一種基于局部序列匹配的跳頻自同步方案?

杜傳報，全厚德，趙寰，崔佩璋

一種基于局部序列匹配的跳頻自同步方案?

杜傳報，全厚德，趙寰，崔佩璋

（軍械工程學(xué)院光學(xué)與電子工程系，石家莊050003）

為了提高通信系統(tǒng)的同步信息隱蔽性和系統(tǒng)抗偵察能力，提出了基于局部序列匹配的跳頻自同步方案，該方案工作在跳頻工作狀態(tài)。本方案中，并行接收機使用很少的支路接收具有某種特征的發(fā)送序列L，將序列L與本地序列匹配，確定本地與發(fā)射端的跳頻序列相位差，調(diào)整相位完成同步捕獲。通過理論分析，確定了序列L唯一的條件，得到了系統(tǒng)復(fù)雜度和捕獲時間之間的函數(shù)表達式，并給出了系統(tǒng)最優(yōu)支路數(shù)。分析結(jié)果表明，該方案不需要同步引導(dǎo)碼和勤務(wù)頻率就可以完成系統(tǒng)的同步保持和遲入網(wǎng)同步，并且捕獲速度和系統(tǒng)復(fù)雜度均介于滑動相關(guān)法和匹配濾波法之間。本方案結(jié)合了傳統(tǒng)方案的優(yōu)點，具有良好的隱蔽性，不易被敵方發(fā)現(xiàn)和干擾。

通信對抗；跳頻同步；初始同步；并行接收機；序列匹配；捕獲時間期望

1 引言

在通信對抗中，隨著通信偵察和干擾技術(shù)的發(fā)展，對于跳頻同步技術(shù)的可靠性、抗偵察性、抗干擾性、抗假冒性提出了更高的要求。傳統(tǒng)同步技術(shù)有獨立信道法、參考時鐘法、自同步法、同步字頭法。其中自同步法是指通過發(fā)射機發(fā)送的信息序列中隱含同步信息，在接收機將該同步信息提取出來，從而實現(xiàn)同步的方法。其中常用的串行自同步方案設(shè)計簡單，但平均捕獲時間較長；并行自同步方案平均捕獲時間比較短，但設(shè)備復(fù)雜度高。自同步法具有節(jié)省信道、節(jié)省信號功率等優(yōu)點，但自同步法中發(fā)射機需要重復(fù)多次發(fā)射同步引導(dǎo)碼進行同步，故存在同步引導(dǎo)碼易被敵方偵察干擾的缺點［1］。同步過程完成以后，發(fā)射方需要間隔固定時長，周期性地發(fā)射含有同步信息的勤務(wù)頻率完成同步保持和遲入網(wǎng)同步。為了省去同步引導(dǎo)碼和勤務(wù)頻率，提高系統(tǒng)的抗偵察干擾性能，本文提出了局部序列匹配自同步方案，通過適當(dāng)降低捕獲速度換取系統(tǒng)復(fù)雜度的降低，同時大大提高了同步信息隱蔽性，并從理論上分析了該方案的可行性。

2 原理描述

接收機和發(fā)射機在同步之前，首先會對接收機時間進行粗調(diào)整，使得接收機和發(fā)射機在國標(biāo)規(guī)定的時間誤差范圍之中。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，戰(zhàn)術(shù)超短波跳頻電臺同步的最大時差不小于5min。文中我們假定收發(fā)雙方的時差最大是5min，跳頻電臺跳速200 hop／s，跳頻頻點數(shù)目512。同步捕獲前接收方并不知道是超前發(fā)射方還是滯后發(fā)射方，故收方雙方最大時差范圍是10min，即可能的最大相位差是120 000跳，設(shè)為序列P。下面我們以發(fā)射機超前接收機的情況為例，對局部序列匹配自同步法的工作原理進行描述：同步前接收機以當(dāng)前相位為基準(zhǔn)快速掃描得到序列P3，發(fā)射機當(dāng)前的相位肯定是在序列P3中。由圖1可以看出，接收端序列P2滯后發(fā)射端序列P1的相位是Δt長。在t0時刻，接收機端開始捕獲到序列L，在t1時刻序列L捕獲完成，將序列L和本地序列P3進行搜索匹配，當(dāng)t2時刻時，L匹配成功，得到L在序列P3中的位置，通過計算求出Δt大小，通過向后調(diào)整序列P2的相位使得發(fā)射方和接收方相位一致獲得初始同步。

