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CN110445512A - 一种适用于高速跳频系统的捕获与同步方法 - Google Patents

一种适用于高速跳频系统的捕获与同步方法 Download PDF

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CN110445512A
CN110445512A CN201910842203.8A CN201910842203A CN110445512A CN 110445512 A CN110445512 A CN 110445512A CN 201910842203 A CN201910842203 A CN 201910842203A CN 110445512 A CN110445512 A CN 110445512A
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frequency
frequency hopping
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李腾飞
李阿明
张明利
周戌初
董国英
范明慧
吴彬彬
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Shanghai Radio Equipment Research Institute
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Abstract

本发明公开了一种适用于高速跳频系统的捕获与同步方法，该方法包括以下步骤：步骤1：将高速跳频系统的TOD分成高段TODH和低段TODL两段，并根据TODH生成跳频图案；步骤2：根据跳频图案的频点进行帧同步，生成帧同步序列；步骤3：接收端循环切换频点，循环滑动搜索并捕获频点的频点信息和相对位置；步骤4：根据帧同步序列、频点的相对位置和频点信息，计算出接收端和发送端的TODH相对时间差；步骤5：根据TODH相对时间差调整接收端的同步头，使得后续的频点信息与发送端的频点信息对齐，完成高速跳频系统的同步。此方法解决了抗干扰能力差、捕获时间长和同步概率低等问题，实现了在兼顾抗干扰能力和捕获时间的同时，使高速跳频系统达到最佳的同步性能。

Description

一种适用于高速跳频系统的捕获与同步方法
技术领域
本发明涉及一种无线通信技术领域，具体涉及一种适用于高速跳频系统的捕获与同步方法。
背景技术
跳频系统的抗干扰能力与其跳速密切相关，跳频速率越高，信号频率被捕获的概率越低，跟踪式干扰对跳频系统的影响也越小。高速跳频的实现在有效抗干扰的同时也带来一系列的技术难题，其中，对高速跳变频率的接收同步问题是最迫切攻克的难题之一。实现高速跳频对跳频系统的捕获同步能力要求高，需要系统具备自动快速同步能力和较强再同步能力，即寂静后能迅速再同步。能够有效对抗干扰引起的虚假同步，同时，新设备能够快速入网。当前跳频同步实现的方法有：
独立信道法，即利用独立的一个信道来传送同步信息，实现系统的跳频通信，由于使用定频传送同步信息，隐蔽性差，易被发现和干扰。
参考时钟法，通过中心站分发高精度时钟信息，网内通信设备依据该时钟基准生成跳频图案，控制收发信机工作频率，进而实现收、发双方跳频图案的同步，该方法对时钟稳定性要求较高，对于相对位置和速度大动态变化的通信双方，同步精度急剧下降。
同步字头法，在跳频信号前放置同步头，携带跳频同步信息，接收端根据同步字头的特点，实现收发双方跳频同步，但是一旦受到干扰，整个跳频通信系统将无法工作，所以同步字头法急需提高同步字头的抗干扰性与隐蔽性能。
自同步方法，将同步信息包含到发送的信息序列中，在接收机端通过一定的方法将该同步信息提取出来，进而实现收发双方的跳频同步，由于同步信息有限，同步时间较长，跳频频道数较少，不利于实现高跳速和多跳频频道数。
专利1：一种基于时间信息的跳频同步实现方法；申请号：201810229365.X；发明人：王建明，曾碧明，范洪波等；该专利提出一种采用了一种新型截短的TOD结构及恢复处理算法，只发送最基本的信息：分、秒的值，减少了信息在空间传输的时间和bit数量，但其应用范围小、抗干扰性能差。
