短波跳频通信系统同步方法的研究分析

吴鉴冰

（广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510663）

短波跳频通信系统同步方法的研究分析

吴鉴冰

（广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510663）

文章介绍了短波通信抗干扰的几种方法，分析了跳频同步技术的特点、技术原理及影响因素、同步技术实现过程；设计了一种并行搜索TOD同步字头法，这种方法同步速度快，适用于快速跳频系统。

短波跳频通信；跳频同步技术；TOD信息；并行搜索；TOD同步字头法

1 短波通信抗干扰技术分析

1.1 频率跳变

频率跳变关键技术是频谱感知，目前多采用DSP，FPGA等数字技术实现频谱感知。在电子通信侦察机接收到信号频率时，加载同频率的干扰信号，干扰信号则由频率合成器合成。频谱感知系统采用数字化双信道模式，便于接收信号和实施干扰。理论上，跳频速率越高，干扰信号越强，但是在实际应用中，由于受扫描间隔的影响，跳频速率过高，容易引起有用信号的恶变，导致无法接收有用信号。因此，需要统筹考虑信道带宽及信道切换时间，同时还要考虑信号信道驻留时间、短波通信多径效应的特点，选择合适的跳频速率。信道扫描多采用数字预置频率集扫描模式，也有采用全频段顺序扫描。为了取得良好的干扰效果，干扰信号跳变图案应区别于有用信号，这样便于干扰信号的识别。目前军事应用中，干扰侦察机的干扰跳速可以达到500 H/S[1]。

1.2 自适应跳频

自适应跳频主要针对敌方人为干扰。自适应跳频特点在于精确感知敌方干扰信号后，在收发信号过程中有效进行信道切换，即捕获到某个频率点干扰，立即在下一次跳变点更换掉上一频率。自适应跳频必须对信号样本具有足够的分析能力，然后才能实现接受功率的精确检测，尤其对于中频信号进行频谱分析，跳频扫描速率应达到足够快，采样速率和跳频驻留时间应作为主要考虑参数，从而实现较高的扫描速度。自适应跳频采用双工信道模式，引入非对等时分技术，对功率谱进行预估计，保证下行链路通信质量，又可以实现上行通信控制，提取相应频点功率谱密度，建立通信链路修正频率表，提升频谱感知质量，增强抗干扰性能，自适应跳频实现了频率和功率的自适应。短波自适应跳频在国外军事应用于CSF-350 H，CHX-200等电台，但在中国还没有成熟技术应用到军事领域。

1.3 差分跳频技术

差分跳频（Differential Frequency Hopping，DFH）是在频域和时域内实现冗余度自接插入的跳频技术。该项技术没有增加额外数据码元，采用自纠错控制算法，在阻塞及瞄准模式的干扰中，实战效果明显。另外采用跳频发射时驻留时间内设置的特殊码组以及同步固定频率特性，能识别跳频质量的好坏，自动诊断干扰效果，在军事抗干扰实战中应用广泛。

1.4 混合多址接入技术

混合机制融合了竞争机制和分配机制优点。通信空闲时段，利用竞争机制的MAC协议，减少延时，增加信道资源利用率；通信繁忙时段，则通过分配机制的MAC协议，实现无分组碰撞，增大吞吐量。

2 跳频同步技术

2.1 跳频同步的分类

跳频系统通常由伪随机序列控制，硬件系统中的频率合成器生成载波频率，跳频接收机和发射机在载波频率一致，同一时间段内发送和接收信号时，才能实现安全可靠通信，跳频系统的同步主要是位同步、帧同步、载波同步和跳频图案的同步；位同步主要类型为码元定时、伪随机序列chip等同步方法，实现接收双方位信息的同步，系统只有检测到帧同步信息后，才能提取有用信号的信息；载波同步通过一般的频率合成器处理。对跳频图案的同步进行分析和研究，即伪随机序列同步，其同步具体内容如图1所示。

图1 跳频图案的同步原理

2.2 同步技术原理及影响因素

同步技术核心是实现两端通信的时间同步。跳频同步要求接收端和发射端必须保持跳频序列相一致，频率合成算法相同，码相位和频率起跳时刻统一。跳频同步技术原理是，接收信号前，接收机提取发射端发射信息中的跳频序列、跳频图案模式、起跳时间等内容，接收过程需要对频率/时间漂移、多径效应等形成的误差进行及时调整，满足同步要求。接收端读取发送端同步信息完成后，开始启动本地跳频序列发生器，接收跳频信号，并对基带信号进行解调处理，实现跳频通信安全、稳定联接[2]。同步不确定影响因素主要包括频率源的漂移、电波传播的时延、多普勒频移、多径效应等。频率漂移主要是由频率源元器件老化等引起，频率源作为跳频系统核心，可以产生fc,f L ,fr/fcLk等频率，引起载波频率漂移，导致码元时钟频率偏移，最终积累为码相位的偏移，影响系统性能。

