跳频的原理与应用

跳频的应用与发展南山电视转播台张卫东关键字：跳频，带宽背景：军事无线通信是保障现代作战指挥的主要通信手段，特别是在对飞机、舰艇,坦克等运动目标进行指挥时，是唯一的通信手段，在我军信息化建设中占有十分重要的地位。随着通信领域的电波斗争愈演愈烈，惯用的定频通信受到了严重威胁。为了保证己方正常可靠的通信，一种抗干扰的通信体制—涡濒通信系统应运而生。如果军事无线通信装备不采用抗干扰措施，在现代战争的大规模对抗环境条件下，就会出现通信中断、指挥失灵，从而陷入被动挨打的局面，最近的几次战争中的高科技电子战已经证明了这一点。可以说，在现代战争中，如果无线通信装备不采用抗干扰措施，就没有生存能力。西方国家早在20世纪50年代就开始进行了一系列的抗干扰通信体制和抗干扰技术的理论研究工作。到了20世纪80年代初期，大部分抗干扰技术都已经陆续应用于新的通信装备和系统中，而且还在不断地改进和完善。跳频通信是现代军事无线通信抗干扰的主要手段，对于在恶劣的电磁环境中保障我军畅通的通信指挥，具有重大的军事意义。一跳频原理与应用跳频（FH）是一种无线通信中最常用的扩频方式。工作原理是收发双方传输信号的载波频率按照预定规律（一组伪随机码PN，Pseudo-Noise）进行离散变化，通信中使用的载波频率受伪随机码的控制而随机跳变。从通信技术的实现方式来说，跳频是一种用码序列进行多频频移键控的通信方式；从时域上来看，跳频信号是一个多频率的频移键控信号；从频域上来看，跳频信号是一个在很宽频带上以不等间隔随机跳变的信号。因此，跳频通信在某一特定频点上仍为普通调制技术。跳频系统根据频率变化的快慢，通常分为快跳频和慢跳频。目前在军事领域广泛应用了快跳频通信技术。随着电子对抗的加剧，在快跳频的基础上，产生了自适应跳频，进一步提高抗截获和抗干扰目的。慢跳频则主要应用于民用领域。1.1.跳频技术原理跳频系统的原图及跳频信号数学描述：跳频系统的简单原理图如图1-1所示其数学模型如（1-1）。在发送端，输入信息码序列进行基带调制得到宽度为mB的调制信号mt。独立产生的伪随机码序列作为跳频序列去控制频率合成器，使其输出频率按不同的跳频图案或指令随机跳跃地变化。调制信号m(t)对随机载频进行调制，得到跳频信号1St，可表示为:11cosnStmtnt（1-1）其中跳频频率间隔一般取为2/T，因此，跳频信号带宽为cB与调制信号的关系为cmBnB，其中，n为形频频率集频率个数(频率集中频率连续正交情况时)。(注:跳须信号带宽为cB是跳频信号所占的频带宽度，和频率集中的取有关，不一定是连续取，一般是随机间隔的选取)1St在信道上与其他地址信号jSt、噪声nt以及于扰信号Jt组合后进入接收机的信号St为：12kjjStStStJtnt（1-2）在按收端，为了对输入信号解跳，需要有与发端相同的本地伪码发生器生成的跳频指令去控制本地频率合成器，使其输出的本振信号频率随发方频率相应地跳变，跳变的本振信号对接收到的跳频信号进行变频，再通过低通滤波器，实现解跳，得到调制信号m(t)。图1-2中Sp(t)可表示为：102coskpjnjStStStJtntnt（1-3）经低通滤波器后，可得1212Stmt（1-4）最后经基带解调，得到原始信息，带宽也由跳频信号cB恢复为调制信号宽mB。按跳频时隙大小和时隙中信号码元的多少，可分为慢跳频，快跳频，还有根据信息决定跳频频率的差分跳频。当跳频速率低于信息比特率时，即连续几个信息比特跳频一次时，称为慢跳频。高于或等于信息比特率时，即每个信息比特跳频一次以上时，称为快跳频。