专利2：一种跳频通信系统的快速同步方法；申请号：201610378129.5；发明人：李加洪，俞胜男，赵伟，许鹏飞等；该专利提出一种采用多独特码与站信息结合方式，进行上行同步信号捕获和参数估计，在采用竞争同步方式极易出现碰撞的情况下，仍能有效提高同步捕获概率和捕获速度。但是，该方法复杂度高，不适用于宽范围快速移动平台高速跳频系统，推广性不高。
专利3：一种GPS辅助的快速跳频同步方法；申请号：201410313891.6；发明人：高凯，杨军，朱江等；该方法首先将跳频序列与时间信息建立精确的联系，然后利用GPS系统提供的高精度的秒脉冲与其它时间信息，快速的计算出当前时刻的跳频序列的状态，结合自同步法，实现精确的序列同步。但是，该方法的抗干扰能力不高，且捕获时间性能弱。
文献1：跳频通信系统中同步技术研究；作者：李娜；发表期刊及卷页：现代电子技术，2011，34(1)：95-97；该文献提出一种采用同步头加勤务跳引导的连续同步方法实现同步，并采用由时间信息控制伪随机序列得到跳频图案同步来提高同步头的抗干扰能力。但是，该方法的单次同步检测概率低。
文献2：快速跳频通信系统同步技术研究；作者：陈永军，吴杰，许华，龙敏；发表期刊及卷页：电子设计与工程，2010，18(4)：58-61；该文献提出了一种适用于快速跳频通信系统的同步方案，采用短码携带同步信息，克服了快速跳频难以携带相关码的困难。但是，该方案跳频同步时间较长，影响系统效能，可推广性不高。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于高速跳频系统的捕获与同步方法。此方法旨在解决抗干扰能力差、捕获时间长和同步概率低等问题，结合多频点同步头结构、同步字头法与参考时钟法，实现在兼顾抗干扰能力和捕获时间的同时，使高速跳频系统达到最佳的同步性能。
为达到上述目的，本发明提供了一种适用于高速跳频系统的捕获与同步方法，该方法包括以下步骤：步骤1：将高速跳频系统的参考时钟TOD分成高段TODH和低段TODL两段，并根据高段TODH生成跳频图案；步骤2：根据跳频图案的频点进行帧同步，生成帧同步序列；步骤3：高速跳频系统的接收端循环切换频点，循环滑动搜索并捕获频点的频点信息和相对位置；步骤4：根据帧同步序列、频点的相对位置和频点信息，计算出高速跳频系统的接收端和发送端的TODH相对时间差；步骤5：根据TODH相对时间差调整接收端的同步头，使得后续的频点信息与发送端的频点信息对齐，完成高速跳频系统的同步。
最优选的，帧同步还包括以下步骤：步骤2.1：频点有m个，且m个频点分别通过高段TODH、TODH+1、TODH+2、...、TODH+(m-1)生成m个连续的频点序列；步骤2.2：利用m个连续的频点序列重复发送m次前导序列段扩频伪码序列；步骤2.3：逆序m个连续的频点序列，并发送帧同步段扩频伪码序列，生成帧同步序列。
最优选的，生成帧同步序列还包括以下步骤：步骤2.3.1：帧同步段扩频伪码序列通过网号的标识和筛选，生成网号相同的序列信息；步骤2.3.2：通过低段TODL对网号相同的序列信息进行计算；步骤2.3.3：计算后的序列信息进行保留缓冲，生成帧同步序列。
最优选的，高段TODH和低段TODL分别由TOD按跳频图案更新周期取整和取余获得。
最优选的，TODH相对时间差的计算还包括以下步骤：步骤4.1：根据帧同步序列和捕获的m个频点的相对位置的差值，反推得出发送端的频点信息；步骤4.2：发送端的频点信息结合接收端捕获的频点信息，计算获得收发端的TODH相对时间差。
最优选的，帧同步序列和捕获的m个频点的相对位置均为唯一值。
最优选的，前导序列段扩频伪码序列、帧同步段扩频伪码序列、网号、低段TODL同步信息由接收端的同步头传输。
最优选的，前导序列段扩频伪码序列为一组具有相关性的伪随机码。
最优选的，高速跳频系统的接收端通过宽时间间隔循环切换频点，循环滑动搜索和捕获。
最优选的，高速跳频系统的接收端在滑动搜索和捕获后更换接收端的扩频伪码序列，保持捕获频点不变。
运用此发明，解决了抗干扰能力差、捕获时间长和同步概率低等问题，结合多频点同步头结构、同步字头法与参考时钟法，实现了在兼顾抗干扰能力和捕获时间的同时，使高速跳频系统达到最佳的同步性能。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明方法解决了抗干扰能力差、捕获时间长和同步概率低等问题。
