双通道局部序列相关跳频同步捕获方法

孙慧贤,张玉华,赵禹博,朱连宏

(1.陆军工程大学石家庄校区,河北 石家庄 050003;2. 陆军装甲兵学院士官学校,吉林 长春 130117;3. 军事科学院系统工程研究院系统总体研究所,北京 100101)

0 引言

现代战争中对电磁频谱的控制已成为掌握战争主动权的关键环节,通信电子战受到了高度重视,使得通信对抗双方展开了激烈的较量。随着通信对抗技术的不断发展,干扰机变得越来越智能,以至可以快速准确地截获跳频通信的某些参数并实施有针对性的干扰[1-3]。

从现代通信对抗视角看,跳频同步捕获过程是敌方侦察和干扰的重点目标之一。造成此类情况的主要原因是传统的跳频同步捕获方法使得跳频同步频点在统计特性上与业务通信频点的统计特性不同。例如,利用同步字头进行同步捕获的方法,采用频表中部分频点集合发送调制有TOD(time of date)信息的同步字头。用于跳频同步的频点集合中频点数目要远小于整个频表的频表数。而且,为了提高捕获概率,通常需要在特定的频率集合内重复发送,使得同步频点出现的概率要高于频表中其他频点。

针对传统跳频同步方法同步跳周期短、跳频点数少、周期循环规律强等特点,干扰方可以对跳频同步信号进行识别、分离并干扰同步信号方式来破坏跳频系统的正常工作,使得对跳频同步信号实施灵巧式干扰成为可能[2]。

为了提高跳频通信的抗跟踪干扰能力,对偶序列跳频作为一种新兴的跳频通信方式被提出[4-6]。该方法利用两个(或多个)跳频序列之间的差异来表达消息,将数据信道和补偿信道频率分别按不同跳频序列跳变,使干扰方无法准确跟踪补偿信道,可以有效对抗跟踪干扰;而接收机射频前端采用窄带接收,与差分跳频的宽带接收相比可有效抑制部分频带干扰。对偶序列跳频可以在通信过程中保障系统的抗干扰能力,但是,需要系统的同步方法同步进行改进,避免灵巧式干扰的压制。

为了提升对偶序列跳频通信同步信息的隐蔽性,本文利用双通道接收架构,通过对跳频长周期序列进行局部滑动相关,实现跳频通信的自同步捕获,该方法无需在载波上调制同步字头信息,仅通过跳频序列局部匹配实现自同步,具有良好的抗侦察和抗干扰能力。

1 对偶序列跳频系统双通道接收原理

对偶序列跳频是以跳频序列作为信息载体,利用跳频序列伪随机特性构建的一种新型跳频抗干扰通信方法[4]。通常,利用两个跳频序列同时工作,用于传递消息的跳频序列控制数据频率占用信道,作为数据信道;另一个跳频序列对应的频率作为补偿频率不发射信号,作为补偿信道。数据信道与补偿信道形成对偶关系。由于数据信道利用信道占用表示消息,致使跟踪干扰失效,而补偿信道实际上是保持静默的信道,因此难以截获。且两信道独立伪随机跳变,亦很难通过截获数据信道的频率推知补偿信道的频率,具有先天的抗跟踪干扰的能力。

在对偶信道跳频模式中,利用跳频序列作为信息表达载体的另一个优点是接收方可以同步接收,这使得建立窄带接收机成为可能,相比差分跳频的宽带接收方式减少了潜在补偿信道数量,可具有更好的抗窄带阻塞干扰性能。对偶序列跳频通信系统双通道接收机结构如图1所示。在接收端,两个窄带接收通道并行工作,第i个接收通道利用跳频序列FSi(i=0,1)与接收信号进行混频,并经窄带滤波后进行信号检测。经判决后,确定接收信号所属的跳频序列号,进而映射为相应的发射信息比特。

图1 对偶序列跳频通信系统双通道接收机结构框图Fig.1 Block diagram of dual channel receiver structure for DSFH communication system

2 基于局部序列滑动相关的自同步捕获方法

2.1 同步方案

针对对偶序列跳频通信系统双通道接收机结构,以获得较高的抗干扰能力为目的,同时充分利用多序列跳频通信的硬件资源,设计双通道滑动相关自同步捕获方法。为了不降低对偶序列跳频通信抗侦察抗干扰能力,该方法在跳频同步过程中采用与通信过程相同的序列。在该同步捕获方案中,接收端每一个接收通道的频率合成器有两种工作模式：一种是跳频工作模式,在同步后,用于正常解跳接收到的信号;另一种是跳频捕获模式,在通信开始时,用于收发两端跳频频点的粗同步。基于局部序列滑动相关的自同步捕获方案的原理如图2所示。

