差分跳频技术综述

1差分跳频技术综述摘要：差分跳频是一种新型扩频通信技术，它集跳频图案、信息调制与解调等功能于一体，构成与传统跳频技术完全不同的技术体制。文章介绍了差分跳频的基本原理及特点，并在此基础上对差分跳频系统的抗干扰能力进行了分析，最后说明该技术的优势及其仍需解决的问题。关键词：扩频通信差分跳频（DFH）跳频图案抗干扰一、引言通常大家所遇到的无线通信系统都是载波频率固定的通信系统，这种定频通信系统一旦受到干扰，通信质量就会严重下降，甚至可以中断通信。在敌我双方的通信对抗中，敌方企图发现我方通信频率以截获我方消息，或是对其实施干扰时，固定频率的通信系统就会显示其严重的弊端，容易暴露目标或被截获，这时采用跳频通信就比较隐蔽，难以被截获，因为采用跳频技术，它的载波频率会不停的跳变，即使被敌方发现，当其实施干扰时，我方频率早已跳变，敌方就很难实施干扰或截获我方消息内容。差分跳频技术是一种新型的跳频技术，其频率跳变速度快，通信保密性好，抗跟踪干扰和克服多径衰落的能力强。自从1995年2月美国的Signal杂志报道了美国Sanders公司成功研制一种相关跳频增强型扩谱电台(CorrelatedHoppingEnhancedSpreadSpectrum)简称CHESS电台以来，CHESS技术在国内受到广泛关注。CHESS电台采用了多项先进技术，其中差分跳频(differential~equencyhopping，DFH)是CHESS电台的核心技术，是实现高速跳频的关键，该技术体制和原理与常规跳频完全不同，对于未来短波通信抗干扰体制的研究具有重要的意义。二、差分跳频技术的基本原理1、基本原理差分跳频（DFH）是一种全新的跳频技术，与传统方式不同的是，差分跳频系统当前时刻频率nf的生成由上一跳的频率值1nf和当前数据符号nX决定，因2此实质上是一种相关跳频，即数据流与相邻或多跳频率之间具有了某种相关性，并且利用其相关性携带了待发送的数据信息，收端也可根据其相关性还原数据信息。此外，由于发送信息的不确定性，因此DFH系统的跳频图案完全没有规律，收端无法知道每个时刻发端的频率值，只能在工作带宽内进行宽带数字化接收，也就是说不可能实现收发跳频图案同步。以上特点使得DFH系统的设计与传统跳频电台有很大差异，因此其核心技术及着眼点亦有诸多不同。在发送端，当前时刻的频率值nf由上一跳的频率值1nf和当前时刻的数据符号Xn共同决定，可用一个隐式差分方程表式为1,nnnfGfX，式中G(·)表示一种函数变换关系，简称G函数，由它决定差分跳频的数据(频率)映射关系。由此可见，相邻跳变频率之间通过数据序列建立了一定的相关性，亦即相邻频率的相关性携带了待发送的数据信息，所以也将这种跳频称之为相关跳频。在接收端，通过数字化宽带接收，经FFT分析跳频带宽内的所有信号特征，确定1nf和nf，由G函数的逆变换即可恢复出发送端的数据信息，即11,nnnXGff，式中1G表示G函数的逆变换，即要求G函数必须具有可逆性。2、G函数的基本特点从以上差分跳频原理可知，G函数是DFH的核心技术，由它决定DFH的算法，即数据和频率之间的映射关系，这种跳频体制和传统短波跳频体制相比发生了根本的变化，是一个全新的概念，具有许多特点：(1)G函数具备可逆性，其逆变换即为跳频的解跳过程(2)G函数及其逆函数具备数据信息的调制解调功能。差分跳频不需要传统定频或跳频体制中的基带和中频调制，发端经G函数变换，实现数据与频率之间的“数一频”编码，收端先对接收到的直接携带信息的射频频率进行有效检测，再经过G函数的逆变换恢复出数据信息。(3)G函数具备了产生跳频图案的功能。差分跳频体制不需要设置专门的跳频图案产生器，而在跳频控制和数传过程中经G函数变换后，自动产生了跳频图案，跳频图案直接受发端数据流和G函数的控制。由于数据流是无法控制的，要提高差分跳频图案的性能，需要对G函数算法进行深入研究。3(4)由G函数生成的跳频图案尽可能以相同的概率使用各个频点，以保证跳频图案的一维均匀性。(5)由G函数生成的跳频图案不存在原始密钥(如与TOD等信息无关)，数据流即相当于跳频密钥，是一种典型的实时变化的流运密钥。三、差分跳频图案的几点初步结论1、时间相邻的频率相同的概率为零无论每跳携带几比特信息，差分跳频图案从当前频率向下一个频率转移时，必将选择另一个频率子集中的一个频率，不会转移到相同的频率上，即不会出现相邻频率相同的情况，这是差分跳频图案产生的机理决定的，在传统跳频图案中不能保证这一点。