跳頻通信及其應用

應跳頻通信技術(shù)，最后介紹了跳頻技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中的應用。

應 無(wú)線(xiàn)通信

跳頻通信

跳頻是最常用的擴頻方式之一，其工作原理是指收發(fā)雙方傳輸信號的載波頻率按照預定規律進(jìn)行離散變化的通信方式，也就是說(shuō)，通信中使用的載波頻率受偽隨機變化碼的控制而隨機跳變。從通信技術(shù)的實(shí)現方式來(lái)說(shuō)，“跳頻”是一種用碼序列進(jìn)行多頻移鍵控的通信方式，也是一種碼控載頻跳變的通信系統。從時(shí)域上來(lái)看，跳頻信號是一個(gè)多頻率的頻移鍵控信號；從頻域上來(lái)看，跳頻信號的頻譜是一個(gè)在很寬頻帶上以不等間隔隨機跳變的。圖1給出了跳頻通信系統單端示意圖，其中：跳頻控制器為核心部件，包括跳頻圖案產(chǎn)生、同步、自適應控制等功能；頻合器在跳頻控制器的控制下合成所需頻率；數據終端包含對數據進(jìn)行差錯誤控制。

與定頻通信相比，跳頻通信比較隱蔽也難以被截獲。只要對方不清楚載頻跳變的規律，就很難截獲我方的通信內容。同時(shí)，跳頻通信也具有良好的抗干擾能力，即使有部分頻點(diǎn)被干擾，仍然在其他未被干擾的頻點(diǎn)上進(jìn)行正常的通信。由于跳頻通信系統是瞬時(shí)窄帶系統，它易于與其他的窄帶通信系統兼容，也就是說(shuō)，跳頻電臺可以與常規的窄帶電臺互通，有利于設備的更新。

通信收發(fā)雙方的跳頻圖案是事先約好的，同步地按照跳頻圖案進(jìn)行跳變。這種跳頻方式稱(chēng)為常規跳頻（Normal FH）。隨著(zhù)現代戰爭中的電子對抗越演越烈，在常規跳頻的基礎上又提出了自適應跳頻。它增加了頻率自適應控制和功率自適應控制兩方面。

關(guān)鍵技術(shù)

跳頻圖案

在跳頻通信中，跳頻圖案反映了通信雙方的信號載波頻率的規律，保證了通信方發(fā)頻率有規律可循，但又不易被對方所發(fā)現。常用的跳頻碼序列是基于m序列、M序列、RS碼等設計的偽隨機序列。這些偽隨機碼序列通過(guò)移位寄存器為反饋結構來(lái)實(shí)現，結構簡(jiǎn)單，性能穩定，能夠較快實(shí)現同步。它們可以實(shí)現較長(cháng)的周期，漢明相關(guān)特性也比較好，但是當存在人為的故意干擾（如預測碼序列后進(jìn)行的跟蹤干擾）時(shí)，這些序列的抗干擾能力較差。

在90年代初，出現了基于模糊（Fuzzy）規則的跳頻圖案產(chǎn)生器。在這種系統中，由模糊規則、初始條件以及采樣模式共同來(lái)決定系統的輸出序列。只要竊聽(tīng)者不知道模糊規則、初始條件、采樣模式三者的任何一個(gè)，就無(wú)法預測到系統的輸出頻率，由此就提高了系統的抗竊聽(tīng)能力和抗干擾能力。模糊跳頻給出的跳頻碼序列與傳統的跳頻碼序列相比更加均勻，也更難預測。

90年代末有人提出了混沌(chaotic)跳頻序列。其基本思想是通過(guò)混沌系統的符號序列來(lái)生成跳頻序列。在這個(gè)混沌系統中要確定一個(gè)非線(xiàn)性的映射關(guān)系、初始條件和混沌規則，三者唯一確定一個(gè)輸出序列。由此確定的混沌跳頻序列體現了良好的均勻性，低截獲概率，良好的漢明相關(guān)特性以及具有理想的線(xiàn)性范圍。

同步技術(shù)