图2 双通道滑动相关自同步捕获原理框图Fig.2 Block diagram of self synchronization acquisition principle with dual channel sliding

为了实现快速的同步捕获,在同步捕获过程中,发送端发送全0数据信息,故跳频信号均由通道C0产生。接收端的每条通道置于跳频捕获模式,对于接收端的通道C0来说,首先将本地跳频序列发生器的相位置于某一初始值,使其产生本地跳频载波,在同步的前提下,本地跳频载波与发射端跳频载波相差一个固定中频。将接收到的信号与本地跳频载波进行混频,之后进行中频带通滤波滤除高频成分,接着对通带内的信号进行能量检测,把每一跳信号进行一个周期内的积分运算,将积分后的结果送入门限判决器进行判决。若未超出判决门限,则滑动控制器改变跳频序列发生器的时钟,使之改变1/2个跳频驻留时间;若超出判决门限,则计数器累加一次,滑动控制器不改变跳频序列发生器的时钟,此后对连续的M跳累加结果送入比较器做比较,累加结果大于K,则说明初始捕获完成,输出捕获成功标志使能信号,反之,滑动控制器改变跳频序列发生器的时钟,继续进行滑动搜索。

接收通道C1在同步捕获过程中,跳频序列发生器的工作模式与通道0相同,完成与C0同样的功能。当完成捕获后,会输出各自的捕获成功标志使能信号,最后,将两个通道的捕获成功标志使能信号进行逻辑或,作为最终是否转入同步跟踪的使能信号,只要有一条通道捕获成功,即为对偶信道跳频系统捕获成功。

为了缩短捕获时间,合理利用双通道的资源,设计了等速扫描、连续监测的并行逆向滑动搜索方式,其原理图如图3所示。接收通道C0的通道滑动搜索方向与跳频方向一致,接收通道C1在初始相位处等待。接收通道C1的相关积分结果超过判决门限时,则其自动翻转频点输出顺序,进行捕获验证,验证成功时,输出捕获成功标志使能信号,反之说明出现虚警,继续在出现虚警的频点处等待。显然,相比于传统的滑动相关捕获方法,这是一种更为快速的捕获方式,后面会从理论的角度证明该捕获方法的性能。

图3 并行逆向滑动原理图Fig.3 Schematic diagram of parallel reverse sliding

2.2 同步捕获流程

为了直观地描述并行逆向滑动过程,以上述双通道系统为例,对其捕获流程进行说明,具体流程如图4所示。同步开始时,积分器要清零,准备从零开始进行积分,然后按照并行逆向滑动的方式,对各通道分别配置其初始相位,开始计算第一跳捕获结果。

图4 双通道同步捕获流程示意图Fig.4 Schematic diagram of dual channel synchronous capture process

对于接收通道C0,如果未检测到超过判决门限的积分量Eh,则在当前频点驻留等待,直到出现积分量超过判决门限的情况时,转入同步捕获检测,即对接下来连续的M跳进行检测,如果超过判决门限VT的次数Nc大于K,那么就表示捕获成功,反之,在当前频点继续等待。

对于接收通道C1,如果未检测到超过判决门限的积分量Eh,则本地相位向前滑动Ts,直到出现积分量Eh超过判决门限的情况时,转入同步捕获检测,对接下来连续的M跳进行检测,如果超过判决门限VT的次数Nc大于K,那么就表示捕获成功,反之,本地相位向前滑动Ts,继续向前搜索。

2.3 捕获性能理论分析与推导

为了便于理论分析,以双通道对偶序列跳频通信系统的捕获方法为例,对其同步性能进行理论推导。

1) 同步捕获时间

假设收发两端的相位相差Nm跳,其中,Nm=1,2,…,Na,跳频驻留时间为Ts,设非同步同频点有a个,对于接收通道C0,其搜索方式为逆向等待,只有当初始相位超前于发端相位时,才有可能完成捕获,未同步的前提下,与发端相位差每次缩短一个频点距离,故其捕获时间为

(1)

对于接收通道C1,由于其正向滑动,在未同步的前提下,与发端相位差每次缩短一个频点距离,当检测到非同步同频点时,判决结果Eh超过门限VT,故须接下来的M跳去验证此频点为非同步同频点,此时收端相位不滑动,故其捕获时间为

(2)

联合式(1)和式(2),可以得到平均同步捕获时间为

(3)

