抗干扰通信同步方案研究

SynchroNIzation Scheme for Anti-jamming Communication

　　Ａｂｓｔｒａｃｔ： Synchronization schemes and functions in anti-jamming communication are introduced. A spread spectrum and frequency hopping self- synchronization scheme and a frequency hopping synchronization scheme are described. The test result is given. Finally, development trend of this technology is evaluated and predicted.
　　 Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： Anti-jamming communication; Frequency hopping；Synchronization; FPGAお

一、概述
　　 随着技术的发展，现代战争中信息战的作用越来越大。在复杂的信息量需求越来越大的战场环境中，通信的抗干扰能力是指挥、通信畅通无阻的有力保障。
　　目前的抗干扰通信在信道调制上主要采用扩谱、跳频、跳时等方式。
　　跳频同步分为同步头同步、自同步和参考同步。同步是通信中信息有效传输的关键。快速有效的同步配合有效的保密算法、纠错算法、数据交织算法、频率分集算法、文件压缩算法等数据基带处理算法可成为现代军事抗干扰通信最实用的发展方向。
　　在无线通信中参考同步一般采用 GPS授时同步，但在军用通信中，为了不受制于人，采用别国的卫星系统需谨慎，必须保证有安全可靠的备份方案。

二、一种扩跳频同步
1 扩跳频通信设备中同步单元的位置
　　 在扩跳频通信设备中，信号解扩后成为中频相关峰信号，该信号检波后为视频相关峰信号，该信号作为同步单元的输入信号。
2. 同步过程和依据
　　 同步分为 2步：相位同步和跳频同步。跳频同步分为搜索、同步和失步判断。同步的依据是：视频相关峰信号在理想的情况下是周期性的，其周期为信道传输速率；发端的跳频时钟也是是周期性的，其周期为跳频速率。发射的信号见图1。
　　 输入信号整形和分路是把输入信号变成一定宽度的脉冲（间隔距离大于信号周期的 1/16）后按脉冲顺序循环分配到各相关通道，见图2。お

3. 相位同步
　　 相位同步是同步的基础，所以相位同步必须尽量保证最高的同步概率和最低的错同步概率。
　　根据信号特征，相位同步采用最大似然判决提取，即在有可容忍噪声信号的情况下，输入的视频相关峰主峰超过检测门限的概率会大于旁瓣超过检测门限的概率，在一定信号量中，根据概率分布的差别来判断确认主峰的相位信息即相位同步信息。
　　具体的方式是采用相关通道进行判断，实际是采用多路相关通道进行交替判断以减少同步时间和降低相位误差量。图 3是相位同步原理简图。

　　各相关通道根据本路的输入产生以该相位为基础的 8个标准周期的脉冲与整形后信号进行相关比较，根据相关度判定该路该次输入的相位信息是否为主峰。8个标准周期的脉冲的宽度即为允许的相位误差。相关度即为似然门限，门限越高则同步概率越低错同步概率越小。
4. 跳频同步
　　 跳频同步的输入为上述整形后的相关峰，收端以规定跳速的 1/8跳频，当位同步建立后发现有连续相关峰输入（设门限制判断是否是连续输入，比如在一定时间内输入的相关峰数量超过规定门限，以尽可能防止在该步骤误操作影响同步时间，该步骤误操作在后面步骤判断要花费大量时间）则停跳，搜索完成。
　　 计数器清 0。等待相关峰输入消失（默认为对方跳到下一频点），相关峰输入消失的依据一定时间内无输入，一般选择3个信号周期，因为在收发处在同频时连续丢失3个相关峰的概率几乎为0。用相位记录1记录默认对方跳到下一频点的相位，跳到下一频点，计数器加1。重复本步骤，用相位记录2记录默认对方跳到下一频点的相位，跳到下一频点，计数器加1。比较相位记录1、2的相位误差，超过范围计数器置1。重复操作，交替用相位记录1、2记录，到计数器的值达到门限规定，则完成了同步，认为该默认相位为发端跳频相位。
　　 失步判断以位同步的各相关通道在一定时间内均没判出主峰为依据。
5笔迪
　　方案的实现用VHDL编程于FPGA来完成，现已在多个工程上进行了验证。该方案占用资源小，同步效率高，满足实用要求。

