跳频通信技术的研究.doc

第 18 页 跳频通信技术的研究 当今信息时代，如何有效的利用宝贵的频带资源，如何进行准确可靠的信息通信是通信领域中至关重要的问题。扩频通正是在这种背景下迅速发展起来的。从20世纪40年代起，人们就开始了对扩频技术的研究，其抗干扰、抗窃听、抗测向等方面的能力早已为人们所熟知。但由于扩频系统的设备复杂，对各方面的要求都很高，在当时的技术条件下，要制成适应军事和民用需要的扩频系统是不可能的，因而扩频技术发展缓慢。进入20世纪60年代后，随着科学技术的迅速发展，许多新型器件的出现，特别是大规模、超大规模集成电路、微处理器、数字信号处理（DSP）器件、扩频专用集成电路(ASIC)以及像声表面波（SAW）器件、电荷耦合器件（CCD）这样的新型器件的问世，使扩频技有了重大的突破和发展，许多新型系统相继问世，兵在实际的使用和实验中显示出了它们的优越性，使扩频通信成为未来通信的一种重要方式。并因此受到了人们极大的重视。 扩展频谱系统主要包括以下几种扩频方式：（1） 直接序列扩频（DS）（2） 跳频（FH）（3） 跳时（TH）（4） 线性调频（Chirp）本文中主要讲述对跳频通信的研究。本论文共分X章， 第一章 扩频技术及其理论基础 1.1概论 扩展频谱系统具有很强的干扰性，其多址能力、保密、抗多径等功能也倍受人们的关注，被广泛地应用于军事通信和民用通信中。 扩展频谱系统是指发送的信息被展宽到一个很宽的频带上，这一频带比要发送的信息的带宽宽得多，在接收端通过相关接收，将信号恢复到信息带宽的一种系统，简称为扩频系统或SS（Spread Spectrum）系统。 1.2 扩频通信的理论基础 扩频通信技术是把要发送的信号扩展到一个很宽的频带上，然后再发送出去，系统的射频带宽比原始信号的带宽宽得多。这样做，系统的复杂度比常规系统的复杂度要高得多，付出的代价是昂贵的，能得到什么好处呢？可以从著名的香农定理来看。 香农定理指出：在高斯白噪声干扰条件下，通信系统的极限传播速率（或称信道容量）为 C=B lb（1+S/N） b/s （1-1）式中：B为信号带宽，S为信号平均功率，N为噪声功率。若白噪声的功率谱密度可为 ,噪声功率N= B，则信道容量C可表示为 （1-2）由上式看出，B、 、S确定后，信道容量C就确定了。由香农第二定理知，若信源的信息速率R小于或等于信道容量C，通过编码，信源的信息能以任意小的差错概率通过信道传输。为使信源产生的信息以尽可能高的信息速率通过信道，提高信道容量是人们所期望的。 由香农公式可以看出：（1） 要增加系统的信息传输速率，则要求增加信道容量。增加信道容量的方法可以通过增加传输信号带宽B，或增加信噪比S/N来实现。由式（1-1）可知，B与C成正比，而C与S/N呈对数关系，因此，增加B比增加S/N更有效。（2） 信道容量C为常数时，带宽B与信噪比S/N可以互换，即可以通过增加带宽B来降低系统对信噪比S/N的要求；也可以通过增加信号功率，降低信号的带宽，这就为那些要求小的信号带宽的系统或对信号功率要求严格的系统找到了一个减小带宽或降低功率的有效途径。（3） 当B增加到一定程度后，信道容量C不可能无限地增加。由式（1-1）可知，信道容量 与信号带宽成正比，增加B，势必会增加C，但当B增加到一定程度后，C增加缓慢。由式（1-2）知，随着B的增加，由于噪声功率N= B，因而N也要增加，从而信噪比S/N要下降，影响到C的增加。1-2 扩频系统的物理模型图1-1为扩频系统的物理模型，信源产生的信号经过第一次调制信息调制（如信源编码）成为一数字信号，再进行第二次调制扩频调制，即用一扩频码将数字信号扩展到很宽的频带上，然后进行第三次调制，把经扩频调制的信号搬移到射频上发送出去。在接收端，接收到发送的信号后，经混频后得到一中频信号，再用本地扩频码进行相关解扩，恢复成窄带信号，然后进行解调，将数字信号还原出来。在接收过程中，要求本地产生的扩频码与发送端用的扩频码完全同步。 图 第二章 跳频概论 跳频系统的载频受一伪随机码的控制，不断地、随机的跳变，可看成载频按照一定规律变化的多频频移键控（MFSK）。与直扩系统相比，跳频系统中的伪随机序列并不直接传输，而是用来选择信道。跳频系统从20世纪60年代后期开始，发展便非常迅速，已研制出不少适合战术通信的跳频电台，如美国的Scimitar-H、Scimitar-V、RF-3090、英国的Jaguar-V，以色列的VHF-88等，这些跳频电台在实际的使用和实验中，都表现出了较高的抗干扰性能，具有取代现有的其他战术通信用的电台的趋势。不少专家预言，未来的战术通信设备费跳频电台莫属。2-1 跳频系统的组成 跳频系统的组成如图2-1所示。用信源产生的信息流a（t）去调制频率合成器产生的载频，得到射频信号。频率合成器产生的载频受伪随机码的控制，按一定规律跳变。