CN102035570B - 一种频率预置分布式跳频同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种频率预置分布式跳频同步方法，包括跳频系统的同步建立和同步保持两个基本步骤；同步建立包括跳频系统的初始化、首入网、迟入网三个阶段；同步保持包括先确认后中止方式和频率预置方式两条操作规则；给定密钥确定跳频频率表并通过混沌序列确定跳频频率序列和本征频率序列；跳频系统依照给定频率序列跳频，跳频电台依照本征频率序列跳频，通过勤务频率发布同步信息。本发明具有自适应跳频功能，适合由N≥3部跳频电台构建成局域网络跳频通信系统，要求跳频电台具有全双工工作模式，与传统跳频同步方法相比，有更强的抗干扰性、抗截获性，能够实现信息无缝连接和信号中继传送。

Description

一种频率预置分布式跳频同步方法

技术领域

本发明属于跳频通信技术领域，涉及一种频率预置分布式跳频同步方法。

技术背景

跳频通信具有很强的抗干扰、抗衰落、抗截获能力和多址组网能力，最初用于军事通信中，逐渐推广到民用领域，如GSM、HomeRF、Bluetooth等都应用了跳频技术。自1963年美国海军Sylvania的BLADES系统中开始采用跳频技术以来，英、法、以色列等国家相继成功地研制出实用的跳频通信系统，到80年代，跳频通信系统已成为世界各军事强国的主要军用通信装备。随着战场干扰环境日趋复杂化以及民用无线电定频干扰日益增多，对跳频通信系统的稳定性和灵活性提出了更高要求，发展一种分布式的能自动避开各种干扰的新型跳频通信体制成为各军事强国研究的热点。

跳频同步是跳频通信的关键技术，无论是传统跳频通信系统还是新发展起来的跳频通信系统，都必需首先解决与系统匹配的跳频同步问题。

现有跳频同步方法大致可分为外同步法和自同步法两大类。

外同步法是将同步信息额外加在其它信息码元之上的同步方法，同步速度快，同步概率高，但发端发送同步信息时不能发送信号，需占据发射信号的功率和一定的带宽。根据同步信息加载位置区别，可分为独立信道同步法、参考时钟法(TOD)和同步字头法。

自同步法是将同步信息离散地插入跳频信号的一个或多个频率中，接收机从这些频率中将离散的同步信息提取出来，用来调整接收机的有关参数(比如伪随机码的相位等)从而完成同步。自同步法可以自动迅速地从接收到的跳频信号中提取同步信息，不需要同步头，可节省功率，且有较强的抗干扰能力和组网灵活等优点。但其同步时间相对外同步法要长，跳频频道数较少，不能实现高跳速和多跳频频道数，在防跟踪和干扰上有一定的局限性。根据捕获方法的不同，自同步法又可分为匹配滤波器同步法、滑动相关同步法、等待搜索同步法、位移等待同步法和快速扫描同步法等。

现有各种跳频同步方法尽管实现同步的方式不同但有两点是共同的：一是同步建立时都需经过初始捕获、同步识别、同步跟踪等复杂的处理过程；二是信号传输都是间歇式的。同步建立的复杂过程以及间歇式信号传输在很大程度上限制了跳频通信系统的灵活性、可靠性以及对各种复杂通信环境的适应性，无法支持具有现代网络结构概念的多用户分布式跳频通信系统。

发明内容

本发明的目的是提出一种频率预置分布式跳频同步方法，该频率预置分布式跳频同步方法具有更强的抗干扰性、抗截获性，能够实现信息无缝连接和信号中继传送。采用本发明的频率预置分布式跳频同步方法，可以发展出具有现代网络结构概念的多用户分布式跳频通信系统。

本发明的技术解决方案如下：

一种频率预置分布式跳频同步方法，包括跳频通信系统的同步建立步骤和同步保持步骤，跳频通信系统依照一个给定频率序列跳频，跳频通信系统内每一部跳频电台依照事先分配的本征频率序列跳频，通过勤务频率发布同步信息；跳频通信系统经过初始化、首入网、迟入网方式完成同步建立，采用先确认后中止方式和频率预置方式实现同步保持；

