跳频及其自适应技术.ppt

,西安电子科技大学 综合业务网理论及关键技术国家重点实验室,刘乃安,跳频及其自适应技术,摘 要 1、跳频概述 2、跳频系统原理 3、跳频系统的伪随机码 4、跳频系统的频率合成器 5、跳频系统的同步 6、跳频组网 7、跳频系统的应用 8、跳频自适应技术,扩展频谱,历史 1、开始于19世纪20年代雷达的发明，为了提高分辨率，注重扩频思想。二次世界大战（WWII）中，军队对抗干扰也有此思想。但真正有关扩频通信技术的观点是在1941年由好莱坞女演员Hedy Lamarr 和钢琴家George Antheil提出的。基于对鱼雷控制的安全无线通信的思路，他们申请了美国专利#2.292.387。不幸的是，当时该技术并没有引起美国军方的重视。 2、世界上第一个直接序列扩频系统是在美国的联邦通信实验室(FTL)于1949年由Derosa和Rogoff完成的，成功的工作在New Jersey和California之间的通信线路上。,扩频通信，即扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)，它与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。,历史 3、理论研究紧跟其上，1950年Basore首先提出把这种扩频系统称作NOMACS（Noise Modulation And Correlation Detection System）这个名称被使用相当长的时间。 4、1951年后，美国的ASC(Army Signal Corps-陆军通信兵)要求进一步研究NOMACS，想把它应用于高频无线电传通信线路，以对抗敌人的干扰。1952年由Lincoln Laboratory研制出P9D型NOMACS 系统，并进行了试验。以后在1953-1955年Lincoln Lab研制出了F9C型无线电传机系统。 5、很快，美国海军和空军也开始研究他们自己的扩频系统，空军使用名称为“Phatom”（鬼怪，幻影）和 “Hush-Up”（遮掩），海军使用名称为“Blades”（浆叶）。那时设备庞大，是用电子管装的，设备要装几间屋子，使应用受到限制。在晶体管出现后，特别是集成电路出现后，才使扩频系统得到广泛使用。,历史 6、第一本有关扩频系统的专著是R.C.Dixon于1976年出版，是一本IEEE专利，1977年出版。1978年在日本京都召开国际无线通信咨询委员会公布研究成果。1982年在美国召开第一次军事通信会议，两次报告在军事中的应用。1985年美国提出CDMA(码分多址)的概念同年美国联邦通信委员会(FCC)制定扩频通信的标准和规范，逐步转入民用的商业化研究。20世纪90年代，美国国家航空和航天管理局提出CDMA方式的频谱利用率高于FDMA方式，对扩频通信的研究产生深远影响，其后各公司逐步生产商业产品。 7、最近的二十几年扩频技术得到越来越广泛的使用。比如美国的全球定位系统(GPS)设备简单，定位精度高，全球使用。通信数据转发卫星系统(TDESS),码分多址(CDMA)卫星通信系统，特别是NASA和军用卫星通信系统几乎都使用扩频技术，码分多址移动通信系统，这些都是DS系统。FH系统如多种跳频电台，如SINCGARS（30-80Mhz）。跳时-跳频混合型如JTIDS系统（Joint Tactical Information Distribution System)。我国正式把扩频技术作为国家主要项目进行研究是在70年代。 8、以后在卫星通信，数据传输，定位，授时系统中都有使用。今后，在卫星通信，移动通信系统，定位系统等领域将会得到进一步广泛使用。 SC-CDMA、MC-CDMA，单天线系统，多天线系统。,历史总结,产生与发展基于两方面： 信息战信息对抗电子对抗通信对抗 提高频带利用率,信息战的内容 电子对抗。如：电磁波的侦测与隐蔽、通信干扰与抗干扰、雷达干扰与抗干扰等。 网络对抗。如：计算机病毒、软件攻击等。 消息对抗。如：加密与解密、消息的收集与欺骗等。,特点 高度的对抗性 极端的机密性 应用的综合性 对实战环境的依赖性 采用新技术的超前性,信息战的内容及特点,通信侦察：使用通信侦察设备来探测、搜索、截获敌方的无线通信信号，对信号进行测量、分析、识别、监视以及测向和定位，以获取信号频率、电平、调制方式等技术参数以及电台位置、通信方式、通信特点、网络结构和属性等情报。 通信干扰：使用通信干扰设备发射专门的干扰信号，破坏或扰乱敌方的无线通信，是通信对抗的进攻手段。 通信抗干扰：在军事通信设备及系统中采用的通信反侦察、反干扰措施，是通信对抗的防御手段。本次讲座重点讨论有关通信抗干扰问题。,通信对抗的分类,通信中遇到的干扰 人为干扰和非人为干扰 军事通信中非敌意的人为干扰: 多径干扰、多用户干扰、环境噪声干扰、其它电台的干扰等。 