跳频系统的解调多采用非相干解调，因而调制方式多用FSK、ASK等可进行非相干解调的调制方式。 图在接收端，接收到的信号与干扰经高放滤波后送至混频器。接收机的本振信号也是一频率跳变信号，跳变规律是相同的，两个合成器产生的频率相对应，但对应的频率有一频差为 ，正好为接收机的中频。只要收发双方的伪随机码同步，就可使收发双方的跳频源频率合成器产生的跳变频率同步，经混频器后，就可得到一不变的中频信号，然后对此中频信号进行解调，就可恢复出发送的信息。而对干扰信号而言，由于不知道调频频率的变化规律，与本地的频率合成器产生的频率不相关，因此，不能进入混频器后面的中频信道，不能对跳频系统形成干扰，这样就达到了抗干扰的目的。在这里，混频器实际上担当了解跳器的角色，只要收发双方同步，就可将频率跳变信号转换成为一固定频率（中频 ）的信号。2-2 跳频的原理 在广阔地域使用短波通信，都希望通信话路畅通和保密。然而他们常遇到窃听、电子对抗、信道拥塞等问题。常规短波电台用固定频率发射和接收，因而无法避开窃听、人为干扰、信道阻塞。这些问题必须利用跳频技术才能彻底克服。 跳频的原理是：按全网预设的程序，自动操控网内所有台站在一秒钟内同步改变频率多次，并在每个跳频信道上短暂停留。周期性的同步信令从主站发出，指令所有的从站同时跳跃式更换工作频率。 就通信的安全性而言，跳频短波通信比卫星通信更为可靠。这是因为提供卫星服务的机构对其所属国承担了战略责任，必须受到该国政府的控制。而跳频短波通信是完全自主的，因而也是最可信赖的。在涉及国家安全和社会安全的场合，跳频短波通信的地位无可取代。目前世界各电台厂商提供的多数是普通数字式跳频。数字跳频的缺点是跳频频谱不够隐蔽，容易被识别、破译、跟踪。近两年出现了更先进的智能边带跳频模式，这是边带跳频和智能跳频的统称。边带跳频是在数字跳频 基础上发展的更高级技术，它将跳频码隐含于边带话音中，隐含的跳频信号近似边带噪声，比一般的数字跳频更难被识别，破译和跟踪。智能跳频则是一种具有极强的频带适应技术，能够在256KHz跳频频带内自动识别和弃用拥塞信道。明显净化通信背景。例如在夜晚，短波信道常常被各种嘈杂的信号所占据，利用智能跳频，可以将整个通信网自动调整到干净的信道区，通信背景自然就会干净和安静的多，有用信号将明显变的清晰。2-3 跳频通信技术的发展历程和特点（1）发展历程 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）特点 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。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。A、抗干扰性能强 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。B、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。C、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。D、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。E、解决了“远近”问题 “远近”问题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，甚至可以完全克服。F、时间短、入网快 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的低得多，同步要求比直扩系统的低，因而时间短、入网快。2-3 跳频系统的分类以及应用一般的跳频系统可根据跳频速率分为快速跳频（FFH）、中速跳频（MFH）和慢速跳频（SFH）。有两种划分方式来确定快、慢速跳频。第一种是将跳速（Rh）与信息速率（Ra）相比来划分，若跳频速率大于信息速率，即RhRa，则为快速跳频；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的范围是10100h/s，如以色列的VHF-88、美国的Scimitar-H；MFH：Rh的范围是100500h/s，如美国的SINCGARS-V；FFH：Rh大于500h/s，如美国的Scimitar-V。跳频速率不同，抗干扰性能不同，复杂程度和成本也就不同。快速跳频抗干扰能力极强，基本上认为是不可被破解的。但系统成本较高，目前只用在军事通信领域。跳频是最常用的扩频方式之一，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，也是一种码控载频跳变的通信系统。