跳频通信系统由N≥3部跳频电台组成，所有跳频电台都采用全双工通信方式，每一部跳频电台都能同时发送信号并接收跳频通信系统内其它跳频电台的信号，形成一对多发送信号、多对一接收信号的分布式网状信号连通结构。

所述的给定频率序列是对照一个混沌伪随机序列从跳频频率表中依次抽取频点生成；混沌伪随机序列是在给定跳频密钥条件下采用伪随机序列均匀化算法由混沌状态序列生成；

本征频率序列由给定频率序列根据跳频电台依次划分生成；所述的勤务频率是跳频通信系统初始化时在跳频频率表中随机指定的频点。

所述的同步信息由电台号、拓朴码和系统跳频时钟码三部分组成；电台号用于电台识别，拓朴码用于跳频通信系统连通状态分析，系统跳频时钟码用于迟入网同步时计算确定频率预置的起始点。

所述的初始化是跳频通信系统建立跳频通信前的跳频参数选择和程序准备，跳频参数选择包括确定系统跳频密钥、跳频频率表、跳频频率补表和勤务频率表；程序准备包括生成勤务同步信标，将跳频参数和勤务同步信标存入系统内存；

所述的首入网是指跳频通信系统中某一跳频电台初始化后在一定时间阈值内在勤务频点上没有收到同步信号，则按照本跳频电台的本征频率序列跳频，并在勤务频点上发送同步信息；

所述的迟入网是指跳频通信系统中某一跳频电台初始化后在一定时间阈值内在勤务频点上收到同步信号，根据同步信号将解调器分别置于跳频通信系统将要跳到的第一个频点和第二个频点上，当在第二个频点上收到系统内的信号时，则按照本跳频电台的本征频率序列跳频，并在勤务频点上发送同步信息。

所述的先确认后中止方式是指跳频电台从一个频点跳到下一个频点的过程中，先确认新跳到的频点信号已经被其它跳频电台接收，再中止上一个频点的工作；

所述的频率预置方式是指跳频电台根据跳频通信系统当前频点在给定频率序列中的位置将两个解调器分别置于跳频通信系统即将要跳到的第一个频点和第二个频点上，在第二个频点上等待跳频电台的频点信号，在第一个频点上探测是否存在干扰信号。

有益效果：

本发明公开了一种频率预置分布式跳频同步方法，包括跳频系统的同步建立和同步保持两个基本步骤；同步建立包括跳频系统的初始化、首入网、迟入网三个阶段；同步保持包括先确认后中止方式和频率预置方式两条操作规则；给定跳频密钥确定跳频频率表并通过混沌序列确定跳频频率序列和本征频率序列；跳频系统依照给定频率序列跳频，跳频电台依照本征频率序列跳频，通过勤务频率发布同步信息。本发明具有自适应跳频功能，适合由N≥3部跳频电台构建成局域网络跳频通信系统，要求跳频电台具有全双工工作模式，与传统跳频同步方法相比，有更强的抗干扰性、抗截获性，能够实现信息无缝连接和信号中继传送。

本发明能够实现局域网络跳频通信，跳频系统内某两跳频电台直接通信链路中断时，可以通过网内其它跳频电台自动连通；跳频电台发送和接收信息是同时进行的，因而通信信息收发免切换；可以同时接收跳频系统内其它跳频电台的信息；可以实现信息传输的无缝连接，通信质量接近单频通信；具有很强自适应避扰功能；具有极强的抗跟踪抗截获能力，因为跳频序列的安全性只依赖于密钥而不依赖于跳频系统或跳频电台。

本发明具有如下特点：

1)是一种实现局域网络跳频通信的同步方案，系统内电台可以实现中继服务，系统可靠性高。

2)由于跳频序列需要密钥才能产生，从而使跳频系统的安全性首次纳入到密码学的安全性理论体系，只依赖于密钥而不依赖于跳频系统或跳频电台，具有极强的抗跟踪抗截获能力，系统安全性高。

