一种高速跳频图案的高效同步方法

李阿明， 李腾飞， 张明利

（上海无线电设备研究所，上海200090）

0 引言

跳频系统的抗干扰能力与跳频系统的跳速密切相关，跳频速率越高，信号频率被捕获的可能性就越小，从而削弱跟踪式干扰对跳频系统的影响。高速跳频在实现有效对抗干扰的同时也带来了一系列的技术难题，其中最急需攻克的难题之一就是对高速跳变频率的接收同步问题。因此，如何有效实现高速可靠的同步技术，是跳频通信系统的研究核心。高速跳频对通信系统的同步捕获能力要求高［1］，需要系统能够自动快速实现同步，再同步能力要强，寂静后能迅速再同步，同时能够有效对抗干扰引起的虚假同步，且新设备能够快速入网等。本文结合同步字头法和参考时钟法，并利用一种多频点同步头结构，设计了一种新的跳频同步方案，可以在较大的时间动态范围内实现高速跳频的快速捕获和同步。

1 跳频同步实现途径

（1）独立信道法

独立信道法利用独立的一个信道来传送同步信息，实现系统的跳频通信。该方法能够连续传送大量的同步信息，同步建立迅速，保持时间长。但该方法使用定频传送同步信息，隐蔽性差，易被发现和干扰。

（2）参考时钟法

参考时钟法通过中心站分发高精度时钟信息，网内通信设备依据该时钟基准生成跳频图案，控制收发信机工作频率。有了相同的时间基准，便可以实现收、发双方跳频图案的同步。由于利用了精确的时钟来减小收发双方伪随机码相位的不确定性，因此具有同步速度快、准确度高的特点。如果公共时基精度和稳定度足够高，用这种方法可以进一步提高跳速、缩短同步时间。但是，该方法对时钟稳定性要求较高，并且对于相对位置和速度高速变化的通信双方，跳频同步精度将受到严重影响。

（3）同步字头法

同步字头法是在跳频信号前放置同步头，用于携带跳频同步信息，接收端可以根据同步字头的特点，将其从接收到的跳频信号中识别出来，并利用其携带的同步信息调整伪随机发生器，实现收发双方跳频同步。

采用该方法时，接收机可在某一固定频率上等待同步头的到来，或对同步头频率进行扫描搜索。这种方法具有同步搜索快、容易实现、同步可靠等优点。但是，同步字头一旦受到干扰，整个跳频通信系统将无法工作。所以使用同步字头法时，需要设法提高同步字头的抗干扰性与隐蔽性能。

（4）自同步法

自同步法是将同步信息包含到发送的信息序列中，在接收机端通过一定的方法将该同步信息提取出来，进而实现收发双方的跳频同步。该方法可以有效节省信道资源和信号功率，并且同步信息隐蔽性好，抗干扰能力强，组网灵活。但其同步信息有限，同步时间较长，跳频频道数较少，不利于实现高跳速和多跳频频道数。

在跳频系统设计中，往往使用多种同步方法综合的设计方案，融合不同同步方法的优点，规避其缺点。在兼顾抗干扰能力和捕获时间的同时，使系统达到最佳的同步性能。

2 高速跳频通信同步方案

本文结合同步字头法和参考时钟法，提出一种适应于高速跳频通信的跳频图案同步方案。利用参考时钟法控制生成同步头使用的跳频频率，有效提高了同步头的隐蔽性；将多个频点用于捕获同步，降低了对时间精度的要求，有效地解决了参考时钟法易受时钟稳定性影响的问题，并且提高了同步头和整个系统的抗干扰能力。数据段通过同步头提供的时钟信息，则可以稳定高效地实现高速跳频。

首先将系统参考时钟TOD分为成高低两端，其中高段慢变化，低段快变化。高段通过TOD按周期T取整获得，即TODH，低段为TOD按周期T取余获得，即TODL。

利用慢变化的TODH生成同步头使用的跳频图案，即使用TODH，TODH+1，TODH+2，…，TODH+（m—1）生成连续m 个频点fH0，fH1，fH2…，fH（m—1）。将 TODH生成的这些频点序列用于扩跳频系统的捕获和帧同步。这样同步头的频点随时间变化，且不止一个频点用于捕获，使得同步头能够获得足够的隐蔽性和抗干扰性能。这样一来既利用了同步头法同步搜索快，容易实现和同步可靠的特点，又可以有效解决同步头一旦受到干扰整个系统就无法工作的问题。

同步头传输的同步信息主要包括网号、TODL等同步信息。网号用来传送组网信息，只有收发网号相同，才能进行组网。传送的发端TODL时钟信息，用于生成数据帧的跳频图案。保留缓冲用于TODL信息更新和位同步调整。

用接收到的时间信息TODL和本地频率生成密钥KEY即可生成同步头后数据帧的跳频图案。

综上可知，上述方案的核心是要解决如何实现多频点同步头的捕获和同步的问题。

由于时钟稳定性、移动距离变化等因素会引起收发两端TODH相对关系的不确定性，带来同步头位置跳频图案捕获同步的偏差。因此，需要知道接收端捕获频率和发送端频率的相对时间偏差关系，并且在知道时间相对关系后调整接收频率值完成同步头的传输，并且根据收发时间相对关系对本地接收时钟进行调整，实现时钟同步。

