CN102710286B - 一种基于tod信息的快跳频同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于TOD信息的快跳频同步方法，通过发送端依据其TODH以及其前后(n-1)/2个值，按照约定的算法产生n组工作频率，构成频率矩阵，选择对角线上的频率作为工作频率，采用频率调制发送同步信息；接收端依据其TODH按照同样的算法产生一组等待频率分别与接收信号进行混频、带通滤波、平方律检波，得到最大值的那一个等待频率的编号反映了接收端与发送端本地系统时钟（TOD）信息的偏差，然后依据该等待频率的编号对接收端本地系统时钟信息的高段TODH进行调整，从而实现了同步频率既能随TOD的改变而改变，保证了跳频系统的抗干扰性和抗截获性，同时，不发送相关码的情况下完成TOD高段TODH的调整，快速准确的完成跳频系统同步的发明目的。

Description

一种基于TOD信息的快跳频同步方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于TOD信息的快跳频同步方法。

背景技术

跳频通信因其较强的抗干扰能力、抗截获能力和保密性能，在现代电子战争中具有独特的优势，已成为通信抗干扰技术中应用最广泛，最有成效的技术之一。

根据跳频速率和符号传输速率的关系，跳频通信又可分为快跳频通信和慢跳频通信两种，若跳频速率高于信息调制器输出的符号速率，一个信息符号需要占据多个跳频时隙，则称为快跳频，反之若跳频速率低于信息调制器输出的符号速率，一个跳频时隙里可以传输多个信息符号，则称为慢跳频。不论是在快跳频还是慢跳频中，只有收发双方频率跳变规律一致，才能对数据信息进行正确解调，因而跳频同步是跳频通信的关键和难点。

现有跳频同步方法大致可分为四种基本类型：独立信道法、参考时钟法、自同步法和同步字头法。其中，独立信道法需要专门的信道来传送同步信息，参考时钟法需要精度和稳定度都极高的时钟，因此这两种方法的应用受到了限制，而自同步法只适用于跳频序列比较简单的跳频系统，因此同步字头法及与其他方法相结合的同步方法在实际系统中应用最广泛。

在传统的同步字头法中，同步频率在整个通信过程中保持不变，这样使得同步头容易被敌方攻击，抗截获性和抗干扰性不高。在常规的使用系统时钟（Time of Day，简称TOD）信息的同步字头法如文献：蒋定顺,金力军.高速跳频通信系统同步技术研究[J].电子科技大学学报,2005.2,vol.34以及专利公布说明书：王红旭,郝建华.一种利用跳频同步码实现时间同步的方法[P].中国专利：201010108872.1,2010.11.24提出的方法中，同步频率随着TOD信息的高段，即TODH的改变而改变，抗干扰能力增强，但需要每跳携带相关码来完成TODH的调整，由于快跳频通信中，一个信息符号的传输需要一跳或多跳才能完成，难以携带相关码，因此，此类方法不适用于快跳频通信。在文献：陈永军,吴杰,许华,龙敏.快速跳频通信系统同步技术研究[J].电子设计工程,2010,vol.18.中，作者提出了一种基于双跳频图案的快跳频同步方法，即同步信息跳使用一种跳频图案a，采用能够携带相关码的慢跳频；在发送数据信息时使用另外一种跳频图案b，采用快跳频通信。虽然该方法可以实现同步，但同步跳中慢跳频的引入大大降低了由快跳频带来的抗干扰性能的提高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于TOD信息的快跳频同步方法，使得同步频率既能随TOD的改变而改变，保证了跳频系统的抗干扰性和抗截获性，同时又能够在不发送相关码的情况下完成TOD高段的调整，快速准确的完成跳频系统的同步。

为实现上述发明目的，本发明基于TOD信息的快跳频同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、发送端获取TODH值和TODL值

发送端首先读取本地系统时钟（TOD）信息，包括年、月、日、时、分、秒、毫秒甚至微秒（具体根据跳频间隔而定），并将其表示为TOD高段，即TODH和TOD低段，即TODL，TODL所表示的时间的最小单位为跳频间隔，TODH的最小单位则根据TODL所能表示的最长时间而定，一般以分钟计；