3)很强的自适应避扰功能和信息传输的无缝连接，通信质量高。

4)跳频电台发送和接收信息是同时进行的，因而通信信息收发免切换，使用与操作简便。

5)能同时接收跳频系统内其它跳频电台的信息，带宽信息流量大。

附图说明

图1.由6部电台组成的跳频系统的拓朴结构。

图2.同步信息。

图3.分布式局域网络跳频系统结构示意图。

图4.跳频通信仿真系统整体结构。

图5.网络仿真结构图。

图6.仿真系统顶层级模块结构。

图7.电台内部结构。

图8.仿真系统电台内部模块结构(电台1)。

图9.同步建立模块内部结构。

图10.同步保持模块内部结构。

图11.信息产生模块内部结构。

图12.系统跳频码(部分)。

图13.频率合成器输出波形。

图14.同步保持时序关系及电台1同步控制信号。

图15.发送与接收信号仿真波形。

图16.不同干扰环境下的系统误码性能。

具体实施方式

拓朴结构

由N部跳频电台(N≥3)组成一个分布式局域网络跳频通信系统，其拓扑结构如图1所示(N＝6)。这种拓扑结构的基本特征是跳频系统内所有跳频电台都能相互同时直接双向信号传输。图1中，节点为跳频电台，箭头所指为信息传输流向，形成一对多发送信号、多对一接收信号的网状信号连通结构。本发明支持由图1所示拓扑结构的跳频系统，跳频电台需采用全双工通信方式。

跳频频率表、跳频频率补表及勤务频率表

从一个可供跳频的频点集F_Ω中随机选出子集

F_L＝{f_l|l＝0，1，2，Λ，L-1；L＝2^b}，(1)

作为系统的跳频频率表，

L＜＜N。再定义一个差集

${\stackrel{\‾}{F}}_L=F_{\mathrm{\Ω}}-F_L,---\left(2\right)$

作为系统的跳频频率补表，跳频频率补表中的频率用于避扰时作为备用频率。

随机地从F_L中选出子集

$F_N=\left\{f_{l_k}\right|k=\mathrm{0,1,2},\mathrm{\Λ},N-1\}\∈F_L---\left(3\right)$

作为勤务频率表。

混沌伪随机序列

设混沌映射系统为

x_n+1＝f(x_n，μ)，n＝0，1，2，3，Λ，(4)

其中，μ为混沌系统的参数。由式(4)可以得到一个混沌序列

X＝{x_n|n＝0，1，2，Λ}.             (5)

初始值x₀与参数μ为该序列的密钥(即跳频密钥)，x₀和μ的可能取值的集合为该序列的密钥空间K。在双精度浮点表示的数字系统下，只要f(·)选择合适，就可以使密钥空间K足够大、X的周期足够长。采用伪随机序列均匀化算法(即SXS算法，参见以下文献：盛利元，肖燕予，盛喆.将混沌序列变换成均匀伪随机序列的普适算法[J]物理学报，2008，57(7)：4007～4013。)，将X中的每个实数型x_n转换成

个b bit的伪随机整数p_i，从而将X变换成均匀分布的整数型伪随机序列，用X_b表示，即

X_b＝{p_i|0≤p_i＜2^b；i＝1，2，3，Λ}.(6)

X_b是一种优质的伪随机序列，通常能够通过严格的NIST 800-22标准检测。式(5)中p_i的下标i与x_n的下标n存在以下关系

其中为舍去取整运算。

给定频率序列

定义一个一对一的均匀映射g：X_b→F_L，当p_i＝l，取频率f_l为第i次跳频频率，记为fⁱ。由fⁱ构成一个与X_b一一对应的随机频率序列

F＝{fⁱ|i＝0，1，2，Λ；fⁱ∈F_L}.        (8)

F称为跳频系统给定密钥(x₀，μ)下的跳频频率序列(简称给定频率序列)，其中，i称为跳频系统的跳频时钟。宏观上跳频系统以F跳频。

为避免跳频系统内载波相互干扰，需对序列(8)进行预先去互扰处理，方法如下：从i＝0开始，假定前N个频率f^i-N+1，…，f^i-1，fⁱ已经消除互扰，对于第i+1个频率fⁱ⁺¹，若存在k∈{i-N+1，Λ，i-1，i}，使得fⁱ⁺¹＝f^k，则fⁱ⁺¹是互扰频点，从序列(8)中去除，否则保留。假定F是一个去互扰的随机频率序列。

