跳频

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(CarrierProtectAssemble)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。PN码发生器频率合成器输出时钟跳频器技术指标：频率转换时间＜1μs；电台输出的寄生信号频率低于选定频率80dB；跳频信号带宽60MHz；频率数为4095（即212－1）；跳频速率为105h/s跳频频率合成器直接式频合转换速度快（μs级）；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；跳频信号带宽60MHz；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。BPF输出÷NBPF混频器门控电路载波1f2fKf1C2CmC......开关开关开关滤波器滤波器组......频率输出1f2fnf控制信号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间接式频合转换速度较慢（ms级）；频率稳定度较高结构简单、体积小易集成双环路频率合成器转换时间短，跳速较高间接式频率合成器振荡器鉴相器环路滤波VCO可变分频MNcfMfcvfNfv频率控制频率合成器＃1频率合成器＃2存储寄存器存储寄存器门门选择器......输出时钟输入码序列跳频频率合成器直接式数字频率合成器（DDS－DirectDigitalSynthesis）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）具有调制功能和其它功能NCO输出DDS组成相位累加器ROMDACLF......频率控制字KcfNCOcNoff2DDSPDLFVCOcfBPFNDDSfLfDDS驱动PLL频率合成器跳频频率合成器用DDS实现调制功能数字加法器相位累加器数字加法器数字加法器正弦表余弦表数字乘法器数字乘法器DACDAC调谐）（FM1）（PM1）（PM2)1AMA（)2AMA（)sin(11tA)sin(22tA跳频图案跳频通信中载波频率改变的规律，也称时-频矩阵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Rh＞Ra，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:10~100h／s，如以色列的VHF－88、美国的Scimitar-H;MFH:Rh:100~500h／s，如美国的SINCGARS－V；FFH：Rh:＞500h／s，如美国的Scimitar-V。跳频速率不同，抗干扰性能不同，复杂程度和成本也不同。跳速1symbolduration=1/30s2hopsforeachsymbolchip1=1/2symbolduration=1/60schip2(a)Example1:FrequencyhoppingMFSKsystemwithsymbolrate=30symbols/sandhoppingrate=60hops/s.1chip=1hop.1hopduration=1/10s3symbolsforeachhopchip1=1/2symbolduration=1/30schip2chip3Chip-inthecontextofanFH/MFSKsystem.(b)Example2:Sameaspart(a)excepthoppingrate=10hops/s.1chip=1symbol.跳速10BitsFrequencychipdurationTime(a)Fasthoppingexample:4hops/bit100101011110000101011110FrequencychipdurationTime(b)Slowhoppingexample:3bits/hopFasthoppingverwusslowhoppinginabinarysystem.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Th＝2ms，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0)()(naannTtgataan为信息码，取值＋1或－1，Ta为信息码元宽度，ga(t)为门函数其它,00,1)(aaTttg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（i－1）Th≤t＜iTh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Nifffff,,,321)cos()()(iittAats跳频接收机原理框图双工器混频中放解调频合PN码同步)(tr)(trI发射机输出...跳频信号分析接收端收到的信号为)()()()()(tstJtntstrJ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f‘j为接收频率合成器产生的频率集中的一个INIIIjfffffffff,,,321在混频器中，接收到的信号与本振相乘，得)()()()(cos)(cos)(cos)(cos)(cos)(tstJtntsttsttJttnttstrJjJjjjj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i＝j。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。]})cos[]})){cos[(21cos)cos()(cos)()(iijiijjiijtttAatttAattsts（（)]})2cos[()){cos((21)(iIiiIttttAats)cos()(21)(iIIttAats由上式还可看出，中频载波有一附加相移θi，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cosωj，t不相关，可得到其自相关函数和功率谱分别为jnnRRcos)(21)()(21)()(21)(jjnnGGGof)(fGn0nof)('fGn021nIfaB(a)(b)与窄带系统的解调器的输入噪声功率相同。aiBnN021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。ttJtJjcos)()(由于J(t)与cosωj,t不相关，可得其自相关函数和功率谱密度分别为jJJRRcos)(21)()(21)()(21)(jJjJJGGG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≈ωI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tf)(ts)(tsJ)cos()()(kkJttBbts]})cos[(])){cos[((21cos)cos()(cos)()(kjkkjkjkkjJJtttBbtttBbttsts由于不同步，k≠j，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