军事通信中敌意的人为干扰: 1单频干扰(固频干扰)、窄带干扰 2脉冲干扰、梳状干扰 3跟踪式干扰、瞄准式干扰 4转发式干扰 5宽带阻塞式干扰、压制干扰 6升空干扰、智能化干扰,提高全民的国防意识； 了解通信高技术的一个主要领域； 民用与军用的互相转换、互相借鉴、互相支撑； 为进入军事通信领域提供一些入门知识。,为什么要研究通信抗干扰？,信号隐蔽性 无线信号的隐蔽性 单位面积天线，在单位带宽中所能截获的信号功率 信号方式的隐蔽性 双工方式、调制方式、多路方式、编码方式、同步方式 信号参数的隐蔽性 特别是与抗干扰有关的参数，如：扩频序列、跳频序列、同步参数、信令参数等。,信号鲁棒性 用干扰容限 三个层次的条件，即： a、设备性能。如：比特差错率、语音质量、同步及信令性能、网络性能等，可以定一个门限，在此门限以下用户不能接受。 b、工作环境。如：单台设备还是多台设备、有无天线抗干扰措施、干扰源是否升空等。 c、干扰性质。如：干扰性质、干扰强度、干扰时间等。,通信抗干扰性能,通信中的抗干扰技术 1扩展频谱技术（DS、FH） 2开发强方向性的毫米波频段 3加密技术 4猝发通信技术 如流星余迹通信 5天线零相技术 6分集技术,通信中的抗干扰技术（另一种分类法） （1）频率域 采用频率域处理，如：直扩、跳频、跳扩。 （2）时间域 采用时间域处理，如：瞬时、跳时等。 （3）空间域 采用空间域处理，如：自适应天线等。 （4）其它数字处理 如：干扰抵销、纠错编码等,无线频谱,提高无线电频谱资源的利用率,有线资源的带宽是无限的 无线资源的带宽是有限的,窄带系统 （1）拓展高频段 （2）压缩信息带宽 （3）高性能的编码与调制技术,宽带系统 扩频技术或CDMA技术 复用与多址 单载波与多载波 单天线与多天线,基本概念（扩频、扩谱、展频、展谱） 扩展频谱技术是用比信号带宽宽得多的频带宽度来传输信息的技术。扩频通信是将待传送的信息数据用伪随机编码(扩频序列：Spread Sequence)调制，实现频谱扩展后再传输；接收端则采用相同的编码进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。是一种宽带的编码传输系统。 扩频通信方式与常规的窄带通信方式的区别： （1）信息的频谱扩展后形成宽带传输； （2）用扩频码序列来展宽信号频谱； （3）相关处理后恢复成窄带信息数据。,基本过程,主要特点,1、抗干扰能力强，特别是抗窄带干扰能力强。宽带干扰可为阻塞干扰。,干扰由于不知道扩频伪随机码,主要特点,2、可检性低(LPI-Low Probability of Intercept)，不容易被侦破，对各种窄带通信系统的干扰很小 。,3、抗多径衰落,多径分离与RAKE接收,主要特点,4、具有多址（SSMA）能力，易于实现码分多址（CDMA） 技术 5、可抗频率选择性衰落。 6、频谱利用率高，容量大（可有效利用纠错技术、正交波形编码技术、话音激活技术等）。 7、能精确地定时、测距与定位。 8、数模兼容，可开展多种通信业务 。,主要应用,1、军事通信（DS电台,FH电台，JTIDS），现在也开始民用和商用。 2、卫星通信（多址，抗干扰，便于保密，降低平均功率谱密度） 3、移动通信（多址，抗干扰，便于保密，抗多径，提高频谱利用率） 4、雷达、导航 5、无线本地环路，WLAN 6、GPS（选址，抗干扰，保密，测距） 7、测试仪，干扰仪测时延，无码测试仪 8、其他,基本方式,根据伪随机码插入通信信道的位置不同,PA,基本方式,直序扩频（DSSS）,Modul-2 Adder,EXOR充当Modul-2加法器,基本方式,直序扩频（DSSS）,基本方式,跳频扩频（FHSS）,基本方式,跳时扩频（THSS）,TDMA,能用时间的合理分配避开强干扰 多个跳时信号可能重叠 需用纠错编码或协调方式的TDMA 抗干扰方法主要是减小占空比，干扰的方法是连续发射强干扰 很少单独使用抗干扰，多混合方式,开关,基本方式,跳时扩频（THSS）,特点比较,跳频,跳频通信技术的历史与发展,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。,70年代末第一部跳频电台问世 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“。,跳频系统,跳频系统组成,跳频器由频率合成器和跳频指令发生器构成 跳频器输出的跳变的频率序列，就是跳频图案 利用伪随机发生器来产生跳频指令的，或者由软件编程来产生跳频指令 跳频单元称为载波保护单元CPA(Carrier Protect Assemble),跳频系统中的调制,跳频对调制方式并没有太多限制，所以模拟和数字移动通信均可采用跳频扩频技术。 