（2）、发送端计算同步频率并发送同步信息

发送端按照约定的算法，根据TODH-(n-1)/2产生一组频点{f₁,f₂…f_n-1，f_n}，其中n为同步频率个数且为奇数；

根据TODH-(n-1)/2+1按照同样的算法产生第二组频点{f_n+1，f_n+2…f_2n}，依次类推，直到根据TODH+(n-1)/2产生第n组频点{f_(n-1)*n+1，f_(n-1)*n+2，...f_(n*n)}，得一个n行n列的频率矩阵：

$\left[\begin{array}{cccc}{f}_1& f_2& \·\·\·& f_n\\ f_{n+1}& f_{n+2}& \·\·\·& f_{2n}\\ \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·\\ f_{(n-1)*n+1}& f_{(n-1)*n+2}& \·\·\·& f_{n*n}\end{array}\right]$

取该矩阵中对角线上的频点即f₁，f_n+2，f_2n+3…f_n*n作为同步频率，并以跳频方式在这n个同步频率上采用频率调制发送同步信息；

同步信息帧包含用于调整TODH的前导序列、帧同步序列、TODL信息和网号等，其中前导序列为重复的0、1序列，在每个同步频率上循环发送，用于同步信息的捕获；帧同步序列用于标志前导序列的结束、TODL信息的开始，采用自相关性好的m序列作为帧同步序列；

（3）、接收端计算等待频率并在等待频率上搜索同步信息

接收端读取本地系统时钟信息，按照与发送端相同的规则得到TOD高段TODH′和TOD低段TODL′，并根据TODH′按照与发送端相同的算法得到一组频点{f₁’，f₂'…f_n’}，该组频率即为等待频率，其中下标1，2，……，n为频率编号；

接收端将接收到的信号分别与n个等待频率进行混频，混频后的信号分别通过中心频率为f_I的带通滤波器，然后对滤波器输出信号进行平方律检波，取n路检波信号的最大值并记录对应频率编号i，该最大值即为同步检测信号，其中，f_I为频率调制的中心频率；

若该同步检测信号超过检测门限，表示捕获到同步信息，接收端进入步骤（4），若未超过检测门限表示没有捕获到同步信息，接收端在等待频率上继续检测；

（4）、接收端根据检测到同步信息时记录的频率编号i调整本地系统时钟信息的高段TODH：

TODH_new=TODH_R-i+(n+1)/2

其中TODH_new为调整之后的本地系统时钟信息的高段TODH值，TODH_R为调整之前的本地系统时钟信息的高段TODH值；

（5）、计算同步频率并进行跟跳验证

接收端调整系统时钟信息的高段TODH后，计算出同步频率并进行跟跳验证，即在接下来的M跳中，若有L跳L>M/2，其捕获检测信号超过门限，则表示跟跳成功，进行步骤（6）；若跟跳验证失败，则返回步骤（2）重新进行同步信息的搜索；

（6）、跟跳验证成功后，接收端调整跳沿使之与发送端对齐，同时采用相关峰检测帧同步序列，当检测到帧同步序列后，接收端进入网号、TODL等同步信息的接收，并根据接收到的TODL调整本地系统时钟信息的低段TODL值，这样收方双方实现了时间的完全同步。

本发明的目的是这样实现的：

跳频系统发送端读取本地系统时钟信息并表示为TOD高段TODH和TOD低段TODL，然后按照约定算法，分别根据TODH-(n-1)/2，TODH-(n-1)/2+1，……，产生n组频率点，将第一组的第一个频率点、第二组的第二个频率点，……，第n组的第n个频率点作为同步频率，采用频率调制方式发送同步信息，其中，同步信息帧包含用于调整TODH的前导序列、帧同步序列、TODL信息和网号；接收端按照相同的规则和算法，得到TOD高段TODH及其对应的作为等待频率的一组频率点，将接收信号分别与n个等待频率进行混频，混频后的信号分别通过中心频率为f_I的带通滤波器，然后对滤波器输出信号进行平方律检波，取n路检波信号的最大值并记录对应频率编号i，若最大值大于检测门限，则接收端依据频率编号i对本地系统时钟高段TODH进行调整；最后进行跟跳验证、检测帧同步序列，依据TODL调整本地系统时钟信息的低段TODL值，这样收发双方实现了时间的完全同步。