勤务频率序列与勤务同步信标

在给定频率序列F中，存在一个由勤务频率组成的子序列

$f=\left\{f^{i_j}\right|j=\mathrm{0,1,2},\mathrm{\Λ};f^{i_j}\∈F_N\}.---\left(9\right)$

将i_j对应于(7)式的n记为n(j)，是给定频率序列F中第j个勤务频率对应于混沌序列X中x_n的下标n。由此可以获得一个对应勤务频率的数组对序列

X_n＝{(n(j)，x_n(j))|j＝0，1，2，Λ，2¹⁶-1}.    (10)

称为勤务同步信标。

本征频率序列

将给定频率序列F按照通式f^No.+mN，m＝0，1，2，Λ，No.＝1，2，3，Λ，N，分成N个子序列，记作F_No(No.)，称为第No.跳频电台的本征频率序列，供第No.电台跳频使用。微观上电台以F_No(No.)跳频。

同步信息

同步信息由台号No.、拓扑码、跳频时钟码组成，相对位置如图2所示。台号No.：用于网内电台自动识别，长

为舍入取整运算。

拓扑码：反映该电台与其它电台信道的连通状态。拓扑码长N bit，每一bit对应网内一部电台，是一个从低位到高位按照台号顺序排列的有序向量。对于台号为k的电台，第k bit始终取“1”，其它位上，若收到对应电台的载波，则取“1”，否则取“0”。综合所有电台的连通状态，可以判断系统的实时拓扑结构，便于拓扑结构改变后及时调整信息通道，保障通信正常。

跳频时钟码：定义为勤务频率的跳频时钟i_j的下标j，是一个指向内存中X_n的第j个数组(n(j)，x_n(j))的地址指针，占16bit，能保证跳频系统持续通信若干小时。同步信息总长为

先确认后中止方式

第No.部电台在频点fⁱ∈F_No(No.)上发射载波，驻留等待到其它N-1部电台依次在频率fⁱ⁺¹，fⁱ⁺²，…，f^i+N-1上发射载波后，再在频点f^i+N∈F_No(No.)上发射下一个载波，当收到并确认另一电台在频率f^i+N+1发射载波后结束发射前一频率fⁱ的载波。

在F_No(No.)中，f^i+N是fⁱ相邻的下一个频点。整体上，跳频系统按照跳频时钟i以给定频率序列F的顺序跳频；每部跳频电台在指定的时隙内按照本征频率序列F_No(No.)跳频发送信息，按照非本征频率序列跳频接收信息。

所述的先确认后中止方式是指跳频电台从一个频点跳到下一个频点的过程中，先确认新跳到的频点信号已经被其它跳频电台接收，再中止上一个频点的工作；这种方式能够实现信号传输的无缝连接。

频率预置方式

频率预置方式是指载波接收设置先于载波发射，载波接收结束先于载波发射结束，是一种守株待兔式的频率捕获方式，由于跳频系统即将跳到的频点是已知的，故这种方式是通过提前将跳频电台的解调器设置在即将发射载波或接收载波的频点处实现的。

初始化

确定密钥(x₀，μ)、随机选择F_L、

及F_N并一齐存入内存；依次计算(4)式～(10)式，得勤务同步信标X_n并存入内存。

跳频系统进入工作状态后，给定频率序列F、勤务频率序列f和本征频率序列F_No(No.)均需通过(4)式～(9)式重新计算。

首入网

首入网又称第一部电台入网，假设为No.＝1。初始化后，先用N个解调器探测F_N的所有勤务频率，在规定时间内如果没有探测到任何同步信息，则从x₀开始运算(4)式～(9)式，按照(8)式的给定频率序列从i＝0开始以本征频率序列F_No(1)跳频(假定以台号顺序先后入网)，由勤务频率载波发送同步信息。

初始同步

初始同步定义为第二部电台入网，假设为No.＝2。初始化后，先用N个解调器探测F_N的所有勤务频率，在规定时间内收到前一电台的同步信息，判读电台台号、连通状态以及同步时钟，由同步时钟码j从内存的勤务同步信标X_n中找到数组(n(j)，x_n(j))并从x_n(j)开始运算(4)式～(9)式，可以估计出接收到的勤务频率在F或在F_No(1)中的当前位置。再根据跳频速率与计算速率，提前若干个频点以预置等待方式接收网内载波，载波依次抵达后，再依照本征频率序列F_No(2)跳频，在勤务频率上发送同步信息，从而自动进入同步。