與一般的數字通信系統一樣，跳頻系統要求實(shí)現載波同步、位同步、幀同步。此外，由于跳頻系統的載頻按偽隨機序列變化，為了實(shí)現電臺間的正常通信，收發(fā)信機必須在同一時(shí)間跳變到同一頻率，因此跳頻系統還要求實(shí)現跳頻圖案同步。跳頻系統對同步有兩個(gè)基本要求：一是同步速度快，二是同步能力強。目前跳頻電臺的同步方法有精確時(shí)鐘法、同步字頭法、自同步法、FFT捕獲法、自回歸譜估計法等等。在實(shí)際應用中，同步方案常常綜合使用多種同步方法。例如戰術(shù)跳頻系統中常用掃描駐留同步法，綜合使用了精確時(shí)鐘法、同步字頭法、自同步法三種同步方法，分成掃描和駐留兩個(gè)階段進(jìn)行。掃描階段完成同步頭頻率的捕獲，駐留階段從同步頭中提取同步信息，從而完成收發(fā)雙方的同步。

在自適應跳頻中，同步還包括收發(fā)雙方頻率集更新的同步，保證雙方同步地實(shí)現壞頻點(diǎn)替代，否則會(huì )使收發(fā)方頻率表不一致，導致通信失敗。

頻合器

頻合器是跳頻通信系統中的關(guān)鍵部分，目前大多數跳頻電臺中使用的頻率合成器采用的是鎖相環(huán)（PLL）頻率合成技術(shù)，但是該技術(shù)的頻率轉換速率已經(jīng)接近其極限，要進(jìn)一步改善的技術(shù)難度越來(lái)越大，而且分辨率較低。為了能夠進(jìn)一步提高跳頻速率，提出了直接式數字頻合器（DDS）。它采用全數字技術(shù)，具有頻率分辨率高，頻率轉換時(shí)間快，輸出頻率可以很高而且穩定性好，相位噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，可滿(mǎn)足快速跳頻電臺對頻率合成器的要求。例如在美國的JTIDS中，跳速達到每秒35800跳，只有采用直接數字頻合順才能實(shí)現。但是DDS的價(jià)格昂貴，復雜度大，直接用于戰術(shù)跳頻電臺有一定的難度。如果采用DDS+PLL的方法，結合兩者的長(cháng)處，可以獲得單一技術(shù)難以達到的效果。

差錯控制技術(shù)

在跳頻系統中，即使在信道條件良好的情況下，仍有可能在少數跳中出現錯誤，因此有必要進(jìn)行差錯控制。差錯控制的方法主要分為兩類(lèi)：一是自動(dòng)請求重發(fā)糾錯（ARQ）技術(shù)；二是采用前向糾錯（FFC）技術(shù)。

ARQ技術(shù)可以很好的對付隨機錯誤和突發(fā)錯誤，它要求有反饋電路，當信道條件不好時(shí)，需要頻繁的重發(fā)，最終可能導致通信失敗。

FEC技術(shù)不需要反饋電路，但是需要大量的信號冗余度以實(shí)現優(yōu)良的糾錯，從而會(huì )降低信道效率。由于糾錯碼對突發(fā)錯誤的糾錯能力較差，而通過(guò)交織技術(shù)可以使信道中的錯誤隨機化，因此，經(jīng)常要用編碼與交織技術(shù)相結合的辦法來(lái)獲得良好的糾錯性能。

在跳頻系統中的常用的糾錯編碼技術(shù)有漢明碼、BCH碼、trellis碼、RS碼、Golay碼、卷積碼和硬判決譯碼、軟判決譯碼等。1993年提出了TURBO碼，其信噪比接近于Shannon極限，引起了人們的極大興趣。與RS碼等常用的跳頻編碼相比，TURBO碼在跳頻系統中顯示了極大的應用潛能。此外，還可以把不同的編碼方法結合在一起，取長(cháng)補短，進(jìn)行聯(lián)合編碼。在快跳頻方式下，還可以運用重發(fā)大數判決來(lái)克服跳頻頻段內的快衰落。

組網(wǎng)