本发明通过发送端依据其TODH以及其前后(n-1)/2个值，按照约定的算法产生n组工作频率，构成频率矩阵，选择对角线上的频率作为工作频率，采用频率调制发送同步信息；接收端依据其TODH按照同样的算法产生一组等待频率分别与接收信号进行混频、带通滤波、平方律检波，得到最大值的那一个等待频率的编号反映了接收端与发送端本地系统时钟（TOD）信息的偏差，然后依据该等待频率的编号对接收端本地系统时钟信息的高段TODH进行调整，从而实现了同步频率既能随TOD的改变而改变，保证了跳频系统的抗干扰性和抗截获性，同时，不发送相关码的情况下完成TOD高段TODH的调整，快速准确的完成跳频系统同步的发明目的。

附图说明

图1是本发明基于TOD信息的快跳频同步方法一具体实施方式下同步频率、等待频率与TODH关系图；

图2是本发明基于TOD信息的快跳频同步方法一具体实施方式下同步信息帧格式图；

图3是本发明基于TOD信息的快跳频同步方法一具体实施方式下接收端等待搜索原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

在本实施例中，发送端首先读取本地系统时钟（Time of Day，简称TOD），并将其转换为TOD高段TODH和TOD低段TODL两部分，TOD高段TODH以一分钟为计时单位，TOD低段TODL以跳频间隔毫秒为计时单位，TOD低段TODL每记满一分钟向TOD高段TODH进一位，因此TOD低段TODL只需16比特；TOD高段TODH用30比特表示，共能表示2042.89年，该表示方法满足通信要求。

图1是本发明基于TOD信息的快跳频同步方法一具体实施方式下同步频率、等待频率与TODH关系图。

如图1所示，在本实施例中，发送端按照约定算法分别根据TODH-(n-1)/2、TODH-(n-1)/2+1、TODH-(n-1)/2+2、TODH-(n-1)/2+3、以及TODH+(n-1)/2，即TODH-2、TODH-1、TODH、TODH+1以及TODH+2计算出n＝5组同步频率{f₁,f₂,f₃,f₄,f₅}，{f₆,f₇,f₈,f₉,f₁₀}，{f₁₁,f₁₂,f₁₃,f₁₄,f₁₅}，{f₁₆,f₁₇,f₁₈ f₁₉,f₂₀}{f₂₁,f₂₂,f₂₃ f₂₄,f₂₅}。

在本实施例中，同步频率的个数为5，如图1所示，取第一组中的第一个频率f₁，第二组中的第二个频率f₇，依次类推，直至第五组中的第五个频率f₂₅，由此可得五个同步频率f₁，f₆，f₁₃，f₁₉，f₂₅，发送端以跳频的方式在这五个同频频率上采用频率调制发送同步信息。

图2是本发明基于TOD信息的快跳频同步方法一具体实施方式下同步信息帧格式图。

在本实施例中，同步信息帧格式如图2所示，其中前导序列为重复的01序列，在五个同步频率上循环发送十次，共50跳。

由于在接收端在捕获同步信息时采用的是能量检测法且对基带信息进行调制时采用的是频率调制，因此不考虑其他因素时，前导序列可以是任意的二进制序列。但在本发明中，采用01序列是为了满足收发双方位同步的需求。

帧同步序列标志前导序列的结束和TODL信息的开始，在本发明中采用自相关性好的相关码，即m序列作为帧同步序列。在本实施例中，在传送TODL信息时，首先对TODL信息进行编码再进行传送，这样可以降低TODL信息出错的可能性。在通信过程中，同步频率并不是固定不变的，而是随着TODH值的改变而改变，在本实施例中，即每一分钟更新一次。