迟入网同步

迟入网同步定义为第三部电台或第三部以后的电台入网，入网过程与初始同步没有本质区别。第No.部电台初始化后，先用N个解调器探测F_N的所有勤务频率，在规定时间内收到网内电台的同步信息。只要收到其中一部电台的同步信息，就能从中判读电台台号、连通状态以及同步时钟，由同步时钟码j从内存的勤务同步信标X_n中找到数组(n(j)，x_n(j))并从x_n(j)开始运算(4)式～(9)式，从而判断出给定频率序列和各本征频率序列的当前位置，再根据跳频速率与计算速率，提前若干个频点以预置等待方式接收网内载波，载波依次抵达后，再以依照本征频率序列F_No(No.)跳频，在勤务频率上发送同步信息，从而自动进入同步。

跳频电台掉线后再入网也归属迟入网同步处理。由于初始化保存的勤务同步信标X_n数据量较多，保证较长时间内掉线后能迅速自动入网。

同步建立

跳频系统开始工作的初期从开机到正常通信建立的过程。同步建立包括初始化、首入网、迟入网三个基本步骤。

同步保持

建立正常通信后保证跳频系统内各电台跳频协调一致。按照先确认后中止方式和频率预置方式这两条基本规则实现同步保持，每部跳频电台至少需要N+1个调制解调器。

以3部跳频电台为例，每部电台使用5个解调器。假定在观察瞬时，跳频系统处于状态：电台1发射f¹，接收f⁰、f²和f³，占用3个解调器；电台2发射f²，接收f⁰、f¹和f³，占用3个解调器；电台3发射f⁰和f³，接收f¹和f²，占用2个解调器(有1个临时空闲)；同时，3部电台都有2个解调器正预置在频率f⁴和f⁵，并且已经判读f⁴上无干扰信号。接下来，跳频系统如下操作：

1)、电台1和电台2先结束接收f⁰，电台1发射f⁴载波；电台2和电台3接着收到f⁴载波；电台3收到f⁴载波后，判断f³载波已被收到，中止发射f⁰。

2)、与此同时，3部电台都判读f⁵上是否有干扰信号。若f⁵上是有干扰信号，则从

中依次取一个替代频率取代f⁵再进行判读，直到找到没有干扰信号的替代频率，再将另一个解调器设置在频率f⁶；若没有干扰信号，则将另一个解调器设置在频率f⁶。

3)、重复1)和2)，这时所有频率fⁱ变成fⁱ⁺¹，即各电台频率点前移，电台1换成电台2、电台2换成电台3、电台3换成电台1。

实施例1：

I.跳频同步建立与保持的一个简单示意例

先用一个最简单的示意例说明跳频同步建立与保持。用户数N＝3，跳频频率表F_L的频带为500kHz-525.6kHz，频率间隔100Hz，L＝256＝2⁸，b＝8。台号信息长2bit，拓扑码长3bit，跳频时钟码长16bit，同步信息码共长21bit。采用Logistic混沌系统产生跳频序列。

1)初始化

Logistic映射表达式为：

$x_{n+1}=f\left(x_n\right)=1-\mathrm{\μ}{x}_n^2,$ μ∈(0，2]，x_n∈[-1，1]，(11)

参数μ∈(1.93，2]时，Logistic处于混沌状态。密钥取μ＝2，x₀＝0.556，得混沌序列

X＝{0.5560000000000001，0.3817279999999999，0.7085674680320002，

0.004135713506559391，0.9999657917475834，-0.9998631693307425，

-0.9994527147682339，-0.9978114581151856，…}.(12)

采用伪随机数均匀普适化算法(SXS算法)，将X变换成b＝8位的均匀整数型伪随机序列，用16进制表示(详见表1)

X_b＝{1a，30，fe，d8，ee，9f，10，a1，7f，66，b7，13，12，f4，90，d0，1c，a2，70，...}.

