跳频通信系统(跳频同步)
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13
2014-9-13
跳频同步的类型（2）
发射机 同步头 数据信息
接收机1
开始搜索
初始同步
勤务同步
接收机2
开始搜索 迟入网同步
勤务同步
2014-9-13
14
跳频同步的要求——可靠性
同步建立时间：从开始进行同步搜索到建立正 确的同步所需要的时间，该时间与具体的同步 算法和跳频系统的参数相关。
38
2014-9-13
Walsh序列族（1）
Walsh序列族是一类具有理想自相关特性的正交序列族， 由Hadamard矩阵定义：
( n 1) H had (n) H had (n) H had (n) H had (n) H had
26
2014-9-13
快速扫描式自同步法的同步过 程
初 始 捕 获
检 测 判 决
ξ＞ξth
是 同 步 识 别
计 数
计 数 足 够
是同 步 跟 踪
否
否
2014-9-13
27
自同步法实例（1）
跳频频率数N=16，跳频频率表为：
{f3, f9, f10, f13, f5, f15, f11, f16, f14, f8, f7, f4, f12, f2, f6, f1}
用于PN码同步捕获的匹配滤波器一般采用延时 线匹配滤波器，其目的是识别码序列，它能在 特殊结构中识别特殊序列，而且只识别该序列。 在匹配滤波器捕获过程中，与主动相关法不同 之处在于其相关过程。该相关过程相当于本地 序列是静止的，在每个码元时刻接收信号滑过 本地序列，产生一个相关结果，并与门限值比 较，判断当前相位是否同步，因此提高了捕获 的速度。由于PN码的自相关特性，在一个码周 期内总会出现一个相关峰，此时即实现了PN码 的捕捉。
跳频通信系统
五、跳频通信系统中的同步问题
大纲
跳频同步概念 跳频同步要求 跳频同步的方法 跳频同步方案实例 跳频同步性能分析
2014-9-13
2
同步——和谐的舞步
收发双发在同 一个时刻采用 相同的频率进 行通信.
2014-9-13
3
同步所需的信息
跳频频率表——保证收发两端采用相同 的频率进行跳频； 网号——保证收发两端采用同样的跳频 序列； 系统时间信息TOD——实现收发两端跳 频频率的对准； 帧同步和位同步信息——实现数据帧和 数据比特的严格对其，实现数据传输。
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2014-9-13
独立信道法
优点：
同步信息量大，同步建立时间短； 能够连续的发送同步信息，保持系统长时间 同步。 频谱效率和功率效率都有所损失； 同步信息易于被捕获和干扰。
缺点：
应用：很少使用。
22
2014-9-13
参考时钟法
优点：
简化了同步方案。 高精度的时钟设计制作困难，成本高； 高度依赖于基准时钟，灵活性差。
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2014-9-13
同步序列
前导序列 N1
帧同步 N2
网号 N3
TOD N4
前导序列：用同步频率发送相关码，收端利用 前导序列实现粗同步； 帧同步：用于识别前导序列以及结束，同步信 息传送将要开始； 网号：传输组网信息，确定使用的跳频序列； TOD：传输TOD的低位信息。
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N1
N2
N3
勤务前导序列：与前导序列的作用类似，用来 实现粗同步； 网号：与初始同步时的网号相同； TOD：传输TOD的低位信息，两次勤务序列之 间的TOD值应相差的值等于跳频电台的跳速。
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2014-9-13
同步方案实例
系统参数 初始同步方案 勤务同步方案 同步频率设计
2014-9-13
TOD格式
TODh TODh TODh TODh bit31 bit30 bit29 … TODh TODh TODh bit2 bit1 bit0
TODl
同步频率 的概念稍 TODh：TOD的高位信息，采用32比特表示，计数单位 后介绍
TODl TODl TODh bit15 bit14 bit13
缺点：
应用：应用于通信网络中，需要设定一 个中心站，由其播发高精度的时钟信息。
23
2014-9-13
自同步法
优点：
具有较高的频谱效率和功率效率。 信息序列中隐含的同步信息较少； 同步建立的时间较长。
缺点：
应用： 一般应用于简单的跳频系统中， 或与其他同步方法结合使用。
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2014-9-13
11
2014-9-13
匹配滤波法的特点
优点：
具有将强的实时检测能力，同步速度快； 简单的序列匹配滤波器就可以提供所需的性 能。 技术实现比较复杂； 在同样的干扰环境下，检测能力劣于滑动相 关法的检测性能。
12
缺点：
