跳頻的原理與應(yīng)用

1、跳頻的應(yīng)用與發(fā)展南山電視轉(zhuǎn)播臺(tái)張衛(wèi)東關(guān)鍵字：跳頻，帶寬背景：軍事無(wú)線通信是保障現(xiàn)代作戰(zhàn)指揮的主要通信手段，特別是在對(duì)飛機(jī)、艦艇，坦克等運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行指揮時(shí)，是唯一的通信手段，在我軍信息化建設(shè)中占有十分重要的地位。隨著通信領(lǐng)域的電波斗爭(zhēng)愈演愈烈，慣用的定頻通信受到了嚴(yán)重威脅。為了保證己方正?？煽康耐ㄐ?，一種抗干擾的通信體制一渦瀕通信系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。如果軍事無(wú)線通信裝備不 采用抗干擾措施，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的大規(guī)模對(duì)抗環(huán)境條件下，就會(huì)出現(xiàn)通信中斷、指揮失靈，從而陷入被動(dòng)挨打的局面，最近的幾次戰(zhàn)爭(zhēng)中的高科技電子戰(zhàn)已經(jīng)證明了這一點(diǎn)?？梢哉f(shuō)，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，如果無(wú)線通信裝備不采用抗干擾措施，就沒(méi)有生存能力。西方國(guó)家早

2、在20世紀(jì)50年代就開(kāi)始進(jìn)行了一系列的抗干擾通信體制和抗干擾技術(shù)的理 論研究工作。到了 20世紀(jì)80年代初期，大部分抗干擾技術(shù)都已經(jīng)陸續(xù)應(yīng)用于新的通信裝備 和系統(tǒng)中，而且還在不斷地改進(jìn)和完善。跳頻通信是現(xiàn)代軍事無(wú)線通信抗干擾的主要手段， 對(duì)于在惡劣的電磁環(huán)境中保障我軍暢通的通信指揮，具有重大的軍事意義。一跳頻原理與應(yīng)用跳頻（FH ）是一種無(wú)線通信中最常用的擴(kuò)頻方式。工作原理是收發(fā)雙方傳輸信號(hào)的載 波頻率按照預(yù)定規(guī)律（一組偽隨機(jī)碼PN，Pseudo-Noise）進(jìn)行離散變化，通信中使用的載波頻率受偽隨機(jī)碼的控制而隨機(jī)跳變。從通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式來(lái)說(shuō)，跳頻是一種用碼序列進(jìn)行多頻頻移鍵控的通信方式；從

3、時(shí)域上來(lái)看，跳頻信號(hào)是一個(gè)多頻率的頻移鍵控信號(hào)；從頻域上來(lái)看，跳頻信號(hào)是一個(gè)在很寬頻帶上以不等間隔隨機(jī)跳變的信號(hào)。因此，跳頻通信在某一特定頻點(diǎn)上仍為普通調(diào)制技術(shù)。跳頻系統(tǒng)根據(jù)頻率變化的快慢，通常分為快跳頻和慢跳頻。 目前在軍事領(lǐng)域廣泛應(yīng)用了快跳頻通信技術(shù)。隨著電子對(duì)抗的加劇，在快跳頻的基礎(chǔ)上， 產(chǎn)生了自適應(yīng)跳頻，進(jìn)一步提高抗截獲和抗干擾目的。慢跳頻則主要應(yīng)用于民用領(lǐng)域。1.1.跳頻技術(shù)原理跳頻系統(tǒng)的原圖及跳頻信號(hào)數(shù)學(xué)描述：跳頻系統(tǒng)的簡(jiǎn)單原理圖如圖1-1所示其數(shù)學(xué)模型如（1-1）。在發(fā)送端，輸入信息碼序列進(jìn)行基帶調(diào)制得到寬度為Bm的調(diào)制信號(hào)m t。獨(dú)立產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼序列作為跳頻序列去控制頻率合成