(13)

根据映射关系g：X_b→F_L得(8)式的频率序列，(13)式实质上是指向F_L的频率地址序列，因此，可直接用地址序列表示频率序列F，即给定频率系列，故

F＝{1a，30，fe，d8，ee，9f，10，a1，7f，66，b7，13，12，f4，90，d0，1c，a2，70，...}.

(14)

按照去互扰的原则由F得到三个本征跳频序列：

F_No(1)＝{1a，d8，10，66，12，d0，70，c8，4e，56，1c，c5，e9，ff，e0 ed，...}，

F_No(2)＝{30，ee，a1，b7，f4，1c，55，19，1e，1d，66，9f，6e，1a，ec，82，…}，

F_No(3)＝{fe，9f，7f，13，90，a2，64，91，97，23，e5，50，04，9a，34，22，…}.N个电台依次按顺序取给定频率序列中的一个值，最后组成本征序列。

任意选取勤务频率表F_N＝{10，b7，7f}，计算X_n得

X_n＝{1，0.3817；1，0.3817；1，0.3817；11，-0.4900；32，-0.1579；39，-0.1271；49，-0.1002；66，0.8561；81，0.9175；87，-0.4942；

100，-0.9751；108，-0.7881；121，0.9342；127，0.2221；……}

保存F_L、F_N及X_n至内存(略去补集

)。

2)首入网

设电台1、电台2、电台3的台号分别为“00”、“01”、“10”。

假定电台1首先入网，在三个勤务频率{10，b7，7f}搜索同步信息，在规定时间内(本实例中为0.01s，该规定时间即为时间阈值)没有收到同步信息，判断为首先入网；依本征频率序列F_No(1)从第一个频率1a开始跳频，遇到勤务频率则发送同步信息；依序列F_No(2)和F_No(3)搜索电台2和电台3发出的信号。在第1个勤务频率“10”发送同步信息：000010000000000000000；在第5个勤务频率“7f”发送同步信息：000010000000000000100。

3)初始同步

电台2入网，在三个勤务频率{10，b7，7f}上等待接收同步信息，在规定时间内(本实例中为0.01s，该规定时间即为时间阈值)收到同步信息，假定在“7f”上收到同步信息000010000000000000100。通过判读同步信息，获知网内有一部电台，台号为“00”、跳频时钟码0000000000000100，即j＝4，指向内存中X_n的第5个勤务频率，查得系统时钟n(4)＝32，x₃₂＝-0.1578752493801705。从x₃₂开始计算后续序列x₃₃，x₃₄，…，算出F_No(1)，F_No(2)和F_No(3)。根据跳频速率和计算的时间开销，设置超前量，例如超前12个频点。在F_No(1)中，“7f”后第12个频点为“18”，对应x₃₈中第一个频率，在“18”设置解调器，x₃₈中第二个频率“35”就是电台2的起跳频率。电台2在“18”上收到电台1的信号后，从“35”开始依照F_No(2)序列跳频，依照F_No(1)和F_No(3)搜索，自动进入同步，这时系统时钟n＝38。电台2将在x₃₉遇到系统的第6个勤务频率“10”，发射的同步信息为010110000000000000101。

4)迟入网同步

电台3入网，开机后在三个勤务频率{10，b7，7f}上等待接收同步信息。在规定时间内(本实例中为0.01s，该规定时间即为时间阈值)收到同步信息，假定在“10”上收到同步信息010110000000000000101，通过判读获知为电台号为“01”的电台发送的同步信息，同时获知网内有电台00和电台01，跳频时钟码0000000000000101，查得系统时钟n(5)＝39，x₃₉＝-0.1270739024090264。从x₃₉开始计算x₄₀，x₄₁，…；算出F_No(1)，F_No(2)和F_No(3)；F_No(2)中“10”之后第12个跳频点为“52”，是x₄₅的第4个频率，x₄₅中第5和第6个频率分别为“a1”和“85”，故在“52”和“a1”设置解调器。当依次收到电台1的“52”和电台2的“a1”信号后，便从“85”开始依照F_No(3)序列跳频，依照F_No(1)、F_No(2)搜索，自动入网，这时系统时钟n＝45。