2.3 跳频图案同步过程

跳频图案的同步过程包括捕获、跟踪，即初始同步（粗同步）。接收端搜索发射信号中的初始相位信息，进行有效提取，并随机对本地跳频码相位进行调整，满足收发两端跳频码相位误差控制在1切普内。跟踪（精同步）主要实现精确对准捕获后剩余信息相位差，实现接收端、发送端跳频码相位完全一致和同步保持。

跳频同步初始化完成，接收机对本地时钟进行同步调整，搜索发射端的跳频信息，信息搜索到以后实施捕获，完成搜索程序，开始进入同步跟踪程序，跟踪结束对同步过程进行锁定。如果信号处于误差范围之外，处于失步状态，系统将重新对信号进行捕获。同步捕获时，对信号检测概率要求尽量大，同步过程尽量减少虚警检测的概率。跳频通信中的同步方法可根据需要选择采用自同步法、TOD信息同步字头法、参考时钟法、独立信道法、同步字头法、并行搜索TOD同步字头法等。

3 并行搜索TOD同步字头法

3.1 并行搜索TOD同步字头法序列格式

基于并行搜索TOD同步字头法对接收端和发送端信息同步，信号采用伯努利01序列作为前导序列，前导序列的目的在于实现接收端完成同步频率的跟踪，伯努利01序列随机性较好，伪装性能高。帧同步序列是一种相关码序列，接收端根据相关峰检测同步序列，对同步跟踪效果进行验证。帧同步实现以后，发送端开始传输TOD信息中的TODH，TODL等信息，接收端对TODH，TODL信息进行有效提取处理，并根据接收信息及时调整本地的TOD信息，TOD同步字头法序列格式中的网号是实现跳频组网信息的重组。并行搜索TOD同步字头法序列格式如图2所示。

图2 并行搜索TOD同步字头法序列格式

3.2 同步方案

并行搜索TOD同步字头法在发送端发送数据信息前，先发送一组建立同步信息的同步序列，建立收发端的序列同步。初始化序列完成，收发两端采用TODH转换规则，在跳频频率表中进行同步选频。同步选频一般选择最大信道间隔、最宽带宽的跳频频率，以有效增强信号的抗干扰能力。选频结束，发送端依次循环跳变的同步频率上发送同步序列。接收端是基于并行方式实现接收同步，其规则是在n条并行支路上，接收系统同时搜索同步信号，起始频率以及发送端同步跳变。

3.3 性能分析

式（1）中，前导序列为n1，TOD及网号为n3，帧同步序列为n2，调频周期Th，假设跳频速率为1 000 h/s，信息比特率为500 bit/s，n1=20跳，n2=62跳，n3采用（3，1）线性分组码编码。收发双方的时间相差≤1 h，则TOD信息传输速率为22 bit，同时设网号信息5 bit，n3=162跳，则TS=244 ms＜600 ms，能够满足军队标准规定。

4 结语

跳频通信信号机制和工作原理比较独特，对抗各种干扰效果良好，其衰落与跟踪技术性价比高，其关键技术是实现收发双方的跳频同步，同步方法研究尤为重要，文章通过基于并行搜索TOD同步字头法进行了介绍与分析，该方法性能优良，适合快速跳频系统。

[1]葛海波，刘斐，周艳娥，等.一种快速的DS/FH混合扩频信号捕获方案及其性能分析[J].电讯技术，2013（9）：1148-1153.

[2]孙宁波.混合扩频系统解跳技术的研究及实现[D].杭州：杭州电子科技大学，2011.

Study and analysis on the synchronization method of shortwave frequency hopping communication system

Wu Jianbing
（Haige Communications Group Limited by Share Ltd, Guangzhou 510663, China）

This paper introduces several methods of anti-jamming of shortwave communication, analyzes the characteristics, principle and in fl uencing factors of frequency hopping synchronization technology, and implementation process of synchronization technology,designs a parallel search TOD synchronization head method that has synchronous speed and suitable for fast frequency hopping system.

shortwave frequency hopping communication; frequency hopping synchronization technology; TOD information; parallel search; TOD synchronization head method

吴鉴冰（1979— ），男，广东饶平，硕士，工程师；研究方向：软件工程。