跳頻電臺在實(shí)際應用中通常要組成跳頻通信網(wǎng)，以實(shí)現網(wǎng)中的任何兩個(gè)通信終端均能夠做到點(diǎn)到點(diǎn)的正常通信。組網(wǎng)除了要避免近端對遠端的干擾、碼間干擾、電磁干擾等其它干擾以及由系統引起的熱噪聲等噪聲干擾以外，還要注意避免由組網(wǎng)引起的同道干擾、鄰道干擾、互調干擾、阻塞干擾等。采用跳頻的多址通信網(wǎng)具有很多優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強，低截獲概率，低檢測概率，對頻率選擇性衰落有很好的抑制作用等等。但是，與常用的DS/CDMA系統相比，跳頻網(wǎng)的最大用戶(hù)數相對較小。

跳頻通信網(wǎng)可以分為同步通信網(wǎng)和異步通信網(wǎng)。跳頻通信網(wǎng)有多種組網(wǎng)方式，如分頻段跳頻組網(wǎng)方式、全頻段正交跳頻組網(wǎng)方式等。在分頻段跳頻組網(wǎng)方式中，系統把整個(gè)頻段分成若干個(gè)子頻段，不同的通信鏈路采用不同的子頻段進(jìn)行通信，從而有效地防止同一通信網(wǎng)間的干擾。全頻段正交跳頻組網(wǎng)方式僅用于同步跳頻通信網(wǎng)中，也就是說(shuō)整個(gè)通信中只有一個(gè)基準時(shí)鐘，通過(guò)設計在某一相同時(shí)刻t的N個(gè)相互正交的跳頻頻率序列來(lái)進(jìn)行組網(wǎng)，這樣盡管各個(gè)終端間的通信均使用相同頻段，但是由于瞬時(shí)的跳頻頻率點(diǎn)不相同，因此可保證它們之間不會(huì )出現同頻道干擾。自適應跳頻通信系統中，由于在通信過(guò)程中會(huì )去除那些通信條件惡劣的信道，因此頻率更新后可能全出現同頻道干擾現象，故必須設計一種良好的頻點(diǎn)更新算法，保證更新后的跳頻序列之間依然是正交的，否則可能會(huì )使各通信節點(diǎn)之間頻敏出現頻率碰撞，導致無(wú)法正常通信。實(shí)際應用中也可以把以上兩種組網(wǎng)方式結合進(jìn)行。例如英國Recal Tacticom公司的Jaguar系列電臺在組網(wǎng)中就同時(shí)采用了這兩種組網(wǎng)方式，可組網(wǎng)數目達到200-300個(gè)。

除了以上這些關(guān)鍵技術(shù)以外，調制解調方法在跳頻系統中也很重要，可以采用FSK、QAM、QPSK、QASK、DPSK、QPR、數字chirp調制等多種調制方式。

自適應技術(shù)

自適應跳頻系統是在常規跳頻系統的基礎上，實(shí)時(shí)地去除固定或半固定干擾，從而自適應地自動(dòng)選擇優(yōu)良信道集，進(jìn)行跳頻通信，使通信系統保持良好的通信狀態(tài)。也就是說(shuō)，卻除了要實(shí)現常規跳頻系統的功能之外，還要實(shí)現實(shí)時(shí)的自適應頻率控制和自適應功率控制功能，因此就需要一個(gè)反向信道以傳輸頻率控制和功率控制信息。自適應跳頻系統原理框圖如圖2所示。

頻率自適應

通過(guò)可靠的信道質(zhì)量評估算法，發(fā)現了干擾頻點(diǎn)后，應當在收發(fā)雙方的頻率表中將其刪除，并以好的頻點(diǎn)對它們進(jìn)行替換，以維持頻率表的固定大小。這種檢測和替換是實(shí)時(shí)進(jìn)行的。為增加跳頻信號的隱蔽性和抗破譯能力，跳頻圖案除具有很限的偽隨機性、長(cháng)周期外，各頻率出現次數在長(cháng)時(shí)間內應具有很好的均勻性。在引入自適應頻率替換算法對頻率表進(jìn)行實(shí)時(shí)更新后，為保障系統性能，仍然要求跳頻圖案具有很好的均勻性，所以應當依次用不同的質(zhì)量較好的頻點(diǎn)來(lái)分別替換被干擾的頻點(diǎn)。

