一种利用跳频同步码实现时间同步的方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种利用跳频同步码实现时间同步的方法。
背景技术
跳频通信是扩频通信的一个分支，它的突出优点是抗干扰性强，很适合于军事通信环境。跳频通信的基本工作原理是，通信信号的载波频率按照预定规律进行变化，具体而言，通信中的载波频率受特定码的控制而按照预定规律变化。第三方在不知道控制码(跳频图案：在跳频序列控制下，载波频率随时间跳变的规律称为跳频图案)的情况下，不能侦听通信信息。分析和实践表明，即使有多达30％的通信频率被干扰，系统仍然能够在其他未被干扰的频率上进行正常通信。跳频通信工作频率集覆盖了比定频通信宽得多的频带，等效于扩展了频谱，既可以避开自然环境中的无意干扰，又使得敌对势力难于捕捉通信信号实施针对性干扰。
跳频的关键问题是跳频同步，即收、发两端的载波频率必须具有相同的变化规律。具体而言，要求做到以下两点：
1、接收端的跳频图案与发送端的跳频图案一致；
2、接收端和发送端的载波频率变化时刻一致。
跳频同步依据同步信息传递及获取方式的不同，可以分为三种基本方法，分别为独立信道法、同步字头法和参考时钟法。三种方法的特点如下：
独立信道法：利用一个专门的信道来传送同步信息；接收端从该信道中接收发送端送来的同步信息并依照同步信息的指令，设置接收端的跳频图案、频率序列和起止时刻以及校准收端的时钟，然后在规定的起跳时刻开始跳频通信。这种方式，需要专门的信道来传送同步信息，有的通信系统难以提供专门的信道，因此独立信道法的应用受到了限制。
同步字头法：在跳频通信之前，选定一个或几个频率，先传送一组特殊的携带同步信息的码字，接收端收到此同步信息码字后，按同步信息的指令进行时间校准和跳频。因为是在通信之前先传送同步码字，故称同步字头法。使用该种方式，发送端需发送含有同步信息的码字，接收端解码后，依据同步信息使接收端与发送端时间同步。同步信息包括跳频图案的实时状态信息和实时时间信息，即TOD(Time of Day，实时时间信息)信息。实时时间信息包括年、月、日、时、分、秒、毫秒等，数据较长。数据太长，占用频率就多，容易暴露同步字头的频率，所以实际应用中往往只传输TOD信息的低位，即秒和毫秒。
参考时钟法：在一个通信网内，设一个中心站，它播发高精度的时间信息，所有网内的用户依照此标准时钟来控制同步定时，达到收、发双方同步。采用这种方法进行跳频同步，需要事先约定所采用的跳频图案和频率表；或需通过其它方式将跳频图案情息通知网内用户。另外，该方法需要一个精度极高的标准时钟，否则不能实现跳频通信。
上述几种基本的同步信息传递方法各有利弊，独立信道法需要专门的信道来传送同步信息，占用额外的频率资源和信号功率。另外，其同步信息传送方式不隐蔽，易于被敌方发现和干扰。其优点是传送的同步信息量大，同步建立的时间短，并能不断地传送同步信息，可保持系统的长时间同步。
同步字头法虽然不需专门的同步信息信道而是利用通信信道来传送同步信息，但同步信息传送使用同步频率，为了使同步信息隐蔽，应采用尽量短的同步字头，但是同步字头太短又影响传送的同步信息量的多少，需折衷考虑。采用同步字头法的跳频系统为了能保持系统的长时间同步，还需在通信过程中，插入一定的同步信息码字。
参考时钟法通过中心站，可以保证收发双方时间的同步。但对中心站过于依赖，实际使用受限，一旦中心站点损坏，时间不能对准，跳频通信就会出现瘫痪。
在跳频同步的三种方法中，独立信道法和参考时钟法因为需要额外的信道或时钟，使用受到了限制。而同步字头法不依赖外部条件，可以利用同步字头实现时间一致和跳频同步，因此得到了广泛应用。
