基于粗同步跳频规律的时隙头提取技术

董石磊，李　悦，刘志荣

(1.中国洛阳电子装备试验中心，河南 洛阳 471003；

2.中电电子进出口总公司，北京 100036)



基于粗同步跳频规律的时隙头提取技术

董石磊1，李悦2，刘志荣2

(1.中国洛阳电子装备试验中心，河南 洛阳 471003；

2.中电电子进出口总公司，北京 100036)

摘要：战术数据链中，时分多址接入(Time Division Multiple Access,TDMA)技术具有良好的抗截获和抗干扰能力，组网灵活，因此得到广泛应用。针对侦察TDMA系统时需要确定时隙头位置(即时隙首脉冲到达时间)的问题，在对TDMA系统结构和时隙结构进行分析的基础上，研究时隙结构中粗同步部分32个脉冲存在的固有跳频规律，通过仿真分析提出了基于该跳频规律的时隙头提取方法，在脉冲丢失概率较高的情况下对该方法进行了蒙特卡罗仿真测试，仿真结果验证了算法的有效性，从而为后续的时隙分析奠定基础。

关键词：TDMA；跳频图案；模板匹配；时隙头

0引言

TDMA体制数据链系统通常具有一套基于时间分配的接入体制，与其他体制相比，TDMA效率更高，支持的功能更强大，是目前各国数据链装备研究的重点，具有良好的发展前景。

TDMA体制数据链将时间轴划分为若干个时元，每个时元划分为若干个时帧，每个时帧划分为若干个时隙。时隙是TDMA网络中最基本的时间单位，将这些时间单位分配给每一个参与的系统终端以实现特定功能[1]。

对基于时隙分配的TDMA系统终端进行侦察处理，准确提取出时隙头至关重要，它是进行后续时隙序列分选实现多目标时隙分离的基础，目前对该问题还未见有相关报道。本文基于时隙结构中粗同步跳频的规律，研究满足复杂电磁环境下的时隙头提取算法，在脉冲丢失概率较高时，采用模板匹配的方法来提高算法的鲁棒性，保证时隙头提取的准确性。

1TDMA系统

1.1　TDMA结构

TDMA体制数据链系统将每24个小时分割为112.5个信号周期，每个信号周期持续时间为12.8 min，称为一个时元。一个时元可进一步分为98 304个时隙，每个时隙持续时间为7.812 5 ms。时隙是联合战术信息分发系统中最基本的时间单位。将这些时间单位分配给每一个参与的系统终端以实现特定功能[1-3]。

在一个时元中，时隙被依次编入3个时隙组，即A组、B组、C组，并且以重复循环方式交替出现。例如，A0、B0、C0，随后是A1、B1、C1直到A32767、B32767、C32767。这样每个时元中的每一个时隙均有确切的命名，对所有时元该序列都是重复出现的，如图1所示。

图1　时分多址结构

1.2　时隙结构

在每个时隙内，联合战术信息分发系统终端既可被设定为发送状态也可被设定为接收状态。因此，每个时隙都是一次传输时间。一个时隙由若干个部分组成，这些分量按先后顺序排列：抖动、粗同步、精同步、报头、消息、传播保护[4-7]，如图2所示。

图2　时隙结构

时隙开始时的那段延时或静寂时间称为抖动。在此期间不发送脉冲。每个时隙间的伪随机抖动档次是互不相同的，这种伪随机方式可通过传输保密变量来确定。抖动有益于信号的抗干扰性，因为它使得干扰机很难确定何时发射干扰信号。

抖动之后的两组预定脉冲码元包也称作粗同步和精同步。接收机利用这些模式可以识别信号并与信号同步。随后是报文传送部分，在这些脉冲中包含报头与数据信息。时隙的末端是一段保护期，在此期间可进行信号传播。

因此，在时隙的粗同步、精同步、报头和消息中一系列码元被加密到载有信息的脉冲中再发射出去。抖动和传播保护部分属于静寂时间，在此期间不发射脉冲。

2时隙头提取关键技术

2.1　时隙粗同步跳频规律

每个时隙的起始脉冲即为粗同步的首脉冲，粗同步包含16个双脉冲符号，使正在接收的单元实现与发射信号的粗同步。在一个网络中，不同时隙的粗同步跳频图案是不同的。在同一个时隙中，不同网络的粗同步跳频图案也不同。跳频图案一般由网络号和传输加密变量来决定。虽然粗同步跳频图案不同时隙各不相同，但是粗同步的跳频方式存在一定的规律性，即通常在频率集中随机选取8个频点，在粗同步的32个脉冲中基于一定规律在这8个频点中复用，如图3所示。

图3　粗同步跳频规律

2.2　跳频规律模板匹配法

以上述粗同步跳频规律为例，可对8个复用的频点基于脉冲重复间隔建立如下模板：

在脉冲丢失率较大时，还可扩展到第2组8个频点建立如下模板：

由上述模板可见，f1和f2、f3和f4、f5和f6、f7和f8模板内容相同，因此单纯判断一个频点满足上述模板要求还不能确定出时隙头的位置。若要准确确定出时隙头的位置，必须有诸如f1和f4、f2和f3等奇数间隔的频点同时满足模板要求。通常是将前16个脉冲重复间隔内的所有脉冲全部进行判断，通过奇数间隔的频点确定出时隙头位置，并对这些位置进行统计，剔除个别频点误判引入的错误结果，以峰值作为准确的时隙头位置。算法流程如图4所示。