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，跳频信号的频谱是一个在很宽频带上以不等间隔随机跳变的。其中：跳频控制器为核心部件，包括跳频图案产生、同步、自适应控制等功能；频合器在跳频控制器的控制下合成所需频率；数据终端包含对数据进行差错控制。与定频通信相比，跳频通信比较隐蔽也难以被截获。只要对方不清楚载频跳变的规律，就很难截获我方的通信内容。同时，跳频通信也具有良好的抗干扰能力，即使有部分频点被干扰，仍能在其他未被干扰的频点上进行正常的通信。由于跳频通信系统是瞬时窄带系统，它易于与其他的窄带通信系统兼容，也就是说，跳频电台可以与常规的窄带电台互通，有利于设备的更新。通信收发双方的跳频图案是事先约好的，同步地按照跳频图案进行跳变。这种跳频方式称为常规跳频(Normal FH）。随着现代战争中的电子对抗越演越烈，在常规跳频的基础上又提出了自适应跳频。它增加了频率自适应控制和功率自适应控制两方面。在跳频通信中，跳频图案反映了通信双方的信号载波频率的规律，保证了通信方发送频率有规律可循，但又不易被对方所发现。常用的跳频码序列是基于m 序列、M序列、RS码等设计的伪随机序列。这些伪随机码序列通过移位寄存器加反馈结构来实现，结构简单，性能稳定，能够较快实现同步。它们可以实现较长的周期，汉明相关特性也比较好，但是当存在人为的故意干扰(如预测码序列后进行的跟踪干扰)时，这些序列的抗干扰能力较差。与一般的数字通信系统一样，跳频系统要求实现载波同步、位同步、帧同步。此外，由于跳频系统的载频按伪随机序列变化，为了实现电台间的正常通信，收发信机必须在同一时间跳变到同一频率，因此跳频系统还要求实现跳频图案同步。跳频系统对同步有两个基本要求：一是同步速度快，二是同步能力强。目前跳频电台的同步方法有精确时钟法、同步字头法、自同步法、FFT捕获法、自回归谱估计法等等。在实际应用中，同步方案常常综合使用多种同步方法。例如战术跳频系统中常用扫描驻留同步法，综合使用了精确时钟法、同步字头法、自同步法三种同步方法，分成扫描和驻留两个阶段进行。扫描阶段完成同步头频率的捕获，驻留阶段从同步头中提取同步信息，从而完成收发双方的同步。在自适应跳频中，同步还包括收发双方频率集更新的同步，保证双方同步地实现坏频点替代，否则会使收发双方频率表不一致，导致通信失败。频合器是跳频通信系统中的关键部分，目前大多数跳频电台中使用的频率合成器采用的是锁相环（PLL）频率合成技术，但是该技术的频率转换速度已经接近其极限，要进一步改善的技术难度越来越大，而且分辨率较低。为了能够进一步提高跳频速率，提出了直接式数字频合器(DDS）。它采用全数字技术，具有频率分辨率高，频率转换时间快，输出频率可以很高而且稳定性好，相位噪声低等优点，可满足快速跳频电台对频率合成器的要求。例如在美国的JTIDS 中，跳速达到每秒35800 跳，只有采用直接数字频合器才能实现。但是DDS的价格昂贵，复杂度大，直接用于战术跳频电台有一定的难度。如果采用DDS+PLL的方法，结合两者的长处，可以获得单一技术难以达到的效果。在跳频系统中，即使在信道条件良好的情况下，仍有可能在少数跳中出现错误，因此有必要进行差错控制。差错控制的方法主要分为两类：一是自动请求重发纠错（ARQ)技术；二是采用前向纠错（FEC)技术。ARQ技术可以很好的对付随机错误和突发错误，它要求有反馈电路，当信道条件不好时，需要频繁的重发，最终可能导致通信失败。FEC技术不需要反馈电路，但是需要大量的信号冗余度以实现优良的纠错，从而会降低信道效率。由于纠错码对突发错误的纠错能力较差，而通过交织技术可以使信道中的错误随机化，因此，经常采用编码与交织技术相结合的办法来获得良好的纠错性能。在跳频系统中常用的纠错编码技术有汉明码、BCH码、trellis 码、RS码、Golay码、卷积码和硬判决译码、软判决译码等。1993年提出了TURBO码，其信噪比接近于Shannon极限，引起了人们的极大兴趣。与RS码等常用的跳频编码相比， TURBO 码在跳频系统中显示了极大的应用潜能。此外，还可以把不同的编码方法结合在一起，取长补短，进行联合编码。在快跳频方式下，还可以运用重发大数判决来克服跳频频段内的快衰落。跳频电台在实际应用中通常要组成跳频通信网，以实现网中的任何两个通信终端均能够做到点到点的正常通信。组网除了要避免近端对远端的干扰、码间干扰、电磁干扰等其它干扰以及由系统引起的热噪声等噪声干扰以外，还要注意避免由组网引起的同道干扰、邻道干扰、互调干扰、阻塞干扰等。采用跳频的多址通信网具有很多优点：抗干扰能力强，低截获概率，低检测概率，对频率选择性衰落有很好的抑制作用等等。但是，与常用的DS/CDMA系统相比，跳频网的最大用户数相对较小。跳频通信网可以分为同步通信网和异步通信网。