表1给出了n＝0～128的X、X_b及F，其中勤务频率上带上一个方框。

表1

注：为勤务频率。

II跳频通信系统的仿真

为了验证本发明，采用SIMULINK仿真软件设计一个由3台跳频电台组成的跳频通信仿真系统。由于仿真系统复杂，仅给出该系统与本发明直接关联的有关部分的基本设计思路、结构及仿真实验的结果。

1)跳频通信系统基本结构

跳频通信系统基本结构如图3所示。物理信道用来传输信息，也称为频道或波道；逻辑信道是物理信道在时域或频域上的一部分，对应跳频通信中的勤务频率。逻辑信道的具体实现方法是在跳频频率表中按一定规律插入勤务频率，在勤务频率上一般只传送相关同步信息(仅时钟信息)。本发明中，逻辑信道除了传送电台的时钟信息外还传送网内电台的工作状态，两者统称为同步信息。

2)跳频通信仿真系统整体结构

仿真的目的是用软件实现方法完成和测试实际复杂系统的基本功能、研究其可行性。如图4所示，仿真跳频电台包含了实际跳频电台的要件和模块，如LQA、混频与解调模块、调制与混频模块、基带信号收、基带信号发、同步信号解析、同步控制器、频率合成器，这些要件用于功能仿真。

为了研究测试系统的抗干扰性能，在信道上设计了3种类型的干扰，抗干扰仿真结构如图5所示。

跳频通信系统核心单元是实时信道质量评估单元(LQA)和同步控制器。同步控制器主要根据LQA的分析结果和逻辑信道(勤务频率)送来的同步信号做出判断，控制频率跳变。

3)跳频系统仿真系统顶层结构

图6是跳频系统对应图5或图4的仿真系统顶层结构(一个独立仿真文件)，主要由信道与加扰仿真模块(CHANNEL AND JAM)、电台模块(RADIO1、RADIO2、RADIO3)及误码率统计模块(BER CALCULATE ij、i，j＝1，2，3，i≠j)组成。下面仅给出电台模块。

4)电台模块

功能上，电台内部结构又可划分成3大逻辑模块——同步建立(SYN ESTABLISH)、同步保持(并行解调)(SYN KEEP)、信息产生(调制发射)(SIGNAL GENERATE)，及外加的辅助模块，如图7所示。这3个主要逻辑模块又由相关子模块实现，包括：跳频序列发生器模块、频率合成器模块、信息产生与调制模块、跳频码查表模块等等。对应图7，电台级上的仿真模块如图8所示。3个电台模块完全一样，以电台1为例，同步建立(SYNESTABLISH)模块如图9所示，同步保持(并行解调)(SYN KEEP)如图10所示，信息产生(调制发射)(SIGNAL GENERATE)模块如图11所示。这三大模块又由更底层的各种功能模块组成。

5)仿真结果

系统跳频频率表采用一维的logistic混沌映射系统生成，采用SXS普适算法处理以后，每一次迭代产生6个8bit的跳频码K，K数值范围为0～255，指向系统跳频频率表F_L，部分跳频码如图12所示。

依据GJB2928-97标准(战术超短波跳频电台标准)，DDS模块输出的起始频率为30MHz，跳频信道间隔为25KHz，频段带宽为256×25KHz＝6.4MHz；备用跳频频率表相对当前系统跳频频率表偏移260个跳频间隔，频段带宽6.4MHz，如表2所示。

信息速率设置为4.4Kbit/s，采用慢跳频速率为100Hops/s，每跳传输数据44bit。

表2仿真中跳频电台工作频段(按GJB2928-97标准)

频率合成器(DDS)由跳频码K控制的输出波形如图13所示。

图14给出了3部电台的同步保持关系以及相应的同步控制信号。

图15是在信噪比设置为5dB时，系统处于同步保持状态下系统的发送码元和接收码元波形图。可以看出，系统信号发送与接收之间存在延时，由信号传输与处理引起；在0.048～0.068s之间(时间长度为0.02s)，按照分布式自适应跳频系统的最慢跳速为100hops/s的要求，电台已经完成一次频率切换，仅在0.058～0.060s之间发生一个误码。

