跳頻通信中的抗干擾同步算法研究

摘要：跳頻通信體制以其較好的抗干擾和低截獲性能，在軍事通信中有著廣泛的應(yīng)用，其中跳頻同步是該體制的關(guān)鍵技術(shù)之一。為提高跳頻通信系統(tǒng)抗干擾性能，提出了一種具有自適應(yīng)抗干擾能力的跳頻同步方案，并給出了系統(tǒng)框圖及關(guān)鍵算法分析及性能討論。最后仿真結(jié)果表明，該同步方案具有抗干擾能力強(qiáng)，捕獲概率高，虛警概率低的特點(diǎn)，而且在保證同步時(shí)間要求的前提下，具有根據(jù)信道特性，自適應(yīng)地調(diào)整抗干擾門限的能力。
關(guān)鍵詞：跳頻同步；捕獲概率；虛警概率；抗干擾；自適應(yīng)

0 引言
    復(fù)雜電磁環(huán)境下的現(xiàn)代戰(zhàn)場上，存在著很多人為干擾，這些有針對性的干擾信號會嚴(yán)重地影響我方在戰(zhàn)場上的信息傳輸?，F(xiàn)今對抗干擾的方法有擴(kuò)頻通信、信道糾錯(cuò)編碼等技術(shù)。其中作為擴(kuò)頻通信中的跳頻通信，以其抗干擾、抗衰落、抗截獲等優(yōu)良性能，在軍事通信中有著及其重要的地位。
    跳頻通信中，跳頻同步策略對于系統(tǒng)的性能指標(biāo)有著極大的影響，是系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵所在。由于跳頻同步策略中用到的頻點(diǎn)數(shù)量相對隨機(jī)跳的頻點(diǎn)數(shù)量少得多，而且由于其重復(fù)性很高，極易受到敵方的偵測和干擾，給系統(tǒng)的可靠性帶來極大的隱患。通常的同步頭法和自同步法的跳頻同步策略，很難抵抗敵方的單音和多音干擾，而精確時(shí)鐘法易受時(shí)鐘漂移的影響，同步的精度不夠，不利于在可靠性要求極高的軍用通信中使用。
    在敵方偵測到我同步跳頻點(diǎn)并開始加以干擾的過程中，我方有少許時(shí)間是可以有效通信的，故我方認(rèn)為對于最先接收到的信息給予較高的信任度，在后續(xù)的信號處理中起到很重要的作用；同時(shí)我方需要能夠僅用幾位有效的頻點(diǎn)信息就能夠完成同步跳轉(zhuǎn)隨機(jī)跳的工作(跳頻同步)，其余信息可以作為剔出干擾的校驗(yàn)信息，故設(shè)計(jì)策略要求在獲得較少的有效頻點(diǎn)峰值信息的情況下，可以有效地完成跳頻同步工作的要求，所以需要在同步頭序列中加入定位信息。

1 跳頻同步頭的設(shè)計(jì)
    為了完成提出的在獲得較少有效頻點(diǎn)峰值信息的情況下，可以有效地完成跳頻同步工作，需要設(shè)計(jì)發(fā)送端同步跳的跳頻序列。
    若使用跳頻同步搜索方法，接收端在獲得有效頻點(diǎn)峰值信息的時(shí)候，可以從中獲得的信息有：
    頻點(diǎn)信息，即F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4；頻點(diǎn)的前后順序關(guān)系，即F1頻點(diǎn)接的是F2頻點(diǎn)，而不是其他頻點(diǎn)；頻點(diǎn)之間的間隔信息，即F1與F3之間的間隔為一跳。
    將發(fā)送端頻點(diǎn)序列設(shè)計(jì)成F1，F(xiàn)1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)3，F(xiàn)2，F(xiàn)1，F(xiàn)3，即按照上面的3條信息分析，由此序列中任意的兩個(gè)頻點(diǎn)的信息，都完全可以確定它們在此序列的位置。由于發(fā)端序列中任意兩個(gè)頻點(diǎn)所確定的位置信息是惟一的，故可以推斷出當(dāng)前收到的頻點(diǎn)信息與同步跳轉(zhuǎn)隨機(jī)跳位置之間的距離，亦可以給出同步跳轉(zhuǎn)隨機(jī)跳的時(shí)間信息，這是所需要的，而且以同樣頻點(diǎn)組成的這樣的序列有很多組，可以保證發(fā)端同步序列在頻點(diǎn)確定的情況下可以有較大的選擇空間。