跳频通信网有多种组网方式，如分频段跳频组网方式、全频段正交跳频组网方式等。在分频段跳频组网方式中，系统把整个频段分成若干个子频段，不同的通信链路采用不同的子频段进行通信，从而有效地防止同一通信网间的干扰。全频段正交跳频组网方式仅用于同步跳频通信网中，也就是说整个通信网中只有一个基准时钟，通过设计在某一相同时刻t 的N 个相互正交的跳频频率序列来进行组网，这样尽管各个终端间的通信均使用相同频段，但是由于瞬时的跳频频率点不相同，因此可保证它们之间不会出现同频道干扰。自适应跳频通信系统中，由于在通信过程中会去除那些通信条件恶劣的信道，因此频率更新后可能会出现同频道干扰现象，故必须设计一种良好的频点更新算法，保证更新后的跳频序列之间依然是正交的，否则可能会使各通信节点之间频繁出现频率碰撞，导致无法正常通信。实际应用中也可以把以上两种组网方式结合进行。例如英国Recal-Tacticom 公司的Jaguar 系列电台在组网中就同时采用了这两种组网方式，可组网数目达到200300 个。除了以上这些关键技术以外，调制解调方法在跳频系统中也很重要，可以采用FSK、QAM、QPSK、QASK、DPSK、QPR、数字chirp 调制等多种调制方式。自适应跳频系统是在常规跳频系统的基础上，实时地去除固定或半固定干扰，从而自适应地自动选择优良信道集，进行跳频通信，使通信系统保持良好的通信状态。也就是说，它除了要实现常规跳频系统的功能之外，还要实现实时的自适应频率控制和自适应功率控制功能，因此就需要一个反向信道以传输频率控制和功率控制信息。 通过可靠的信道质量评估算法，发现了干扰频点后，应当在收发双方的频率表中将其删除，并以好的频点对它们进行替换，以维持频率表的固定大小。这种检测和替换是实时进行的。为增加跳频信号的隐蔽性和抗破译能力，跳频图案除具有很好的伪随机性、长周期外，各频率出现次数在长时间内应具有很好的均匀性。在引入自适应频率替换算法对频率表进行实时更新后，为保障系统性能，仍然要求跳频图案具有很好的均匀性，所以应当依次用不同的质量较好的频点来分别替换被干扰的频点。收端频率表的更新会导致收发频率表的不一致性。为了使收发频率表同步更新，必须通过反馈信道将收端的频率更新信息通知发方。这种信息的相互交换是一种闭环控制过程，需要制定相应的信息交换协议来保证频表可靠的同步更新。衡量协议有效性的另一个重要指标便是频点去除的速度。在检测出干扰频点后，干扰频点去除的速度越快，对通信的影响越小。 信道质量评估的另一个作用是进行自适应功率控制。功率控制就是要把有限的发送功率最好地分配给各个跳频信道，使得各个信道都能够以最小发射机功率实现正常通信，从而提高跳频信号的隐蔽性和抗截获能力。在自适应跳频系统中，系统检测每个信道的通信状况，并通过信道质量评估单元中的功率控制算法对每个跳频信道单独进行功率控制。功率控制算法可以基于两种原则：一是比特误码率最小原则，算法为各个跳频信道选择适当的功率，使得接收方收到的数据比特误码率达到预定的误码门限；二是等信干比原则，此算法调整各个跳频信道的平均功率，使得各个跳频信道上的信干比相同，这里的信干比是指各个跳频信道上的信号功率/（对应信道上的干扰功率 + 传输损耗功率）。这两种算法的性能差不多。 随着跳频技术的不断发展，其应用也越来越广泛。战术电台中采用跳频技术的主要目的是提高通信的抗干扰能力。早在70 年代，就开始了对跳频系统的研究，现已开发了跳频在VHF 波段(30300MHz）的低端3088MHz、UHF波段(300MHz 以上）以及HF 波段(1.530MHz)的应用。随着研究的不断深入，跳频速率和数据数率也越来越高，现在美国Sanders 公司的CHESS 高速短波跳频电台已经实现了5000跳/秒的跳频速率，最高数据数率可达到19200bps。此外，CHESS跳频电台与一般的跳频电台还有所不同，它以DSP 为基础，采用了差动跳频（DFH)技术。通过现代数字处理技术，CHESS跳频电台较好解决了短波系统带宽有限(导致数据速率低的原因)、信号间相互干扰、存在多径衰落等的问题。同时，它的瞬时信号带宽很窄，对其它信号的影响很小。可以看到，实现更高跳速、更高数据速率的跳频电台正是跳频通信系统的未来发展方向，软件无线电的概念也已逐渐应用到新型的跳频电台中。短波自适应跳频电台已经在当前的军事通信中占有了很重要的一部分。与VHF/UHF频段不同，短波信道有许多固有特点，例如，受多径时延、幅度衰落、天气变化等因素的影响，信道条件变化莫测。但是随着各种新技术的出现，短波通信的可靠性得到了技术上的保证，而自适应跳频技术就是这些新技术中的一种。它通过分析波段上的频率占用率，自动搜索无干扰或未被占用的跳频信道进行跳频，不仅避免了自然干扰，也不会受到短波频谱大量占用的影响。它会根据需要自动地改变跳频序列，有效的适应恶劣环境。