跳頻通信及其應(yīng)用

應(yīng)跳頻通信技術(shù)，最后介紹了跳頻技術(shù)在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用。

應(yīng) 無線通信

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(yù)定規(guī)律進行離散變化的通信方式，也就是說，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)的實現(xiàn)方式來說，“跳頻”是一種用碼序列進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(tǒng)。從時域上來看，跳頻信號是一個多頻率的頻移鍵控信號；從頻域上來看，跳頻信號的頻譜是一個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(tǒng)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(yīng)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(shù)據(jù)終端包含對數(shù)據(jù)進行差錯誤控制。

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(guī)律，就很難截獲我方的通信內(nèi)容。同時，跳頻通信也具有良好的抗干擾能力，即使有部分頻點被干擾，仍然在其他未被干擾的頻點上進行正常的通信。由于跳頻通信系統(tǒng)是瞬時窄帶系統(tǒng)，它易于與其他的窄帶通信系統(tǒng)兼容，也就是說，跳頻電臺可以與常規(guī)的窄帶電臺互通，有利于設(shè)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行跳變。這種跳頻方式稱為常規(guī)跳頻（Normal FH）。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的電子對抗越演越烈，在常規(guī)跳頻的基礎(chǔ)上又提出了自適應(yīng)跳頻。它增加了頻率自適應(yīng)控制和功率自適應(yīng)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(guī)律，保證了通信方發(fā)頻率有規(guī)律可循，但又不易被對方所發(fā)現(xiàn)。常用的跳頻碼序列是基于m序列、M序列、RS碼等設(shè)計的偽隨機序列。這些偽隨機碼序列通過移位寄存器為反饋結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，能夠較快實現(xiàn)同步。它們可以實現(xiàn)較長的周期，漢明相關(guān)特性也比較好，但是當(dāng)存在人為的故意干擾（如預(yù)測碼序列后進行的跟蹤干擾）時，這些序列的抗干擾能力較差。

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

90年代末有人提出了混沌(chaotic)跳頻序列。其基本思想是通過混沌系統(tǒng)的符號序列來生成跳頻序列。在這個混沌系統(tǒng)中要確定一個非線性的映射關(guān)系、初始條件和混沌規(guī)則，三者唯一確定一個輸出序列。由此確定的混沌跳頻序列體現(xiàn)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性范圍。

同步技術(shù)

與一般的數(shù)字通信系統(tǒng)一樣，跳頻系統(tǒng)要求實現(xiàn)載波同步、位同步、幀同步。此外，由于跳頻系統(tǒng)的載頻按偽隨機序列變化，為了實現(xiàn)電臺間的正常通信，收發(fā)信機必須在同一時間跳變到同一頻率，因此跳頻系統(tǒng)還要求實現(xiàn)跳頻圖案同步。跳頻系統(tǒng)對同步有兩個基本要求：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。在實際應(yīng)用中，同步方案常常綜合使用多種同步方法。例如戰(zhàn)術(shù)跳頻系統(tǒng)中常用掃描駐留同步法，綜合使用了精確時鐘法、同步字頭法、自同步法三種同步方法，分成掃描和駐留兩個階段進行。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(yīng)跳頻中，同步還包括收發(fā)雙方頻率集更新的同步，保證雙方同步地實現(xiàn)壞頻點替代，否則會使收發(fā)方頻率表不一致，導(dǎo)致通信失敗。

頻合器

頻合器是跳頻通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，目前大多數(shù)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(zhuǎn)換速率已經(jīng)接近其極限，要進一步改善的技術(shù)難度越來越大，而且分辨率較低。為了能夠進一步提高跳頻速率，提出了直接式數(shù)字頻合器（DDS）。它采用全數(shù)字技術(shù)，具有頻率分辨率高，頻率轉(zhuǎn)換時間快，輸出頻率可以很高而且穩(wěn)定性好，相位噪聲低等優(yōu)點，可滿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(shù)字頻合順才能實現(xiàn)。但是DDS的價格昂貴，復(fù)雜度大，直接用于戰(zhàn)術(shù)跳頻電臺有一定的難度。如果采用DDS+PLL的方法，結(jié)合兩者的長處，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(tǒng)中，即使在信道條件良好的情況下，仍有可能在少數(shù)跳中出現(xiàn)錯誤，因此有必要進行差錯控制。差錯控制的方法主要分為兩類：一是自動請求重發(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(dāng)信道條件不好時，需要頻繁的重發(fā)，最終可能導(dǎo)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現(xiàn)優(yōu)良的糾錯，從而會降低信道效率。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(jié)合的辦法來獲得良好的糾錯性能。