三、一种纯跳频同步
　　 纯跳频 (FH)通信模式具有很强的隐蔽性(抗跟踪监听能力)和较强的抗干扰能力，该通信模式频率资源利用率高，传输效率高，可有效应用于军事航空话音通信和数据通信，特别是在数据链的发展领域具有较高的研发价值。
　　 本方案的目的是做一个纯跳频软件包可以方便地放在系统中任何满足条件的位置，将所有的核心内容用 VHDL编程于FPGA来完成，控制参数和控制接口通过微处理器或DSP来完成。
　　 该方案属于同步头授时同步，即在发射信息时按协议发射保证对方收到的时间信息和相位信息，根据时间信息和相位信息处理跳频图案和跳频相位。原理框图见图 4。

　　TOD信息产生单元在发射时从时间信息储存和实时钟电路单元读取时间信息和实时钟信息，将低位处理成为TODT（授时跳）中的信息发射出去。所谓处理，即根据约定，计算出紧跟TODT后发射DATAT的时刻信息（以本机的时间为准）；接收时将收到的TDOT信息储存，作为修订本机时钟的标准和接收紧跟的DATAT（数据跳）图案的依据。
　　相位信息跳发射的M序列根据协议是已知的，根据M序列的相关判决（门限根据系统允许的最大误码率来决定）即可得到位同步相位信息和跳频同步相位信息——跳频同步包含相位同步和图案同步两个部分，位同步相位信息、跳频同步相位信息和图案信息经过处理即可得到位同步时钟和跳频同步时钟以及相关的功能时钟。M序列可编程控制或由时间信息高位控制选择。
　　 我们将时间信息分成两个部分，即时间信息和实时钟信息，开机时读取时间信息高位存在使用单元中，当实时钟信息溢出时修改该使用单元；实时钟信息在整个开机工作过程中是根据 TOD随时修改的。实时钟电路有专门的单元在关机后保持工作以记录时间变化，开机时将时间变化加入存储时间信息中，关机时清零。实时钟信息位数能记录允许最大关机时间内的时钟变化。
1. 跳频传输协议
    纯跳频模式下传输信息按功能共分3种格式。当设备处于纯跳频模式下（平时为接收状态），由接收状态转为发射状态时，3种格式按协议规定依次发射。
　　 （ 1）数据跳(DATAT)格式
　　 数据跳格式如图 5所示。

　　（ 2）相位信息跳(TBT)格式
　　 相位信息跳 (TBT)格式如图6所示。

　　（ 3）授时信息跳(TODT)格式
　　TODT的第一跳的格式与TBT相同以确定其起始时刻，也就是确定DATAT的起始时刻,第二跳为全0,最后一跳为全0。其余跳格式如图7所示。

　　 (4)格式协议

　　如图 8所示，初始发射的TBT、TODT的频率和图案可编程控制或由时间信息高位（非TOD信息）控制选择，TODT传输多次，根据最大似然判决得到最终的TOD信息，确保TOD信息的准确性。
В x1 + x2）×每跳时间≤同步时间要求（1）
　　 设 DATAT每跳传送m bit数据，又信码传输速率16 kbps,空中信道传输速率25 kbps，跳频速率1 000跳/秒，则有
　
　　为了方便，可使 x₃=x₁、x₄=x₂。图9是假设DATAT每跳传送20 bit数据的例子，以下分析计算均据此例。同样，勤务跳的TBT和TODT的频点、图案选择原则同初始发射时的原则。

四、结束语
　　 随着我国军用卫星系统的完善和安全性能提升，参考同步将成为主要的同步方式，该同步方式可以最大限度减少同步时间，提高通信速率，特别是更方便组网，对数据链路的发展有决定性推动作用。

参考文献

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［2］杨小牛 ,楼才义,徐建良.软件无线电电原理与应用［M］.北京：电子工业出版社,2002.
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［ 4］TIA/EIA/IS-2000,Introduction to CDMA2000 Standards for Spread-Spectrem System［S］.
［ 5］TIA/EIA/IS-2000,Physical Layer Standards for CDMA2000 Spread-Spectrem System［S］.
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