在利用同步字头法实现跳频同步时，同步信息必须包含TOD信息。为了实现时间的完全同步，需传送完整的TOD信息。TOD信息很长，包括年、月、日、时、分、秒、毫秒等信息，同时，考虑到TOD信息的重要性，往往采取纠错编码、相关编码或大数判决方法，这也就更加增大了TOD信息的长度。
目前常用的传输TOD信息的方法有两种，一种是传输完整的TOD信息，另一种是只传输部分TOD信息，忽略掉TOD高位信息。第一种方法传输完整的TOD信息，数据很多，占用的同步频率多，同步频率暴露的可能性增大，降低了通信的隐蔽性。而为了保证同步频率的安全和隐蔽性，可采用第二种方法，只传输部分TOD信息，但这样接收端就不能得到完整的TOD信息，只能使用有限的TOD信息，不能实现接发两端时间的完全同步，容易出现时钟偏移和TOD高位错开。
发明内容
本发明提供一种利用跳频同步码实现时间同步的方法，用以解决现有技术中存在要么TOD信息数据很多，占用的同步频率多，通信的隐蔽性不高，要么不能实现接发两端时间的完全同步，容易出现时钟偏移和TOD高位错开问题。
为达上述目的，本发明提供了一种利用跳频同步码实现时间同步的方法，所述方法包括以下步骤：
设置频率更新时间，根据频率更新时间，将实时时间信息分为高位信息和低位信息；
发送端发送包含所述发送端高位信息的同步码跳和包含所述发送端低位信息的TOD跳；
接收端根据所述同步码跳，调整所述接收端的高位信息，根据所述TOD跳，调整所述接收端的低位信息，实现与所述发送端时间同步。
进一步，所述实时时间信息包括年、月、日、时、分、秒和毫秒，其中，所述低位信息包括毫秒和秒的低四位，所述高位信息包括年、月、日、时、分和秒的高两位。
进一步，所述频率更新时间为15秒。
进一步，所述同步码跳共20跳，以4个频率循环5次发送；其中，4个频率根据所述发送端的高位信息生成，分别对应4个序号。
进一步，每经过一个频率更新时间，更新4个频率中的一个，并且，更新后的4个频率重新与4个序号一一对应。
进一步，所述接收端以设定时间更新扫描频率，与所述发送端进行同步；所述扫描频率由所述接收端的高位信息生成，分别对应4个序号。
进一步，当所述接收端的扫描频率与所述同步码跳的频率相同时，获取所述接收端的扫描频率对应的序号与所述同步码跳的频率对应的序号之差，则所述接收端的高位信息与所述发送端的高位信息相差的时间为该差值与所述频率更新时间的乘积，调整所述接收端的时间超前或滞后该乘积时间，即实现所述接收端与所述发送端高位信息的同步。
进一步，根据所述TOD跳，调整所述接收端的低位信息，具体为：
用所述TOD跳包含的所述发送端的低位信息替换所述接收端的低位信息。
进一步，所述TOD跳共有5跳，5跳分别采用五种不同的频率发送，5跳TOD跳传输相同的内容。
进一步，所述5跳TOD跳的频率更新时间和同步码跳相同。
本发明有益效果如下：
本发明传输的TOD信息短，占用同步频少，同步频率暴露的可能性小，提高了安全性。并且实现了接发两端时间的完全同步，避免出现时钟偏移和TOD高位错开。
附图说明
图1为本发明实施例一种利用跳频同步码实现时间同步的方法的流程图；
图2为本发明实施例一种TOD信息格式的示意图；
图3为本发明实施例一种跳频格式的示意图；
图4为本发明实施例一种同步码跳格式的示意图；
图5为本发明实施例一种跳频同步过程的示意图；
图6为本发明实施例一种时间与同步频率关系图；
图7为本发明实施例一种TOD跳信息格式的示意图。
具体实施方式
以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