它在海湾战争中体现出的优越性引起了各国的高度重视。 在现有的DS/CDMA 系统中，远近效应是一个很大的问题。由于大功率信号只在某个频率上产生远近效应，当载波频率跳变到另一个频率时则不受影响，因此跳频系统没有明显的远近效应，这使得它在移动通信中易于得到应用和发展。在数字蜂窝移动通信系统中，如果链路间采用相互正交的跳频图案同步跳频，或者采用低互相关的跳频图案异步跳频，可以使得链路间的干扰完全消除或基本消除，对提高系统的容量具有重要意义。此外，跳频是瞬时窄带系统，其频率分配具有很大的灵活性，在现有频率资源十分拥挤的条件下，这一点具有重要意义。 跳频的多址性能对于组网有很重要的意义。加拿大Laval 大学提出了在光纤网络中应用快跳频技术。该系统利用Bragg 光栅替代传统跳频系统中的频率合成器，跳速达到10G数量级。系统在30个用户，比特误码率为10-9的条件下，数据速率为500Mb/s。与采用非相干DS/CDMA 技术的光纤网络相比，同时有相同数量的用户使用时，FFH/CDMA系统的比特误码率明显优于DS/CDMA 系统。 此外，跳频技术在GSM、无线局域网、室内无线通信、卫星通信、水下通信、雷达、微波等多个领域也得到了广泛的应用。 由于跳频系统本身也存在着一些缺点和局限，如信号隐蔽性差，抗多频干扰以及跟踪式干扰能力有限等，而扩频的另一种方式直接序列扩频却有较好的隐蔽性和抗多频干扰的能力。把这两种扩频技术结合起来，就构成了直接序列/跳频扩展频谱技术。它在直接序列扩展频谱系统的基础上增加载波频率跳变的功能，直扩系统所用的伪随机序列和跳频系统用的伪随机跳频图案由同一个伪随机码发生器生成，所以它们在时间上是相互关联的，使用同一个时钟进行时序控制。意大利Telettra 公司的Hydra V 电台是采用了直接序列/跳频混合扩频技术的第一代战术电台。由于采用了直接序列扩频DBPSK 调制方式，比单独采用跳频技术多获得9dB 的处理增益，从而提高了电台的抗干扰性能。2-4 跳频通信技术的搜索和截获跳频大家知道，无线电通信是战场上保障作战与指挥的重要手段。但无线电通信易遭受干扰，特别是短波通信领域，不仅易遭到天电、工业等自然干扰，而且还要遇到敌方人为的跟踪、阻塞、多径干扰等各种通信干扰。因此改善短波通信性能，提高其抗干扰能力，就成了无线电通信技术不断创新和发展的重要课题，跳频通信技术装备也就应时而生。（1）搜索跳频通信系统的频率取值可多达几百个、几千个，甚至上万个，形成很宽的射频频谱。 那么，跳频通信为什么能够抗敌搜索呢？假设电台跳频规律为伪随机跳频，而每秒跳频1000次，即在一个频率点上可驻留时间仅1ms，则意味着总共有数千个可能用于通信的频率点，由于敌方通信侦察搜索并不知道跳频的规律，且“跳频图案”常常是随机性地设置，敌方就要对每一个新的工作频率点进行寻找，而且必须在远小于1ms的时间内完成，所以要制造这样的通信侦察搜索接收机是相当困难的。因此，跳频速率越高，“跳频图案”越复杂，就越能有效地抗敌通信侦察搜索。（2）截获跳频系统的“同步”，是关系到跳频通信能否建立的关键。同步的含义包括：收发通信两端跳频频率表与“跳频图案”对应一致；收发通信两端载频跳变的起始时刻和该时刻的频率值对应一致。这就要求收端获得与发端有关的跳频同步信息，并不断地校正收端本地时钟，使之与发端的时钟高度一致。由于同步是跳频系统的核心，通常要满足以下几点：其一，建立同步的自动快速、高效检测跳频信息，实现准确的跳频同步；其二，稳定可靠地启动一次同步，完成有关信息的识别、检验；其三，要有很高的同步可靠性、隐蔽性和抗截获能力；其四，要有较高的同步概率，较快的同步时间。跳频通信同步系统能够对同步信号进行掩盖，而且一旦建立同步，敌方通信侦察系统与其同频的机率将大大降低。据有关资料分析，现代通信侦察系统与跳频通信系统的同频机率仅为3%。另外，跳频通信频带很宽，使得单位频带内的功率很小，即信号的功率谱密度很低，这样敌方就很不容易发现信号的存在，更难检测出信号的参数，从而有利于防止敌方通信测向和截获。 第三章 跳频通信技术有关工程概念 为了便于工程设计和应用中正确认识跳频通信的优势与不足，有不少跳频通信工程的概念需要讨论清楚，这是从事军事通信抗干扰工程的有关人员必须掌握的基础。 1跳频通信的稳健性 长期以来，对如何评价跳频通信与定频通信的性能，存在一些模糊认识甚至争议，主要有：既然跳频通信采用了比定频多得多的频率，具有了较大的跳频处理增益，那么在任何情况下跳频通信效果都应该优于定频通信，但事实并非如此。 首先，在没有干扰的情况下，定频通信能力实际上比跳频强。这是由于跳频通信在换频期间内不能传输信息，为了信息传输的完整性，在发端要将原连续的数据流进行压缩，在频率驻留期间发送，而在接收端要对间断的压缩数据流进行解压，还原成连续的数据流。