在跳頻系統(tǒng)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(tǒng)中顯示了極大的應(yīng)用潛能。此外，還可以把不同的編碼方法結(jié)合在一起，取長補短，進行聯(lián)合編碼。在快跳頻方式下，還可以運用重發(fā)大數(shù)判決來克服跳頻頻段內(nèi)的快衰落。

組網(wǎng)

跳頻電臺在實際應(yīng)用中通常要組成跳頻通信網(wǎng)，以實現(xiàn)網(wǎng)中的任何兩個通信終端均能夠做到點到點的正常通信。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(tǒng)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(diào)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：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(tǒng)相比，跳頻網(wǎng)的最大用戶數(shù)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(tǒng)把整個頻段分成若干個子頻段，不同的通信鏈路采用不同的子頻段進行通信，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，也就是說整個通信中只有一個基準(zhǔn)時鐘，通過設(shè)計在某一相同時刻t的N個相互正交的跳頻頻率序列來進行組網(wǎng)，這樣盡管各個終端間的通信均使用相同頻段，但是由于瞬時的跳頻頻率點不相同，因此可保證它們之間不會出現(xiàn)同頻道干擾。自適應(yīng)跳頻通信系統(tǒng)中，由于在通信過程中會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(xiàn)同頻道干擾現(xiàn)象，故必須設(shè)計一種良好的頻點更新算法，保證更新后的跳頻序列之間依然是正交的，否則可能會使各通信節(jié)點之間頻敏出現(xiàn)頻率碰撞，導(dǎo)致無法正常通信。實際應(yīng)用中也可以把以上兩種組網(wǎng)方式結(jié)合進行。例如英國Recal Tacticom公司的Jaguar系列電臺在組網(wǎng)中就同時采用了這兩種組網(wǎng)方式，可組網(wǎng)數(shù)目達到200-300個。

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

自適應(yīng)技術(shù)

自適應(yīng)跳頻系統(tǒng)是在常規(guī)跳頻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實時地去除固定或半固定干擾，從而自適應(yīng)地自動選擇優(yōu)良信道集，進行跳頻通信，使通信系統(tǒng)保持良好的通信狀態(tài)。也就是說，卻除了要實現(xiàn)常規(guī)跳頻系統(tǒng)的功能之外，還要實現(xiàn)實時的自適應(yīng)頻率控制和自適應(yīng)功率控制功能，因此就需要一個反向信道以傳輸頻率控制和功率控制信息。自適應(yīng)跳頻系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

頻率自適應(yīng)

通過可靠的信道質(zhì)量評估算法，發(fā)現(xiàn)了干擾頻點后，應(yīng)當(dāng)在收發(fā)雙方的頻率表中將其刪除，并以好的頻點對它們進行替換，以維持頻率表的固定大小。這種檢測和替換是實時進行的。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、長周期外，各頻率出現(xiàn)次數(shù)在長時間內(nèi)應(yīng)具有很好的均勻性。在引入自適應(yīng)頻率替換算法對頻率表進行實時更新后，為保障系統(tǒng)性能，仍然要求跳頻圖案具有很好的均勻性，所以應(yīng)當(dāng)依次用不同的質(zhì)量較好的頻點來分別替換被干擾的頻點。

收端頻率表的更新會導(dǎo)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)控制過程，需要制定相應(yīng)的信息交換協(xié)議來保證頻表可靠的同步更新。衡量協(xié)議有效性的另一個重要指標(biāo)便 是頻點去除的速度。在檢測出干擾頻點后，干擾頻點去除的速率越快，對通信的影響越小。

功率自適應(yīng)

信道質(zhì)量評估的另一個作用是進行自適應(yīng)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跳頻信道，使得各個信道都能夠以最小發(fā)射機功率實現(xiàn)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(yīng)跳頻系統(tǒng)中，系統(tǒng)檢測每個信道的通信狀態(tài)，并通過信道質(zhì)量評估單元中的功率控制算法對每個跳頻信道單獨進行功率控制。

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，算法為各個跳頻信道選擇適當(dāng)?shù)墓β剩沟媒邮辗绞盏降臄?shù)據(jù)比特誤碼率達到預(yù)定的誤碼門限；二是等信干比原則，此算法調(diào)整各個跳頻信道的平均功率，使得各個跳頻信道上的信干比相同，這里的信干比是指各個跳頻信道上的信號功率/（對應(yīng)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(yīng)用