3 局部序列匹配自同步法設(shè)計

3.1 初始同步方案設(shè)計

本方案中，同步信息捕獲不使用同步引導(dǎo)碼，在跳頻工作狀態(tài)進行同步，同步分為初始捕獲、同步匹配、同步跟蹤。同步前工作序列不攜帶數(shù)據(jù)信息傳輸，純載波跳變，同步識別后開始攜帶數(shù)據(jù)信息傳輸，接收機進行數(shù)據(jù)接收，系統(tǒng)進入同步跟蹤狀態(tài)，進行相位差微調(diào)。如圖2所示，系統(tǒng)設(shè)計N條支路，單條支路結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)并行方案中單支路相同，均采用平方律檢波器［2］，每條支路上所對應(yīng)的跳頻頻率是隨機從頻點集中選取，接收到含有m跳跳頻頻率的序列L，這m跳跳頻頻率及其距離關(guān)系能夠確使序列L在序列P中是唯一的，其數(shù)學(xué)分析見3.3節(jié)。

同步捕獲流程：在同步捕獲前，接收機對本地跳頻序列進行前后各5min（即局部序列P）快速掃描，得到每跳上的頻率及頻率在時間上的位置關(guān)系。頻率控制模塊控制頻率合成器同時輸出N路頻率，這N路頻率是從整頻率集中隨機挑選的。發(fā)射機發(fā)射同步信號時跳頻序列相位必然在P中，接收端接收到P中任意一短序列L（該序列在P中是唯一的），與P進行匹配，得到似然度最大的序列L′在P中的位置，可以確定雙方的時差，調(diào)整本地PN序列相位進行同步識別，識別成功系統(tǒng)進入跟蹤模塊，跳頻載波加載數(shù)據(jù)傳輸信息；如果序列L未在P中匹配成功，或者匹配成功后系統(tǒng)同步識別失敗，則可確定序列L′為虛警序列，系統(tǒng)重新捕獲序列L，再次進行匹配。首先對各支路進行門限判決，若有多個輸出產(chǎn)生則無法識別正確的信號支路，當(dāng)只有一個支路產(chǎn)生輸出時，確定此刻接收機接收的載波頻率，直至接收到序列L。如果匹配失敗和同步識別失敗的次數(shù)之和超過某門限值時，可認為當(dāng)前所有支路對應(yīng)的信道質(zhì)量很差，通過支路頻率控制模塊更換載波頻率，使系統(tǒng)在更好的信道上接收信息。同步捕獲流程見圖3。失步再同步、遲入網(wǎng)同步與初始捕獲流程相同。接收機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2，其中頻率合成器由N路DDS實現(xiàn)［3］。

其中支路頻率控制模塊有3種模式：一是同步模式，支路頻率控制模塊在同步過程中控制頻率合成器產(chǎn)生并行N路頻率；二是正常通信模式，支路頻率控制模塊不起作用，頻率合成器隨跳頻序列發(fā)生器的控制進行頻率輸出；三是同步保持模式，在靜默結(jié)束后，支路頻率控制模塊控制頻率合成器同步動態(tài)輸出當(dāng)前跳相位前后各10跳相位之內(nèi)的跳頻頻率。

在同步模式下，頻率控制模塊頻率選擇算法：接收機采用21條支路，所以將頻率集分為21組，A=｛A1，A2，…，A21｝，其中A1～A8每組有25個頻率，A9～A21每組有24個頻率。A1～A21中頻率是按照頻率集中的最小頻率到最大頻率的順序排列選取的，支路控制模塊從每組頻率中隨機挑選一個頻率設(shè)置到接收機的支路。當(dāng)接收機經(jīng)過一定時間仍沒有捕獲成功，則頻率控制模塊控制接收機，從每組剩余的頻率中挑選一個頻率進行支路頻率更換，系統(tǒng)對被替換的頻率進行標(biāo)記，認為在一次通信任務(wù)中該頻率信道傳輸環(huán)境惡劣，后續(xù)的同步過程中該頻率不參與更換。

3.2 同步保持方案設(shè)計

跳頻系統(tǒng)實現(xiàn)初始同步以后，對于使用±1× 10-6的時鐘，漂移至一個跳頻周期的時間，跳頻速率為200 hop／s時為41.6min；對于使用±1×10-5的時鐘，漂移至一個跳頻周期的時間，跳頻速率為200 hop／s時為4.16min。說明時鐘穩(wěn)定越低，漂移越快。本方案設(shè)計中，取消勤務(wù)頻率來傳輸勤務(wù)同步信息，在電臺正常通信過程中使用跟蹤環(huán)進行相位較準(zhǔn)；在雙方靜默期間，雙方時鐘會因為時鐘穩(wěn)定度緣故產(chǎn)生時鐘漂移，以時鐘±1×10-6和跳速200 hop／s為例，本方案所允許的最大靜默時長41.6 ×10min［4］。