跳频方式应根据跳频信号的特点进行选择。调制器震荡器伪码发生器时钟伪码发生器时钟震荡器信码m(t)S1(t)Cos[(0+n)t+n频率合成器Cos[(0+n)t+n频率合成器S1(t)m(t)信码调制器图1-1跳频系统的简单原理图图1-2跳频信号实现图频隙：跳频信号在每一跳时间内占据的一段频率叫一个频隙。频隙带宽:频隙的宽度。它一般等于基带信号带宽的2倍。跳频带宽：跳频信号占据的频率宽度。它由频隙带宽、频隙数目、频隙排列方式即跳频频率集的配置决定。若调制信号的码元速率为1/T,根据奈奎斯特第一准则，带信号带宽应为1/(2T)（不考虑滚降），调制信号带宽应为1/T,频隙带宽为1/T,为了尽可能减少邻近干扰，跳频频率间隔应选择为1/T,这样，频率if的谱状零值正好处于if＋1/T的峰值处，构成了频率的正交关系（即正交频率配置），因此，若频隙数为N，则跳频信号带宽等于N*(1/T)。跳频速率：单位时间内，载频跳变的次数。若要求单位时间内无重复跳频，则跳频速率最大不能超过频率集中的频隙数，若为正交配置，若可用带宽最大为BWFN，频隙带宽为BWSL,则最大速率为BWFH/BWSL。汉明相关，分为自相关和互相关。自相关是指频隙集合A上的某一跳频序，在相对时延为时的相关系数，互相关指指频隙集合A上的两个跳频序列，在相对时延为时的相关系数。该参数表示了系统内用户碰撞的概率。在这些参数中，起决定作用的是调制信号带宽、频率率置方式和系统可用带宽。选择合适的调制方式是忧化跳领系统性能的首要因素。二跳频通信的应用与发展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，到低通Cos[(0+n△)t+nCos[(0+n△)t+nSi(t)S2(t)Sk(t)噪声n(t)干扰J(t)SP(t)Si2(t)原始信息基带调节了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。2.1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。2.2跳频通信在电力载波通信中应用具有很强的适用性：适应电力线的强干扰环境。低压配电网噪声干扰强，并且噪声不是分布在所有频段内，可用信道是变化的，跳频技术恰好可以满足这一需要。适应低压配电网频率选择性衰减。低压配电网负载复杂，且具有时变性，各种干扰和信道特性均无法“长期”预测。跳频系统则可以根据预设跳频图案，自动切换载波频率，避开干扰源频点，同时也可以根据信道估计的结果，通过自适应跳频，选择适宜信道，实现可靠通信。可以看出。相对FSK、OFDM、Chirp等通信系统，跳频系统具有以下优点：⑴普通跳频系统只需在常规调制方式中增加载频跳力，实现设备相对简单。⑵跳频系统具有很强的抗干扰能力，并对频率性衰减有抑制作用。⑶可以多址工作，无ICI和ISI干扰。⑷跳频序列的扩频码跳变速率较低，易于实现。跳频技术在低压配电网电力线载波通信中的应用不仅是新的技术增长点，而且在网络安全日益重要的今天，该技术将起到不可替代的作用。总结：跳频通信技术具有优良的抗干扰性能和多址组网性能，是现代军事无线通信抗干扰的主要手段，对于在恶劣的电磁环境中保障我军畅通的通信指挥，具有重大的军事意义。跳频通信的抗干扰效果，在外军的几次局部战争中得到了考验，在我军的重大军事演习中也得到了检验。而且与我们的日常生活密切相关，在民用移动通信中得到了广泛的应用，如GSM.HOMERF(家用射频)、BLUE-TOOTH(蓝牙)中都应用了跳频技术。