2、本发明方法结合多频点同步头结构、同步字头法与参考时钟法，实现了在兼顾抗干扰能力和捕获时间的同时，使高速跳频系统达到最佳的同步性能
3、本发明方法能够在较大的时间动态范围内实现高速跳频的快速捕获和同步。
附图说明
图1为本发明提供的捕获与同步方法流程图；
图2为本发明提供的帧同步过程流程图；
图3为本发明提供的帧同步过程中频点序列跳频捕获流程图。
具体实施方式
以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。
本发明是一种适用于高速跳频系统的捕获与同步方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤1：将高速跳频系统的参考时钟TOD分成高段TODH和低段TODL两段，并根据高段TODH生成跳频图案；高低两段均为跳频图案，实际使用中用低段TODL快变化生成跳频图案，提高抗干扰能力；采用高段TODH生成跳频图案，用于捕获和同步。其中，高段TODH慢变化，低段TODL快变化；高段通过TOD按周期T取整获得，即TODH，低段为TOD按跳频图案更新周期T取余获得，即TODL，满足：TOD/跳频图案更新周期T＝TODH(商)+TODL(余数)；
高段TODH慢变化是为了利于捕获同步，降低捕获同步难度，如果太快，接收端和发送端的时间有极小误差，可能会同步不上；低段TODL快变化是为了使每帧跳频图案都不一样，提高抗干扰能力。
步骤2：根据跳频图案的频点进行帧同步，生成帧同步序列；如图2所示，帧同步还包括以下步骤：
步骤2.1：频点有m个，且m个频点分别通过高段TODH、TODH+1、TODH+2、…、TODH+(m-1)生成m个连续的频点序列，频点序列为fH0、fH1、fH2、…、fH(m-1)；
步骤2.2：如图3所示，利用m个连续的频点序列重复发送m次前导序列段扩频伪码序列；
步骤2.3：逆序m个连续的频点序列，并发送帧同步段扩频伪码序列，生成帧同步序列。
逆序发送频点序列使得在前导序列段的任意位置进行接收捕获，误捕获和漏捕获后仍有多次机会完成捕获，极大提高捕获概率，且m个频点中的任意频点均可捕获，有效提高同步头的抗干扰能力。
生成帧同步序列还包括以下步骤：
步骤2.3.1：帧同步段扩频伪码序列还通过网号的标识和筛选，生成网号相同的序列信息；
步骤2.3.2：通过低段TODL对网号相同的序列信息进行计算；
步骤2.3.3：计算后的序列信息进行保留缓冲，生成帧同步序列。
接收端同步头的频点随时间变化而变化，用于捕获的频点有多个，使同步头具有足够的隐蔽性和抗干扰性；前导序列段扩频伪码序列、帧同步段扩频伪码序列、网号、低段TODL同步信息由接收端的同步头传输。
其中，有多个高速跳频系统设备作为节点分布式组网，组成不同网络，网号用来标识高速跳频系统设备处于哪一个子网，且传送组网信息，只有收发网号相同，才能进行收发、组网；前导序列段扩频伪码序列是一组具有良好的相关性的伪随机码；帧同步段扩频伪码序列用于开始信息同步；传送的发送端低段TODL时钟信息，用于生成数据帧的跳频图案；保留缓冲的功能为调整位同步、更新TOD信息。
步骤3：高速跳频系统的接收端循环切换频点，循环滑动搜索并捕获频点的频点信息和相对位置。
高速跳频系统的接收端通过宽时间间隔循环切换频点，循环滑动搜索和捕获；高速跳频系统的接收端在滑动搜索和捕获后更换接收端的扩频伪码序列，保持捕获频点不变。
步骤4：根据帧同步序列、频点的相对位置和频点信息，计算出高速跳频系统的接收端和发送端的TODH相对时间差；
TODH相对时间差的计算还包括以下步骤：
步骤4.1：根据帧同步序列和捕获的m个频点的相对位置的差值，反推得出发送端的频点信息；
步骤4.2：发送端的频点信息结合接收端捕获的频点信息，计算获得收发端的TODH相对时间差。
帧同步序列和捕获的m个频点的相对位置均为唯一值，通过差值关系反推出发送端的频点信息。
步骤5：根据TODH相对时间差调整接收端的同步头，使得后续的频点信息与发送端的频点信息对齐，实现跳频图案的同步和同步信息的接收，完成高速跳频系统的同步。
TODH相对时间差是由于时钟稳定性、移动距离变化等因素会引起收发两端TODH相对关系的不确定性，带来同步头位置跳频图案捕获同步的偏差。
