跳频通信技术及其应用与发展

跳频通信技术及其应用与发展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，因而很适用于军事领域。当70年代末第一部跳频电台问世以后，就预示着其发展势头锐不可挡。到了８０年代，世界各国军队普遍装备跳频电台。这十年是跳频电台发展速度最快的十年。广泛使用跳频电台曾被誉为80年代ＶＨＦ频段无线电通信发展的主要特征。90年代，跳频通信如虎添翼，在军用跳频通信领域已相当成熟的同时，跳频通信的应用又拓宽到民用领域。业内人士指出，跳频通信是对抗无线电干扰的有效手段，称其为无线电通信的“杀手锏”。跳频通信是如此的神奇，以致于自其问世至今的短短30年间，倍受世界各国，特别是几大军事强国的青睐。2跳频通信的基本概念2.1定义我们在用收音机收听某电台，当电台在中波和短波两个波段上播放同一个节目时，有这样的体会：若中波波段信号不好，则随即换到短波波段收听；当短波波段信号不好，则又换回到中波波段收听。这种以更换波段的手段来改善收听效果的方法，就是跳频的通俗含义。只不过这种跳频仅在接收端发生，而且是由人工干预来实施跳频的。我们假设，当广播电台发送的频段也能“紧跟”收音机用户更换的话，那么，这种通信方式就是跳频通信。因此，跳频通信可这样描述：通信收发双方同步地改变频率的通信方式称为跳频通信。2.2同步条件(通信条件)与定频通信相比，跳频通信的载波频率一直在跳变。工作中，发方以相当快的速率（跳速）改变频率，收方必须与发方同步地改变频率，双方才能保持通信。也就是说，跳频通信时，收发双方必须采用同一种跳频图案。跳频电台之间要成功地进行跳频通信，收发双方必须同时满足三个条件：跳频频率相同；跳频序列相同；跳频的时钟相同（允许存在一定的误差）。三个条件缺一不可，否则无法实现跳频通信。3跳频通信的主要特点3.1抗干扰性强跳频通信抗干扰的机理是“打一枪换一个地方”的游击策略，敌方搞不清跳频规律，因而具有较强的抗干扰能力。一方面，我方的跳频指令是个伪随机码，其周期可长达十年甚至更长的时间。另一方面，跳变的频率可以达到成千上万个。因此，敌方若在某一频率上或某几个频率上施放长时间的干扰也无济于事。另外，跳频频率受伪随机码控制而不断跳变，在每一个频率的驻留时间内，所占信道的带宽是很窄的。由于频率跳变的速率非常快，因而从宏观上看，跳频系统又是个宽带系统，即扩展了频谱。事实上，跳频的带宽就是频率的数目与每个频率所占信道带宽的乘积。由扩频通信理论可知，扩展频谱的好处可以换取更好的信噪比。也就是说，如果扩展了频带，就可以在较低的信噪比的情况下，照样可用相同的信息速率、任意小的差错概率来传递信息，甚至在信号被噪声完全湮没的情况下，也能保持可靠的通信。由此可见，抗干扰性强是跳频通信最突出的优点。3.2频谱利用率高人们早已认识到频谱资源十分宝贵，因此，提高频谱利用率也是现代通信的基本要求之一。跳频通信可以利用不同的跳频图案或时钟，在一定带宽内容纳多个跳频通信系统同时工作，达到频谱资源共享的目的，从而大大提高频谱利用率。3.3易于实现码分多址多址通信是指许多用户组成一个通信网，网内任何两个用户都可达成通信，并且多对用户同时通信时又互不干扰。应用跳频通信可很容易地组成这样一个多址通信网。网内各用户都被赋于一个互不相同的地址码，这个地址码恰似电话号码。每个用户只能收到其他用户按其地址码发来的信号才可判别出是有用信号，对其他用户发来的信号，则不会被解调出来。3.4兼容性对于跳频通信而言，兼容的含义是指一个跳频通信系统可以与一个不跳频的窄带通信系统在定频上建立通信。显而易见，兼容的好处在于，先进的跳频电台可与常规的定频电台互通。这在跳频电台的研制上比较容易实现——只要将常规电台加装跳频模块即可变成跳频电台。显然，跳频模块是整个跳频电台的关键部件。