收端頻率表的更新會(huì )導致收發(fā)頻率表的不一致性。為了使收發(fā)頻率表同步更新，必須通過(guò)反饋信道將收端的頻率更新信息通知發(fā)方。這種信息的相互交換是一種閉環(huán)控制過(guò)程，需要制定相應的信息交換協(xié)議來(lái)保證頻表可靠的同步更新。衡量協(xié)議有效性的另一個(gè)重要指標便 是頻點(diǎn)去除的速度。在檢測出干擾頻點(diǎn)后，干擾頻點(diǎn)去除的速率越快，對通信的影響越小。

功率自適應

信道質(zhì)量評估的另一個(gè)作用是進(jìn)行自適應功率控制。功率控制就是要把有限的發(fā)送功率最好的分配給各個(gè)跳頻信道，使得各個(gè)信道都能夠以最小發(fā)射機功率實(shí)現正常通信，從而提高跳頻信號的隱蔽性和抗截獲能力。在自適應跳頻系統中，系統檢測每個(gè)信道的通信狀態(tài)，并通過(guò)信道質(zhì)量評估單元中的功率控制算法對每個(gè)跳頻信道單獨進(jìn)行功率控制。

功率控制算法可以基于兩種原則：一是比特誤碼率最小原則，算法為各個(gè)跳頻信道選擇適當的功率，使得接收方收到的數據比特誤碼率達到預定的誤碼門(mén)限；二是等信干比原則，此算法調整各個(gè)跳頻信道的平均功率，使得各個(gè)跳頻信道上的信干比相同，這里的信干比是指各個(gè)跳頻信道上的信號功率/（對應信道上的干擾功率）+（傳輸損耗功率）。這兩種算法的性能差不多。

應用

隨著(zhù)跳頻技術(shù)的不斷發(fā)展，其應用也越來(lái)越廣泛。

戰術(shù)電臺中采用跳頻技術(shù)的主要目的是提高通信的抗干擾能力。早在70年代，就開(kāi)始了對頻系統的研究，現又開(kāi)發(fā)了跳頻在VHF波段（30-300MHz）的低端30-88MHz、UHF波段（300MHz以上）以及HF波段（1.5-30MHz）的應用。隨著(zhù)研究的不斷深入同，跳頻速率和數據數率也越來(lái)越高，現在美國Sanders公司的CHESS高速短波跳頻電臺已經(jīng)實(shí)現了5000跳/秒的跳頻速率，最高數據數率可達到19200bps。此外，CHESS跳頻電臺與一般的跳頻電臺還有所不同，它以DSP為基礎，采用了差動(dòng)跳頻（DFH）技術(shù)。通過(guò)現代數字處理技術(shù)，CHESS跳頻電臺較好解決了短波系統帶寬有限（導致數據速率低的原因）、信號間相互干擾、存在多徑衰落等的問(wèn)題，同時(shí)，它的瞬時(shí)信號帶寬很窄，對其它信號的影響很小?？梢钥吹?，實(shí)現更高跳速、更高數據速率的跳頻電臺正是跳頻通信系統的未來(lái)發(fā)展方向，軟件無(wú)線(xiàn)電的概念也已逐漸應用到新型的跳頻電臺中。

短波自適應跳頻電臺已經(jīng)在當前的軍事通信中占有了很重要的一部分。與VHF/UHF頻段不同，短波信道有許多固有特點(diǎn)，例如，受多徑時(shí)延、幅度衰落、天氣變化等因素的影響，信道條件變化莫測。但是隨著(zhù)各種新技術(shù)的出現，短波通信的可靠性得到了技術(shù)上的保證，而自適應跳頻技術(shù)就是這些新技術(shù)中的一種。它通過(guò)分析波段上的頻率占用率，自動(dòng)搜索無(wú)干擾或未被占用的跳頻信道進(jìn)行跳頻，不僅避免了自然干擾，也不會(huì )受到短波頻譜大量占用的影響。它會(huì )根據需要自動(dòng)地改變跳頻序列，有效的適應惡劣環(huán)境。它在海灣戰爭中體現出的優(yōu)越性引起了各國的高度重視。

