fā)端的TODH的相對偏差，進(jìn)而調(diào)整后續(xù)同步頭的接收頻點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)同步信息的接收。為此要設(shè)計(jì)特殊的同步頭幀結(jié)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)多頻點(diǎn)捕獲和幀同步相對位置關(guān)系的唯一性。利用擴(kuò)頻系統(tǒng)同步頭捕獲和幀同步相對位置的唯一性，確定收端和發(fā)端的TODH偏差。

發(fā)端使用 TODH，TODH+1，TODH+2，…，TODH+（m—1）生成的m個(gè)頻點(diǎn)，重復(fù)發(fā)送m次前導(dǎo)序列段擴(kuò)頻偽碼序列，然后逆序使用這m個(gè)頻點(diǎn)發(fā)送幀同步段擴(kuò)頻偽碼序列。這樣設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)在前導(dǎo)序列段的任意位置進(jìn)行接收捕獲，誤捕獲和漏捕獲后仍然有多次機(jī)會完成捕獲，大大提高了捕獲的概率，并且m個(gè)頻點(diǎn)中任意一個(gè)頻點(diǎn)均可以捕獲，有效提高了同步頭的抗干擾能力。

接收端使用寬時(shí)間間隔切換捕獲頻點(diǎn)進(jìn)行循環(huán)滑動搜索。在實(shí)現(xiàn)捕獲后，接收端更換接收擴(kuò)頻偽碼序列，并保持捕獲頻點(diǎn)不變。隨后，收端將在幀同步段匹配產(chǎn)生幀同步信號。發(fā)端信號捕獲和幀同步位置的相對差值均為唯一值，即通過差值關(guān)系可以反推出發(fā)送端使用的發(fā)送頻點(diǎn)。根據(jù)幀同步和捕獲的相對位置差值，就可以知道捕獲對應(yīng)的發(fā)送端的工作頻點(diǎn)，再利用本地捕獲的頻點(diǎn)信息，就可以知道收發(fā)端的TODH相對時(shí)間差。進(jìn)而，可以調(diào)整接收端同步頭后續(xù)頻點(diǎn)與發(fā)端對齊，實(shí)現(xiàn)跳頻圖案的同步和同步信息的接收，并且利用收發(fā)時(shí)間差可以調(diào)整本地接收時(shí)間和發(fā)送端時(shí)間對齊。

通過同步頭的捕獲同步，有效消除了時(shí)間不確定問題對同步頭的影響。收方TODH通過同步頭的捕獲同步修正，TODL通過同步頭傳送，達(dá)到與發(fā)方TOD一致，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高速跳頻同步。

3 通用同步頭設(shè)計(jì)

通過對上述高速跳頻通信同步方案的分析可知，同步頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)上述方案的關(guān)鍵。滿足上述方案的同步頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖5所示。使用m個(gè)不同頻點(diǎn)發(fā)送前導(dǎo)序列的偽隨機(jī)碼用于捕獲，且連續(xù)發(fā)送n次，最后倒序使用這m個(gè)頻點(diǎn)分別發(fā)送1次幀同步偽隨機(jī)碼序列。

設(shè)接收端在頻點(diǎn)f（i）實(shí)現(xiàn)捕獲，其中i∈｛0，1，2，…，m—1｝；且捕獲對應(yīng)接收的第j次發(fā)送，其中j∈｛1，2，3，…，n｝；捕獲后，接收端的頻點(diǎn)將保持不變，更換接收偽隨機(jī)碼序列，直到使用相同的頻點(diǎn)f（i）實(shí)現(xiàn)幀同步。此時(shí)，幀同步和捕獲相對位置的差值為

設(shè)計(jì)要求任意兩個(gè)不同（i，j）組合對應(yīng)的差值不同，即D（i，j）互不相同。差值的唯一性將用來判斷接收捕獲頻點(diǎn)與發(fā)端頻點(diǎn)相對關(guān)系，進(jìn)而獲得收發(fā)端的TODH相對時(shí)間差。

滿足上述要求的條件：用于捕獲的頻點(diǎn)序列個(gè)數(shù)m必須為奇數(shù)。連續(xù)發(fā)送次數(shù)n無要求。一般m≥3且m為奇數(shù)，n≥2。