所以，跳频信道中实际传输的数据速率要高于原数据速率(对应于定频通信速率)。根据香农信息论，柱同样信号功率和信道条件下，高数据速率信号的每比特能量要小于低数据速率信号，即：比特信噪比下降，使得高速率传输时的误码率要高于低速率传输时的误码率。再加上跳频同步误差、位同步误差、信道机调谐误差、接收机各频点灵敏度误差、功放和天线频响平坦度误差等因素，造成了-跳频处理的固有损耗，或者说跳频信号在处理中受到了损伤，使得在无干扰和同等功率条件下跳频通信距离一般定频通信距离缩短15左右。 其次，在民用和工业等用频设备形成的固定干扰(非有意干扰)环境下，定频通信的效果仍然比常规跳频通信效果好。这是因为：若固定干扰超过跳频通信系统的f扰容限，跳频通信将无法工作，即使同定干扰没有超过跳频通信的干扰容限，也会有一部分跳频频率会受到无意干扰，从而影响跳频通信的效果；对于定频通信，则有可能在众多的同定干扰空隙巾选择一个以上较干净的频点进行通信，相当于无干扰或干扰较弱的定频通信。 然而，尽管在无干扰和非人为有意干扰环境条件下，定频通信可以通过频率选择得到较好的通信效果，但并不能说明定频通信具有战场适应能力。因为在战场千扰环境下，定频通信的频点只要遇到敌方有意干扰便不能丁作，是不可靠的。跳频通信装备即使在遇到一定十扰情况下，仍能维持相应的通信能力，从而比定频通信表现出明显的优越性，这就是跳频通信的稳健性(或称鲁棒性)，即：跳频通信以跳频扩展频谱、系统复杂性和信号损伤为代价，换来了抗干扰能力的提高。比如，在演习训练中，若不对民用手机频率实施干扰，大家会感到民用手机很好用，但只要对其进行干扰，马上手机通信中断。再比如，在海湾战争中，伊军定频电台在联军强大的干扰面前一愁奠展；而在科索沃战争巾，南联盟军队的跳频电台却发挥了很好的作用。 另外，即使跳频通信被有效干扰至通信中断，也追使敌方付出了比干扰定频通信多得多的代价。因此，跳频抗阻塞干扰能力是相对于人为有意干扰条件下的定频通信而青的，不能以个别性的前提得出“在干扰条件下，定频能工作，跳频反而不能工作”的普遍性结论，应浚正确评价和对待跳频通信与定频通信的性能特点及战术使用。实际上在无干扰和非人为有意干扰环境中，只需要使用定频通信，而跳频是针对敌方有意干扰而设计和使用的。如果在敌方有意干扰的情况下，还是跳频通信效果不如定频，那就是组网、集成环境、电磁兼容和战场管理控制等使用方面可能存在问题，或装备可靠性存在问题。2数字跳频与模拟跳频 跳频扩谱技术体制存在数字跳频和模拟跳频两种基本体铷。所谓数字跳频，是指以跳频方式在数字信道上传输数字信息的跳频体制，即：在频率驻留时间内传输数字信息且采用数字调制，而不管信源是模拟信号还是数字信号，也不管信道机本身是否数字化实现。在数字信道中传输的数字信息也许代表数据，也许代表语音或其他信息。所谓模拟跳频，是指以跳频方式在模拟信道上传输模拟信息的跳频体制，即：在频率驻留时间内传输模拟信息且采用模拟调制，也不管信道机本身是否数字化实现。在模拟信道中传输的模拟信息可能代表数据，也可能代表语音或其他信息。这两种跳频体制在实际装备中都有所采用，但数字跳频占绝大多数。相比较而言，数字跳频具有更多的优点，如便于提高跳速、便于跳频同步设计、便于传输数据、便于数据加密等。后两个优点是显而易见的，这里只解释前两个优点。 前已述及，在相邻两跳之间存在换频时间，在此时间内是不能传送信息的。如果不对信息进行处理，对应于换频时间内的信息就会自白丢掉，造成在进行语音通信时出现间断和耳机中的“咔嚓”声，在进行数据通信时出现同定的误码。在数字跳频时，由于传输的是数字信息，可对信息流进行一定的压缩，提高空中传输速率，将应在换频时问内传递的信息放到频率驻留时间内传送，存收端进行相反的解压过程，恢复成原速率和原信息，从而避免了换频时间内的信息丢失。如果换频足够短，压缩倍数就很小，使得通信质量的变化与跳速的关系不太明显，所以数字跳频可以适当提高跳速，这是数字跳频的典型特征之一。在模拟跳频时，由于传输的是模拟信号，不便压缩处理，造成换频内的信息丢失，通信质量随着跳速的增加而明显恶化这是模拟跳频的典型特征之也是模拟跳频跳速难以提高的原因之一。为了保证通信质量，模拟跳频只好采用低速跳频，如短波模拟跳频电台等。 关于对跳频同步设计的影响，主要是由于同步信息一般是数据信息。在数字跳频中，同步信息可以和数据流一并处理，从而带来了很多的方便；在模拟跳频中，需要使用传输跳频同步信息的专用调制解调器，以模拟信号频同步所需的数据，带来了跳频同步设计的诸多不便。这里顺便指出一点：与模拟跳频同步设计类似，在模拟跳频通信中，只要有用于数传的调制解调器，就可以实现在模拟跳频信道上的数据传输；在数字跳频通信中，只要有语音编码器，就可以实现在数字跳频信道的语音传输。所以，不能认为传输数据的跳频就是数字跳频。 