跳频通信中的抗干扰同步算法研究

摘要：跳频通信体制以其较好的抗干扰和低截获性能，在军事通信中有着广泛的应用，其中跳频同步是该体制的关键技术之一。为提高跳频通信系统抗干扰性能，提出了一种具有自适应抗干扰能力的跳频同步方案，并给出了系统框图及关键算法分析及性能讨论。最后仿真结果表明，该同步方案具有抗干扰能力强，捕获概率高，虚警概率低的特点，而且在保证同步时间要求的前提下，具有根据信道特性，自适应地调整抗干扰门限的能力。
关键词：跳频同步；捕获概率；虚警概率；抗干扰；自适应

0 引言
    复杂电磁环境下的现代战场上，存在着很多人为干扰，这些有针对性的干扰信号会严重地影响我方在战场上的信息传输。现今对抗干扰的方法有扩频通信、信道纠错编码等技术。其中作为扩频通信中的跳频通信，以其抗干扰、抗衰落、抗截获等优良性能，在军事通信中有着及其重要的地位。
    跳频通信中，跳频同步策略对于系统的性能指标有着极大的影响，是系统可靠性的关键所在。由于跳频同步策略中用到的频点数量相对随机跳的频点数量少得多，而且由于其重复性很高，极易受到敌方的侦测和干扰，给系统的可靠性带来极大的隐患。通常的同步头法和自同步法的跳频同步策略，很难抵抗敌方的单音和多音干扰，而精确时钟法易受时钟漂移的影响，同步的精度不够，不利于在可靠性要求极高的军用通信中使用。
    在敌方侦测到我同步跳频点并开始加以干扰的过程中，我方有少许时间是可以有效通信的，故我方认为对于最先接收到的信息给予较高的信任度，在后续的信号处理中起到很重要的作用；同时我方需要能够仅用几位有效的频点信息就能够完成同步跳转随机跳的工作(跳频同步)，其余信息可以作为剔出干扰的校验信息，故设计策略要求在获得较少的有效频点峰值信息的情况下，可以有效地完成跳频同步工作的要求，所以需要在同步头序列中加入定位信息。

1 跳频同步头的设计
    为了完成提出的在获得较少有效频点峰值信息的情况下，可以有效地完成跳频同步工作，需要设计发送端同步跳的跳频序列。
    若使用跳频同步搜索方法，接收端在获得有效频点峰值信息的时候，可以从中获得的信息有：
    频点信息，即F1，F2，F3，F4；频点的前后顺序关系，即F1频点接的是F2频点，而不是其他频点；频点之间的间隔信息，即F1与F3之间的间隔为一跳。
    将发送端频点序列设计成F1，F1，F2，F3，F4，F3，F2，F1，F3，即按照上面的3条信息分析，由此序列中任意的两个频点的信息，都完全可以确定它们在此序列的位置。由于发端序列中任意两个频点所确定的位置信息是惟一的，故可以推断出当前收到的频点信息与同步跳转随机跳位置之间的距离，亦可以给出同步跳转随机跳的时间信息，这是所需要的，而且以同样频点组成的这样的序列有很多组，可以保证发端同步序列在频点确定的情况下可以有较大的选择空间。

2 系统框架
    跳频系统的总体框图如图1所示。

    其中频点跟踪同步、同步跳转随机跳定时信息的确定及抗干扰处理是此处提出算法策略的重点。由于本文算法是从接收到能量峰值、频点值和峰值之间的距离来提取所需要的信息，而不是频点传送的调制信息，故本文的算法策略对于调制方式没有限定，可以很好地和现行的各种调制解调方式相结合。

3 核心算法
    本文算法主要分为以下几个部分，系统框图如图2所示。

3．1 接收端峰值的计算
    接收端以4倍发端速度在F1，F2，F3，F4四个频点上进行循环，并且对接收到的信号进行下变频，求出其能量，同时记下峰值出现的时刻值，由发送端同步频点序列的设计可知，同一频点连续的峰值个数不会超过两个，此一点是去除单频干扰的信息的简单方法。如图3所示。

3．2 接收端峰值信息模板
    根据发端频点序列，设计接收端4个模板序列，分别代表本地接收频点与发端频点的四种对齐方式，如图4所示。其中F1～F4代表4个频点的峰值，一代表没有峰值出现的情况。这4个模板代表了接收端4种可能的与发送端频点对齐产生峰值信息的组合形式。用本地实际收到的频点峰值信息组合与4个模板的比较，可以迅速地确定收到的频点峰值信息在序列中的位置，同时给出同步跳转随机跳的时间信息。