如图1所示，本发明使用同步字头法实现跳频同步，核心思想是通过将实时时间信息分为高位信息和低位信息，分成两部分进行时间同步，即高位信息的同步和低位信息的同步。高位信息的同步是通过获取发送端的高位信息和接收端的高位信息的时间差来进行同步；而低位信息同步则通过用发送端的低位信息替换接收端的低位信息来进行同步；发送端的高位信息和接收端的高位信息的时间差为发送端的高位信息与接收端的高位信息相差的频率更新时间的倍数与频率更新时间的乘积。
具体同步过程为：发送端发送包含发送端高位信息的同步码跳和包含发送端低位信息的TOD跳；接收端接收所述同步码跳和TOD跳，分别调整接收端的高位信息和低位信息，即：根据同步码跳，调整所述接收端的高位信息，根据所述TOD跳，调整所述接收端的低位信息，实现与所述发送端时间同步。
实时时间信息包含年、月、日、时、分、秒和毫秒；高位信息和低位信息的划分，是根据频率更新时间。如果频率更新时间为1分钟，则分钟以下的时间信息为低位信息，分钟(含分钟)以上的时间信息为高位信息，以此类推。
由于发送端的高位信息和接收端的高位信息的时间差为发送端的高位信息与接收端的高位信息相差的频率更新时间的倍数与频率更新时间的乘积，因此，高位信息和低位信息是根据频率更新时间进行划分。也就是说，时间的同步首先是计算高位信息相差几倍的频率更新时间，进行高位信息同步，然后通过低位信息同步，将具体的时间差进行同步。例如：当频率更新时间为20秒时，则获取发送端的高位信息和接收端的高位信息相差几倍的频率更新时间(20秒)，然后，调整接收端的时钟，进行高位信息的时间同步。由于该倍数通常是整数，而接收端和发送端的时间差通常都不是20的整倍数，因此，具体涉及20秒以内的时间差时(在一个频率更新时间范围内)，需要低位信息进行同步，用发送端的低位信息直接替换接收端的低位信息，即实现时间的同步。
由上述分析可知，高位信息是通过计算发送端和接收端相差的频率更新时间倍数来进行时间的同步，因此，高位信息的同步受频率更新时间限制，其只能在频率更新时间4倍范围内进行时间的同步。例如，频率更新时间为20秒，发送端和接收端的时间差小于80秒才能进行同步，如果大于80秒，则无法进行同步，或者，即使同步，也存在错误。因此，选择较长的频率更新时间，例如，选择1小时，则接收端和发送端时间相差4小时以内，都可以完成同步。但是频率更新慢，容易被敌方发现和干扰，不容易隐蔽。选择较短的频率更新时间，例如，选择1秒，接收端和发送端时间相差必须在4秒钟以内，才能完成同步。此时时间同步的范围小，但是频率更新快，不容易被敌方发现和干扰，容易隐蔽。
下面以具体实例进行详细说明：
跳频速度设定为1000跳/秒，数据速率设定为32kbps。TOD信息精确到毫秒，共48位，包含年、月、日、时、分、秒和毫秒，格式如图2所示。低位信息共14位，包括毫秒和秒的低四位，剩余的为高位信息，共34位。
发送端每一跳的时间为1毫秒，每一跳包含数据32位。根据传输内容的不同，可分为同步字头跳和数据跳，同步字头跳又包含同步码跳和TOD跳，如图3所示。同步码跳共有20跳，循环使用四个频率，这四个频率由TOD高位参与生成(本发明不具体涉及频率生成的方法，因此不再详述，需要指出的是，任何根据本地时钟时间生成频率的方法都可以)，设定频率更新时间为：每15秒钟变换一个频率。TOD跳共有5跳，分别使用频率fI、fII、fIII、fIV、fV，15秒更换一个频率。
同步码跳共20跳，在4个频率循环5次发送。每一个循环的格式如图4所示，包含7位引导位、两个12位相关码和一个保留位。两个12位相关码设计为不同的序号，分别为00、01、10、11，不同的序号代表了每一跳在循环中的位置，例如00就代表是循环中的第一跳。
同步码跳的频率每15秒更新一个，当同步码跳使用的频率更新时，同步码跳序号和频率的对应关系也相应更新，即：在不同的时刻，每个序号对应不同的频率。如表1所示，在通信的开始时刻，序号00对应频率f1，15秒后序号00对应频率f2，30秒后则对应频率f3，……。