一般采用非相干解调的FSK调制,虽然恒包络的PSK调制比FSK的性能好，但是PSK在码元交替处的载波相位是不连续的，这在功率谱上会产生很强的旁瓣分量；PSK 调制通常采用相干解调，而跳频通信中,一般来说频率合成器在连续的跳变中不能维持相位的相干，或者说要保持用于跳频模式的频合中的相位相干很困难；当信号在一个宽的带宽上从一个频率跳到另一个频率时，在信道上信号的传播过程中保持相位相干也很困难。 一些为了压缩受调信号的频谱宽度和获得比较理想的误码率特性，采用部分响应技术的窄带调制方式，在跳频方式中也不宜采用。因为在频率跳变时要保持载波相位连续且平滑是很难的。（相干跳频通信中解决了相位不连续性问题） FSK 是它的一种常用工作方式，其相位是不连续的，可以看做是 M个振幅不同，载波不同，时间上互不相容的二进制ASK信号的叠加。但是正因为其相邻码元相位不连续，频率跳变将引起较大的功率谱旁瓣，频谱效率低，而只能应用于低速率传输系统中。,跳频系统中的调制,MFSK调制,对频差和相移不敏感 恒包络调制，AGC的限幅作用对误码率影响不大 峰平比低，对HPA的线性要求不高 频谱效率低，频点少，为避免碰撞，适宜慢跳频系统 抗白噪声能力优于MASK，较MPSK差 解调在一个周期内积分，抗脉冲干扰的能力强 可用前向纠错的办法克服部分频带干扰 抗多经方法：编码与交织结合、宏分集、增大调制阶数（通常不大于8）、提高跳速并用微分集。,MPSK调制,对频差和相移较敏感 AGC的限幅作用对误码率影响较大 对HPA的线性要求不高 频谱效率较高，可用于快跳频系统 抗白噪声和部分频带干扰的能力较强 常用DQPSK或/4DQPSK方式,跳频系统中的调制,在系统带宽一定的情况下，采用高效的调制制度，可以增加频点数。 MQAM 是一种频谱利用率较高的数字调制技术，可以看作是振幅调制和相位调制的结合。在单通道跳频系统中，可采用最小频移键控（MSK）或其它连续相位频移键控（CP-FSK）。MSK 和 CP-FSK 调制都是相位连续的调制方式，但因为它们的信号具有全响应性质，故实现起来相对容易。而且它们可以使用非相干检测对信号进行解调。MSK 是一种恒包络的连续相位调制。恒包络调制提供了下述优点:具有极低的旁瓣能量，可以使用功率效率高的 C 类放大器，电池利用率较高，容易恢复用于相干解调的载波，具有高的抗信号波动的特性。尽管它可以使用 I/Q 调制，对这种类型的调制，更简单的设备是使用电压控制的振荡器，但是 MSK 系统带宽占用比线性调制大，因而频带利用率低，多用于调制速率不高的传输系统中，以使频带不至于过宽。特别地，在混沌通信系统中，还有 CSK（混沌移频键控），DCSK（差分混沌移频键控），FM-CSK 等调制方式。,跳频与多址方式的结合,跳频 CDMA 跳频 OFDM,FH-CDMA 系统的发送端，利用 PN 码去控制频率合成器，使之在一个宽范围内的规定频率上伪随机地跳动，然后在与信码调制过程中混频，从而达到扩展频谱的目的。在接收端，通过一个与发送端相同的本地 PN 码，驱动本地频率合成器产生同样规律的频率跳变，和接收信号混频后获得固定中频的已调信号，通过解调还原出原始信号。和通常的跳频系统一样，FH-CDMA 具有良好的远近效应特性。其同步比 DS-CDMA 简单得多,可以很容易地使同步装置跳过某些特定频率,这就可以允许更大的扩频带宽。,在每个时隙中，可以根据跳频图样来选择每个用户所使用的子载波频率，从而可以利用跳频的优点为OFDM系统带来好处。跳频 OFDM 系统能够为小区内的多个用户设计正交跳频图样，从而相对容易地消除小区内的干扰。而通常的窄带系统只有当信道时延扩展大大小于数据符号周期时，即信号带宽远远小于信道的相干带宽才能保证传输质量。,跳频器,对跳频器的要求： 要求输出频谱要纯，输出频率要准、稳，否则接收和发射两端不易同步，不能可靠地进行通信； 跳频图案要多，跳频规律随机性要强，从而可加强通信的保密性能； 要求频率转换速度要快，输出的可用频率数要多。跳频速率越快，通信频率的跳变越不易被干扰或破译，但频率跳变太快也会使频谱展宽，且使得跳频器结构复杂，成本高； 跳频器输出频率要高。频率越高，可利用的频率范围越宽，跳频通信产生的频率数越多，保密性就越强； 跳频器必须要有很高的可靠性和稳定性、抗震性，适合于战术通信和移动通信使用的要求； 跳频器要求体积小、轻便，使跳频电台适用于携带式移动通信。,跳频器主要技术指标： 跳频速率或频率转换时间（跳频速率105h/s或频率转换时间1s） 跳频信号带宽（若频点间隔200kHz，则跳频带宽60MHz） 跳频频率数（256点，达4095即2121） 电台输出的寄生信号频率低于选定频率80dB,跳频频率合成器,直接式频合 转换速度快（100s级）； 频率分辨率高（10-2Hz） 相位噪声较低，频谱纯度较高（90-100dB），但杂散较难抑制； 可产生的频率数多，通过增加混频级数还可进一步增加频率数 ； 跳频信号频率高，带宽宽（如60MHz）； 工作稳定可靠； 随着混频级数的增加，传输时延也会增加，这样就限制了跳频速率； 随着跳频点数的增加，硬件的复杂度呈指数增加，体积和重量也相应增加。 