2014-9-13
跳频同步的类型（1）
初始同步：在正常通信前，发射机预先发送一 组携带初始同步信息的同步头，接收机利用该 同步头实现的同步。 迟入网同步：迟于初始同步信息的发送而处于 接受状态的电台，通过在跳频数据流中插入的 勤务同步信息实现的同步。 勤务同步：在初始同步建立之后，为了保持收 发双发的同步，通过勤务同步信息对同步状态 的调整。
频率切换时间 保护时间 24
有效数据 280
保护时间 8
8
每跳内的采样数为： Ks = fs /fh = 320； 每个数据符号用5个采样点来表示；
每跳内的符号数为： Ksym = Ks /5 = 64；
每跳内的有效数据符号数为：KLsym = 280/5 = 56；
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5
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跳频同步的过程（2）
捕获到同步信息 同步扫描 同步捕获
失步
失步确认策略 未失步 同步确 认失败 同步确认策略 同步确认成功 同步确认
同步 成功 同步信息 同步跟踪 接收
2014-9-13
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同步捕获算法——滑动相关法
输入
带通 滤波器 平方率 检波器 积分器
输出
频率合成器
门限
门限判决
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2014-9-13
同步捕获算法——匹配滤波法
带通 滤波 平方率 检波器 延时 (N-1)Tb
f1
输入 f2 ...
带通 滤波 平方率 检波器 延时 (N-1)Tb 求 和 判决
输出
带通 滤波
...
平方率 检波器
...
延时 (N-1)Tb
...
门限
fN
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序列匹配滤波器
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匹配滤波法的原理
跳频序列 发生器
时钟
控制逻辑
同步 指示
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滑动相关法的原理
接收系统在搜索同步时，本地码序列发 生器以与发射机码序列发生器不同的速 率工作，致使这两个码序列在相位上互 相滑动，若接收机码速率大于发射机码 速率，则接收机码滑动超前，否则滞后。 当两码序列重合时，滑动停止，完成捕 获。因此称之为滑动相关法。滑动相关 检测是一种简单、实用的捕获方法。
34
系统参数
Biblioteka Baidu
工作频率范围：30MHz～87.975MHz； 频道间隔：25kHz； 频率集频率个数：256； 采样速率：fs = 96kSPS
跳频速率：fh = 300hop/s；
跳频周期：Th = 3.333ms； 初始同步时延要求：小于等于0.6s；
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一跳内的数据格式
f10 f11 f7 f6 f10 f11 f7 f6 f10 f11 f7 f6 f10 f11 f7 f6 f10 f11 ... f10 f11 f7 f6 Tb
f10 f11 f7 f6 f10 f11 f7 f6 f13 f16 f4 f1 f3 f5 f14 f12 f9 f15 扫描状态
8
2014-9-13
滑动相关法的特点
优点：
同步序列可以较长，在恶劣环境下具有较好的检测 能力和抗干扰能力； 同步序列可以方便的改变，具有将强的抗侦查能力 和抗假冒能力； 实现比较简单。
缺点:
捕获时间较长，并且捕获时间与同步序列的长度成 正比； 发射的同步序列需重复多次，给迟入网带来困难。
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2014-9-13
同步信息的表示——PN编码
PN编码：将需要传输的同步信息利用伪 随机（ Pseudo-Noise， PN）序列进行编 码，发端通过对PN序列的相关检测得到 发送的同步信息。 设采用的PN序列族由2m个PN序列构成， 则每个PN序列可以表示m个比特的信息。 若需要发送的同步信息包含n比特信息， 则需要发送n/m个PN序列。
对同步信息本身进行差错控制； 采取同步认定的算法控制策略； 采取同步状态下失步认定算法控制策略。
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同步/失步认定的算法控制策略
同步/失步检测
N
Y
同步/失步检测
N
Y Y
…
…
同步/失步认定
同步/失步否定
2014-9-13
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跳频同步的要求——抗侦察性