隨著跳頻技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用也越來越廣泛。

戰(zhàn)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，就開始了對頻系統(tǒng)的研究，現(xiàn)又開發(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(yīng)用。隨著研究的不斷深入同，跳頻速率和數(shù)據(jù)數(shù)率也越來越高，現(xiàn)在美國Sanders公司的CHESS高速短波跳頻電臺已經(jīng)實現(xiàn)了5000跳/秒的跳頻速率，最高數(shù)據(jù)數(shù)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(chǔ)，采用了差動跳頻（DFH）技術(shù)。通過現(xiàn)代數(shù)字處理技術(shù)，CHESS跳頻電臺較好解決了短波系統(tǒng)帶寬有限（導(dǎo)致數(shù)據(jù)速率低的原因）、信號間相互干擾、存在多徑衰落等的問題，同時，它的瞬時信號帶寬很窄，對其它信號的影響很小。可以看到，實現(xiàn)更高跳速、更高數(shù)據(jù)速率的跳頻電臺正是跳頻通信系統(tǒng)的未來發(fā)展方向，軟件無線電的概念也已逐漸應(yīng)用到新型的跳頻電臺中。

短波自適應(yīng)跳頻電臺已經(jīng)在當(dāng)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，例如，受多徑時延、幅度衰落、天氣變化等因素的影響，信道條件變化莫測。但是隨著各種新技術(shù)的出現(xiàn)，短波通信的可靠性得到了技術(shù)上的保證，而自適應(yīng)跳頻技術(shù)就是這些新技術(shù)中的一種。它通過分析波段上的頻率占用率，自動搜索無干擾或未被占用的跳頻信道進行跳頻，不僅避免了自然干擾，也不會受到短波頻譜大量占用的影響。它會根據(jù)需要自動地改變跳頻序列，有效的適應(yīng)惡劣環(huán)境。它在海灣戰(zhàn)爭中體現(xiàn)出的優(yōu)越性引起了各國的高度重視。

在現(xiàn)有的DS/CDMA系統(tǒng)中，遠近效應(yīng)是一個很大的問題。由于大功率信號只在某個頻率上產(chǎn)生遠近效應(yīng)，當(dāng)載波頻率跳變到另一個頻率時則不受影響，因此跳頻系統(tǒng)沒有明顯的遠近效應(yīng)，這使得它在移動通信中易于得到應(yīng)用和發(fā)展。在數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)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(tǒng)的容量具有重要意義。此外，跳頻是瞬時窄帶系統(tǒng)，其頻率分配具有很大的靈活性，在現(xiàn)有頻率資源十分擁擠的條件下，這一點具有重要意義。

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(yīng)用局面跳頻技術(shù)。該系統(tǒng)利用Bragg光柵替代傳統(tǒng)跳頻系統(tǒng)中的頻率合成器，跳速達到10G數(shù)量級。系統(tǒng)在30個用戶，比特誤碼率為10 -9的條件下，數(shù)據(jù)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，同時有相同數(shù)量的用戶使用時，F(xiàn)FH/CDMA系統(tǒng)的比特誤碼率明顯優(yōu)于DS/CDMA系統(tǒng)。

此外，跳頻技術(shù)在GSM、無線局域網(wǎng)、室內(nèi)無線通信、衛(wèi)星通信、水下通信、雷達、微波等多個領(lǐng)域也得到廣泛的應(yīng)用。

由于跳頻系統(tǒng)本身也存在著一些缺點和局限，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(jié)合起來，就構(gòu)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(tǒng)的基礎(chǔ)上增加載波頻率跳變的功能，直擴系統(tǒng)所用的偽隨機序列和跳頻系統(tǒng)用的偽隨機跳頻圖案由同一個偽隨機碼發(fā)生器生成，所以它們在時間上是相互關(guān)聯(lián)的，使用同一個時鐘進行時序控制。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(zhàn)術(shù)電臺。采用了直接序列擴頻DBPSK調(diào)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(jié)語

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)。隨著微電子與數(shù)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(xiàn)在它不僅已經(jīng)在軍事通信中大展身手，較好地滿足了現(xiàn)代戰(zhàn)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(yīng)用前景。與自適應(yīng)技術(shù)的結(jié)合進一步提高了跳頻系統(tǒng)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行信道質(zhì)量評估還值得進一步研究。可以相信，跳頻技術(shù)仍將繼續(xù)向高跳頻速率、高數(shù)據(jù)傳輸速率發(fā)展。各種新穎的跳頻實現(xiàn)方法也不斷地退出，軟件無線電概念的提出為跳頻技術(shù)的發(fā)展開辟了一個新領(lǐng)域。