3跳频数据平衡 综上所述，在数字跳频中发端和收端要分别进行数据压缩和解压的过程，使得发端压缩前后的数据速率不一样(压缩后数据速率与压缩前数据速率之比称为数据压缩比)，收端解压前后的数据输率也不一样，但发端压缩后的数据速率与收端解压前的数据速率相同，发端压缩前的数据速率与收端解压后的数据速率相同，并目压缩前和解压后的数据流足连续的，压缩后和解压前的数据流是间断的，如图3-2所示。 式中，Th为跳周期；R。为压缩前或解压后的数据速率；R，为压缩后或解压前的数据速率；为换频时间；”。为发端加入的跳频控制所需的信息位数；M为数据平衡所需的跳周期数，一般 M1，式(3 2)两端即为在M跳数据平衡时间内压缩或解压单元输入和输出的信息比特数。式(3-2)是一个经典的数据平衡关系式。 由于跳频的数据压缩和解压分别需要一个数据存储缓冲(缓存)的过程，该过程所需的时间开销即为跳频数据处理时延，简称跳频时延，其长短为MT”即跳频时延主要与数据平衡所需的跳周期数和跳速有关。在R。和R。一定的情况下，Flt于R。R“，如果发端存储缓冲时间过短，则存储器中的数据会被读空；相应地，如果收端的存储时问过短，则存储器中的数据就会溢出。这两种情况下的数据平衡都将遭到破坏，失去平衡点，从而造成大的误码。相反，如果收发数据缓存时间加长，则会引起跳频处理时延增大。实际上，在保证时钟精度的情况下。存在一个满足跳频数据平衡的最短处理时延。 在系统中还有其他环节也会引起数据传输时延，如语音编解码、纠错编解码、交织解交织、空中传输等，所有环节的时延总和为收发之间的传输时延，其中开销较大的是跳频处理时延和交织处理时延。如果收发时延太大，会引起两个方面的问题。一是造成数字语音的延迟和回声，实践表明，收发双向时延在50ns以上时，人耳就有明显的感觉，在100ms以上就难以忍受。如果仅仅是点对点通信，还勉强叮以接受；如果需要中继通信，特别是多跳中继，这个矛盾将更为突出。二是程与交换机相接的跳频链路中，如果传输时延太长，会引起信令接续困难，甚至接续不上，造成呼损率增大，通信实时性降低。因此希望跳频处理时延和交织处理时延越小越好，特别是有语音通信的场合更是如此。但是，处理时延的过分降低又会引起其他方面的问题，需要在系统设计中加以权衡。在纯数据通信的场合，对传输时延的要求以适当降低。 4跳频信噪比与信干比 根据香农信息论，无线通信必须保证其解调输出端达到一定的信噪比，才能正常解调。对于定频通信，由于频率单一，只要在使用的频率上满足正常解渊的信噪比即可。对于跳频通信，由于在一张频率表的多个频率上跳变，各频率通道的噪声和接收灵敏度等不尽相同，使得各实际频率的信噪比离散性很大。所以，跳频通信某一个频率上的信噪比不能描述在多个频率上跳频的信噪比的全貌。 为此，引入跳频信噪比中值的概念，设跳频频率集的频率个数为，各频率分别用 f(io，1，N l)表示，各频率被使用的概率为P：，在，r的信噪比为D，定义跳频信噪比中值D。为跳频频率集上所有信噪比的期望值： 根据第2章的叙述，此处的D，即为划应最差频率信道上的所需最小输出信噪比，其值要大于其他频率上所需的最小输出信噪比它是由系统设计和系统解调性能决定的，希望它越小越好。对于一个实际的跳频通信系统，D；值的大小是一定的，直接影响跳频十扰容限。而DFH是在跳频通信应用过程巾的实际跳频信噪比，希望它越大越好，与环境因素有关，直接影响跳频组网及跳频网系运用性能。 在跳频组网和网系运用中，式(3 3)可以推广到跳频信干比。此时，影响DFH或影响式(3 4)成立的因素很多，主要是各种类型的干扰问题，可分为敌方人为有意干扰和非人为有意干扰以及网问干扰等。其中敌方人为有意干扰是不可控制的只能硬抗或躲避，而非人为有意干扰和跳频网间干扰等因素，可以通过科学合理的网系规划和资源配置等管理手段加以克服，以消除或减少其影响，使跳频通信尽可能满足式(4)，以达到跳频通信网系运用、高效跳频组网和减少跳频干扰容限消耗的目的，这正是跳频通信战场管控的切入点和理论依据。当然，这是以获得非人为有意干扰信息或可用频率信息为前提的。 5跳频可用频率在跳频通信系统的方案论证和研制中，对于给定的跳频带宽资源，人们很关心什么样的频率可用的问题，涉及到跳频带宽、空中传输速率和最小频率间隔等因素。 设：两种不同的跳频带宽分别为w。、w。，且W：=2W，；空中传输速率为R。；信号瞬时带宽为8；最小频率问隔(有时称最小频率步进)为r。 不失一般性，避开具体的实现方式，以下针对实际系统中常见的几种典型的跳频模型进行讨论。 模型l和模型2可以归为同一类，略有区别。在模型l中，各频点的瞬时频谱不相互邻接。在模型2中，各频点的瞬时频谱相互邻接，并且一个频点瞬时频谱的零点落在相邻频点瞬时频谱的零点上，是模型l的扩展。