如圖4所示，正常通信過程中，接收機N條支路中只有支路11在接收信息數(shù)據(jù)，其它支路不工作。而當(dāng)電臺靜默結(jié)束后，為了校準(zhǔn)雙方相位差，支路頻率控制模塊進入同步保持模式，控制頻率合成器，使其在本地PN序列生成器控制下，同時產(chǎn)生此刻跳頻相位前后10跳內(nèi)的跳頻頻率，依次設(shè)置在接收機各支路上，其中只有設(shè)置為當(dāng)前跳頻率的支路在接收數(shù)據(jù)。隨著時間推移，各支路的跳頻頻率是動態(tài)變化的。

同步保持流程：當(dāng)電臺靜默期結(jié)束時，系統(tǒng)狀態(tài)切換到同步保持模式，接收機所有支路開始接收跳頻信號，其中能量輸出最大的支路認為是信號接收支路，經(jīng)過連續(xù)跳同步識別以后，確認該支路的跳頻頻率為當(dāng)前發(fā)射端的跳頻頻率，可求出本地跳頻序列相位和發(fā)射端的跳頻序列相位之差。依據(jù)相位差對接收機各支路跳頻頻率進行重新配置，系統(tǒng)狀態(tài)切換到正常通信狀態(tài)，完成時鐘較準(zhǔn)。同步保持流程見圖5。

3.3 局部跳頻序列唯一性

本方案采用線性反饋移位寄存器式結(jié)構(gòu)生成跳頻序列［5］，為盡可能解決頻率滯留問題，采用基于GF（P）上m序列的一般模型［4］產(chǎn)生跳頻序列。國標(biāo)規(guī)定超短波電臺序列周期不小于10年，此處跳頻序列周期設(shè)為236位。一次通信任務(wù)只會用到很短一部分跳頻序列，局部長序列隨機性的好壞影響跳頻系統(tǒng)通信質(zhì)量。已證明120 000跳長的局部序列P隨機性滿足本方案的要求［6］，本文僅對序列唯一性進行統(tǒng)計分析。序列P中，某含有m跳跳頻頻率的序列L，以這m跳的頻率作為參考頻率，參考頻率從跳頻頻點中任意選取，并且這m跳頻率的時間間隔任意，L序列重復(fù)出現(xiàn)的次數(shù)就是我們需要統(tǒng)計的內(nèi)容。如圖6所示，序列L中m跳跳頻頻率間隔分別為Ra，Rb，…，Rm，取值不定。有R=，這R跳中不含有參考頻率。取100條序列樣本，每條序列取100個隨機短序列L作統(tǒng)計，依據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可以得出：在序列P中，L序列隨著參考頻率個數(shù)增加，重復(fù)次數(shù)快速減小，重復(fù)次數(shù)與間隔并無明顯關(guān)系。間隔R=0時，m≥5，L序列具有唯一性；間隔任意且不為0時，m≥4，L序列是唯一的。比較這兩種情況的L序列的統(tǒng)計特性，可以得出同樣參考頻率個數(shù)的情況下，參考頻率位置不相鄰會使得其出現(xiàn)重復(fù)的概率減小，據(jù)此處統(tǒng)計結(jié)果得出：mmin=5，當(dāng)m≥5時，序列L在P具有唯一性。如表1所示，上半部分是間隔相鄰情況下的統(tǒng)計結(jié)果，下半部分是間隔不相鄰情況下的統(tǒng)計結(jié)果。

4 無干擾環(huán)境下捕獲性能分析

4.1 平均捕獲時間

本方案中，A=｛f1，f2，f3，f4，…，f512｝，A是跳頻頻率集，共有512個跳頻頻率，每跳周期為0.005 s，接收機設(shè)N條支路，對應(yīng)N跳互不相同的跳頻頻率。同步時間T=TRe+TM，其中TRe是接收機捕獲到序列L所用的時間，L中含用m跳支路所對應(yīng)的頻率。TM是匹配模塊在本地已知序列中搜索序列L的最大似然序列L′以及求得相位差調(diào)整相位的處理時間，TM主要取決于軟件算法及硬件處理速度。這里我們主要對TRe進行求解分析。如圖6所示，TRe從接收機接收到第一個頻率fa時起，到接收到序列L的最后一個頻率fm為止。據(jù)3.3節(jié)中的結(jié)論，此處有m=5。

則平均捕獲時間的概率密度函數(shù)f（n）為

平均捕獲時間的分布函數(shù)F（n）為

平均捕獲時間期望TRe（N）

跳頻周期是0.005 s，由式（1）得到f（x），物理意義是在某時刻捕獲到序列L的概率［7］；同樣由式（2）得到F（x），物理意義是在某時刻內(nèi)捕獲到序列L的概率。如圖7所示，支路數(shù)N增大，系統(tǒng)在較短時間捕獲成功的概率增大。