同步信号在空中存在的时间尽量短； 在多个同步频率上传送同步信息； 采用大量非同步频率的无用传输来混杂 掩盖同步频率的传输； 将同步信息加密置乱。
初始同步建立时间 迟入网同步建立时间
同步保持时间：收发双发的同步以跳对跳的方 式保持的时间，该时间与系统时钟的稳定度与 跳频速率有关。
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由定时误差累积导致的失步
发射机 第1跳 第2跳 第3跳 第4跳
接收机
第1跳
第2跳
第3跳
第 4跳
2014-9-13
16
跳频同步的要求——抗干扰性
2014-9-13
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跳频同步的要求——抗假冒性
结合捕获方案设计搜索策略； 尽量使同步信息的信号特征与通信信号 的信号特征一致； 人为的发送伪同步信息。
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20
跳频同步的方法
独立信道法：利用一个专门的信道传输 同步信息； 参考时钟法：向网络分配一个工公共时 基，利用该时基实现同步。 自同步法：提取发送信息中隐含的同步 信息实现同步。 同步字头法：利用有效数据之前发送的 同步头实现同步。
前导序列的设计
对前导序列的要求：
从传输信息的角度，期望其具有良好的互相 关特性——采用Walsh序列； 从捕获和确定跳沿以及位定时角度考虑，期 望其具有较好的自相关特性——采用m序列；
实际中可以采用Walsh序列与m序列进行 以后之后的序列作为前导序列。
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勤务序列
勤务前导序列 网号 TOD
4
2014-9-13
跳频同步的过程（1）
同步搜索：收方用某一算法计算所得到的同步 频率不断地搜索发方的同步频率获取同步信息 达到同步捕获的过程； 同步捕获：收方依靠在同步频率上的搜索接收 到发方的同步信息的过程； 同步确认：在同步捕获的基础上进一步确认捕 获的同步信息的过程； 同步跟踪：接收方通过对同步信息的进一步接 收达到保持双方跳频图案同步的过程
同步字头法
优点：
同步头长度可根据需要调整，在效率和可靠 性方面进行折衷。 频谱效率和功率效率都有所损失； 需要在数据信息中插入同步信息以进行同步 保持。
缺点：
应用：大多数跳频通信系统采用此方案。
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2014-9-13
等待搜索式自同步法
初始捕获：接收机与发射机具有相同的跳频图 案，只是所使用的频率相差一个固定的中频， 接收机在一个固定的频率上与接收到的信号做 相关，直到相关器的输出大于预定的门限，此 时控制本地跳频序列开始跟跳； 同步识别：初始捕获后，在连续的多个跳频周 期上得到大于门限的相关输出才认为捕获成功； 同步跟踪：同步识别后，收发双方的跳变沿还 没有完全对其，因此不断地调整跳频序列发生 器的时钟，已达到完全同步。
初始捕获
f8 f7 同步跟踪
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同步识别
f4 Th f12 Th 跳频状态
相关器输出的脉 冲信号与本地跳 频序列的比较
29
同步字头法
同步序列 信息序列 勤务序列 信息序列 勤务序列
同步序列：又称同步头，用来实现初始同步； 勤务序列：可以用来进行同步保持，也可以用 作迟入网同步； 信息序列：传输有效信息
…
TODh TODh TODh bit2 bit1 bit0
为2分钟，则最大计数周期为2×(232-1)分钟，即16343 年，TODh用来生成发送同步信息的同步频率； TODl： TOD的低位信息，采用16比特表示，计数单位 为3.333ms，计数器计满2分钟时清零，即计数最大值 为106240（0x8CA0），每次清零的同时向TODh进位1。
扫描频组数K=4，频组中的频率数M=4，4个频 组为：
b1={f3, f5, f14, f12} b2={f9, f15, f8, f2} b3={f10, f11, f7, f6} b4={f13, f16, f4, f1}
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自同步法实例（2）
f14’ f8’ Th f7’ f4’ f12’ ... f14’
2014-9-13
跳频同步的类型（2）
发射机 同步头 数据信息
接收机1
开始搜索
初始同步
勤务同步
接收机2
开始搜索 迟入网同步
勤务同步
2014-9-13
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跳频同步的要求——可靠性
同步建立时间：从开始进行同步搜索到建立正 确的同步所需要的时间，该时间与具体的同步 算法和跳频系统的参数相关。
