高速跳频系统中同步技术的设计和研究

王康，张进

（中国移动通信集团设计院有限公司山东分公司，济南 251400）

1 频率跳变系统

跳频系统的组成框图如图1所示。频率跳变系统中发信机的发射载波频率，在一个预定的频率集内由伪随机码序列控制频率合成器伪随机地由一个跳到另一个。收信机中的频率合成器也按照相同的顺序跳变，产生一个和接收信号频率相差中频频率(fIF)的参考本振信号，经混频后得到频率固定的中频信号，这一过程称为对跳频信号的解跳。解跳后的中频信号经过放大后送到解调器解调，恢复出传输的信息。

2 跳频同步的一般方法

直扩同步是扩跳频通信系统的关键。直扩同步包括PN码元的同步和载频的同步。

(1)独立信道法。独立信道法是指利用一个专门的信道来传递同步信息，依此同步信息实现同步的方法。这种方式需要专门的信道来传递同步信息。

(2)参考时钟法。参考时钟法是指通过某种算法向网络分配一个公共时基，依此时基实现同步的方法。时基在网内快速传递，且对用户透明，用户入网可快速同步。但参考时钟法对时基的精度、稳定度要求极高。

图1 频率跳变系统框图

(3)自同步法。自同步法是指通过发射机发送的信息序列中隐含同步信息，在接收机将该同步信息提取出来，从而实现同步的方法。自同步法具有节省信道、节省信号功率和同步信息隐蔽等优点。

(4)同步字头法。同步字头法是指在建立通信之前，先发送一个同步字头，利用该同步字头实现同步的方法。同步字头法具有快速同步的优点，但同步字头易遭受干扰，须加同步保护措施。

3 本文系统跳频同步方法

根据中频数传模块接收通道信号处理流程，将接收部分分为跳频解跳模块、数字下变频模块，伪码捕获模块，载波与码的精密跟踪模块，数据解调模块这几个功能模块构成，接收部分原理框图如图2所示。

图2 接收部分原理框图

在接收模块中，跳频序列发生器在捕获同步跟踪电路作用下，取得与发射端相同的扩频序列和跳频图案，控制频率综合器的输出，得到稳定的中频信号，然后送入A/D转换模块。

一种基于精确时钟、同步字头和串行捕获相结合的方法，即等待自同步法，被广泛应用。在等待自同步法中，收发双方开始联系时，由于接收机对接收信号的频率和跳频图案的相位完全不清楚，因而接收端频率合成器输出信号的频率停留在某一频率上。若捕获到相关峰，则判定接收信号与当前等待频率同步，即转入跳频图案跟踪状态；若捕获不到相关峰，则转入重新捕获状态。其同步原理图3所示。

图3 等待自同步法原理图

上述等待同步法对信道中的干扰性能相对较差，为此，本系统采取带记忆的等待同步法，即：当进入到跳频图案跟踪状态时，对前一时刻的跳频频率作记忆，若当前预期位置未出现相关峰捕获信号，并不马上转入重捕状态，而是按既定的跳频图案进入下一频率等待，若仍没有捕获到相关峰再转入重新捕获，这样可以有效对抗单对准频率的干扰，并不影响其他未受干扰的频点的信息传输。

还有一种干扰的情况是，对方转发干扰，导致接收机在某个频率上捕获到两个相关峰，这样，导致接收机跟踪逻辑混乱而无法正常通信。为解决这一问题，接收机对当前相关峰出现时刻也进行记忆，若下一相关峰出现时间小于50 μs（1跳时间），则视为转发干扰，而不转入下一频点。

通过以上对相关峰对应的频点，出现的时刻，可以有效对抗跟踪、转发干扰机的干扰。

图4 跳频序列捕获原理图

本系统采用的跳频同步捕获方案如图4所示，跳频序列相位搜索包括两部分，一是控制频率的搜索，主要是为使频率合成器送出的频率在跳频序列同步情况下与发送来的信号频率同步，另一部分是跳频码发生器控制跳频序列的搜索，当本地跳频序列与接收的不一致时，则不能通过混频产生恒定的70 MHz中频信号，经平方积分后输出很小，搜索控制时钟使跳频序列改变相位，进而改变频率合成器的输出，直至与发送来的跳频频率相一致，即跳频序列混频后有70 MHz中频输出，此时跳频序列已同步。

4 系统验证

本文所研究的系统是在基于FPGA的软件无线电平台上完成的，利用了Xilinx公司的Vertex系列中的XC4VLX40-10FF668-I型号FPGA芯片，软件工具为Xilinx公司的ISE设计软件，信号源发射机跳频速率为：1/50 μs/20 000 hop/s。

结果分析：图5为采样时钟64 MHz的chipscope采集的信号捕获相关峰值与设定门限值，可以看出两个相关峰之间相隔3 200点，即3 200×1/64 M=50 μs，恰好是一跳的时间，说明的每跳都捕获成功；图6为在理想情况下chipscope采集的误码率情况，其中接收了1 115 400 bit，错误比特数为0。

图5 chipcope采集伪码捕获相关峰

图6 chipscope采集误码率检测

5 结束语

本文首先简要介绍了跳频系统的基本原理，然后研究了跳频系统中跳频同步技术的发展和基本技术，在此基础上针对高速跳频系统中现有自同步方法，提出了一种改进型的自同步和同步头相结合的跳频同步方法即带记忆的等待自同步法，对前一时刻的跳频频率作记忆，可以有效的对抗单对准频率的干扰和对方转发干扰，并不影响其他未受干扰的频点的信息传输。

[1] Pickholtz R 1, Schilling D L, Misltein L B. Theory of spread spectrum communications a tutorial[J]. IEEE Trans Commun, May 1982,30:855～884.

[2] 田日才．扩频通信[M]．北京：清华大学出版社, 2007.

[3] 刘继承，李署坚，邵定蓉等．基于编码扩频的DS/FH混合扩频通信系统同步与数据解调技术的研究[J]．遥测遥控，2002，23(5)：29-34.