3．3 接收端频点峰值信息组合
    由设计的发送端序列的性质可知，接收端频点峰值的任意组合均可正确地给出同步跳转随机跳的时间信息，所以为了充分利用得到的频点信息，提高抗干扰能力，故对收到的频点峰值信息进行组合。每收到一个新的频点峰值信息以一定的概率与之前收到的频点峰值信息进行组合，保证最先收到的频点峰值信息有最大的权重。
3．4 利用频点信息的不同组合计算时间信息
    由3．3节得到的各种频点峰值信息的组合分别和本地产生的4个模板进行滑动相关，得到组合序列在模板中的位置，从而得到同步跳转随机跳时所需要的时间信息。由于正确的频点峰值信息的任意组合，他们在序列中所指示的位置是确定的，干扰频点的峰值信息他们的组合在序列中所指示的位置是不确定的，是发散的。所以当接收到一定数量的频点峰值信息后，将这些峰值信息进行全组合，然后在序列中搜索他们所指示的跳转位置，取这一步中指示跳转位置最多的那个作为同步跳转随机跳的跳转位置。
    在这步中，由于全组合的数量随着峰值信息的增多快速增长，计算量也随着显著增长。为了减小计算量，在保证抗干扰性能的前提下，采用一种参与计算的频点峰值信息数量自适应的方法，即以现有频点峰值信息的全组合所指示的跳转位置是否收敛为依据，若不能够明显收敛(此处以指示收敛位置是其他位置数量的3倍以上为明显收敛)，则再接收一个频点峰值信息参与组合和计算，直到满足明显收敛要求为止。
3．5 剩余的频点信息作为校验
    由3．4节得到了所需要的同步跳转随机跳的时间信息，在这之后收到的频点峰值信息可以作为上一步得到的时间信息正确性的校验。
4 性能分析及仿真结果
    本位提出的算法是利用频点峰值和他们之间的距离信息作为判定的依据，故对指定频点上的信息能否正确接收不敏感。相对于干扰掉指定频点上所携带的信息，干扰掉指定频点上的能量信息是困难的，所以它有较强适应性。性能分析分为两个部分：一是系统的抗干扰性能，另一个是系统同步时间的性能指标。
4．1 抗干扰性能分析
    跳频同步系统主要有三种不同类型的干扰，分别为宽带低密度干扰、窄带高密度干扰和假冒同步干扰。宽带低密度干扰需要较大的功率才能达到干扰效果，干扰效率低；窄带高密度干扰，利用较高的干扰能量压制部分频点，对受压制的频点有较强的干扰能力，但受干扰的频带能够覆盖跳频同步频点的概率较小，干扰效率也不高；假冒干扰，干扰方使用被干扰方的同步频率发送速率、格式和代数结构都合法的假冒同步信息。这种干扰有可能造成频繁的虚警，破坏同步系统的正常工作。对跳频同步系统抗干扰能力可以从捕获概率和虚警概率两个方面去考察。
    由前述算法介绍可知，假设系统共有n个正确的峰值信息用于计算跳转位置，则共有组的组合可以正确给出跳转位置，又假设系统正确接收到的频点峰值信息有k个，则共有组能够正确给出跳转位置的组合。因为受到干扰而漏收、错收的频点峰值信息的组合所给出的跳转位置或者不存在，或者是发散的，不会对判断正确的跳转位置带来太大的影响。
    图5仿真的是正确频点峰值信息个数与干扰频点峰值信息个数不同组合情况下对正确跳转位置的影响。

4．2 系统的时间指标分析
    系统同步时间是指完成同步所需的时间。在基于定时快速扫描驻留同步过程中。同步时间就是同步头的时间，本系统在理想情况下4个频点峰值信息就可以准确地完成同步跳转随机跳的时间信息的计算，同步时间非常的短。图6给出了系统同步时间与参与计算的频点峰值信息个数之间的关系。

4．3 系统复杂性分析
    基于定时信息的跳频同步方式，在缩短同步捕获时间方面优于等待搜索式和位移等待式自同步方式；在可靠性方面优于精确时钟定时同步方式；在节省频率资源方面优于插入导频头同步方式。但在收端的快速扫描驻留同步过程中，频率合成器频率转换时间要短，频率跳变速率需增至4倍，而且对同步头的检测判断过程中相应地增加了信号处理的复杂性。因此这种同步方式性能的提高是以增加频率合成器的技术难度和运算复杂度为代价的。

5 结论
    本文针对跳频系统中同步环节薄弱的问题，给出了一种抗干扰能力强的快速跳频同步算法。算法的实现过程中充分考虑了先接收到的频点峰值信息的优先权，使得该算法更加适合实际的应用环境。算法有较好的抗干扰性能，且同步时间短，能够在复杂电磁环境中较好地解决跳频系统同步头易受干扰的问题。