跳频通信同步技术及其干扰措施 摘要：跳频通信是短波通信抗干扰技术中应用最广泛、最为有效的技术，它的特点决定了它具有较强的抗干扰能力。本文论述了通信对抗中跳频技术的原理、特点、关键技术及其发展方向等，并就如何对跳频通信实施干扰进行了初步探讨。
一、跳频通信技术原理 跳频就是用伪码序列构成跳频指令来控制频率合成器，并在多个频率中进行选择的移频键控。所传递的信息码与伪随机序列模二相加(或波形相乘)构成跳频指令(即跳频图案)，并由它随机选择发送频率。发送端的信息码序列与伪随机序列经过调制后，按不同的跳频图案控制频率的合成。在接收端，接收到的信号与干扰经高放滤波后送至混频器。接收机的本振信号也是一频率跳变信号，跳变规律是相同的，两个合成器产生的频率相对应，但对应的频率有一频差，正好为接收机的中频。只要收发方的伪随机码同步，就可使收发双方的跳频源一频率合成器产生的跳变频率同步，经混频后，就可得到一个不变的中频信号，然后对此信号进行解调，就可恢复出发送的信息。而对干扰信号而言，由于不知道跳频频率的变化规律，与本地的频率合成器产生的频率不相关，因此，不能进入混频器后面的中频通道，不能对跳频系统形成干扰，这样就达到了抗干扰的目的。其工作原理框图如1所示：
图1 跳频通信系统框图 与定频通信相比，跳频通信比较隐蔽也难以被截获，只要对方不清楚载频跳变的规律，就很难截获对方的通信内容。同时，跳频通信也具有良好的抗干扰能力，即使有部分频点被干扰，仍能在其它未被干扰的频点上进行正常的通信。通信双方的跳频图案是事先约好的，同步地按照跳频图案进行跳变，这种跳频方式称为常规跳频。随着现代战争中的电子对抗越演越烈!在常规跳频的基础上又提出了自适应跳频，它增加了频率自适应控制和功率自适应控制两方面。 二、跳频通信的抗干扰性能分析 跳频之抗干扰如同游击战中“打一枪换一个地方”的战术，携带信息的载频不断变化，使敌方的侦察和干扰跟不上通信载频的变化，从而无法施放干扰。所以，跳频性能好坏取决于频率点变化的多少（频率点越多，意味着信号带宽越宽）和 频率点变化的快慢，即跳频速率（简称跳速）。跳频带宽越宽，跳速越高，则侦察和干扰越困难。跳频电台的抗干扰性能一般可以用处理增益来描述。跳频处理增益： )(lg10dBNGFFH （1）
式中FN为跳频信道数。 处理增益的物理意义是敌方采用宽带干扰方式干扰跳频电台时所需的功率，较之干扰一个窄带定频电台所需的功率大出的倍数。但是一旦跳频电台被对方的跟踪式干扰机所跟踪，则跳频处理增益不再能说明抗干扰能力。更有实际意义的是在干扰环境下的通信能力，例如当同步误码率在110时，同步概率为95% (又例如当跳频频率有30%受到干扰时，仍能保持话音通信，但话音质量有所下降。 三、跳频通信关键技术 3.1频率合成技术 频率合成技术是跳频系统的心脏，跳频系统的快慢决定于频率合成器换频时间的快慢，跳变频率的总数和跳频速率决定了系统的整体性能。频率合成器的频率偏差度则决定了跳频通信系统稳定工作的时间。因此，频率合成技术是跳频通信的关键点之一。 3.2跳频图案 跳频图案是通信双方频率跳变的规则，是通信双方事先约定和预置的相关频 率。在实际系统中，通信双方对跳频电台事先注入一组密钥，电台依据相关算法得出频率的跳变规则。跳频图案反映了通信双方信号载波频率的规律，保证了通信方发送频率有规律可循。跳频图案通过长周期的伪随机序列控制，使敌方很难预测出来，线性伪随机序列和非线性码序列都可用于跳频图案。
图2 跳频图案 如图2所示，发射机在0一T时间段内载波频率使用0f，在T-2T时间段内载波频率使用2f，在2T-3T时间段内载波频率使用5f 3.3跳频电台组网技术 跳频通信采用码分多址的方式对入网用户进行组网，具有同一个跳频图案的电台组在同一个网内。同时，它要求个网络之间的跳变频率在同一时间没有碰撞，否则，就会引起网络之间的相互干扰。按照这种要求跳频组网方式可以分为正交组网和准正交组网技术。正交组网技术要求通信网络之间不能有任何碰撞，频率之间严格正交。而准正交组网则可以允许一定程度上的碰撞存在。采用跳频的多址通信网具有很多优点：抗干扰能力强，低截获概率，低检测概率，对频率选择性衰落有很好的抑制作用。在一个地区往往同时存在多达10余个跳频网，这时各网的信号在空中相互混杂，敌方很难区分，要分选出一个跳频信号属于哪一个网!即使花很大的代价也不一定能成功。 3.4同步技术 跳频同步是指跳频接收机与跳频发射机在相同的时刻使用相同的频率。这样接收信号的频率与本地频率合成器产生的频率经过混频以后才能得到正确的中频频率，然后从中解调出信息信号，否则不能正确解调出信息信号。 跳频同步的内容包括：跳频频率表相同；跳频序列相同；跳变的起止时刻相 同。也就是说，为了实现收发双方的跳频同步，接收机必须获得发射机的有关跳频同步的信息，这些信息包括采用哪一张跳频频率表，采用什么样的跳频序列，在什么时刻哪一个频率上开始起跳，并且还需要不断地校正接收机本地时钟，使其与发射机时钟一致。在实际应用中，跳频频率表和跳频序列是由通信双方预先约定好的，但由于收发信机之间的距离不能确定，这就导致了时间上存在差异；又因为振荡器频率漂移、多普勒频移等因素也会引起收发双方在频率上存在差异。