使用多个频点进行捕获同步的关键是通过一定的方法确定收端与发端的TODH的相对偏差，进而调整后续同步头的接收频点，实现同步信息的接收。为此要设计特殊的同步头帧结构，来实现多频点捕获和帧同步相对位置关系的唯一性。利用扩频系统同步头捕获和帧同步相对位置的唯一性，确定收端和发端的TODH偏差。

发端使用 TODH，TODH+1，TODH+2，…，TODH+（m—1）生成的m个频点，重复发送m次前导序列段扩频伪码序列，然后逆序使用这m个频点发送帧同步段扩频伪码序列。这样设计可实现在前导序列段的任意位置进行接收捕获，误捕获和漏捕获后仍然有多次机会完成捕获，大大提高了捕获的概率，并且m个频点中任意一个频点均可以捕获，有效提高了同步头的抗干扰能力。

接收端使用宽时间间隔切换捕获频点进行循环滑动搜索。在实现捕获后，接收端更换接收扩频伪码序列，并保持捕获频点不变。随后，收端将在帧同步段匹配产生帧同步信号。发端信号捕获和帧同步位置的相对差值均为唯一值，即通过差值关系可以反推出发送端使用的发送频点。根据帧同步和捕获的相对位置差值，就可以知道捕获对应的发送端的工作频点，再利用本地捕获的频点信息，就可以知道收发端的TODH相对时间差。进而，可以调整接收端同步头后续频点与发端对齐，实现跳频图案的同步和同步信息的接收，并且利用收发时间差可以调整本地接收时间和发送端时间对齐。

通过同步头的捕获同步，有效消除了时间不确定问题对同步头的影响。收方TODH通过同步头的捕获同步修正，TODL通过同步头传送，达到与发方TOD一致，从而实现系统的高速跳频同步。

3 通用同步头设计

通过对上述高速跳频通信同步方案的分析可知，同步头结构的设计是实现上述方案的关键。满足上述方案的同步头结构设计，如图5所示。使用m个不同频点发送前导序列的伪随机码用于捕获，且连续发送n次，最后倒序使用这m个频点分别发送1次帧同步伪随机码序列。

设接收端在频点f（i）实现捕获，其中i∈｛0，1，2，…，m—1｝；且捕获对应接收的第j次发送，其中j∈｛1，2，3，…，n｝；捕获后，接收端的频点将保持不变，更换接收伪随机码序列，直到使用相同的频点f（i）实现帧同步。此时，帧同步和捕获相对位置的差值为

设计要求任意两个不同（i，j）组合对应的差值不同，即D（i，j）互不相同。差值的唯一性将用来判断接收捕获频点与发端频点相对关系，进而获得收发端的TODH相对时间差。

满足上述要求的条件：用于捕获的频点序列个数m必须为奇数。连续发送次数n无要求。一般m≥3且m为奇数，n≥2。

简要证明如下：设E（i，j）=m×j+2i，常数C=m×（n+2）—1，则仅需要判断E（i，j）在不同（i，j）组合是否存在相同值。

设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）。不失一般性可设j1＞j2，i2＞i1。

（1）若m为奇数

为保证两边相等，则（j1—j2）为偶数，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为奇数时，不存在使等式成立的情况。

（2）若m为偶数

设i2=i1+m/2，则 m（j1—j2）=（i2—i1）=1，可得（j1—j2）=1，即存在使等式成立的（i，j）组合。所以m为偶数时存在不同（i，j）组合使得差值D（i，j）相同的情况。

当接收TOD时间和发送TOD时间不同步时，为确定捕获频点在发送频点序列中的位置，则可以通过上述差值确定发送频点的在频点序列中的相对位置。

频点生成和系统时间TODH是一一对应的，设频点更新时间为T，即每隔时间T，频点更新一次。发送频点使用当前时间t到时间t+m T的频点序列。为区分收发频点分别用fs和fr表示。设捕获和帧同步对应的频点分别为fs（i2）和fr（i1）。由于不同频点帧同步和捕获的差值是唯一的，所以在接收端发送频点的位置可以利用该差值推导得到，设为i2。捕获和帧同步的频点对接收端来说是已知的，设为i1。则接收端与发送端的时间差为（i1—i2）T。

知道时间差值后，便可以据此调整同步头后续部分所使用的频点，与发端对齐。该帧接收成功后可以微调本地接收时间，用以逐渐与发送端实现时间同步。只有时间同步才能有效保证m个频点用于捕获，进而有效提高系统抗干扰能力。

图7为收端fr（0）捕获了发端频点fs（m—1），从中能够看出系统容忍的最大时间不确定范围区间为（—m T，m T）。为了能正确判断差值D（i，j），则必须保证频点fs（0）到fs（2m—2）互不相等，即连续2m—1个捕获频点互不相等，否则可能会导致捕获同步相对位置关系的错误。

3 结论

多频点同步头的设计使得捕获同步频点分散，抗干扰能力强，同时提供了多次捕获的机制，在首次捕获受到干扰未完成捕获的情况下，可再次完成捕获，有效提高了捕获的概率。同步头的跳频图案依据系统时间生成，但对时钟精度要求不高。每帧数据均可快速实现同步，同步时间短，同步可靠。