簡要證明如下：設(shè)E（i，j）=m×j+2i，常數(shù)C=m×（n+2）—1，則僅需要判斷E（i，j）在不同（i，j）組合是否存在相同值。

設(shè)E（i1，j1）=E（i2，j2），其中i1≠i2，j1≠j2。即m×j1+2i1=m×j2+2i2，即m（j1—j2）=2（i1—i2）。不失一般性可設(shè)j1＞j2，i2＞i1。

（1）若m為奇數(shù)

為保證兩邊相等，則（j1—j2）為偶數(shù)，由于j1≠j2，所以（j1—j2）＞2，由于i1，i2∈｛0，1，2，…，m—1｝，所以 m＞（i2—i1），可得 m（j1—j2）＞2（i2—i1）。所以m為奇數(shù)時(shí)，不存在使等式成立的情況。

（2）若m為偶數(shù)

設(shè)i2=i1+m/2，則 m（j1—j2）=（i2—i1）=1，可得（j1—j2）=1，即存在使等式成立的（i，j）組合。所以m為偶數(shù)時(shí)存在不同（i，j）組合使得差值D（i，j）相同的情況。

當(dāng)接收TOD時(shí)間和發(fā)送TOD時(shí)間不同步時(shí)，為確定捕獲頻點(diǎn)在發(fā)送頻點(diǎn)序列中的位置，則可以通過上述差值確定發(fā)送頻點(diǎn)的在頻點(diǎn)序列中的相對位置。

頻點(diǎn)生成和系統(tǒng)時(shí)間TODH是一一對應(yīng)的，設(shè)頻點(diǎn)更新時(shí)間為T，即每隔時(shí)間T，頻點(diǎn)更新一次。發(fā)送頻點(diǎn)使用當(dāng)前時(shí)間t到時(shí)間t+m T的頻點(diǎn)序列。為區(qū)分收發(fā)頻點(diǎn)分別用fs和fr表示。設(shè)捕獲和幀同步對應(yīng)的頻點(diǎn)分別為fs（i2）和fr（i1）。由于不同頻點(diǎn)幀同步和捕獲的差值是唯一的，所以在接收端發(fā)送頻點(diǎn)的位置可以利用該差值推導(dǎo)得到，設(shè)為i2。捕獲和幀同步的頻點(diǎn)對接收端來說是已知的，設(shè)為i1。則接收端與發(fā)送端的時(shí)間差為（i1—i2）T。

知道時(shí)間差值后，便可以據(jù)此調(diào)整同步頭后續(xù)部分所使用的頻點(diǎn)，與發(fā)端對齊。該幀接收成功后可以微調(diào)本地接收時(shí)間，用以逐漸與發(fā)送端實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。只有時(shí)間同步才能有效保證m個(gè)頻點(diǎn)用于捕獲，進(jìn)而有效提高系統(tǒng)抗干擾能力。

圖7為收端fr（0）捕獲了發(fā)端頻點(diǎn)fs（m—1），從中能夠看出系統(tǒng)容忍的最大時(shí)間不確定范圍區(qū)間為（—m T，m T）。為了能正確判斷差值D（i，j），則必須保證頻點(diǎn)fs（0）到fs（2m—2）互不相等，即連續(xù)2m—1個(gè)捕獲頻點(diǎn)互不相等，否則可能會導(dǎo)致捕獲同步相對位置關(guān)系的錯(cuò)誤。

3 結(jié)論

多頻點(diǎn)同步頭的設(shè)計(jì)使得捕獲同步頻點(diǎn)分散，抗干擾能力強(qiáng)，同時(shí)提供了多次捕獲的機(jī)制，在首次捕獲受到干擾未完成捕獲的情況下，可再次完成捕獲，有效提高了捕獲的概率。同步頭的跳頻圖案依據(jù)系統(tǒng)時(shí)間生成，但對時(shí)鐘精度要求不高。每幀數(shù)據(jù)均可快速實(shí)現(xiàn)同步，同步時(shí)間短，同步可靠。