图16给出了宽带阻塞式干扰、部分频带干扰和多频连续波干扰三种干扰环境下的系统误码性能的测试结果，测试了信号未经纠错编码在信道中传输的误码率。

信噪比范围设置为-15～15dB，部分频带干扰考虑干扰覆盖系数ρ＝0.5和ρ＝0.8两种情况，干扰信号采用扫频式干扰；多频连续波干扰的干扰信号设置在30.125MHz、33MHz、35.025MHz三个频点上。

当信噪比为10dB时，宽带阻塞式干扰(恒定功率干扰)的误比特率低于10^-3；部分频带干扰当ρ＝0.8时，误比特率低于10^-2(实际值为0.0065337)，当ρ＝0.4时，误比特率为0.0030208，增大干扰频段的范围，系统误码率略为增加。在增大SNR至15dB时，部分频带干扰环境下系统的误码率接近10^-3。在无纠错编码控制的条件下，这样的误码性能已经达到了通信的话音可懂度标准。

相对于扫描式的部分频带干扰而言，多频连续波干扰可以认为是一种定频干扰。信噪比设置为10dB的情况下，多次试验并修改单频干扰源幅值，平均误码率稳定在0.0037附近，整个仿真时间段内系统工作正常，可见固定的多频连续波干扰不会导致系统失步。

以上仿真结果表明，基于本发明的跳频通信系统功能上可行、系统抗干扰性强。

Claims (3)

1.一种频率预置分布式跳频同步方法，包括跳频通信系统的同步建立步骤和同步保持步骤，其特征是：跳频通信系统依照一个给定频率序列跳频，跳频通信系统内每一部跳频电台依照事先分配的本征频率序列跳频，通过勤务频率发布同步信息；跳频通信系统经过初始化、首入网、迟入网方式完成同步建立，采用先确认后中止方式和频率预置方式实现同步保持；

跳频通信系统由N≥3部跳频电台组成，所有跳频电台都采用全双工通信方式，每一部跳频电台都能同时发送信号并接收跳频通信系统内其它跳频电台的信号，形成一对多发送信号、多对一接收信号的分布式网状信号连通结构；

所述的初始化是跳频通信系统建立跳频通信前的跳频参数选择和程序准备，跳频参数选择包括确定系统跳频密钥、跳频频率表、跳频频率补表和勤务频率表；程序准备包括生成勤务同步信标，将跳频参数和勤务同步信标存入系统内存；

所述的首入网是指跳频通信系统中某一跳频电台初始化后在一定时间阈值内在勤务频点上没有收到同步信号，则按照本跳频电台的本征频率序列跳频，并在勤务频点上发送同步信息；

所述的迟入网是指跳频通信系统中某一跳频电台初始化后在一定时间阈值内在勤务频点上收到同步信号，根据同步信号将解调器分别置于跳频通信系统将要跳到的第一个频点和第二个频点上，当在第二个频点上收到系统内的信号时，则按照本跳频电台的本征频率序列跳频，并在勤务频点上发送同步信息；

所述的先确认后中止方式是指跳频电台从一个频点跳到下一个频点的过程中，先确认新跳到的频点信号已经被其它跳频电台接收，再中止上一个频点的工作；

所述的频率预置方式是指跳频电台根据跳频通信系统当前频点在给定频率序列中的位置将两个解调器分别置于跳频通信系统即将要跳到的第一个频点和第二个频点上，在第二个频点上等待跳频电台的频点信号，在第一个频点上探测是否存在干扰信号。

2.根据权利要求1所述的频率预置分布式跳频同步方法，其特征在于，所述的给定频率序列是对照一个混沌伪随机序列从跳频频率表中依次抽取频点生成；混沌伪随机序列是在给定跳频密钥条件下采用伪随机序列均匀化算法由混沌状态序列生成；

本征频率序列由给定频率序列根据跳频电台依次划分生成；所述的勤务频率是跳频通信系统初始化时在跳频频率表中随机指定的频点。

3.根据权利要求1所述的频率预置分布式跳频同步方法，其特征在于，所述的同步信息由电台号、拓朴码和系统跳频时钟码三部分组成；电台号用于电台识别，拓朴码用于跳频通信系统连通状态分析，系统跳频时钟码用于迟入网同步时计算确定频率预置的起始点。

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