4跳频电台的组网4.1组网过程组网前，网内所有跳频电台均处于搜索扫描状态，当主台（中心台）按下收发转换开关（PPT键）时，主台首先发出同步信号，该同步信号被网内其他属台正确接收后，各属台先自动校正本台的时钟，再将自己的跳速自动跟踪到主台的跳速上，尔后建立通信联络。通信完毕，网内所有电台再次回到搜索扫描状态，以等待下一次同步组网。为了使网内电台仅在本网中搜索扫描，网内各台需在组网前设置呼叫参数。这样，网内电台只有当监听到对本网或本台的呼叫时才进入跳频建立状态，也就是说，属台只与呼叫本网网号的主台同步。4.2组网方法4.2.1组网方法分类跳频电台的组网方法，根据跳频图案分为正交和非正交两种。如果多个网所用的跳频图案在时域上不重叠(形成正交)，则组成的网络称为正交跳频网。如果多个网所用的跳频图案在时域上发生重叠，则称为非正交跳频网。此外，根据跳频网的同步方式，跳频电台的组网方法又有同步网和异步网之分。正交跳频网为了使跳频图案不发生重叠，要求全网做到严格定时，故一般采用同步网方式组网。从严格意义上讲，正交跳频网是同步正交跳频网，一般简称为同步网。非正交跳频网的跳频图案可能会发生重叠，即网与网之间在某一时刻跳频频率可能会发生碰撞（重合），因而可能会产生网间干扰。不过，这种网间干扰通过精心选择跳频图案和采用异步组网方式，是完全可以减少到最低限度的。因此，非正交跳频网常采用异步组网方式。异步非正交跳频网一般简称为异步网。显然，跳频电台的组网比定频电台的组网复杂得多。4.2.2同步组网①同步组网方法所有的网都使用同一张频率表，但每个网的频率秩序不同；各网在统一的时钟下实施同步跳频。例如，某跳频电台的跳频频率表为f1、f2、f3、f4四个频率，若要组织四个跳频网，则组织方法为：1#网按f1、f2、f3、f4的秩序跳频；2#网按f2、f3、f4、f1的秩序跳频；3#网按f3、f4、f1、f2的秩序跳频；4#网按f4、f1、f2、f3的秩序跳频。此外，为了使某一瞬间不发生频率碰撞，四个网还必须在统一的时钟下实施跳频通信。这样，在某一瞬间，仅仅存在着不同秩序但又不重复的四个频率集。②同步组网的优缺点同步组网的优点显而易见：一是频率利用率高。各网都使用同一张频率表（但频率秩序不同）。理论上讲，有多少个跳频频率就可组成多少个正交跳频通信网。二是不存在网间干扰。某一时刻，网间不会发生频率重叠，因而不会发生网与网之间的干扰。然而，同步组网方法的缺点也是十分突出的。首先，各网必须“步调一致”，否则，只要有一个网不同步，将会造成全网失步而瘫痪。其次，同步组网方式实际上是将各网组成一个大的群网，建网时需要所有的子网（上例中的1#至4#网）内的电台都响应同步信号，才能将各电台的跳频图案完全同步起来，因而建网速度比较慢。再者，同步时间比较长，因为，同步组网方法必须使用统一的密钥，一旦泄密，整个群网的跳频图案都会被暴露无遗。最后，同步组网时，频率表的选择难度比较大，一旦某个频率受到干扰或效果不佳，则换频必须是全局性的。有鉴于此，目前使用的跳频电台很少采用同步组网方法。4.2.3异步组网①异步组网方法非正交网虽然可能会发生网间干扰，但通过精心选择跳频图案和采用异步方式组网，是可以减少网间频率重叠的概率。常见的组网方法是：＊不同的网络应采用不同的跳速或不同的频段。＊若网络和电台的数量不多，则可考虑采用同一频率集组网；反之应考虑采用不同的频率集。＊在同一频率集内若要求每两部或三部电台组成—个网，并且网数不多时，可以通过以下两种手段来组成不同的跳频网：一是通过设置不同的密钥号；二是通过不同的时钟来组网。②异步组网的优点由于异步组网不需要全网的定时同步，因而可以降低对定时精度的要求，而且在技术上容易实施。此外，它还有容易建立系统的同步、用户入网方便以及组网灵活等优点，因而得到广泛的应用。③异步组网的关键采用异步组网的方法，各网按各自的时间和跳频序列工作。由于各跳频网之间没有统一的时间标准，因而异步组网时，如果多网采用同一频率表，频率序列虽不同，但也有可能发生频率碰撞。显然，这种频率碰撞的机会是随着网络数量的增加而增多的。