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(gè)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(kuò)頻方式之一，其工作原理是指收發(fā)雙方傳輸信號(hào)的載波頻率按照預(yù)定規(guī)律進(jìn)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(jī)變化碼的控制而隨機(jī)跳變。從通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式來說，“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(tǒng)。從時(shí)域上來看，跳頻信號(hào)是一個(gè)多頻率的頻移鍵控信號(hào)；從頻域上來看，跳頻信號(hào)的頻譜是一個(gè)在很寬頻帶上以不等間隔隨機(jī)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差錯(cuò)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(duì)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(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(tǒng)是瞬時(shí)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(tái)可以與常規(guī)的窄帶電臺(tái)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(jìn)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(zhēng)中的電子對(duì)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(hào)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(duì)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(jì)的偽隨機(jī)序列。這些偽隨機(jī)碼序列通過移位寄存器為反饋結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，能夠較快實(shí)現(xiàn)同步。它們可以實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)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(cè)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(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(gè)，就無法預(yù)測(cè)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(cè)。

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(hào)序列來生成跳頻序列。在這個(gè)混沌系統(tǒng)中要確定一個(gè)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(gè)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(shí)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(jī)序列變化，為了實(shí)現(xiàn)電臺(tái)間的正常通信，收發(fā)信機(jī)必須在同一時(shí)間跳變到同一頻率，因此跳頻系統(tǒng)還要求實(shí)現(xiàn)跳頻圖案同步。跳頻系統(tǒng)對(duì)同步有兩個(gè)基本要求：一是同步速度快，二是同步能力強(qiáng)。目前跳頻電臺(tái)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(jì)法等等。在實(shí)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(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(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(shí)現(xiàn)壞頻點(diǎn)替代，否則會(huì)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(tái)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(jìn)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(jìn)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(shí)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(diǎn)，可滿足快速跳頻電臺(tái)對(duì)頻率合成器的要求。例如在美國(guó)的JTIDS中，跳速達(dá)到每秒35800跳，只有采用直接數(shù)字頻合順才能實(shí)現(xiàn)。但是DDS的價(jià)格昂貴，復(fù)雜度大，直接用于戰(zhàn)術(shù)跳頻電臺(tái)有一定的難度。如果采用DDS+PLL的方法，結(jié)合兩者的長(zhǎng)處，可以獲得單一技術(shù)難以達(dá)到的效果。

差錯(cuò)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(cuò)誤，因此有必要進(jìn)行差錯(cuò)控制。差錯(cuò)控制的方法主要分為兩類：一是自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā)糾錯(cuò)（ARQ）技術(shù)；二是采用前向糾錯(cuò)（FFC）技術(shù)。

ARQ技術(shù)可以很好的對(duì)付隨機(jī)錯(cuò)誤和突發(fā)錯(cuò)誤，它要求有反饋電路，當(dāng)信道條件不好時(shí)，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(hào)冗余度以實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的糾錯(cuò)，從而會(huì)降低信道效率。由于糾錯(cuò)碼對(duì)突發(fā)錯(cuò)誤的糾錯(cuò)能力較差，而通過交織技術(shù)可以使信道中的錯(cuò)誤隨機(jī)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(cuò)性能。

在跳頻系統(tǒng)中的常用的糾錯(cuò)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(zhǎng)補(bǔ)短，進(jìn)行聯(lián)合編碼。在快跳頻方式下，還可以運(yùn)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(tái)在實(shí)際應(yīng)用中通常要組成跳頻通信網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)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(duì)遠(yuǎn)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(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，低截獲概率，低檢測(cè)概率，對(duì)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(duì)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(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，也就是說整個(gè)通信中只有一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)鐘，通過設(shè)計(jì)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(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(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(xiàn)同頻道干擾現(xiàn)象，故必須設(shè)計(jì)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(jié)點(diǎn)之間頻敏出現(xiàn)頻率碰撞，導(dǎo)致無法正常通信。實(shí)際應(yīng)用中也可以把以上兩種組網(wǎng)方式結(jié)合進(jìn)行。例如英國(guó)Recal Tacticom公司的Jaguar系列電臺(tái)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(shù)目達(dá)到200-300個(gè)。

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(shí)時(shí)地去除固定或半固定干擾，從而自適應(yīng)地自動(dòng)選擇優(yōu)良信道集，進(jìn)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(shí)現(xiàn)常規(guī)跳頻系統(tǒng)的功能之外，還要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(gè)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(píng)估算法，發(fā)現(xiàn)了干擾頻點(diǎn)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(diǎn)對(duì)它們進(jìn)行替換，以維持頻率表的固定大小。這種檢測(cè)和替換是實(shí)時(shí)進(jìn)行的。為增加跳頻信號(hào)的隱蔽性和抗破譯能力，跳頻圖案除具有很限的偽隨機(jī)性、長(zhǎng)周期外，各頻率出現(xiàn)次數(shù)在長(zhǎng)時(shí)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(duì)頻率表進(jìn)行實(shí)時(shí)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(diǎn)來分別替換被干擾的頻點(diǎn)。