圖8 繪出了不同支路數(shù)N下平均捕獲期望的曲線，有N=21時，TRe=0.64 s。t時刻捕獲成功的概率為95%時所需要的最小支路數(shù)為Nmin，此條件下其平均捕獲時長為TRe，并進行了仿真驗證，與理論計算相吻合，見表2。

4.2 系統(tǒng)復(fù)雜度分析

由本方案的系統(tǒng)框圖可知，該方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介于串行和并行兩者之間［8］，在保證捕獲速度的要求下，N=21。此條件下，復(fù)雜度大約是傳統(tǒng)并行匹配濾波法的21／512。關(guān)于序列判決和搜索匹配工程上均是由FPGA模塊實現(xiàn)，現(xiàn)有器件速度完全可以滿足實時性要求。

5 結(jié)束語

通過在無干擾環(huán)境下進行性能分析，基于捕獲時間、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等指標(biāo)的綜合要求，提出了局部序列匹配自同步法。系統(tǒng)復(fù)雜性和捕獲時間期望值等方面對比表明，該方法不但具有優(yōu)于傳統(tǒng)并行方案的抗干擾特性，其結(jié)構(gòu)遠遠小于并行匹配濾波法的結(jié)構(gòu)，并且省去了自同步法中特有的同步引導(dǎo)碼，同步捕獲在跳頻工作狀態(tài)完成，通過犧牲掉部分捕獲速度換取同步過程更好的隱蔽性及系統(tǒng)復(fù)雜度的降低，經(jīng)分析，本方案的捕獲速度是可以滿足通信要求的。其中判決和搜索匹配算法設(shè)計是優(yōu)化本方案性能的關(guān)鍵。本方案對于提高傳統(tǒng)跳頻通信保密性及可靠性有著重要的意義。本方案是傳統(tǒng)兩種方案的折衷，下一步工作將利用現(xiàn)有仿真平臺，對高斯白噪聲、梳狀干擾、跟蹤式、網(wǎng)間干擾等多種干擾環(huán)境進行性能分析和改進。

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DU Chuan-bao was born in Xi′an，Shannxi Province，in 1987.He received the B.S.degree in 2009.He is now a graduate student.His research concerns navigation，guidance and control.

Email：leopardfly222＠163.com

全厚德（1963—），男，遼寧大連人，博士，教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向為通信設(shè)備性能測試；

QUAN Hou-de was born in Dalian，Liaoning Province，in 1963.He is now a professor with the Ph.D.degree and also the Ph.D.supervisor.His research concerns communication equipment performance testing.

趙寰（1985—），男，山東臨沂人，2010年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為博士研究生，主要研究方向?qū)Ш?、制?dǎo)與控制；

ZHAOHuan was born in Linyi，Shandong Province，in 1985.He received the M.S.degree in 2010.He is currently working toward the Ph.D.degree.His research concerns navigation，guidance and control.

崔佩璋（1974—），男，山西長治人，2005年獲工學(xué)碩士學(xué)位，現(xiàn)為講師，主要研究方向為通信與信息系統(tǒng)。

CUIPei-zhang was born in Changzhi，Shanxi Province，in 1974.He received the M.S.degree in 2005.He is now a lecturer. His research concerns communication and information system.

A Frequency-hopping Self-synchronization Scheme Based on Partial Sequence Matching

DU Chuan-bao，QUAN Hou-de，ZHAO Huan，CUIPei-zhang
（Department of Optics and Electronic Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

For improving the performance of synchronization message concealment and anti-reconnaissance in a communication system，a new self-synchronization scheme called partial sequencematching is proposed which works in FH（Frequency-hopping）status.In this scheme the parallel receiver gets the featured sequence L transmitted with few branches，and the L ismatched with local hopping sequence，then the receiver and trans mitter′s phase difference can be calculated for adjusting this difference tomake system synchronous.Through theoretical analysis，the condition for the uniqueness of the sequence L is determined，the function expression between system complexity and acquisition time is obtained，and finally the optimal number of this system branches is got.The results show that，this schememakes system hold synchronization and late entry synchro

nization without any synchronization lead code and service frequency，and itowns a shorter acquisition time than sliding correlation scheme，and amore simple structure thanmatched filter scheme.This scheme combines tra

ditional scheme advantages，and conceals better during synchronization process，so the system can not be easily found and interfered by enemy.

communication countermeasurement；FH synchronization；initial synchronization；parallel receiver；sequencematching；acquisition time expectation

TN97；TN914.41

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.10.013

杜傳報（1987—），男，陜西西安人，2009年獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究方向為導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制；

1001-893X（2011）10-0060-07

2011-04-29；

2011-07-06