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2014-9-13
Walsh序列族（1）
Walsh序列族是一类具有理想自相关特性的正交序列族， 由Hadamard矩阵定义：
( n 1) H had (n) H had (n) H had (n) H had (n) H had
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2014-9-13
快速扫描式自同步法的同步过 程
初 始 捕 获
检 测 判 决
ξ＞ξth
是 同 步 识 别
计 数
计 数 足 够
是同 步 跟 踪
否
否
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自同步法实例（1）
跳频频率数N=16，跳频频率表为：
{f3, f9, f10, f13, f5, f15, f11, f16, f14, f8, f7, f4, f12, f2, f6, f1}
用于PN码同步捕获的匹配滤波器一般采用延时 线匹配滤波器，其目的是识别码序列，它能在 特殊结构中识别特殊序列，而且只识别该序列。 在匹配滤波器捕获过程中，与主动相关法不同 之处在于其相关过程。该相关过程相当于本地 序列是静止的，在每个码元时刻接收信号滑过 本地序列，产生一个相关结果，并与门限值比 较，判断当前相位是否同步，因此提高了捕获 的速度。由于PN码的自相关特性，在一个码周 期内总会出现一个相关峰，此时即实现了PN码 的捕捉。
跳频通信系统
五、跳频通信系统中的同步问题
大纲
跳频同步概念 跳频同步要求 跳频同步的方法 跳频同步方案实例 跳频同步性能分析
2014-9-13
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同步——和谐的舞步
收发双发在同 一个时刻采用 相同的频率进 行通信.
2014-9-13
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同步所需的信息
跳频频率表——保证收发两端采用相同 的频率进行跳频； 网号——保证收发两端采用同样的跳频 序列； 系统时间信息TOD——实现收发两端跳 频频率的对准； 帧同步和位同步信息——实现数据帧和 数据比特的严格对其，实现数据传输。
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2014-9-13
独立信道法
优点：
同步信息量大，同步建立时间短； 能够连续的发送同步信息，保持系统长时间 同步。 频谱效率和功率效率都有所损失； 同步信息易于被捕获和干扰。
缺点：
应用：很少使用。
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2014-9-13
参考时钟法
优点：
简化了同步方案。 高精度的时钟设计制作困难，成本高； 高度依赖于基准时钟，灵活性差。
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同步序列
前导序列 N1
帧同步 N2
网号 N3
TOD N4
前导序列：用同步频率发送相关码，收端利用 前导序列实现粗同步； 帧同步：用于识别前导序列以及结束，同步信 息传送将要开始； 网号：传输组网信息，确定使用的跳频序列； TOD：传输TOD的低位信息。
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N1
N2
N3
勤务前导序列：与前导序列的作用类似，用来 实现粗同步； 网号：与初始同步时的网号相同； TOD：传输TOD的低位信息，两次勤务序列之 间的TOD值应相差的值等于跳频电台的跳速。
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同步方案实例
系统参数 初始同步方案 勤务同步方案 同步频率设计
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TOD格式
TODh TODh TODh TODh bit31 bit30 bit29 … TODh TODh TODh bit2 bit1 bit0
TODl
同步频率 的概念稍 TODh：TOD的高位信息，采用32比特表示，计数单位 后介绍
TODl TODl TODh bit15 bit14 bit13
缺点：
应用：应用于通信网络中，需要设定一 个中心站，由其播发高精度的时钟信息。
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2014-9-13
自同步法
优点：
具有较高的频谱效率和功率效率。 信息序列中隐含的同步信息较少； 同步建立的时间较长。
缺点：
应用： 一般应用于简单的跳频系统中， 或与其他同步方法结合使用。
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匹配滤波法的特点
优点：