SAW是发展趋势,简单直接式频率合成器,“和频分频”基本单元框图,跳频频率合成器,单环间接式频合（PLL） 输出频率高，频点多； 杂散少； 相位噪声较低； 转换速度较慢（几十s 到几百ms级）； 频率稳定度较高； 硬件结构简单、体积小； 易集成 频率间隔不能太小。 小数分频可获得低相噪、小步进（Hz级）、快速锁定（100 s级）等性能,双环（乒乓式）频合 转换时间短（ns级），跳速较高 开关调幅影响频谱纯度 开关隔离度随频率升高而减小 减小步进和提高跳速都很难 电磁兼容问题 线路复杂,单环间接式频率合成器,双环路间接式频率合成器,直接式数字频率合成器（DDSDirect Digital Synthesis）,分辨率高（mHz） 频率转换时间快（ns） 相位噪声低（120dBc/Hz） 频率转换时相位连续 输出频带宽（1/2fc），频率低 具有调制功能和其它功能 杂散较大 频点多 输出频率越高，功耗越大,NCO输出,DDS组成,用DDS实现调制功能,DDS小数分频频合,集成整数PLL频合、小数分频频合和DDS的优点 高频、宽带、高跳速、低相噪、低杂散、高分辨率、较低功耗,小数分频,跳频频率合成器比较（1）,跳频频率合成器比较（2）,基于DDS的组合式跳频频率合成器,DDS+PLL频合,DDS驱动PLL频率合成器,加BPF可抑制DDS的宽带杂散,DDS的带内杂散经倍频后频谱纯度恶化,PLL 内插DDS系统方法,频谱纯度较高 频率转换时间较长（达几十s ）,基于DDS的组合式跳频频率合成器,DDS+DS频合,模拟倍频器代替PLL 频谱纯度较高（但带内杂散恶化） 频率转换时间快，适合高速跳频 输出频点多 输出频率较高，拓展了DDS的输出带宽,DDS,BPF,N倍频链,BPF,频率控制字K,fc,跳频图案（图样）,跳频通信中载波频率改变的规律，可用时-频矩阵（讲原理时）或序列表示（研究时）,常采用伪随机改变的跳频图案,(a)中所示为一快跳频图案，它是在一个时间段内传送一个码位(比特)的信息。通常称此时间段叫跳频的驻留时间，称频率段为信道带宽。,(b)所示是一慢跳频图案，它是在一个跳频驻留时间内传送多个(此处3个)码位(比特)的信息。,图案本身的随机性要好，要求参加跳频的每个频率出现的概率相同。随机性好，抗干扰能力也强。周期要长。,保密性要强，密钥量要大，要求跳频图案的数目要足够多。这样抗破译的能力强。 各图案之间出现频率重叠的机会要尽量的小，要求图案的正交性要好。这样将有利于组网通信和多用户的码分多址。,跳频序列,用来控制载波频率跳变的地址码序列称为跳频序列，其作用在于：,控制频率跳变以实现频谱扩展 跳频组网时，采用不同的跳频序列作为地址码，发端根据收端的地址码选择通信对象。当多个用户在同一频段同时跳频工作时，跳频序列是区分每个用户的唯一标志。 跳频序列的性能对跳频系统的性能有着决定性的影响,跳速,跳速,一般跳频系统可根据跳频速率为快跳频（FFH）、中速频跳（MFH）和慢速跳频（SFH），有两种划分方式。第一种是将跳速（Rh）与信息速率（Ra）相比较来划分，若跳频速率Rh大于信息速率Ra，即RhRa，为快速跳频；反之，RhRa为慢速跳频。另外一种划分方式是以跳速来划分： SFH：Rh: 10 100hs，如以色列的VHF88、美国的Scimitar-H; MFH: Rh: 100 500hs，如美国的SINCGARSV； FFH：Rh:500hs，如美国的Scimitar-V。 跳频速率不同，抗干扰性能不同，复杂程度和成本也不同。,跳速,跳频频谱,箭头所示是载波频率跳变的过程。载波频率之间的频率间隔就是信道带宽，跳频的载波数目乘上信道带宽就是跳频带宽。,跳频频谱,跳频频谱,跳频通信条件,跳频通信条件 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。,跳频图案,只是跳频图案相同；,图(b)是跳频图案及跳频频率一致的情况；,图(c)为跳频图案、跳频频率以及跳频起止时刻完全一致,跳频波形,跳频信号波形,频率合成器从接受指令开始建立振荡到达稳定状态的时间叫作建立时间；稳定状态持续的时间叫驻留时间；从稳定状态到达振荡消失的时间叫消退时间。从 建立到消退的整个时间叫作一个跳周期，记作Th。建立时间加上消退时间叫作换频时间。只有在驻留时间(记作TD)内才能有效地传送信息。,跳频波形,跳频通信系统为了能更有效地传送信息，要求频率切换占用的时间越短越好。通常，换频时间约为跳周期Th的1/8 1/10。比如跳频速率每秒500跳的系统，跳周期Th2ms，其换频时间为0.2ms左右。跳频速率每秒20跳的系统，跳周期是50ms，其换频时间约为5ms。,跳频信号分析,设信源产生的信号a(t)为双极性数字信号,an为信息码，取值1或1 ，Ta为信息码元宽度，ga(t)为门函数,跳频信号分析,调制采用PSK调制。