对双通道滑动相关同步捕获法的平均同步捕获时间进行仿真,仿真中参数设置为：跳速Ts=0.005 s;设平均每Nk跳中出现一个非同步同频点,令Nk=50;收发两端相差跳数Nm由0递增到400,递增时,步长设置为10。连续检测跳数M= 5、7、10,如图5所示。随着Nm的增大,平均同步捕获时间近似呈线性增长,在每隔50跳的时候产生一个跳跃点,这是因为仿真步长设置为10,每当Nm递增50时,a的值便递增1,故平均同步捕获时间产生阶跃;在相同的Nm下,随着M的增大,平均同步捕获时间逐渐增大,这是因为随着连续检测跳数M的增大,当检测到非同步同频点a时,损失的时间便会增大,故平均同步捕获时间也会增大,但是当M增大时,漏警概率也会大大降低,故在实际的通信环境中,二者还需折中选取。

图5 不同M值对应的平均同步捕获时间Fig.5 Average synchronization capture time corresponding to M

图6给出了不同Nk下的平均同步捕获时间,可以看到随着Nk的增大,平均同捕获时间逐渐降低,但是当Nk>100时,随着Nk的增大,曲线近似重合,说明当同步同频点降低到一定值时,平均同步捕获时间便不再降低,因此对于实现对偶序列跳频通信系统时,设计合适的跳频序列对于提升系统的同步性能具有重大意义。

图6 不同Nk值对应的平均同步捕获时间Fig.6 Average synchronization capture time corresponding to Nk

2) 同步捕获概率

发射端信号表达式可以写为

S(t)=Acexp(2πjfct),

(4)

那么与之对应,接收端信号表达式为

r(t)=αejθS(t)+J(t),

(5)

式(5)中,α表示信号的包络,θ表示随机相位,J(t)表示加性高斯白噪声。

以接收通道C0为例,由于双通道捕获检测方法与常规滑动相关捕获法一致,故对于一跳信号的检测概率为

(6)

式(6)中,方差σ2=N0B/2,其中N0为单边功率谱密度,B为带通滤波器的带宽。

又由于接收端跳频序列相位超前或滞后于发射端相位的概率为1/2,即接收通道C0和接收通道C1能够完成捕获的概率为1/2,故对于某一跳信号,双通道捕获法的检测概率为

(7)

因此,总的捕获概率可以表示为

(8)

3 抗干扰性能仿真验证

本章对所提出的基于双通道局部序列相关的跳频同步捕获方法进行仿真,验证同步可行性及其抗干扰性能,并与对数似然比串行捕获法[7]和单驻留滑动相关捕获法[8]进行对比分析。

仿真分析的参数设置为：跳频速率200 跳/s;数据速率200 b/s;频带范围30～36.4 MHz;跳频频点数256;跳频频点间隔25 kHz;跳频带宽6.4 MHz;采样率131.07 MHz。

图7是三种捕获方法在AWGN信道下的抗干扰性能,仿真中归一化判决门限设置VT为0.525。

图7 AWGN信道下的同步捕获概率Fig.7 Synchronous acquisition probability in AWGN channel

由图7可知,在相同条件下,双通道捕获法的性能明显优于对比似然串行捕获和单驻留滑动相关捕获,对比似然串行捕获法次之,单驻留滑动相关捕获法性能最差。但双通道捕获法较高的性能增益是以牺牲系统复杂度为代价的,故在实际应用时还要折中选取。

随着信噪比的增大,双通道捕获法的捕获概率上升趋势较为平稳,在信噪比达到5 dB时,捕获概率几乎达到100%。而对于对比似然串行捕获和单驻留滑动相关捕获法,4 dB的信噪比是捕获概率的一个分界点,当信噪比小于4 dB时,捕获概率小于50%,当信噪比大于4 dB后,捕获概率迅速增高,在信噪比接近7 dB时,捕获概率几乎可以达到100%。

图8分析了三种捕获方法在部分频带干扰下的抗干扰性能,仿真中,部分频带干扰由高斯白噪声经过带通滤波器产生,随机置于通信频带上,干扰带宽与通信频带之比为1∶3。

图8 部分频带干扰下的同步捕获概率Fig.8 Synchronous acquisition probability under partial band interference

如图8所示,在AWGN信道加部分频带干扰的情况下,三种方法的同步捕获概率由高到低依次为双通道捕获法、对数似然比捕获法、单驻留滑动相关捕获法,在信干比为4.5 dB时,双通道捕获法的同步概率已经达到90%左右,对数似然比捕获法和单驻留滑动相关捕获法的捕获概率仅为65%和40%,所取得的性能增益较为明显。

4 结论

为了提升对偶信道跳频通信同步信息的隐蔽性,本文采用长周期序列局部匹配思想,设计了一种双通道局部序列滑动相关的跳频同步捕获方法。该方法在同步捕获过程中采用与通信过程中同样的跳频序列,提高了同步过程的抗侦察能力,而且采用基于能量检测的自同步方法可以有效对抗跟踪干扰。仿真结果表明该方法在部分频带干扰情况下具有更高的同步捕获概率。