接收端计算等待频率并在等待频率上搜索同步信息。接收端读取本地系统时钟信息，按照与发送端相同的原则得出TODH和TODL，并根据TODH按照与发送端相同的算法得出一组频率{f₁’，f₂’,f₃’,f₄’,f₅’}，该组频率即为等待频率，接收端在这组频率上等待搜索同步信息。

图3是本发明基于TOD信息的快跳频同步方法一具体实施方式下接收端等待搜索原理图。

接收端的等待频率随着TODH的改变而改变，在本实施例中，每分钟更新一次。在本实施例的跳频系统中，若收发双方时间差在2分钟（包含两分钟）以内，则接收端的等待频率中有且只有一个频率f_i’与发送方的同步频率中的一个频率相对应。当接收端接收到的信号跳变到该频率上时，经过如图3所示的一系列信号处理后，即混频、带通滤波、平方律检波，得到一同步检测信号，该检测信号对应第i路信号值，若该信号值超过检测门限，则表示搜索成功，同时记录此时对应的频率编号i，然后进入步骤（4），若由于干扰等其他原因，该值没有超过检测门限，则接收端在等待频率上继续搜索同步信息。

具体来说，若接收端的TOD高段TODH值比发送端TOD高段TODH值延迟1个单位，即TODH_R＝TODH_T-1，其中TODH_R为本地系统时钟信息的高段TODH值，TODH_T为的TOD高段TODH值，此时接收端根据TODH_R得到的等待频率值{f₁’，f₂’,f₃’,f₄’,f₅’}与发送端通过TODH_T-1得到的一组频率值{f₆,f₇,f₈,f₉,f₁₀}一一对应，按照同步频率的选取规则，在该组频率中，选取其中的第二个频率f₇为同步频率。当接收端接收的信号跳变到频率f₇时，由于该频率与等待频率中的第二个频率f₂’相对应，因此接收信号在经过如图3所示的一系列处理后，支路编号2得到的同步检测信号超过检测门限，即搜索成功，表示等待频率中的第2个频率f₂’与同步频率中的频率相匹配，频率编号i＝2。

若收发双方本地系统时钟信息的高段TODH的差值大于2，则等待频率中没有与发送端同步频率相对应的频率，经过混频带通滤波器等一系列处理后，在五路信号中选取的最大值不会超过检测门限，因此接收端本地系统时钟高段TODH也不会得到调整，即便因为外在的强干扰使同步检测信号超过检测门限，调整之后的本地系统时钟高段TODH与不会与发送端相同，无法完成跳频系统的同步。若需要将收发双方允许的时间差增大，可以增加同步频率的个数n，或增加TOD低段TODL的比特数，增大TOD低段TODL能表示的最长时间单位，从而就加大了本地系统时钟高段TODH的最短时间单位，如在本实施例中，若TOD低段TODL的比特数为17位，则TOD低段TODL最长可表示2.18分钟，此时TOD低段TODL可以每记满2分钟向TOD高段TODH进一位，在同步频率个数不变的情况下增大了收发双方允许的时间差。

搜索成功后，接收端根据此时记录的频率编号2调整本地TOD高段TODH。调整公式为：TODH_new=TODH_R-i+(n+1)/2，其中TODH_new为调整之后的本地TOD高段TODH值，TODH_R为调整之前的本地系统时钟信息的高段TODH值。在本实施例中，n=5，则调整公式为：TODH_new＝TODH_R-i+3。在本实施例中，按调整公式调整后得TODH_new＝TODH_R-2+3=TODH_R+1。由此可以看出，接收端的TOD高段TODH值比发送端TOD高段TODH值延迟1个单位，经过加1的调整后，接收端调整之后的TOD高段TODH_new与发送端TOD高段TODH_T相同。

接收端调整系统时钟信息的高段TODH后，按照与发送端相同的算法计算出五组频率，并按照相同的选取规则在每组频率中选取一个频率作为同步频率。接收端从频率f_i’，i为搜索成功时记录的频率编号开始与发送方同步跳变，进入跟跳验证阶段，在本实施例中，按照五取三的规则，即若在接下来的五跳中若有三跳其同步检测信号均超过检测门限，则跟跳验证成功，否则跳频系统返回继续搜索。

