跳频通信技术的研究

第1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（SpreadSpectrum）系统。第2页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=Blb（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0limliml(1)BBSCBbnB（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第3页图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，第4页只要收发双方同步，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第5页个节目时，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第6页规的定频电台互通。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Rh＞Ra，则为快速跳频；反之，Rh＜Ra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10～100h/s，如以色列的VHF-88、美国的Scimitar-H；MFH：Rh的范围是100～500h/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