2 系統(tǒng)框架
    跳頻系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

    其中頻點(diǎn)跟蹤同步、同步跳轉(zhuǎn)隨機(jī)跳定時(shí)信息的確定及抗干擾處理是此處提出算法策略的重點(diǎn)。由于本文算法是從接收到能量峰值、頻點(diǎn)值和峰值之間的距離來提取所需要的信息，而不是頻點(diǎn)傳送的調(diào)制信息，故本文的算法策略對于調(diào)制方式?jīng)]有限定，可以很好地和現(xiàn)行的各種調(diào)制解調(diào)方式相結(jié)合。

3 核心算法
    本文算法主要分為以下幾個(gè)部分，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

3．1 接收端峰值的計(jì)算
    接收端以4倍發(fā)端速度在F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4四個(gè)頻點(diǎn)上進(jìn)行循環(huán)，并且對接收到的信號進(jìn)行下變頻，求出其能量，同時(shí)記下峰值出現(xiàn)的時(shí)刻值，由發(fā)送端同步頻點(diǎn)序列的設(shè)計(jì)可知，同一頻點(diǎn)連續(xù)的峰值個(gè)數(shù)不會超過兩個(gè)，此一點(diǎn)是去除單頻干擾的信息的簡單方法。如圖3所示。

3．2 接收端峰值信息模板
    根據(jù)發(fā)端頻點(diǎn)序列，設(shè)計(jì)接收端4個(gè)模板序列，分別代表本地接收頻點(diǎn)與發(fā)端頻點(diǎn)的四種對齊方式，如圖4所示。其中F1～F4代表4個(gè)頻點(diǎn)的峰值，一代表沒有峰值出現(xiàn)的情況。這4個(gè)模板代表了接收端4種可能的與發(fā)送端頻點(diǎn)對齊產(chǎn)生峰值信息的組合形式。用本地實(shí)際收到的頻點(diǎn)峰值信息組合與4個(gè)模板的比較，可以迅速地確定收到的頻點(diǎn)峰值信息在序列中的位置，同時(shí)給出同步跳轉(zhuǎn)隨機(jī)跳的時(shí)間信息。

3．3 接收端頻點(diǎn)峰值信息組合
    由設(shè)計(jì)的發(fā)送端序列的性質(zhì)可知，接收端頻點(diǎn)峰值的任意組合均可正確地給出同步跳轉(zhuǎn)隨機(jī)跳的時(shí)間信息，所以為了充分利用得到的頻點(diǎn)信息，提高抗干擾能力，故對收到的頻點(diǎn)峰值信息進(jìn)行組合。每收到一個(gè)新的頻點(diǎn)峰值信息以一定的概率與之前收到的頻點(diǎn)峰值信息進(jìn)行組合，保證最先收到的頻點(diǎn)峰值信息有最大的權(quán)重。
3．4 利用頻點(diǎn)信息的不同組合計(jì)算時(shí)間信息
    由3．3節(jié)得到的各種頻點(diǎn)峰值信息的組合分別和本地產(chǎn)生的4個(gè)模板進(jìn)行滑動(dòng)相關(guān)，得到組合序列在模板中的位置，從而得到同步跳轉(zhuǎn)隨機(jī)跳時(shí)所需要的時(shí)間信息。由于正確的頻點(diǎn)峰值信息的任意組合，他們在序列中所指示的位置是確定的，干擾頻點(diǎn)的峰值信息他們的組合在序列中所指示的位置是不確定的，是發(fā)散的。所以當(dāng)接收到一定數(shù)量的頻點(diǎn)峰值信息后，將這些峰值信息進(jìn)行全組合，然后在序列中搜索他們所指示的跳轉(zhuǎn)位置，取這一步中指示跳轉(zhuǎn)位置最多的那個(gè)作為同步跳轉(zhuǎn)隨機(jī)跳的跳轉(zhuǎn)位置。
    在這步中，由于全組合的數(shù)量隨著峰值信息的增多快速增長，計(jì)算量也隨著顯著增長。為了減小計(jì)算量，在保證抗干擾性能的前提下，采用一種參與計(jì)算的頻點(diǎn)峰值信息數(shù)量自適應(yīng)的方法，即以現(xiàn)有頻點(diǎn)峰值信息的全組合所指示的跳轉(zhuǎn)位置是否收斂為依據(jù)，若不能夠明顯收斂(此處以指示收斂位置是其他位置數(shù)量的3倍以上為明顯收斂)，則再接收一個(gè)頻點(diǎn)峰值信息參與組合和計(jì)算，直到滿足明顯收斂要求為止。
3．5 剩余的頻點(diǎn)信息作為校驗(yàn)
    由3．4節(jié)得到了所需要的同步跳轉(zhuǎn)隨機(jī)跳的時(shí)間信息，在這之后收到的頻點(diǎn)峰值信息可以作為上一步得到的時(shí)間信息正確性的校驗(yàn)。
4 性能分析及仿真結(jié)果
    本位提出的算法是利用頻點(diǎn)峰值和他們之間的距離信息作為判定的依據(jù)，故對指定頻點(diǎn)上的信息能否正確接收不敏感。相對于干擾掉指定頻點(diǎn)上所攜帶的信息，干擾掉指定頻點(diǎn)上的能量信息是困難的，所以它有較強(qiáng)適應(yīng)性。性能分析分為兩個(gè)部分：一是系統(tǒng)的抗干擾性能，另一個(gè)是系統(tǒng)同步時(shí)間的性能指標(biāo)。
4．1 抗干擾性能分析
    跳頻同步系統(tǒng)主要有三種不同類型的干擾，分別為寬帶低密度干擾、窄帶高密度干擾和假冒同步干擾。寬帶低密度干擾需要較大的功率才能達(dá)到干擾效果，干擾效率低；窄帶高密度干擾，利用較高的干擾能量壓制部分頻點(diǎn)，對受壓制的頻點(diǎn)有較強(qiáng)的干擾能力，但受干擾的頻帶能夠覆蓋跳頻同步頻點(diǎn)的概率較小，干擾效率也不高；假冒干擾，干擾方使用被干擾方的同步頻率發(fā)送速率、格式和代數(shù)結(jié)構(gòu)都合法的假冒同步信息。這種干擾有可能造成頻繁的虛警，破壞同步系統(tǒng)的正常工作。對跳頻同步系統(tǒng)抗干擾能力可以從捕獲概率和虛警概率兩個(gè)方面去考察。
    由前述算法介紹可知，假設(shè)系統(tǒng)共有n個(gè)正確的峰值信息用于計(jì)算跳轉(zhuǎn)位置，則共有組的組合可以正確給出跳轉(zhuǎn)位置，又假設(shè)系統(tǒng)正確接收到的頻點(diǎn)峰值信息有k個(gè)，則共有組能夠正確給出跳轉(zhuǎn)位置的組合。因?yàn)槭艿礁蓴_而漏收、錯(cuò)收的頻點(diǎn)峰值信息的組合所給出的跳轉(zhuǎn)位置或者不存在，或者是發(fā)散的，不會對判斷正確的跳轉(zhuǎn)位置帶來太大的影響。
    圖5仿真的是正確頻點(diǎn)峰值信息個(gè)數(shù)與干擾頻點(diǎn)峰值信息個(gè)數(shù)不同組合情況下對正確跳轉(zhuǎn)位置的影響。