收端頻率表的更新會(huì)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(gè)重要指標(biāo)便 是頻點(diǎn)去除的速度。在檢測(cè)出干擾頻點(diǎn)后，干擾頻點(diǎn)去除的速率越快，對(duì)通信的影響越小。

功率自適應(yīng)

信道質(zhì)量評(píng)估的另一個(gè)作用是進(jìn)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(gè)跳頻信道，使得各個(gè)信道都能夠以最小發(fā)射機(jī)功率實(shí)現(xiàn)正常通信，從而提高跳頻信號(hào)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(cè)每個(gè)信道的通信狀態(tài)，并通過信道質(zhì)量評(píng)估單元中的功率控制算法對(duì)每個(gè)跳頻信道單獨(dú)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(dāng)?shù)墓β?，使得接收方收到的?shù)據(jù)比特誤碼率達(dá)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(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(hào)功率/（對(duì)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(tái)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(duì)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(guó)Sanders公司的CHESS高速短波跳頻電臺(tái)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了5000跳/秒的跳頻速率，最高數(shù)據(jù)數(shù)率可達(dá)到19200bps。此外，CHESS跳頻電臺(tái)與一般的跳頻電臺(tái)還有所不同，它以DSP為基礎(chǔ)，采用了差動(dòng)跳頻（DFH）技術(shù)。通過現(xiàn)代數(shù)字處理技術(shù)，CHESS跳頻電臺(tái)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(hào)間相互干擾、存在多徑衰落等的問題，同時(shí)，它的瞬時(shí)信號(hào)帶寬很窄，對(duì)其它信號(hào)的影響很小。可以看到，實(shí)現(xiàn)更高跳速、更高數(shù)據(jù)速率的跳頻電臺(tái)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(tái)中。

短波自適應(yīng)跳頻電臺(tái)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(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(cè)。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(dòng)搜索無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(jù)需要自動(dòng)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(zhēng)中體現(xiàn)出的優(yōu)越性引起了各國(guó)的高度重視。

在現(xiàn)有的DS/CDMA系統(tǒng)中，遠(yuǎn)近效應(yīng)是一個(gè)很大的問題。由于大功率信號(hào)只在某個(gè)頻率上產(chǎn)生遠(yuǎn)近效應(yīng)，當(dāng)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(tǒng)沒有明顯的遠(yuǎn)近效應(yīng)，這使得它在移動(dòng)通信中易于得到應(yīng)用和發(fā)展。在數(shù)字蜂窩移動(dòng)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(duì)提高系統(tǒng)的容量具有重要意義。此外，跳頻是瞬時(shí)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(diǎn)具有重要意義。

跳頻的多址性能對(duì)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(dá)到10G數(shù)量級(jí)。系統(tǒng)在30個(gè)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(shí)有相同數(shù)量的用戶使用時(shí)，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(dá)、微波等多個(gè)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(diǎn)和局限，如信號(hào)隱蔽性差，抗多頻干擾以及跟蹤式干擾能力有限等，而擴(kuò)頻的另一種方式直接序列擴(kuò)頻卻有較好的隱蔽性和抗多頻干擾的能力。把這兩種擴(kuò)頻技術(shù)結(jié)合起來，就構(gòu)成了直接序列/跳頻擴(kuò)展頻譜技術(shù)。它在直接序列擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加載波頻率跳變的功能，直擴(kuò)系統(tǒng)所用的偽隨機(jī)序列和跳頻系統(tǒng)用的偽隨機(jī)跳頻圖案由同一個(gè)偽隨機(jī)碼發(fā)生器生成，所以它們?cè)跁r(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(tái)是采用了直接序列/跳頻混合擴(kuò)頻技術(shù)的第一代戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)。采用了直接序列擴(kuò)頻DBPSK調(diào)制方式，比單獨(dú)采用跳頻技術(shù)多獲得9dB的處理增益，從而提高了電臺(tái)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(kuò)頻技術(shù)。隨著微電子與數(shù)字信號(hào)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。現(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(zhēng)提出的電子對(duì)抗與反對(duì)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(jìn)一步提高了跳頻系統(tǒng)的性能，其中信道質(zhì)量評(píng)估方法是關(guān)鍵，如何針對(duì)不同的信道更好的進(jìn)行信道質(zhì)量評(píng)估還值得進(jìn)一步研究?？梢韵嘈?，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(shí)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(gè)新領(lǐng)域。