4、器，使其輸出頻率按不同的跳頻圖案或指令隨機(jī)跳躍地變化。調(diào)制信號(hào)m（t）對(duì)隨機(jī)載頻進(jìn)行調(diào)制，得到跳頻信號(hào)S1 t，可表示為：S1 t 二 m t cos 於沖汕 n丁 t1 亠（1-1）Cos( 0+g )t+ ® n頻率合成器Si(t)m(t)偽碼發(fā)生器時(shí)鐘信碼I震蕩器圖1-1跳頻系統(tǒng)的簡(jiǎn)單原理圖Bc與調(diào)制信號(hào)的關(guān)系其中跳頻頻率間隔一般取為=2二/T，因此，跳頻信號(hào)帶寬為為Bc二nBm，其中，n為形頻頻率集頻率個(gè)數(shù)(頻率集中頻率連續(xù)正交情況時(shí) )。(注:跳須信號(hào)帶寬為Bc是跳頻信號(hào)所占的頻帶寬度，和頻率集中的取有關(guān)，不一定是連續(xù)取，一般是 隨機(jī)間隔的選取)Si t在信道上與其他地址信

5、號(hào)St、噪聲nt以及于擾信號(hào)J t組合后進(jìn)入接收機(jī)的信號(hào)S t為：kS t = Si t工 Sj t J t nt( 1-2)j =2在按收端，為了對(duì)輸入信號(hào)解跳，需要有與發(fā)端相同的本地偽碼發(fā)生器生成的跳頻指令 去控制本地頻率合成器，使其輸出的本振信號(hào)頻率隨發(fā)方頻率相應(yīng)地跳變，跳變的本振信號(hào)對(duì)接收到的跳頻信號(hào)進(jìn)行變頻，再通過(guò)低通濾波器，實(shí)現(xiàn)解跳，得到調(diào)制信號(hào)m(t)。圖1-2中Sp(t)可表示為：- k1Sp(t )=戶1 (tSj(t )十 J (t )十n (t ) cos 何0 十n¥+®n ) ( 1-3)- j三_經(jīng)低通濾波器后，可得1S12 tm t( 1-4)

6、2最后經(jīng)基帶解調(diào)，得到原始信息，帶寬也由跳頻信號(hào)Bc恢復(fù)為調(diào)制信號(hào)寬 Bm。按跳頻時(shí)隙大小和時(shí)隙中信號(hào)碼元的多少，可分為慢跳頻，快跳頻，還有根據(jù)信息決定跳頻頻率的差分跳頻。當(dāng)跳頻速率低于信息比特率時(shí)，即連續(xù)幾個(gè)信息比特跳頻一次時(shí)，稱為慢跳頻。高于或等于信息比特率時(shí)，即每個(gè)信息比特跳頻一次以上時(shí)，稱為快跳頻。跳頻方式應(yīng)根據(jù)跳頻信號(hào)的特點(diǎn)進(jìn)行選擇。噪聲n(t)干擾J(t)圖1-2 跳頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)圖頻隙：跳頻信號(hào)在每一跳時(shí)間內(nèi)占據(jù)的一段頻率叫一個(gè)頻隙。頻隙帶寬：頻隙的寬度。它一般等于基帶信號(hào)帶寬的2倍。跳頻帶寬：跳頻信號(hào)占據(jù)的頻率寬度。它由頻隙帶寬、頻隙數(shù)目、頻隙排列方式即跳頻頻率集的配置決定。若調(diào)制

7、信號(hào)的碼元速率為1/T，根據(jù)奈奎斯特第一準(zhǔn)則，帶信號(hào)帶寬應(yīng)為1/(2T)(不考慮滾降)，調(diào)制信號(hào)帶寬應(yīng)為1/T,頻隙帶寬為1/T,為了盡可能減少鄰近干擾，跳 頻頻率間隔應(yīng)選擇為 1/T,這樣，頻率fi的譜狀零值正好處于 fi + 1/T的峰值處，構(gòu)成了頻率 的正交關(guān)系(即正交頻率配置)，因此，若頻隙數(shù)為 N，則跳頻信號(hào)帶寬等于 N*(1/T)。跳頻速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，載頻跳變的次數(shù)。若要求單位時(shí)間內(nèi)無(wú)重復(fù)跳頻，則跳頻速率最大不能超過(guò)頻率集中的頻隙數(shù)，若為正交配置，若可用帶寬最大為BWFN，頻隙帶寬為BWSL,則最大速率為 BWFH/BWSL。漢明相關(guān)，分為自相關(guān)和互相關(guān)。自相關(guān)是指頻隙集合A上的