在現有的DS/CDMA系統中，遠近效應是一個(gè)很大的問(wèn)題。由于大功率信號只在某個(gè)頻率上產(chǎn)生遠近效應，當載波頻率跳變到另一個(gè)頻率時(shí)則不受影響，因此跳頻系統沒(méi)有明顯的遠近效應，這使得它在移動(dòng)通信中易于得到應用和發(fā)展。在數字蜂窩移動(dòng)通信系統中，如果鏈路間采用相互正交的跳頻圖案同步跳頻，或者采用低互相關(guān)的跳頻圖案異步跳頻，可以使得鏈路間的干擾完全消除或基本消除，對提高系統的容量具有重要意義。此外，跳頻是瞬時(shí)窄帶系統，其頻率分配具有很大的靈活性，在現有頻率資源十分擁擠的條件下，這一點(diǎn)具有重要意義。

跳頻的多址性能對于組網(wǎng)有很重要的意義。加拿大Laval大學(xué)提出了在光纖網(wǎng)絡(luò )中應用局面跳頻技術(shù)。該系統利用Bragg光柵替代傳統跳頻系統中的頻率合成器，跳速達到10G數量級。系統在30個(gè)用戶(hù)，比特誤碼率為10 -9的條件下，數據速率為500Mb/s。與采用非相干DS/CDMA技術(shù)的光纖網(wǎng)絡(luò )相比，同時(shí)有相同數量的用戶(hù)使用時(shí)，FFH/CDMA系統的比特誤碼率明顯優(yōu)于DS/CDMA系統。

此外，跳頻技術(shù)在GSM、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、室內無(wú)線(xiàn)通信、衛星通信、水下通信、雷達、微波等多個(gè)領(lǐng)域也得到廣泛的應用。

由于跳頻系統本身也存在著(zhù)一些缺點(diǎn)和局限，如信號隱蔽性差，抗多頻干擾以及跟蹤式干擾能力有限等，而擴頻的另一種方式直接序列擴頻卻有較好的隱蔽性和抗多頻干擾的能力。把這兩種擴頻技術(shù)結合起來(lái)，就構成了直接序列/跳頻擴展頻譜技術(shù)。它在直接序列擴展頻譜系統的基礎上增加載波頻率跳變的功能，直擴系統所用的偽隨機序列和跳頻系統用的偽隨機跳頻圖案由同一個(gè)偽隨機碼發(fā)生器生成，所以它們在時(shí)間上是相互關(guān)聯(lián)的，使用同一個(gè)時(shí)鐘進(jìn)行時(shí)序控制。意大利Telettra公司的Hydra V電臺是采用了直接序列/跳頻混合擴頻技術(shù)的第一代戰術(shù)電臺。采用了直接序列擴頻DBPSK調制方式，比單獨采用跳頻技術(shù)多獲得9dB的處理增益，從而提高了電臺的抗干擾性能。

結語(yǔ)

跳頻技術(shù)是一種具有高抗干擾性、高抗截獲得能力的擴頻技術(shù)。隨著(zhù)微電子與數字信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展，原先存在的頻率合成器和跳頻同步等難題已經(jīng)解決?，F在它不僅已經(jīng)在軍事通信中大展身手，較好地滿(mǎn)足了現代戰爭提出的電子對抗與反對抗要求，而且在民用通信中也展示出良好的應用前景。與自適應技術(shù)的結合進(jìn)一步提高了跳頻系統的性能，其中信道質(zhì)量評估方法是關(guān)鍵，如何針對不同的信道更好的進(jìn)行信道質(zhì)量評估還值得進(jìn)一步研究?？梢韵嘈?，跳頻技術(shù)仍將繼續向高跳頻速率、高數據傳輸速率發(fā)展。各種新穎的跳頻實(shí)現方法也不斷地退出，軟件無(wú)線(xiàn)電概念的提出為跳頻技術(shù)的發(fā)展開(kāi)辟了一個(gè)新領(lǐng)域。