由频率合成器产生的频率为fi，,fi在（i1）ThtiTh内的取值为频率集f1、f2，fN中的一个频率，由伪随机码确定，Th为每一频率（每一跳）的持续时间或驻留时间。这样，用a(t)去调制频率合成器产生的频率fi，可得射频信号的为,跳频接收机原理框图,跳频信号分析,接收端收到的信号为,信号分量,噪声分量(高斯白噪声),干扰信号分量,不同网的跳频信号,跳频信号分析,接收端频率合成器产生的频率受与发端相同的伪随机码产生器的控制，产生的频率fj为接收频率合成器产生的频率集中的一个,在混频器中，接收到的信号与本振相乘，得,收发两端的频率合成器产生的频率受相同的伪随机码的控制，控制方式相同，两伪随机码的初始相位相同（同步），则有ij。这样，收端频率合成器产生的频率正好比发端的频率高出一个中频fI（也可低一个中频），经混频，取下边带，就可得信号分量,信号分量s，(t),滤波,固定中频信号，与非跳频系统送入解调器的信号是相同的，经解调后，可恢复出传送的信息a(t)，从而完成信息的传输。,由上式还可看出，中频载波有一附加相移i，这是由发端频率合成器引入的，但实际上它还应包括收端频率合成器引入的相移以及传输过程引入的相移，这些相移在每一跳Th的时间内是不相同的。这就是为什么跳频系统多采用非相干检测的原因。,跳频系统的非相干解调,由于n(t)为高斯白噪声，经混频后，噪声分量与一般的非跳频系统一样，没有变化，也就是说，跳频系统对白噪声无处理增益。,n(t)分量,n(t)与cosj，t不相关，可得到其自相关函数和功率谱分别为,与窄带系统的解调器的输入噪声功率相同。,干扰分量J(t),由于不知道跳频频率的变化规律，即不能得到跳频系统的信息，经混频后，被搬移到中频频带以外，不能进入解调器，也就不能形成干扰，从而达到了抗干扰的目的。J(t)要有效地干扰跳频信号s(t)，必须与s(t)的频率始终相同，否则是无能为力的。,由于J(t)与cosj,t不相关，可得其自相关函数和功率谱密度分别为,干扰分量的功率谱密度实际上是把干扰信号的功率谱密度搬移。若搬移后的正好在中频通带内有值，即I将对有用信号形成干扰，否则不会对有用信号构成威胁,sJ(t)分量,不同网有不同的跳频图案，在组网时，已考虑到了不同网之间的相互干扰问题，即应使其频率跳变是正交的，互不重叠。不同网的信号由于频率跳变的规律不同，故不能形成干扰。,网号不同，跳频图案不同,由于不同步，kj，经混频后不能进入中频通带内，因而不能对有用信号形成干扰。若不同网的信号正好与有用信号的频率在某一段时间内相同，则会有一中频输出，将会对有用信号形成干扰。,发送端的载频受伪随机码的控制，不断地、随机地改变，躲避干扰。在接收端，用与发端相同的伪随机码控制本地频率合成器产生的频率，使之与发端的载频同步跳变，混频后使之进入中频频带内；对于干扰信号，由于不知道跳频系统的载频变化规律，经接收机接收，不能进入中频频带内，也就不能形成干扰。这样，跳频系统就达到了抗干扰的目的。由此可见，跳频系统的抗干扰机理与直扩系统是不同的，跳频系统以躲避干扰的方式抗干扰，可以认为是一种主动式抗干扰方式；而直扩系统用把干扰功率分散的方法来降低干扰功率，提高解调器的输入信干比，以此来达到抗干扰的目的，故可以认为是一种被动式的抗干扰方式。,跳频系统的抗干扰机理,设在一频带BW内，等间隔分为N个频道，即可用频率数为N，频率间隔为F，信息带宽为BaF。定义跳频系统的处理增益为射频带宽与信息带宽之比，即,跳频系统的处理增益,跳频系统的抗干扰性能即处理增益是与跳频系统的可用频道数N成正比的，N越大，射频带宽BW越宽，抗干扰能力越强。 但是，不能用处理增益GP来表征抗跟踪式干扰的能力。,修正后的跳频处理增益的统一定义和算法为,跳频处理增益与抗干扰能力的关系,跳频处理增益是针对抗阻塞干扰而言的,而抗阻塞干扰能力又是针对定频通信而言的（常用部分频带干扰的原因） 跳频处理增益不能完全描述系统的抗阻塞干扰能力（盲跳频和自适应跳频） 提高跳频处理增益有利于提高系统抗跟踪干扰能力（间接关系） 跳频处理增益的增加受到多种因素的限制,式中，Na 为实际频率数, k 为修正因子, k=Fmin/ Ba,k 0。,跳频干扰,干扰方式1：在某一个频率上施放长时间的大功率的干扰，即单频干扰。 干扰方式2：在某几个频率上施放长时间大功率的干扰，即多频干扰。 干扰方式3：在连续的几个频带上施放长时间大功率的干扰，称作部分频带干扰。 干扰方式4：在不同时间内在不同的频率上施放大功率的干扰。 干扰方式5：依照跳频图案的规律跟踪施放大功率的干扰。,跳频干扰,跳频系统技术指标与抗干扰能力,跳频带宽 跳频频率的数目 跳频的速率 跳频码的长度(周期) 跳频系统的同步时间,跳频带宽越宽，抗宽带（部分频带）干扰的能力越强。 跳变的频率数目越多，抗单频、多频以及梳状干扰的能力越强。 跳速越快，抗跟踪式干扰的能力就越强。 