8、某一跳頻序，在相對(duì)時(shí)延為.時(shí)的相關(guān)系數(shù)，互相關(guān)指指頻隙集合A上的兩個(gè)跳頻序列，在相對(duì)時(shí)延為.時(shí)的相關(guān)系數(shù)。該參數(shù)表示了系統(tǒng)內(nèi)用戶碰撞的概率。在這些參數(shù)中，起決定作用的是調(diào)制信號(hào)帶寬、頻率率置方式和系統(tǒng)可用帶寬。選擇合適的調(diào)制方式是憂化跳領(lǐng)系統(tǒng)性能的首要因素。二跳頻通信的應(yīng)用與發(fā)展1.跳頻通信在軍事通信中的應(yīng)用與發(fā)展跳頻通信自問(wèn)世以來(lái)之所以如此迅猛發(fā)展，這主要得益于跳頻通信本身所具備的突出優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)又能符合現(xiàn)代信息戰(zhàn)條件下電子對(duì)抗的要求。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)表明，跳頻電臺(tái)在通信中發(fā)揮了突出的作用。目前，跳頻系統(tǒng)的跳速維持在如下水平：短波電臺(tái)一一100跳/秒，超短波電臺(tái)一一500跳/秒。但每秒千跳以上的跳

9、頻電臺(tái)也已問(wèn)世?？梢詷?lè)觀地預(yù)測(cè)，到了 21 世紀(jì)，跳頻電臺(tái)的跳速可發(fā)展到每秒幾萬(wàn)跳，甚至每秒百萬(wàn)跳。跳頻帶寬一般可工作 到全頻段。 跳頻頻率集雖然目前已達(dá)到 300 個(gè)的水平， 但上萬(wàn)個(gè)頻率集的跳頻系統(tǒng)也已研制 出來(lái)。 跳頻系統(tǒng)的同步時(shí)間目前已達(dá)到幾百毫秒的數(shù)量級(jí)，今后必定越來(lái)越短。因?yàn)椋?同步 建立時(shí)間越短，信息被敵方發(fā)現(xiàn)、截獲和測(cè)向的概率就越低，通信的隱蔽性越好 當(dāng)然，通信干擾與反干擾是一對(duì)矛盾，它們互相制約，但又互相促進(jìn)發(fā)展。 跳頻通信并不懼怕單頻干擾和多頻干擾， 但跟蹤式干擾是跳頻通信的 “天敵 ”。跟蹤 式干擾的步驟是：偵聽(tīng)、處理、施放干擾。當(dāng)本方截獲到敵方的跳頻圖案后，迅速地以同樣

10、 的跳頻圖案施放干擾， 由于兩個(gè)跳頻圖案的矢量迭加必然帶來(lái)接收方的一片盲然， 致使敵方 無(wú)法達(dá)成正常的跳頻通信。據(jù)報(bào)載，國(guó)外已有能同時(shí)監(jiān)視 80 個(gè)相鄰信道，掃描搜索速度為 80,000 信道 /秒的偵察接收機(jī)問(wèn)世，這種偵察接收機(jī)的截獲跳頻圖案的概率幾乎達(dá)到100。這是迄今為止對(duì)付跳頻通信最理想的反干擾手段。 為了對(duì)付跟蹤式干擾， 人們總是希望盡可 能縮短跳頻信號(hào)的駐留時(shí)間， 使偵察接收機(jī)無(wú)可乘之機(jī)。 這就要求跳頻系統(tǒng)的跳速盡可能快。 基于這方面考慮，目前世界各國(guó)競(jìng)先研制快速跳頻通信裝備 另外，跳頻系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展又受到元器件、編解碼技術(shù)等因素的制約。 目前， 跳頻 速率尚未達(dá)到每秒 5000

11、跳。若達(dá)到這個(gè)水平， 則目前的跟蹤式干擾機(jī)便無(wú)能為力了。 為此， 跳頻通信將向以下兩個(gè)方面發(fā)展： 一個(gè)是跳頻與直接序列擴(kuò)頻混合使用方式， 另一個(gè)是跳頻 與直接序列擴(kuò)頻、跳時(shí)三者混合使用方式。這樣可以優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，共同發(fā)展2. 跳頻通信在民用通信中的應(yīng)用與發(fā)展90 年代以來(lái)，跳頻通信在軍事通信領(lǐng)域的應(yīng)用中取得巨大成就的基礎(chǔ)上，又開(kāi)始 向民用通信領(lǐng)域進(jìn)軍。原因有二：一是 “無(wú)線革命 ”的興起。數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信、個(gè)人通信、 室內(nèi)無(wú)線通信等新興通信方式，要求解決頻帶擁擠問(wèn)題，由于跳頻通信的頻譜利用率較高， 因此， 人們自然就考慮到采用跳頻通信來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。 二是市場(chǎng)需求的推動(dòng)。 采用新的通 信技術(shù)不僅出