4．2 系統(tǒng)的時(shí)間指標(biāo)分析
    系統(tǒng)同步時(shí)間是指完成同步所需的時(shí)間。在基于定時(shí)快速掃描駐留同步過程中。同步時(shí)間就是同步頭的時(shí)間，本系統(tǒng)在理想情況下4個(gè)頻點(diǎn)峰值信息就可以準(zhǔn)確地完成同步跳轉(zhuǎn)隨機(jī)跳的時(shí)間信息的計(jì)算，同步時(shí)間非常的短。圖6給出了系統(tǒng)同步時(shí)間與參與計(jì)算的頻點(diǎn)峰值信息個(gè)數(shù)之間的關(guān)系。

4．3 系統(tǒng)復(fù)雜性分析
    基于定時(shí)信息的跳頻同步方式，在縮短同步捕獲時(shí)間方面優(yōu)于等待搜索式和位移等待式自同步方式；在可靠性方面優(yōu)于精確時(shí)鐘定時(shí)同步方式；在節(jié)省頻率資源方面優(yōu)于插入導(dǎo)頻頭同步方式。但在收端的快速掃描駐留同步過程中，頻率合成器頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間要短，頻率跳變速率需增至4倍，而且對同步頭的檢測判斷過程中相應(yīng)地增加了信號處理的復(fù)雜性。因此這種同步方式性能的提高是以增加頻率合成器的技術(shù)難度和運(yùn)算復(fù)雜度為代價(jià)的。

5 結(jié)論
    本文針對跳頻系統(tǒng)中同步環(huán)節(jié)薄弱的問題，給出了一種抗干擾能力強(qiáng)的快速跳頻同步算法。算法的實(shí)現(xiàn)過程中充分考慮了先接收到的頻點(diǎn)峰值信息的優(yōu)先權(quán)，使得該算法更加適合實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境。算法有較好的抗干擾性能，且同步時(shí)間短，能夠在復(fù)雜電磁環(huán)境中較好地解決跳頻系統(tǒng)同步頭易受干擾的問題。