具有将强的实时检测能力，同步速度快； 简单的序列匹配滤波器就可以提供所需的性 能。 技术实现比较复杂； 在同样的干扰环境下，检测能力劣于滑动相 关法的检测性能。
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缺点：
2014-9-13
跳频同步的类型（1）
初始同步：在正常通信前，发射机预先发送一 组携带初始同步信息的同步头，接收机利用该 同步头实现的同步。 迟入网同步：迟于初始同步信息的发送而处于 接受状态的电台，通过在跳频数据流中插入的 勤务同步信息实现的同步。 勤务同步：在初始同步建立之后，为了保持收 发双发的同步，通过勤务同步信息对同步状态 的调整。
频率切换时间 保护时间 24
有效数据 280
保护时间 8
8
每跳内的采样数为： Ks = fs /fh = 320； 每个数据符号用5个采样点来表示；
每跳内的符号数为： Ksym = Ks /5 = 64；
每跳内的有效数据符号数为：KLsym = 280/5 = 56；
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跳频同步的过程（2）
捕获到同步信息 同步扫描 同步捕获
失步
失步确认策略 未失步 同步确 认失败 同步确认策略 同步确认成功 同步确认
同步 成功 同步信息 同步跟踪 接收
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同步捕获算法——滑动相关法
输入
带通 滤波器 平方率 检波器 积分器
输出
频率合成器
门限
门限判决
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同步捕获算法——匹配滤波法
带通 滤波 平方率 检波器 延时 (N-1)Tb
f1
输入 f2 ...
带通 滤波 平方率 检波器 延时 (N-1)Tb 求 和 判决
输出
带通 滤波
...
平方率 检波器
...
延时 (N-1)Tb
...
门限
fN
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序列匹配滤波器
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匹配滤波法的原理
跳频序列 发生器
时钟
控制逻辑
同步 指示
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滑动相关法的原理
接收系统在搜索同步时，本地码序列发 生器以与发射机码序列发生器不同的速 率工作，致使这两个码序列在相位上互 相滑动，若接收机码速率大于发射机码 速率，则接收机码滑动超前，否则滞后。 当两码序列重合时，滑动停止，完成捕 获。因此称之为滑动相关法。滑动相关 检测是一种简单、实用的捕获方法。
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系统参数
Biblioteka Baidu
工作频率范围：30MHz～87.975MHz； 频道间隔：25kHz； 频率集频率个数：256； 采样速率：fs = 96kSPS
跳频速率：fh = 300hop/s；
跳频周期：Th = 3.333ms； 初始同步时延要求：小于等于0.6s；
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一跳内的数据格式
f10 f11 f7 f6 f10 f11 f7 f6 f10 f11 f7 f6 f10 f11 f7 f6 f10 f11 ... f10 f11 f7 f6 Tb
f10 f11 f7 f6 f10 f11 f7 f6 f13 f16 f4 f1 f3 f5 f14 f12 f9 f15 扫描状态
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滑动相关法的特点
优点：
同步序列可以较长，在恶劣环境下具有较好的检测 能力和抗干扰能力； 同步序列可以方便的改变，具有将强的抗侦查能力 和抗假冒能力； 实现比较简单。
缺点:
捕获时间较长，并且捕获时间与同步序列的长度成 正比； 发射的同步序列需重复多次，给迟入网带来困难。
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同步信息的表示——PN编码
PN编码：将需要传输的同步信息利用伪 随机（ Pseudo-Noise， PN）序列进行编 码，发端通过对PN序列的相关检测得到 发送的同步信息。 设采用的PN序列族由2m个PN序列构成， 则每个PN序列可以表示m个比特的信息。 若需要发送的同步信息包含n比特信息， 则需要发送n/m个PN序列。
对同步信息本身进行差错控制； 采取同步认定的算法控制策略； 采取同步状态下失步认定算法控制策略。
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同步/失步认定的算法控制策略