12、于占有國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的考慮，也是為了爭(zhēng)取國(guó)外市場(chǎng)。2.1 在移動(dòng)通信領(lǐng)域，擴(kuò)容乃當(dāng)務(wù)之急。跳頻或擴(kuò)頻碼分多址技術(shù)的增容潛力無(wú)比強(qiáng)大。據(jù)專家估算，采用跳頻或擴(kuò)頻碼分技術(shù)后，目前的容量可提高2 0倍。這是一個(gè)十分驚人的數(shù)字。為此，許多專家學(xué)者紛紛倡導(dǎo)采用跳頻或擴(kuò)頻碼分多址技術(shù)來(lái)解決擴(kuò)容問(wèn)題。 在有線通信領(lǐng)域， 考慮到一方面擴(kuò)建需要巨大的投資， 另一方面， 無(wú)線個(gè)人通信又 可作為有線通信網(wǎng)的應(yīng)急手段， 因此， 跳頻也是一條值得通信系統(tǒng)建設(shè)考慮的途徑。 如果采 用跳頻通信，可以預(yù)見(jiàn)未來(lái)會(huì)有 “無(wú)線城市 ”和“無(wú)線辦公室 ”的不斷涌現(xiàn)。另外，加強(qiáng)在光纖 通信中應(yīng)用跳頻技術(shù)的研究，也是跳頻技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向。在

13、一些要求信息保密的部門(mén)或場(chǎng)所，如公安部門(mén)、安全部門(mén)、政法部門(mén)、證券市場(chǎng)等， 采用跳頻通信作為其內(nèi)部通信， 則可以起到保密信息的作用， 原因是跳頻通信被截獲的概率 很低。在廣播領(lǐng)域，原先的一個(gè)調(diào)頻電臺(tái)只能傳送一個(gè)單聲道和一個(gè)立體聲節(jié)目，采用跳頻 技術(shù)后，則可傳送 75個(gè)立體聲調(diào)頻節(jié)目，而且是數(shù)字信號(hào)。2.2 跳頻通信在電力載波通信中應(yīng)用具有很強(qiáng)的適用性： 適應(yīng)電力線的強(qiáng)干擾環(huán)境。低壓配電網(wǎng)噪聲干擾強(qiáng)，并且噪聲不是分布在所有頻段內(nèi)， 可用信道是變化的，跳頻技術(shù)恰好可以滿足這一需要。適應(yīng)低壓配電網(wǎng)頻率選擇性衰減。 低壓配電網(wǎng)負(fù)載復(fù)雜， 且具有時(shí)變性， 各種干擾和信 道特性均無(wú)法 “長(zhǎng)期 ”預(yù)測(cè)。跳頻系統(tǒng)則可以根據(jù)預(yù)設(shè)跳頻圖案，自動(dòng)切換載波頻率，避開(kāi)干 擾源頻點(diǎn)， 同時(shí)也可以根據(jù)信道估計(jì)的結(jié)果， 通過(guò)自適應(yīng)跳頻，選擇適宜信道，實(shí)現(xiàn)可靠通 信?？梢钥闯?。相對(duì) FSK、 OFDM 、Chirp 等通信系統(tǒng)，跳頻系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)： 普通跳頻系統(tǒng)只需在常規(guī)調(diào)制方式中增加載頻跳力，實(shí)現(xiàn)設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單。 跳頻系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗干擾能力，并對(duì)頻率性衰減有抑制作用。 可以多址工作，無(wú) ICI 和 ISI 干擾。 跳頻序列的擴(kuò)頻碼跳變速率較低，易于實(shí)現(xiàn)。跳頻技術(shù)在低壓配電網(wǎng)電力線載波通 信中的應(yīng)用不僅是新的技術(shù)增長(zhǎng)點(diǎn)， 而且在網(wǎng)絡(luò)安全日益重要的今天， 該技術(shù)將起到不可替