跳频码的长度越长，跳额图案延续时间越长，敌方破译越困难，抗截获的能力也越强。,白噪声干扰,假设跳频系统总带宽为W，把W分成相等的N个频道（不重叠、不间隔），白噪声的功率均匀分布在这些频道内。跳频信号经解跳后落入中频频带内的噪声功率为总噪声功率的1/N，则处理增益为N。,在 BFSK/FH 系统中，几个用户独立地按照它们的跳频图案改变载波频率。如果两个用户不同时使用相同的频带，即不发生碰撞，也没有干扰“击中”，则在AWGN信道上，采用非相干解调方式，2FSK的FH系统的差错概率为 其中 为单位信噪比。,单频干扰与窄带干扰,跳频系统减小单频干扰或窄带干扰进入接收机的概率，是一种有效的对抗方法。 干扰信号和跳频系统不同，干扰对跳频系统的影响不同。 干扰信号的功率对系统的影响 若是强干扰信号，产生频道阻塞，在此频道上的最大误码率为1/2。,若在BW内有N个频道和J个固频干扰，这J个干扰的频率正好与N个频率中的J个频率相同，且假设N个频率是等概出现的，那么这J个干扰频率将形成一定的干扰。我们把干扰频率与信号频率相同，且干扰功率超过信号电平形成的干扰称为“击中”（即形成干扰），则“击中”概率为,在这种情况下系统的最大误码率为,单频干扰与窄带干扰,若是弱干扰信号，不会影响在此频道上的传输，对系统的误码率也影响不大。此时系统误码率近似为在白噪声情况下的性能，或者近似为,其中， 为干扰的功率谱密度。,“击中”概率与字的差错概率,为降低“击中”概率,改善跳频系统的误码性能，可以用增加可用频率数的办法，也可以用增加冗余度（同时提高跳频速率）的办法，即采用纠错编码技术,用几个频率传输1比特信息,即要用(C,W)分组编码的方法,字的差错概率为,为总的“击中”概率， , 为由于击中而产生的频道误码率，C为每比特的频率数, r为判决门限。这样可大大降低错误概率，提高系统抗干扰性能。 下图为多（跳）频传输时的误切普率（相当于上面的频道误码率）与误码率（相当于上面的误字率）之间的关系 跳频系统加上自适应调零天线，进一步增加对抗特强干扰的能力。,多频传输在不同判决准则下Pe,与Pe 的关系,误码率Pe,与误切普率Pe,在实际中增加多余度究竟能使误码率改善多少，取决于系统参量。显然，每比特信息发送的切普数越多，误码率就越小，这要求跳频速率和射频带宽成正比增加。如果系统带宽或频率合成器产生的频率的能力受到限制，则必须在每比特发送较多频率数与降低误码率之间进行一定的折衷。,在两个用户同时使用相同的频带时，则会发生碰撞，设一次碰撞的概率为 ,假定出现这种碰撞时误码的概率为 0.5,则总的误码率就为,“碰撞”概率与差错概率,如果对数目较大的 q 个跳频信道，有 K-1 个相互干扰用户，则目标用户所在的频隙中，至少存在一个干扰的概率为 此时，系统的误码率为,仿真结果,对于异步的情况，一次碰撞的概率为,“碰撞”概率与差错概率,对应的系统误码率为 其中， 是1跳内发送的符号数。,对于快跳频，信号的差错率为,其中，,单频干扰与窄带干扰,单频干扰与窄带干扰对跳频系统的影响与跳频频率集的配置有关。 配置方式：不邻接、邻接、重叠 缺省假设干扰很强,不邻接 干扰A对跳频频道干扰 干扰B对跳频频道无干扰,邻接 干扰A对跳频频道干扰 干扰B对1个或2个跳频频道形成干扰,单频干扰与窄带干扰,为了减小传输带宽，可以减小信道宽度，允许在相邻两个信道中发送的信号频谱有较大部分相互重叠，以至于使信号频谱主瓣的第一个零点落在相邻信道的中心。因为跳频系统在一个比特周期内不会用两个频率发送信号，因而频谱部分重叠的方法是可以节省频带的。然而，这样做会使跳频系统对远近效应比较敏感，且增加了接收机区分信道的模糊度，从而使误码率增加。在组网通信中，还可能增加随机碰撞的机会。 干扰的影响与重叠方式和重叠的程度有关。,频谱不重叠,频谱重叠,宽带阻塞干扰 在直扩系统中，干扰直扩信号，单频或窄带干扰比宽带干扰更有效；而在跳频系统中，干扰跳频信号，宽带干扰比窄带或单频干扰更有效。因为宽带干扰“击中”跳频信号的概率较大。但宽带阻塞式干扰要在整个跳频频段内阻塞跳频信号的可能性是很小的，要求的功率和带宽在技术上是很难实现的。例如VHF频段，跳频频率为30MHz到90MHz，则有2400个频道。若跳频电台发射功率为3W，发射台到接收台的距离与接收台到干扰机的距离相等，则要求发射机的功率至少7200W，相对带宽达100（60MHz中心频率），这基本上是不可能的。即使有这样的干扰机，也难免受到导弹的攻击。有效的干扰是采用多部宽带阻塞式干扰机或部分频带阻塞干扰机。 宽带干扰指带宽大于跳频总带宽 1/5 或干扰掉 20以上跳频频率的干扰。 宽频带干扰机的工作方式可以是每部干扰机干扰一个信道，也可以是二部干扰机发出宽带干扰或若干个干扰机组合来覆盖整个跳频频段。