在上述算法中，值得说明的是，若在同一时隙内存在多个目标的脉冲序列，需要根据脉冲重复间隔首先进行脉冲分选，分离出不同目标的脉冲序列再进行后续时隙头提取处理。

图4　时隙头提取算法流程图

2.3　时隙分区重复率计算

在联合战术信息分发系统中，时隙是以时隙分区的形式分配给各个网络终端[8-10]。时隙分区由3种变量定义：一个时隙组(A、B或C)，一个起始数字或索引号(0~32 767)以及重复率。重复率表示在某个时隙分区中有多少个时隙。由于这些时隙是平均分布的，因此可知它们发生的次数[11,12]。若在时隙组A中的时隙总数是32 768或215，该组的时隙分布是每3个时隙间隔出现一次，可以用A-0-15表示，其重复率为15；若A组时隙数为一半时，即16 384或214，它们将每6个时隙出现一次，其重复率为14；若时隙数再为此数的一半，将每12个时隙出现一次，其重复率是13，通过时隙间隔来计算时隙分区的重复率公式如下：

(1)

式中，r表示重复率，I表示时隙间隔。因此，时隙间隔的准确性对重复率的计算有直接影响，而时隙头的检测概率是决定时隙间隔的重要因素，若时隙头丢失较多，在判断时隙间隔时就会出现倍数的结果。

3算法适用性仿真

按照图2中的时隙结构来设置时隙内脉冲的参数，每个时隙的脉冲数量设定为258个，并以图3中的跳频规律来随机设置时隙中粗同步的跳频图案。通过产生1 000组时隙的脉冲描述字数据流，对不同脉冲丢失概率条件下的时隙头检测率进行蒙特卡罗仿真，仿真结果如图5所示。

由2.3节可知，时隙头的检测概率是影响时隙分区重复率计算准确性的重要因素，因此在不同时隙头检测概率条件下，对重复率计算的准确性进行了蒙特卡罗仿真。为了能直接体现算法的适用性，以脉冲丢失率为仿真输入条件，将时隙头提取算法获得的时隙头序列在计算时隙之间的间隔后，利用式(1)来计算时隙分区的重复率，并对计算结果进行直方图统计，通过峰值来判断计算的准确性。通过该方式得到的仿真结果如图6所示。可见当脉冲丢失概率在50%及其以下时，图5所示的时隙头检测概率优于48%，图6中重复率计算的准确率可达100%，以此验证了在脉冲丢失概率高达50%时，基于模板匹配的时隙头提取算法是有效的，可完成时隙头提取并准确计算出时隙分区的重复率。

图5　不同脉冲丢失概率下的时隙头检测概率

图6　不同脉冲丢失概率下重复率计算准确率

4结束语

提出了一种基于时隙粗同步跳频规律的时隙头提取方法，该方法的主要思想是利用同频脉冲之间的脉冲间隔生成模板，通过模板匹配的方法对时隙头进行确定。结合实际中对时隙脉冲的检测概率，对该方法确定时隙头的准确性进行了蒙特卡罗仿真，并通过对时隙分区重复率的计算来验证该方法的有效性。仿真结果表明在脉冲丢失概率为50%及其以下时，通过该算法可以得到准确的时隙分区重复率，从而表明该算法适用于在复杂电磁环境下对TDMA系统的时隙处理，并且算法简单，易于在工程实践中实现。

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[12]余超,李凤霞.JTIDS的时隙分配技术研究[J].综合电子信息技术,2006,32(1):36-38.

Technology of Extracting Timeslot Header Based on Coarse
Synchronization Frequency Hopping Pattern

DONG Shi-lei1，Li Yue2，LIU Zhi-rong2

(1.Luoyang Electronic Equipment Test Center of China,Luoyang He’nan 471003,China;

2.China Electronic Import & Export Corporation,Beijing 100036,China)

Abstract：TDMA has wide application in tactical data links in virtue of its good anti-interception,anti-jamming and flexible networking capabilities.Each slot’s pulses can be divided into coarse synchronization,fine synchronization,header and message.By analyzing TDMA system structure and slot structure,the inherent frequency hopping pattern in thirty-two coarse synchronization pulses in timeslot structure.Based on simulation analysis,a timeslot header extraction method is put forward based on the frequency hopping pattern.This method is simulated and tested in the case of pulse lost.The simulation results show that this method is available and can lay a foundation for sequent timeslot analysis.

Key words：TDMA;frequency hopping pattern;template match;timeslot header

作者简介：董石磊(1985—)，男，工程师，主要研究方向：电子装备试验。李悦(1978—)，男，工程师，主要研究方向：电子装备研制。

收稿日期：2015-06-16

中图分类号：TN911

文献标识码：A

文章编号：1003-3114(2016)01-43-3

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.01.11

引用格式：董石磊，李悦，刘志荣.基于粗同步跳频规律的时隙头提取技术[J].无线电通信技术,2016,42(1):43-45，50.