2、跳频图案与起始频率和数据有关在G函数变换关系确定的条件下，差分跳频图案不仅与发端数据流有关，还与最初的起始频率有关。必须确保起始频率的一次性相关同步，即收端必须获得起始频率的信息，否则收端不能正确恢复发端数据信息。因此，起始频率信息获取不能出现错误。3、跳频图案没有实时时间参与运算在传统跳频图案产生过程中，除了跳频时序控制以外，原始跳频密钥Pk和时间参数TOD参与跳频图案运算。而在差分跳频图案产生过程中，数据流参与跳频图案的运算，相当于跳频密钥，与实时时间TOD无关。数据流对于跳频通信的接收端是未知的。4、跳频图案一维、二维及随机性能跳频图案表现出随时间频率递增的关系，导致普通差分跳频图案的一维均匀性(每个频率平均出现的概率)较好。而二维连续性(某一频率出现后紧接着出现某一特定频率的概率)和随机性(由当前频率预知下一个频率的概率)较差。四、差分跳频技术的抗干扰性能1、抗跟踪干扰能力短波差分跳频形成了抗跟踪干扰的绝对优势，一是由于短波差分跳频实现了高跳速，远远大于干扰机的跟踪跳速；二是由于完全随机的数据流控制跳频图案，且跳频图案不重复，使得干扰方难以预测跳频路径。42、抗阻塞干扰能力在传统跳频体制中，干扰频率与跳频频率不同时，不会形成干扰，在其频率驻留时间小于多径时延时，本跳信号只有极小的概率落到后续相同的频率上形成干扰。因此在常规跳频中是同频干扰形成威胁，而在差分跳频中主要是异频干扰形成威胁，对于同频干扰，只在干扰频率与有用频率的相位相反、造成信号幅度减弱时，才形成干扰威胁。差分跳频可以依靠较大的跳频带宽，相应地提高抗阻塞干扰能力，但干扰频率数和跳频频率数的比例关系和常规跳频没有什么本质的区别。3、抗多径干扰能力一般情况，频率驻留时间短有利于提高抗多径干扰的能力。在差分跳频体制中，尽管频率驻留时间远远小于多径时延，本跳信号不会经多径后落人到本跳内，但过小的驻留时间使得本跳信号经多径传输后以较大的概率落人到后续跳中。由于差分跳频接收端对信息的恢复是基于正确的频率检测，当本跳频率与后续跳的频率不相同时，就会造成频率检测的误判，即形成干扰。所以，差分跳频体制本身并不能完全解决抗多径干扰问题，其机理也不同于常规跳频需要采取进一步的技术措施。实际上，差分跳频体制提高抗阻塞干扰能力与提高抗多径干扰能力是一致的，其本质都是提高抗异频干扰能力。五、结束语差分跳频技术集跳频图案、信息调制与解调于一体，是一个全新概念的通信技术，其技术体制和原理与常规跳频完全不同，具有数字化程度高、极易实现高跳速和高数据率、抗跟踪干扰能力强、跳频图案的一维均匀性好、跳频图案不重复以及流动密钥特性等优点，但存在跳频图案的二维连续性和随机性较差、宽带频率选择困难、误码传播以及组网困难等问题，尽管该技术目前还不太成熟，离实际应用还有一段距离，但它代表了新一代短波通信技术的重要发展方向，对于未来短波通信抗干扰体制的研究具有重要的意义，由于我国对该体制和技术的研究还处于初始阶段，对系统及体制的有些问题认识还不够深入或不尽一致，因此有必要对其进行深入研究和必要的总结，理清一些概念，正确认识这一新技术。参考文献：[1]MillsDianeG,EdelsonGeoffreyS,EgnorDianneE.Amultipleaccessdifferential5frequencyhoppingsystem[A].IEEEMILCOM2003[C],2003:1184-1189.[2］DLHerrick,PKLee.CorrelatedFrequencyHopping:AnImprovedApproachtoHFSpreadSpectrumCommunications[A].Proceedingsofthe1996TacticalCommunicationsConference[Ｃ].1996.[3]汲万峰，夏惠诚，朱永松。短波差分跳频系统抗干扰性能分析，现代防御技术2006.12[4]田玉良，姚英。差分跳频技术分析，现代电子技术，2006，（19）[4]潘武．相关跳频通信系统的性能分析[J]．现代军事通信，1999，(3)：19—24．[5]刘忠英，姚富强.短波CHESS电台跳频性能分析［J］.解放军理工大学学报(自然科学版)，2000,(5)[7]曾兴雯，刘乃安，孙献璞。扩展频谱通信及其多址技术。西安：西安电子科技大学出版社，2004