对于这两种模型，接收机在跳频同步后的解调信号不会从一个频点重叠到另一个频点上去；若一个频点受干扰则对其他频点不造成影响；在进行非点对点的异步组网通信(使用全向天线)时，虽然存在频率碰撞，但由于同类电台的最小频率间隔，是一样的，实际使用的频率步进最小为af或其整数倍，所以发生频率碰撞(网间干扰)时只对相应的单个频点形成干扰。 模型3和模型4可以归为同一类，也略有区别。其基本特征是发生了相邻频点瞬时频谱重叠，实际中与所用空中数据传输速率、频率资源和收发信机的设计有关，一般在频率资源有限、数据速率较高以及采用直扩跳频混合体制时容易出现这种情况。模型3频谱重叠的方法是一个频点瞬时频谱的中心落在相邻频点瞬时频谱的零点上，且一个频点的瞬时频谱与上下两个相邻频点的部分频谱重叠。模型4频谱重叠的比例更大。对于这两种模型，从表面上看，频谱重叠大大减少对频率资源的需求；在点对点通信(或使用定向天线、同步组网或TDMTDMA)时，由于在本频点信号消失后才出现另一个频点信号，相邻跳之间存在时间差，每个时刻只有一个频点瞬时频谱出现，即使相邻频点成为相邻跳，也不会发生频率碰撞，可以维持正常的解调和频率分离。但是，若某一个频点受干扰，则模型3上下相邻的两个频点都会受到干扰，模型4受干扰的频点更多。同理，在非点对点全向天线异步组网通信时，模型3形成的网问干扰也比模型1和模型2严重，模型4比模型3严重。 模型5的频谱重叠情况与模型3一致，只是跳频带宽增加了l倍，其跳频处理增益增加了3 dB，实际上比模型1、模型2和模型4也增加了3 dB(后面将讨论模型1模型4的跳频处理增益是一样的)。 接下来的问题是模型4中最小频率步进(不完全等于最小频率间隔)应如何设置，其前提是保证接收机能正常解调。在纯跳频通信系统中，最小频率步进至少为频率合成器的最小频率间隔；在直扩跳频通信系统中，最小频率步进要综合考虑频率合成器的最小频率间隔、直扩解扩器件的频率分辨范围和直扩前的原信息带宽，至少应取三者之间的最大值。 根据以上分析，按模型l、模型2方法设置的各频率是可用的；按模型3模型5设置的各频率，只要保证接收机能正常分辨和解调，在点对点通信时是可用的，但在非点对点异步组网通信时会出现一个下扰频率干扰几个通信频率的情况(含人为干扰或网间干扰)，且频谱重叠越多，这种情况越严重。其中，模型3为频谱罩叠的临界状态，也是经典著作指出的允许频谱重叠的极限情况。 以上从技术层面讨论了跳频频率的可用性问题，但跳频频率的可用性在使用上还与外界的禁用频率有关，如国际、国家规定的自关保护频率、救生频率以及作战设定的有关备用频率等，尽管这些频率可能处于跳频工作带宽内，跳频通信没备本身从技术上也可用，但在频率表设置时都应设为禁用频率，将这些频率扣除。 综上所述，对于给定的跳频频段，不是所有的频率都是可用的，与跳频网络和跳频设备有关，也与外界的一些禁用频率有关。 6跳频链路系统增益 跳频链路增益亦称跳频系统增益，它与跳频处理增益不是一个概念，不是描述抗干扰能力的指标，也不能认为跳频处理增益越大，跳频链路增益也越大。跳频链路增益是一项综合指标，它是天线增益与信道机增益之和(dB)，表明了系统的功率余量和通信能力，是最终影响通信距离的直接因素。正常情况下，跳频链路增益越大，通信距离越远。 由于跳频信号在发送和接收过程中有损伤和跳频实际传输的空中数据速率要高于原始数据速率(跳频信道机对跳频信号的适应性)等原因，使得在同等条件下，跳频链路增益要小于定频链路增益，这是导致在无干扰情况下跳频通信距离小于定频通信距离的直接原因。影响跳频链路增益的因素很多，主要有跳频数据压缩与解压性能、跳频同步维持性能、弱信号检测性能、调制解调性能、信号再生性能、时钟及位同步性能、放大器性能、接收机增益控制性能、滤波器性能、凋谐性能、功放性能、机内组合干扰性能、机内电磁兼容性能、收发隔离性能、接收机灵敏度的一致性以及天线对于跳频的适应性等。可见，其中不少凶素与影响跳频处理损耗的因素是一样的，只是考虑问题的角度不同。也就是说，具体单元的性能好坏，直接影响到多方面的系统整体性能。另外，信道机的一些同有性能同样影响定频链路增益，但在跳频条件下其性能将进一步恶化。 明确了跳频链路增益的影响因素，也就明确了提高跳频链路增益的途径。但是，与定频链路增益相比，跳频链路增益最小降低量的理论值是客观存在的，主要是数据压缩带来的信号损伤。 7跳频速率 跳频速率(简称跳速)一般定义为每秒钟射频频率跳变的次数，单位为Hops(跳秒)。每跳的持续时间为跳周期，主要分为两部分：换频时问和频率驻留时间。跳速和跳周期互为倒数关系，若跳速为200 Hops，则跳周期为5 rfis。在实际巾，经常会涉及到低速、中速和高速跳频的划分问题。1般有两种划分跳速的方法。一种方法是按绝对跳速划分一般认为低于100Hops为低速跳频，100 Hops500 Hops为中速跳频，