高速跳频系统的同步是通过同步头的捕获同步，有效消除了时间不确定问题对同步头的影响。接收端高段TODH通过同步头的捕获同步修正，低段TODL通过同步头传送，达到与发送端TOD一致。
本发明的工作原理：
高速跳频系统的参考时钟TOD分成高段TODH和低段TODL两段，并根据高段TODH生成跳频图案；根据跳频图案的频点进行帧同步，生成帧同步序列；高速跳频系统的接收端循环切换频点，循环滑动搜索并捕获频点的频点信息和相对位置；根据帧同步序列、频点的相对位置和频点信息，计算出高速跳频系统的接收端和发送端的TODH相对时间差；根据TODH相对时间差调整接收端的同步头，使得后续的频点信息与发送端的频点信息对齐，完成高速跳频系统的同步。
综上所述，本发明解决了抗干扰能力差、捕获时间长和同步概率低等问题，结合多频点同步头结构、同步字头法与参考时钟法，实现了在兼顾抗干扰能力和捕获时间的同时，使高速跳频系统达到最佳的同步性能。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种适用于高速跳频系统的捕获与同步方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将高速跳频系统的参考时钟TOD分成高段TODH和低段TODL两段，并根据高段TODH生成跳频图案；
步骤2：根据所述跳频图案的频点进行帧同步，生成帧同步序列；
步骤3：高速跳频系统的接收端循环切换所述频点，循环滑动搜索并捕获所述频点的频点信息和相对位置；
步骤4：根据所述帧同步序列、所述频点的相对位置和所述频点信息，计算出高速跳频系统的接收端和发送端的TODH相对时间差；
步骤5：根据所述TODH相对时间差调整接收端的同步头，使得后续的频点信息与发送端的频点信息对齐，完成高速跳频系统的同步。
2.如权利要求1所述的适用于高速跳频系统的捕获与同步方法，其特征在于，所述帧同步还包括以下步骤：
步骤2.1：所述频点有m个，且m个频点分别通过所述高段TODH、TODH+1、TODH+2、...、TODH+(m-1)生成m个连续的频点序列；
步骤2.2：利用所述m个连续的频点序列重复发送m次前导序列段扩频伪码序列；
步骤2.3：逆序所述m个连续的频点序列，并发送帧同步段扩频伪码序列，生成帧同步序列。
3.如权利要求2所述的适用于高速跳频系统的捕获与同步方法，其特征在于，生成所述帧同步序列还包括以下步骤：
步骤2.3.1：所述帧同步段扩频伪码序列通过网号的标识和筛选，生成网号相同的序列信息；
步骤2.3.2：通过所述低段TODL对所述网号相同的序列信息进行计算；
步骤2.3.3：计算后的序列信息进行保留缓冲，生成所述帧同步序列。
4.如权利要求3所述的适用于高速跳频系统的捕获与同步方法，其特征在于，所述高段TODH和所述低段TODL分别由所述TOD按跳频图案更新周期取整和取余获得。
5.如权利要求4所述的适用于高速跳频系统的捕获与同步方法，其特征在于，所述TODH相对时间差的计算还包括以下步骤：
步骤4.1：根据所述帧同步序列和捕获的m个频点的所述相对位置的差值，反推得出发送端的频点信息；
步骤4.2：所述发送端的频点信息结合所述接收端捕获的频点信息，计算获得收发端的TODH相对时间差。
6.如权利要求5所述的适用于高速跳频系统的捕获与同步方法，其特征在于，所述帧同步序列和所述捕获的m个频点的相对位置均为唯一值。
7.如权利要求6所述的适用于高速跳频系统的捕获与同步方法，其特征在于，所述前导序列段扩频伪码序列、所述帧同步段扩频伪码序列、网号、所述低段TODL同步信息由接收端的同步头传输。
8.如权利要求7所述的适用于高速跳频系统的捕获与同步方法，其特征在于，所述前导序列段扩频伪码序列为一组具有相关性的伪随机码。
9.如权利要求1所述的适用于高速跳频系统的捕获与同步方法，其特征在于，所述高速跳频系统的接收端通过宽时间间隔循环切换所述频点，循环滑动搜索和捕获。
10.如权利要求9所述的适用于高速跳频系统的捕获与同步方法，其特征在于，所述高速跳频系统的接收端在滑动搜索和捕获后更换接收端的扩频伪码序列，保持捕获频点不变。
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