跟跳验证成功后，接收调整跳沿使之与发送端对齐，同时检测帧同步序列，由于帧同步序列为自相关性好的m序列，因此可采用相关峰检测的方法进行检测。当检测到帧同步序列后，接收端进入网号、TODL等同步信息的接收，并根据接收到的TODL调整本地TOD低段TODL值，其中网号用于跳频组网。

接收端调整本地TOD低段TODL后，收发双方时间完全同步，之后收发双方进入数据跳，实现数据通信。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种基于TOD信息的快跳频同步方法，其特征在于，包括以下步骤： 

（1）、发送端获取TODH值和TODL值 

发送端首先读取本地系统时钟TOD信息，包括年、月、日、时、分、秒、毫秒甚至微秒，具体根据跳频间隔而定，并将其表示为TOD高段，即TODH和TOD低段，即TODL，TODL所表示的时间的最小单位为跳频间隔，TODH的最小单位则根据TODL所能表示的最长时间而定，以分钟计； 

（2）、发送端计算同步频率并发送同步信息 

发送端按照约定的算法，根据TODH-(n-1)/2产生一组频点{f₁,f₂…f_n-1,f_n}，其中n为同步频率个数且为奇数； 

根据TODH-(n-1)/2+1按照同样的算法产生第二组频点{f_n+1,f_n+2…f_2n}，依次类推，直到根据TODH+(n-1)/2产生第n组频点{f_(n-_1)*n+1,f_(n-_1)*n+2,…f_(n*n)}，得一个n行n列的频率矩阵： 

取该矩阵中对角线上的频点即f₁，f_n+2，f_2n+3…f_n*n作为同步频率，并跳频方式在这n个同步频率上采用频率调制发送同步信息； 

同步信息帧包含用于调整TODH的前导序列、帧同步序列、TODL信息和网号，其中前导序列为重复的0、1序列，在每个同步频率上循环发送，用于同步信息的捕获；帧同步序列用于标志前导序列的结束、TODL信息的开始，采用自相关性好的m序列作为帧同步序列； 

（3）、接收端计算等待频率并在等待频率上搜索同步信息 

接收端读取本地系统时钟信息，按照与发送端相同的规则得到TOD高段 

TODH′和TOD低段TODL′，并根据TODH′按照与发送端相同的算法得到一组频点{f₁’,f₂’…f_n’}，该组频率即为等待频率，其中下标1，2，……，n为频率编号； 

接收端将接收到的信号分别与n个等待频率进行混频，混频后的信号分别通过中心频率为f_I的带通滤波器，然后对滤波器输出信号进行平方律检波，取n路 检波信号的最大值并记录对应频率编号i，该最大值即为同步检测信号，其中，f_I为频率调制的中心频率； 

若该同步检测信号超过检测门限，表示捕获到同步信息，接收端进入步骤（4），若未超过检测门限表示没有捕获到同步信息，接收端在等待频率上继续检测； 

（4）、接收端根据检测到同步信息时记录的频率编号i调整本地系统时钟信息的高段TODH： 

TODH_new=TODH_R-i+(n+1)/2 

其中TODH_new为调整之后的本地系统时钟信息的高段TODH值，TODH_R为调整之前的本地系统时钟信息的高段TODH值； 

（5）、计算同步频率并进行跟跳验证 

接收端调整系统时钟信息的高段TODH后，计算出同步频率并进行跟跳验证，即在接下来的M跳中，若有L跳L＞M/2，其捕获检测信号超过门限，则表示跟跳成功，进行步骤（6）；若跟跳验证失败，则返回步骤（2）重新进行同步信息的搜索； 

（6）、跟跳验证成功后，接收端调整跳沿使之与发送端对齐，同时采用相关峰检测帧同步序列，当检测到帧同步序列后，接收端进入网号、TODL同步信息的接收，并根据接收到的TODL调整本地系统时钟信息的低段TODL值，这样收发双方实现了时间的完全同步。 

2.根据权利要求1所述的快跳频同步方法，其特征在于，同步信息帧中的TODL信息进行编码后，再进行传送。 

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