表1：跳频序号和频率对应表
![]()
![]()
由于同步码跳的频率与TOD信息高位有关，因此，表1的对应关系实际由TOD信息高位确定。当收发双方的TOD高位不同时，这种对应关系就不同，根据对应关系的不同就可以判断出接收端和发送端在TOD信息高位的差异。
在接收端，跳频初始同步时采用慢扫描方式，5毫秒更换一个频率，扫描频率使用接收端同步码跳频率。考虑到发送端和接收端时差的影响，同步码跳频率可能会有不同，但只要保证一个频率重合，就可以完成收发双方的同步。如图5所示，发送端的同步码跳频率为f3、f4、f5和f6，接收端的同步码跳频率为f1、f2、f3、f4，当扫描到频率f3时，接收端收到同步信息，完成初始同步。
如图6所示，在初始同步时刻，发送端同步码跳序号00对应的频率为f4，而接收端同步码跳序号00对应的频率为f2，序号10对应的频率为f4，从对应关系可以看出，发送端超前，接收端滞后，时间差为两个时间段，即30秒。接收方检测到这个差别后，可在自己的时钟进行调整，在TOD信息高位加上30秒的时间。调整时间时，需要考虑高位进位，由于TOD信息包含年、月、日等信息，需要逐级进位，在日进位时，还要考虑润月的影响。所有的进位完成后，时间调整即刻完成，此时收发双方TOD信息高34位已经同步。
TOD信息的低14位信息的同步，依靠TOD跳的接收来完成，TOD的格式如图7所示：共有5跳，分别使用频率fI、fII、fIII、fIV、fV，15秒更换一个频率。5跳TOD跳传输相同的内容，每一跳包含7位引导位，8位跳头，14位TOD低位信息，3位保留位。在接收端收到5跳TOD跳后，使用大数判定方法确定TOD低位值，然后用发送端的TOD低14位替换接收端的TOD低14位，保持接收端和发送端TOD低位信息一致。大数判定方法是指：对接收的五个低位信息时间进行比较，相同时间最多的时间认定为发送端发送的低位信息。这样设置的目的是，由于信号传输中存在干扰，因此，接收的时间可能存在差异，因此，采用五组频率进行发送，然后在接收的五组时间里选择相同时间最多的时间，则可以保证接收时间的准确性。例如：五组时间里，有三组相同，两组不同，则认定三组相同的时间为发送端发送的低位信息。如果五组时间都不相同，则舍弃该五组时间，重新进行时间同步。
TOD高位信息和低位信息分别调整后，接收端和发送端就达到了时间完全同步，在以后的每一次同步跳期间，时间还可以进一步的对准。
在以上时间同步方法中，要求接收端和发送端时间偏差小于60秒，即小于4倍的频率更新时间，才能实现时间可靠同步。接收端和发送端能够实现时间同步的最大时间偏差称为最大可纠正时间偏差，此值可根据用户需要确定。如果需要更大的时间偏差，则需要降低同步频率更新速度；如果需要小一些的时间偏差，则需要加快频率更新速度。最大可纠正时间偏差和频率更新时间的关系为：最大可纠正时间偏差＜频率更新时间*4。
由上述实施例可以看出，本发明具有以下优点：
1、同步频率隐蔽性好。通信中传输的TOD信息短，占用同步频少，同步频率暴露的可能性小。
2、TOD信息可靠。TOD高位信息和同步码跳中的序号关联，同步码跳序号使用12位相关码，容错能力强。TOD低位信息连续接收5次，使用大数判断，保证时间信息准确。
3、利用传输的部分TOD信息，在接收端可以还原出完整的TOD信息，实现收发两端的时间的完全同步。
4、最大可纠正时间偏差可以调整，根据不同的应用环境，调整同步频率的更新速度，即可实现最大可纠正时间偏差的调整。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。