,宽带阻塞干扰 宽带干扰的总功率为 ，带宽为W，功率谱密度为 ,并假设 ，则SNR为,处理增益,干扰容限或阻塞系数,在AWGN信道上，2FSK的FH系统的差错概率为,超短波扩频电台在城市的电磁环境下由于受到民用无线电设备的干扰产生阻塞，无法正常工作； 防止阻塞干扰对接收机线性提出了严格的要求； 可采用跳频前置滤波器的方法来减小阻塞干扰。,部分频带干扰 FH系统特别容易受到部分频带干扰的攻击，这一干扰可来自专门的干扰台，也可来自FH CDMA系统。 部分频带干扰可用一个零均值的高斯随机过程来建模，这个过程在总带宽W的某一部分具有平坦的功率谱密度（ ， ， 为干扰所占的频带份额 ），而在这个频带以外为0。,假设部分频带干扰来自某一干扰台，在采用2FSK调制和非相干检测的未编码FH系统中，平均差错概率为,最坏情况下的部分频带干扰，相应的差错概率为,多频传输可解决部分频带干扰问题。若每个信息比特在D次频率跳变上传输，相应的差错概率为（其中 为某个常数）,跟踪式干扰 跟踪式干扰机的组成为一频谱分析仪和干扰机。工作时，它首先用频谱分析仪分析出跳频发射机发送信号的频率等参数，然后将干扰机的频率调到跳频信号的频率上，对跳频信号进行干扰。这样跟踪式干扰机对有用信号的干扰就有一个时延问题，这个时延包括频谱分析仪的处理时间、干扰发射机的调谐时间以及信号传输的时延差等，这就大大降低了该干扰机的干扰能力，除非时延小于跳频频率的驻留时间，否则不会对有用信号形成干扰。要有效地干扰跳频信号，需知道跳频图案，即知道频率跳变的准确频率和时间，在此频率上发噪声调制信号，使有用信号在所有的频率上错误判决。而跳频图案是跳频系统中最重要部分，都具有很高的保密程度，很难破译，因而实际中基本上是不可能的。,电台1,电台2,侦察、分析、引导时间,接收时间,发送时间,干扰机,T总=T接收+T发送+T侦察、分析、引导,跟踪干扰和临界跳速,跟踪干扰和临界跳速,fi,fj,T总T跳频,T总T跳频,干扰,干扰,有效干扰时间,T跳频,抗跟踪干扰,快跳频是对付跟踪干扰的最好方法。 临界跳速150KHz / d(km) 如果跳速做不快，可以采用跳扩结合的方法。因为扩频增加了信号的隐蔽性，不容易被跟踪。 从抗干扰的角度，很少采用直扩。,转发式干扰,跟踪式干扰机是指干扰机实时地侦收跳频信号，进行信号处理后，在相同的中心频率上发射干扰信号，从而破坏跳频通信的干扰形式。 跟踪干扰椭圆,椭圆方程,原点,另一 焦点,式中，（x，y）为干扰机坐标，c 为光速，Th为跳周期。,转发式干扰,转发式干扰机要有效地干扰跳频信号，必须在跳频信号的一跳内使转发的干扰信号与有用信号同时到达接收机，或在一跳的驻留时间内有时间上的重叠。以d1表示直线传播距离，d2+d3为经干扰机转发的传播距离，Tp为干扰机的处理时间，则产生干扰的条件为,或,式中v为电磁波传播速度，为一比值，小于1 把此式右边看成常数，取等号，便形成一个以发射机和接收机为两个焦点的椭圆。这说明，倘若干扰机设在椭圆之外，则干扰不会有效。反过来，为了避免转发式干扰，跳频速率应满足,转发式干扰,干扰机处理时间上限,干扰机工作周期,干扰机发射时间,干扰机处理时间,干扰机干扰效率,跳频电台驻留时间,时干扰效率取最大值,一般认为：干扰应影响跳频驻留时间的60%以上才能破坏跳频通信，即取qmax=60%,转发式干扰,式中的与接收机的具体设计有关。显然，值越小，相应的跳频速率越允许低一些。减小的办法是使判决的取样时刻尽可能靠近每个比特的前沿。但这样做会使码间干扰的影响加大，从而降低系统的检测性能，而且对同步的要求也要提高。 在收发机和干扰的相对位置确定后，要克服转发式干扰，只有减小每跳的驻时间Th，即提高跳频速率。但跳频速率提高后，由于多网和延迟，会造成网与网中频率的击中，降低组网能力。 转发式干扰机并不需要知道跳频图案，因此它对跳频信号的干扰最严重。 例子：收发信机相距20km，干扰机与发射机相距15km，与接收机相距12km，忽略干扰机处理时间，跳速需大于42857h/s。（JTIDS系统为76000h/s）,高速跳频,这是针对中、低速跳频通信系统易受跟踪式干扰而采用的一项最新技术，目前国际上还停留在理论研究阶段，尚未实用。其主要原理是：移动通信系统以高于信息速率的跳速在很宽的频带上进行频率跳变，即每个信息比特跳几跳以上，相当于跳速高达100KHz1MHz，比目前的跳速提高1001000倍。与中、低速跳频方式相比，这种体制的显著特点是： 能有效地对抗敌方的跟踪式干扰和转发式干扰； 能消除宽带移动通信中多径效应造成的不利因素； 大大改善数据传输时的误码性能，从而提高可通率。 以上这些优点特别适用于新一代的军用无线通信。,“远近”效应,在直扩系统中，信号与干扰处于同一频带，由于干扰机离接收机的距离远小于发射机到接收机距离，前者路径衰减比后者的弱得多，虽然直扩系统有处理增益，干扰机到达接收机电平仍然能超过直扩系统的干扰容限。因此，“远近”效应对直扩系统的影响很大。