基于时间信息（TOD）的跳频通信系统仿真＊

王 壮 余国文

（1.空军预警学院研究生管理大队 武汉 430019）（2.空军预警学院五系 武汉 430019）

1 引言

跳频通信由于抗截获、抗干扰能力强，保密性能好，具有选址功能等特点，被广泛应用于军事通信和民用通信中。跳频通信系统利用扩展频谱技术，将信号扩展到很宽的频带上，在接收端对扩频信号进行相关处理，恢复成窄带信号［1］。本文利用 MATLAB／SIMULINK对跳频系统的跳频序列产生，跳频同步设计进行了仿真，为今后更加深入的研究对跳频系统的干扰提供依据。

2 时间信息（TOD）的相关概念

2.1 TOD信息的含义与格式

时间信息（Time of Day，TOD）就是跳频图案实时状态信息或实时时钟信息，在电台内部一般以跳频间隔为单位计时，包括：年、月、日、时、分、秒、跳数，共 Mbit。在使用TOD时，通常用低段TOD表示TOD的低Nbit信息，表征了跳频电台的分、秒、跳信息，记为TODl；用高段TOD表示高（M－N）bit信息，表征了跳频电台的年、月、日、时、分信 息，记 为 TODh［2～3］。如图1所示。

图1 TOD格式

2.2 TOD信息的产生与作用

图2 计数式TOD工作原理图

TOD信息就是由实际时间映射的用二进制矢量表示的数字序列流，分为移位寄存式TOD和计数式TOD。计数式TOD是目前比较通用的方案，它的TOD初值是由用户在按压PTT键的实际时间按一定数据格式转换得到的二进制数字［4］。计数式TOD工作原理如图2所示。

计数式TOD工作原理如下：用户在按压PTT键时读取时间信息，转换成二进制数字后送到TOD寄存器中作为TOD初值。时钟脉冲的产生频率与跳频电台的跳频速率保持一致，计时单位为跳频间隔，加法器在时钟脉冲的控制下工作，运算结果送到TOD寄存器中作为当前时刻的时间信息。因此，随着跳频通信的进行，TOD信息实时变化。

TOD作为伪随机序列发生器的初始数据，和原始密钥数据PK共同控制产生跳频图案。由于收发双方产生跳频图案的方法是一致的，不同的只是TOD。因此，只要知道TOD值就可完成跳频同步，跳频系统的同步可归结为TOD的同步。同步信息的发送，需要在跳频频率集中根据一定的算法计算出同步频率集。在以TOD为主要同步信息的同步系统中，通常利用TODh的值来确定k个频率作为同步频率，并且按规定同步频率集随着TODh的变化而相应的进行替换。

基于TOD的同步方法就是发送端发送自己的TOD，接收端通过对发送端同步信号的搜索，从中提取出发送端的TOD，用它来修正本端的TOD，从而完成同步［5］。

3 跳频通信系统设计

跳频通信中的关键技术包括跳频图案的产生和跳频同步的设计等。

3.1 跳频图案的产生

在跳频通信中，为了提高跳频通信系统的抗干扰性能和保密性能，其跳频图案不是简单由伪随机码控制的，而且还需要加上另外的保密、抗干扰措施，以防止敌方对跳频通信的干扰。其做法是：以原始密钥数据PK和跳频的时间信息TOD作为伪随机码发生器的初始数据，产生伪随机码，并与原始密钥数据、跳频的时间信息经过非线性运算后确定跳频图案［5］。常用的跳频序列有m序列、M序列、gold序列、RS序列、混沌序列等，本系统采用的是RS序列，它是建立在m序列的基础之上的。如图3所示。

图3 跳频图案的产生

3.2 同步系统的设计

同步系统是跳频系统的重要组成部分，其性能直接影响到整个系统的性能。在跳频系统中，收发两端的跳变频率必须严格地同步，才能正确地进行解调，接收有用信号。常用的跳频同步方法主要有独立信道法、参考时钟法、同步字头法和自同步法。本系统采用的是基于参考时钟法和同步字头法的一种综合同步法。同步信息格式设计如图4所示［6］。

前导序列用同步频率发送相关码，以便收方通过对它的捕获取得双方的粗同步，粗同步指的是收方实现与发方在跳沿、跳速、TOD高段和同步频率等方面的同步；帧同步用于识别前导序列已经结束、同步信息传送将要开始；网号用来传送组网信息；TOD段用来传送TOD低段。

图4 同步信息格式

图5 同步频率的产生

同步频率集是用来发送同步信息的一组频率，它是由TODh信息根据一定算法计算出来的，随TODh值的变化而变化，是跳频频率集的一个子集［7］。假设同步频率为5个，其产生的过程如图5所示。

4 系统仿真与结果分析

4.1 仿真模型的建立

本系统是在Simulink仿真环境中建立的仿真模型，它能够反映跳频通信系统的动态工作过程，可以几乎实时的观测到信号的频谱，还可以根据研究需要扩展仿真模型［8～9］。图6为系统仿真模型，包括信息的调制和解调模块、跳频和解跳模块、仿真结果的分析模块以及误码计算模块。

图6 跳频系统仿真框图

在发送端，首先用Bernoulli Binary Generator模块产生二进制信号，与预先设计好的跳频前导序列和时间信息TOD等同步信息组成信源数据，然后对其进行2FSK调制。Hop＿Ger模块用来控制产生跳频载波信号，与信源信号相乘来生成跳频信号。

在接收端，利用STFT模块对跳频信号进行时频分析［11］，并在 Matrix View模块中显示结果。同时在Error Rate Calculation模块中计算误码率，统计其误码性能。

4.2 仿真结果分析

系统设计如下：跳频频率为1～78MHz的频段内以1MHz为间隔的78个频率点，跳速为2000H／s。同步频率设为6个，初始同步中发送6组同步信息共36跳，此后每隔42跳的语音信息发送一组6跳的勤务同步信息。运行图6中的仿真模型，可得到如下的仿真结果：

图7 发射机状态控制图

图7中，输出为“1”时表示发送的是初始同步序列或勤务同步序列；输出为“0”时表示发送的是语音信息。从图中可以看出，发射机首先发送的是一组初始同步序列，然后开始发送正常的通信信息，间隔一定时间后又发送了一组勤务同步信息，此后的过程与此相似。

图8给出了发射机跳频图案的仿真结果，从图中可以明显看出，在发射机的初始工作阶段，频率呈现规律性变化，这说明此时发送的是初始同步信息。此后，频率呈无规律跳变，但我们仍能在0.04s和0.06s附近找出与发送初始同步信息频率相匹配的两组频率，它们分别用来发送勤务同步信息。

图8 跳频图案仿真图

图9 接收机信号时频图

图9显示了对接收端接收到的跳频信号做时频分析后的时频图，通过与图8进行比较，可以发现接收端的跳频信号频率是按照跳频图案的设计进行跳变的，这说明本系统的设计是可信的。

5 结语

本文描述了一种基于时间信息TOD的跳频通信系统，重点介绍了跳频同步系统中时间信息TOD的产生与作用，最后设计了一种包含TOD同步信息的跳频通信系统，并应用Simulink仿真工具实现了对这一系统的仿真分析。仿真结果验证了系统的可行性，达到了预期的目的，为下一步研究对跳频系统的干扰提供了理论依据。

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