毋庸置疑，异步组网工作时，为了实现多网之间互不干扰，频率表的选择以及频率序列（即密钥）的选择就成了异步组网的关键——这正是跳频通信在应用上的主要研究方向。5跳频通信的应用与发展跳频通信的发展历程可概括为：40年代末理论先导，60年代研制攻关，70年代末产品问世，80年代逐步推广，90年代广泛应用，21世纪飞速发展。诚然，跳频通信是由电子对抗而首先应用于军事领域的。但是，它在民用通信的应用也越来越受到人们的密切关注。目前，跳频通信的理论和技术已很成熟。5.1跳频通信在军事通信中的应用与发展跳频通信自问世以来之所以如此迅猛发展，这主要得益于跳频通信本身所具备的突出优点。这些优点又能符合现代信息战条件下电子对抗的要求。海湾战争表明，跳频电台在通信中发挥了突出的作用。目前，跳频系统的跳速维持在如下水平：短波电台——100跳/秒，超短波电台——500跳/秒。但每秒千跳以上的跳频电台也已问世。可以乐观地预测，到了21世纪，跳频电台的跳速可发展到每秒几万跳，甚至每秒百万跳。跳频带宽一般可工作到全频段。跳频频率集虽然目前已达到300个的水平，但上万个频率集的跳频系统也已研制出来。跳频系统的同步时间目前已达到几百毫秒的数量级，今后必定越来越短。因为，同步建立时间越短，信息被敌方发现、截获和测向的概率就越低，通信的隐蔽性越好．当然，通信干扰与反干扰是一对矛盾，它们互相制约，但又互相促进发展。跳频通信并不惧怕单频干扰和多频干扰，但跟踪式干扰是跳频通信的“天敌”。跟踪式干扰的步骤是：侦听、处理、施放干扰。当本方截获到敌方的跳频图案后，迅速地以同样的跳频图案施放干扰，由于两个跳频图案的矢量迭加必然带来接收方的一片盲然，致使敌方无法达成正常的跳频通信。据报载，国外已有能同时监视80个相邻信道，扫描搜索速度为80,000信道/秒的侦察接收机问世，这种侦察接收机的截获跳频图案的概率几乎达到100％。这是迄今为止对付跳频通信最理想的反干扰手段。为了对付跟踪式干扰，人们总是希望尽可能缩短跳频信号的驻留时间，使侦察接收机无可乘之机。这就要求跳频系统的跳速尽可能快。基于这方面考虑，目前世界各国竞先研制快速跳频通信装备。另外，跳频系统的技术发展又受到元器件、编解码技术等因素的制约。目前，跳频速率尚未达到每秒5000跳。若达到这个水平，则目前的跟踪式干扰机便无能为力了。为此，跳频通信将向以下两个方面发展：一个是跳频与直接序列扩频混合使用方式，另一个是跳频与直接序列扩频、跳时三者混合使用方式。这样可以优势互补，共同发展。5.2跳频通信在民用通信中的应用与发展90年代以来，跳频通信在军事通信领域的应用中取得巨大成就的基础上，又开始向民用通信领域进军。原因有二：一是“无线革命”的兴起。数字蜂窝移动通信、个人通信、室内无线通信等新兴通信方式，要求解决频带拥挤问题，由于跳频通信的频谱利用率较高，因此，人们自然就考虑到采用跳频通信来解决这个问题。二是市场需求的推动。采用新的通信技术不仅出于占有国内市场的考虑，也是为了争取国外市场。在移动通信领域，扩容乃当务之急。跳频或扩频码分多址技术的增容潜力无比强大。据专家估算，采用跳频或扩频码分技术后，目前的容量可提高２０倍。这是一个十分惊人的数字。为此，许多专家学者纷纷倡导采用跳频或扩频码分多址技术来解决扩容问题。在有线通信领域，考虑到一方面扩建需要巨大的投资，另一方面，无线个人通信又可作为有线通信网的应急手段，因此，跳频也是一条值得通信系统建设考虑的途径。如果采用跳频通信，可以预见未来会有“无线城市”和“无线办公室”的不断涌现。另外，加强在光纤通信中应用跳频技术的研究，也是跳频技术的一个发展方向。在一些要求信息保密的部门或场所，如公安部门、安全部门、政法部门、证券市场等，采用跳频通信作为其内部通信，则可以起到保密信息的作用，原因是跳频通信被截获的概率很低。在广播领域，原先的一个调频电台只能传送一个单声道和一个立体声节目，采用跳频技术后，则可传送75个立体声调频节目，而且是数字信号。