例如，干扰机与发射机的发射功率相同，直扩系统处理增益Gp30dB，干扰机离接收机的距离接收机的距离与发射机离接收机的距离差使干扰信号到达接收机的比发射机强40dB，解扩后干扰仍比有用信号强10dB。跳频系统采用躲避的方法，工作频率是跳变的，虽然干扰机离接收机很近，但由于频率不同，形成不了干扰。当然，若干扰太强，虽然频率不同，由于接收机前端电路的选择性和动态范围有限，也会对接收的有用信号形成一定的影响。 “远近”效应的影响，对地面通信系统是一个大的问题。跳频系统相对直扩系统和其它非扩频系统而言，对抗“远近”干扰具有明显的优势。在卫星通信中，由于方向性和距离等原因，这种干扰影响不大。,多径干扰,跳频系统也具有抗多径能力，而且在信噪比相对较低的情况下，FHFSK系统还可以利用多径改善性能，但在一般情况下，条件相同，直扩系统的抗多径能力要比跳频系统强。跳频系统要抗多径干扰，应保证在跳时间之内与多径信号没有重叠部分，即要求,式中为多径时延。若以Rh1Th表示跳频速率，则上式可改写为,在多径时延一定的条件下，跳频系统要抗多径，最有效的途径是减小每跳的驻留时间Th，即提高跳频速率Rh，这又将增加系统的复杂性。例如，多径时延1s，路径差为300m，对直扩系统来说，只要Rc1Mcps即可，而对于跳频系统来说，则要求Rh1Mhps，要达到如此高的跳速是相当困难的。,多径干扰,实际上，一味地提高跳频速率也无必要，这是因为多径对跳频系统的干扰是通过不同路径的传输时延而起作用的，它一方面与信号带宽（跳速）有关，另一方面与信号的载频差有关。在多径信号强度不大于直接路径信号强度条件下，跳频系统要抑制多径干扰，就得同时满足两个条件，即Rh1和s1，其中s为异频信号之最大频差，为扩展时延。而这两个条件互相矛盾，为了同时满足两式，Rh与s相互制约。一般可以这样认为：当扩频电台同时工作的台数足够小时，抗多径主要取决于信号带宽（Rc或Rh），加大带宽可以削弱或抵消多径干扰，在此情况下直扩系统最优；在多电台工作情况下，抗多径主要通过信号载频差起作用，加大载频差并使之不小于相干带宽，就可削弱或抵消多径干扰，此时跳频较佳，且跳速不必很高。,跳频特点,主要特点 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。（抗瞄准式干扰）,主要特点 抗干扰性强 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。（抗宽带阻塞式干扰）,跳频特点,主要特点 跳频图案的伪随机性和跳频图案的密钥量使跳频系统具有保密性。即使是模拟话音的跳频通信，只要敌方不知道所使用的跳频图案就具有一定的保密的能力。当跳频图案的密钥足够大时，具有抗截获的能力。（保密性强）,跳频特点,主要特点 分集接收技术是克服信号衰落的有效措施 利用载波频率的快速跳变，具有频率分集的作用，从而使系统具有抗多径衰落的能力。 条件是跳变的频率间隔具要大于衰落信道的相关带宽，通常是能满足这个条件的。 （抗衰落）,跳频特点,主要特点 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（正交性）或时钟，可构成跳频码分多址系统，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。,跳频特点,主要特点 易于实现码分多址和组网 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。,跳频特点,主要特点 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。,跳频特点,主要特点 “远一近”效应。所谓远近效应是指大功率的信号(近处的电台)抑制小功率信号(远端的电台)的现象。对此，需要在系统中采用自动功率控制以保证远端和近端电台到达接收机的有用信号是同等功率的。这一点，增加了直接扩展频谱系统在移动通信环境中应用的复杂性，对直扩系统的影响很大。 对跳频系统来说，这种影响就小得多，甚至可以完全可克服。这是因为当大功率信号只在某个频率上产生远近效应，当载波频率跳变至另一个频率时则不再受其影响。,跳频特点,主要特点 采用快跳频和纠错编码系统用的伪随机码速率比直扩系统低得多，同步要求比直扩低，因而时间短、入网快。,跳频特点,跳频序列,跳频同步的内容,跳频同步的关键,跳频同步的要求,跳频同步的要求,跳频同步的要求,跳频图案同步的过程,跳频同步信息的基本传递方法,跳频同步信息的基本传递方法,跳频同步信息的基本传递方法,跳频同步信息的基本传递方法,跳频同步信息的基本传递方法,跳频图案的实时状态信息,实时时钟信息包括年月日时分秒，毫秒、微秒、毫微秒等；状态信息是指伪码发生器实时的码序列状态。 根据这些信息，收端就可以知道当前跳频驻留时间的频率和下一跳驻留时间应当处在什么频率上，从而使收发端跳频器同步工作。 根据这些信息，收端就可以知道