同步/失步检测
N
Y
同步/失步检测
N
Y Y
…
…
同步/失步认定
同步/失步否定
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跳频同步的要求——抗侦察性
同步信号在空中存在的时间尽量短； 在多个同步频率上传送同步信息； 采用大量非同步频率的无用传输来混杂 掩盖同步频率的传输； 将同步信息加密置乱。
初始同步建立时间 迟入网同步建立时间
同步保持时间：收发双发的同步以跳对跳的方 式保持的时间，该时间与系统时钟的稳定度与 跳频速率有关。
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由定时误差累积导致的失步
发射机 第1跳 第2跳 第3跳 第4跳
接收机
第1跳
第2跳
第3跳
第 4跳
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跳频同步的要求——抗干扰性
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跳频同步的要求——抗假冒性
结合捕获方案设计搜索策略； 尽量使同步信息的信号特征与通信信号 的信号特征一致； 人为的发送伪同步信息。
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跳频同步的方法
独立信道法：利用一个专门的信道传输 同步信息； 参考时钟法：向网络分配一个工公共时 基，利用该时基实现同步。 自同步法：提取发送信息中隐含的同步 信息实现同步。 同步字头法：利用有效数据之前发送的 同步头实现同步。
前导序列的设计
对前导序列的要求：
从传输信息的角度，期望其具有良好的互相 关特性——采用Walsh序列； 从捕获和确定跳沿以及位定时角度考虑，期 望其具有较好的自相关特性——采用m序列；
实际中可以采用Walsh序列与m序列进行 以后之后的序列作为前导序列。
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勤务序列
勤务前导序列 网号 TOD
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跳频同步的过程（1）
同步搜索：收方用某一算法计算所得到的同步 频率不断地搜索发方的同步频率获取同步信息 达到同步捕获的过程； 同步捕获：收方依靠在同步频率上的搜索接收 到发方的同步信息的过程； 同步确认：在同步捕获的基础上进一步确认捕 获的同步信息的过程； 同步跟踪：接收方通过对同步信息的进一步接 收达到保持双方跳频图案同步的过程
同步字头法
优点：
同步头长度可根据需要调整，在效率和可靠 性方面进行折衷。 频谱效率和功率效率都有所损失； 需要在数据信息中插入同步信息以进行同步 保持。
缺点：
应用：大多数跳频通信系统采用此方案。
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等待搜索式自同步法
初始捕获：接收机与发射机具有相同的跳频图 案，只是所使用的频率相差一个固定的中频， 接收机在一个固定的频率上与接收到的信号做 相关，直到相关器的输出大于预定的门限，此 时控制本地跳频序列开始跟跳； 同步识别：初始捕获后，在连续的多个跳频周 期上得到大于门限的相关输出才认为捕获成功； 同步跟踪：同步识别后，收发双方的跳变沿还 没有完全对其，因此不断地调整跳频序列发生 器的时钟，已达到完全同步。
初始捕获
f8 f7 同步跟踪
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同步识别
f4 Th f12 Th 跳频状态
相关器输出的脉 冲信号与本地跳 频序列的比较
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同步字头法
同步序列 信息序列 勤务序列 信息序列 勤务序列
同步序列：又称同步头，用来实现初始同步； 勤务序列：可以用来进行同步保持，也可以用 作迟入网同步； 信息序列：传输有效信息
…
TODh TODh TODh bit2 bit1 bit0
为2分钟，则最大计数周期为2×(232-1)分钟，即16343 年，TODh用来生成发送同步信息的同步频率； TODl： TOD的低位信息，采用16比特表示，计数单位 为3.333ms，计数器计满2分钟时清零，即计数最大值 为106240（0x8CA0），每次清零的同时向TODh进位1。
扫描频组数K=4，频组中的频率数M=4，4个频 组为：
b1={f3, f5, f14, f12} b2={f9, f15, f8, f2} b3={f10, f11, f7, f6} b4={f13, f16, f4, f1}
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自同步法实例（2）
f14’ f8’ Th f7’ f4’ f12’ ... f14’