摘  要：滑动相关法和匹配滤波器法是现有的自同步跳频捕获方法中抗干扰性能最强的2种方法，但是，滑动相关法捕获速度太幔,匹配滤波器法系统结构太复杂。为了克服这些缺点,对这2种方法进行了深入的研究。从捕获时间的期望值、抗干扰性能以及系统结构的复杂度3方面对其性能进行了全面的对比评价，提出了一种改进的跳频同步捕获方案——“快速出局式捕获”。该改进方案在保持最高级别的抗干扰性能的同时，不仅具有与匹配滤波法接近的快速捕获速度，而且具有与滑动相关法相当的筒单系统结构。
关键词：跳频通信；同步；捕获；快速出局

    跳频通信技术起源于军事通信的高保密性和高抗干扰性的需求，随着在GSM、HomeRF、Bluetooth等民用移动通信中的广泛应用，与人们的日常生活更是密切相关。
    快速而准确地实现跳频同步是跳频通信系统正常工作的必要条件。所谓跳频同步，就是使收发两端的频率跳变规律完全一致，包括频率一致和相位一致。抗干扰性强是跳频通信得到广泛应用的重要原因，跳频同步作为跳频通信技术族中的关键技术之一，必须具有很强的抗干扰性才能有实用价值和持续发展的生命力。同时，通信的实时性至关重要，特别是在军事通信中，所以，跳频同步的同步建立时间要尽量的短。
    跳频同步分2个阶段完成：同步捕获和同步跟踪。同步捕获，在l/2个频隙宽度的精度上完成粗同步；同步跟踪完成进一步的精确同步及相位的实时锁定。同步捕获模块的性能很大程度上决定了整个同步系统的性能，从20世纪50年代跳频通信技术出现至今，人们一直在对其展开广泛的研究，研究成果也非常显著。
    根据接收端从发送端获得同步信息方法的不同，跳频同步可分为独立信道法、前置同步头法和自同步法。自同步法由于不需要额外的附加信息，技术上也更有挑战性，而受到很多研究者的关注。目前基于相关的自同步法中主要有匹配滤波器法、滑动相关法、等待搜索法、位移等待式搜索法、快速扫描法等。其中匹配滤波法和滑动相关法具有最高级别的抗干扰性能，位移等待式搜索法和快速扫描法抗干扰性较差，等待搜索法抗干扰性能最差。
    本文首先对抗干扰性能最强的匹配滤波器法和滑动相关法进行性能分析和比较，然后在此基础上提出一种改进算法，该改进算法具有强抗干扰、快速捕获和结构简单易于实现等特性。

1 经典方法研究

1．1 匹配滤波器法原理
    匹配滤波法系统框图如图1a。设跳频序列周期长度为L，则接收端有L个对应于跳频系统各跳频频点的带通匹配滤波器，各滤波器的中心频率由本地搜索控制中心进行实时控制。匹配滤波的输出信号经过检波后，进行延迟累加。最后对累加结果进行判决。以当前时隙为第L个时隙，若各匹配滤波器中心频率在过去的L个时隙内恰好满足发端第i个时隙的发送频率与收端第i个滤波器的中心频率一一对应，则累加值将超过预设的判决门限，同步捕获成功；否则，继续由搜索中心控制各匹配滤波器中心频率，进行捕获。

    若各匹配滤波器的中心频率固定，则可通过搜索中心控制各支路开关的通断，以及各检波输出的延迟时隙数来完成同步。

1．2 滑动相关法原理
    如图1b所示，本地频率合成器的频率输出与发端的频率跳变完全一致时，经混频后就有中频输出，经过包络检波后的输出值就相对较大，根据包络检波的输出来判决当前频隙收发端跳频频点频率是否相同，相同为“1”，不相同为“0”。最后对一个跳频序列周期内的判决结果进行累加统计，根据统计计数结果控制搜索指令。若计数器的输出超过预定门限值则认为捕获成功，进入跟踪状态；若低于门限值，则认为本地频率合成器的频率跳变规律与发送方不一致。通过搜索指令对本地跳频序列进行相移，通常相移1／2个频隙，再进行一个跳频周期的相关运算，直到捕获成功为止。

1．3 性能对比
    在系统结构的复杂度上，由图1可见，匹配滤波法需要L条由混频、滤波、检波和二值判决组成的相关支路，而滑动相关法只需要一条同样的相关支路，系统结构简单，也正是如此，滑动相关法一直得到了广泛的应用。
    在抗干扰性能上，因为都是对一个跳频周期内的相关检波累加结果进行捕获判决，所以对同样的跳频序列周期长度，匹配滤波法和滑动相关法如果采用同样的判决门限，则抗干扰性完全相同，都具有最高级别的抗干扰性。
    设跳频序列周期长度为L，跳频频隙(chip)时长为To，对匹配滤波法和滑动相关法在无干扰条件下的捕获时间的期望值计算如下。
    匹配滤波法在第k个频隙完成同步捕获的概率是:

滑动相关法在第A个频隙完成同步捕获的概率是

    由上述计算结果可知从期望捕获时间上来说，匹配滤波法是0(L)，滑动相关法，匹配滤波法更优越。

2 改进方法及其性能分析

2．1 快速出局式捕获法
    该算法先在M个频隙内根据相关结果做出出局判决。若判决标准表明显著的未同步，则将当前本地跳频序列的状态快速出局，经相位滑动后再重新开始本地跳频与接收信号的相关、累积和出局判决；否则，同滑动相关法，对一个周期内的相关结果进行捕获成功与否的判决。
    快速出局式捕获法系统框图如图2所示。

2．2 性能分析

2．2．1 系统复杂度
    由快速出局式捕获法的系统框图可知，该方法系统结构非常简单。与滑动相关法相比，除了搜索控制中心的控制逻辑复杂度有所增加之外，只增加了一个出局判决模块。

2．2．2 捕获时间期望值
    在无干扰存在时，快速出局式捕获法在第k个频隙捕获成功的概率为

其中M为出局参数。

    此时其捕获时间的期望为

    由式(6)可见，无干扰存在时改进算法的捕获时间期望值远小于滑动相关法。当M=1，即根据一个频点的捕获与否对当前相位进行淘汰判决时的捕获时间期望值与匹配滤波器法的捕获时间期望值相同，达到了相关捕获时间期望的最小值。

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