同步的过程就是消除以上时间和频率差异的过程，以保证收发双方载波、码元、帧结构的一致性。 跳频同步技术是确保收发双方能够协同通信的关键技术，也是在实际应用中最易受到干扰而破坏网络正常工作的关键环节。因此，选择合适的同步技术是提升跳频通信抗干扰能力的关键所在。 四、跳频同步原理 跳频通信同步技术可分为两大类：外同步法和自同步法；外同步法包括精确 时钟定时法和同步字头法。 4.1精确时钟法 这种方法用高精度时钟实时控制收发双方的跳频图案，即实时控制收发双方的频率合成器的频率的跳变，由于产生跳变频率的方法是相同的，唯一不知道的是时间，若收发双方都保持时间一致，且通信距离已知，则可保证跳频图案的同步。跳频图案同步受到时钟稳定性及移动距离变化引起的不确定性的影响．假如我们采用的时钟频率稳定度为610，每一跳的驻留的时间瓦为lms，即跳频的速率在1000跳/秒左右。系统同步后保持l跳的所用时间为： hsTthh139.0105.0)102/(36
只要累积不超过一跳的时间，接收方仅需要收到一跳中的少量信息，就可以 完成初始同步，作为一般的通信，特别是在跳频速率很低的情况下可以采用，但 如果是用在战场通信则不合适。这种方法还可以采用更高的频率稳定度时钟用于 减少收发双方的伪随机码相位的不确定性，具有同步快、准确以及保密性好的性 能，是跳频通信中常用的一种同步方法。 4.2同步字头法 将带有同步信息(如时间信息)的同步字头置于跳频信号的最前面，或在信息 的传输过程中，离散地插入这种同步字头，收端根据同步字头的特点，可以从接收到的跳频信号中将它们识别出来，作为调整本地时钟或伪随机码发生器之用，从而使收发双方同步。与这种方法相配合，接收机可处在等待状态，即在某一固定频率上等待同步头的到来，或对同步头频率进行扫描搜索。 这种同步方法具有同步搜索快、容易实现、同步可靠等特点，是比较常用的同步方法，但是这种同步方法的同步字头的抗干扰性和隐蔽性能比较差。通常的做法是采用自相关特性好的序列作为同步码码字，并对它进行前向纠错编码。同步头信号可用所占用频段的任一频道进行传输，这可由基本密钥控制。同步信号按周期传送，在时间间隔上是不规则的。其缺点是，如果同步字头受到干扰，则整个系统将无法工作。 4.3自同步方法 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从而完成同步。 4.4外同步法和自同步法比较 外同步法的主要优点是同步快，同步概率高，更适合于特殊通信的要求，为了进一步提高同步系统的性能，通常将精确时钟定时法和同步字头法两种方法结合起来。外同步法总的不足在于发送方发送同步信息时不能发送信号，因而需要占据发射信号的功率和一定的带宽。自同步法可自动、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，可以节省发送功率和带宽，而且具有较强的抗干扰能力和组网灵活的优点，但其同步时间相对于外同步法要长。 五、跳频同步的技术要求 衡量同步系统性能的优劣，主要应考虑两个方面： (1)跳频同步的可靠性； (2)同步过程的抗干扰性能。 同步系统的可靠性包括同步的建立时间、同步概率、伪同步概率和系统同步 保持时间等指标。 一般来说，跳频同步建立时间越短越好，同步保持时间越长越好；正确同步 的概率要高，伪同步的概率要小。这样才能使跳频系统成为一个快速、稳定和可 靠的同步系统。 同步系统的抗干扰性包括抗人为干扰和噪声干扰。采用跳频技术就是要提高 系统的抗干扰性，特别是在电子战的环境中，主要是抗敌方的人为干扰。因此， 要求同步信息的传递要隐蔽、快速。 抗人为干扰需考虑如下几点： (1)尽量缩短同步信号在空中的暴露时间，使敌方难以在很短的时间内发现 同步信号； ‘ (2)在多个跳变频道上传送同步信息时，需增大同步频率的随机性，使敌方 难以侦察；增大跳频带宽；使敌方难以在带宽内施放干扰： (3)频率跳变的速率要快，使跳频信号的驻留时间变短，可防止跟踪式干扰， 从而保护同步字头； (4)尽量使同步信息的信号特征与通信信息的信号特征一致，以致敌方难以 区分同步信息，或人为地发出伪同步信息以迷惑敌人，从而提高对同步 信息的保护能力。 抗噪声干扰需考虑如下几点： (1)同步信息本身的差错控制，如纠错编码、多次重发、相关编码和交织等； (2)同步认定的算法控制，即经过多次同步检测后才认定系统同步的策略， 并选择最佳的检测次数； (3)同步状态下的失步算法控制，即经过多次失步检测后才确定系统已失步 并选择最佳的检测次数。 六、跳频同步技术的实际应用 在实际通信系统中，跳频通信采用同步头法和精确时钟法相结合的方式，实现跳频通信系统的同步捕捉和跟踪。 6.1TOD系统的频率合成原理 所谓的“TOD”信息(Time OfDay)就是跳频电台的实时时钟信息，实时时 钟信息包括年、月、日、时、分、秒，毫秒、微秒、毫微秒等。TOD以每一跳的 时间为单位，其计数的时钟由系统高精度的时钟源提供，这样可以减少收发时钟 之间的误差。 在跳频通信中，为了进一步提高跳频电台的抗干扰性和通信的保密性能，跳