跳頻技術科普

2021-08-10 20:39:48 字數 4137 閱讀 2950

跳頻技術

(frequency-hopping spread spectrum; fhss)在同步、且同時的情況下,收發兩端以特定型式的窄頻載波來傳送訊號,對於乙個非特定的接收器,fhss所產生的跳動訊號

對它而言,也只算是脈衝雜訊。

跳頻是最常用的擴頻方式之一,其工作原理是指收發雙方傳輸訊號的載波頻率按照預定規律進行離散變化的通訊方式,也就是說,通訊中使用的載波頻率受

偽隨機變化碼的控制而隨機跳變。

從通訊技術的實現方式來說,「跳頻」是一種用碼序列進行多頻頻移鍵控的通訊方式,也是一種碼控載頻跳變的通訊系統。

從時域上來看,跳頻訊號是乙個多頻率的頻移鍵控訊號;從頻域上來看,跳頻訊號的頻譜是乙個在很寬頻帶上以不等間隔隨機跳變的。其中:跳頻控制器為核心部件,包括跳頻圖案產生、同步、自適應控制等功能;頻合器在跳頻控制器的控制下合成所需頻率;資料終端包含對資料進行

差錯控制

。與定頻通訊相比,

跳頻通訊

比較隱蔽也難以被截獲。只要對方不清楚載頻跳變的規律,就很難截獲我方的通訊內容。

同時,跳頻通訊也具有良好的抗干擾能力,即使有部分頻點被干擾,仍能在其他未被干擾的頻點上進行正常的通訊。由於跳頻通訊系統是瞬時

窄帶系統,它易於與其他的窄帶通訊系統相容,也就是說,

跳頻電台

可以與常規的窄帶電台互通,有利於裝置的更新。

跳頻的形成過程:

跳頻是指載波頻率在很寬頻帶範圍內按某種圖案(序列)進行跳變:

1)資訊資料d經資訊調製成頻寬為bd的基帶訊號;(此時訊號中心頻率是一定的)

2)載波調製:載波頻率受偽隨機碼發生器控制,在頻寬bss(bss>>bd)的頻帶內隨機跳變,實現基帶訊號頻寬bd擴充套件到發射訊號使用的頻寬bss的頻普擴充套件。可變頻率合成器受偽隨機序列(跳頻序列)控制,使載波頻率隨跳頻序列的序列值改變而改變,因此載波調製又被稱為擴頻調製。(此時訊號中心頻率按照偽隨機序列跳變)

跳頻系統具有以下特點

1)與定頻通訊相比,跳頻通訊

比較隱蔽也難以被截獲。只要對方不清楚載頻跳變的規律,就很難截獲我方的通訊內容;

2)跳頻通訊

也具有良好的抗干擾能力,即使有部分頻點被干擾,仍能在其他未被干擾的頻點上進行正常的通訊;

3)跳頻系統的抗干擾性嚴格說是"躲避"式的,外部干擾的頻率改變跟不上跳頻系統的頻率改變;

4)跳頻序列的速率低,通常情況,碼元速率小於或等於資訊速率。在tdma系統中,跳頻速率往往等於每秒傳輸的幀數。gsm系統中每個時隙長576.9μs,8個時隙為一幀,因此幀的長度為4.615ms,每秒跳頻為217次。

跳頻電台在實際應用中通常要組成

跳頻通訊網,以實現網中的任何兩個通訊終端均能夠做到點到點的正常通訊。組網除了要避免近端對遠端的干擾、碼間干擾、電磁干擾等其它干擾以及由系統引起的熱雜訊等

雜訊干擾以外,還要注意避免由組網引起的同道干擾、鄰道干擾、互調干擾、阻塞干擾等。採用跳頻的多址通訊網具有很多優點:抗干擾能力強,低截獲概率,低檢測概率,對

頻率選擇性衰落有很好的抑制作用等等。但是,與常用的ds/

cdma系統相比,跳頻網的最大使用者數相對較小。

跳頻通訊網可以分為同步通訊網和非同步通訊網。跳頻通訊網有多種組網方式,如分頻段跳頻組網方式、全頻段正交跳頻組網方式等。在分頻段跳頻組網方式中,系統把整個頻段分成若干個子頻段,不同的通訊鏈路採用不同的子頻段進行通訊,從而有效地防止同一通訊網間的干擾。全頻段正交跳頻組網方式僅用於同步

跳頻通訊網中,也就是說整個通訊網中只有乙個基準時鐘,通過設計在某一相同時刻t 的n 個相互正交的跳頻頻率序列來進行組網,這樣儘管各個終端間的通訊均使用相同頻段,但是由於瞬時的跳頻頻率點不相同,因此可保證它們之間不會出現同頻道干擾。

自適應跳頻通訊系統中,由於在通訊過程中會去除那些通訊條件惡劣的通道,因此頻率更新後可能會出現同頻道干擾現象,故必須設計一種良好的頻點更新演算法,保證更新後的跳頻序列之間依然是正交的,否則可能會使各通訊

節點之間頻繁出現頻率碰撞,導致無法正常通訊。實際應用中也可以把以上兩種組網方式結合進行。例如英國recal-tacticom 公司的jaguar 系列電台在組網中就同時採用了這兩種組網方式,可組網數目達到200—300 個。

除了以上這些關鍵技術以外,

調製解調方法在跳頻系統中也很重要,可以採用fsk、qam、qpsk、qask、dpsk、qpr、數字chirp 調製等多種調製方式。

自適應跳頻系統是在常規跳頻系統的基礎上,實時地去除固定或半固定干擾,從而自適應地自動選擇優良通道集,進行

跳頻通訊,使通訊系統保持良好的通訊狀態。也就是說,它除了要實現常規跳頻系統的功能之外,還要實現實時的

自適應頻率控制和自適應功率控制功能,因此就需要乙個反向通道以傳輸頻率控制和功率控制資訊。

通過可靠的通道質量評估演算法,發現了干擾頻點後,應當在收發雙方的頻率表中將其刪除,並以好的頻點對它們進行替換,以維持頻率表的固定大小。這種檢測和替換是實時進行的。為增加跳頻訊號的隱蔽性和抗破譯能力,跳頻圖案除具有很好的偽隨機性、長週期外,各頻率出現次數在長時間內應具有很好的均勻性。在引入自適應頻率

替換演算法對頻率表進行實時更新後,為保障系統效能,仍然要求跳頻圖案具有很好的均勻性,所以應當依次用不同的質量較好的頻點來分別替換被干擾的頻點。收端頻率表的更新會導致收發頻率表的不一致性。為了使收發頻率表同步更新,必須通過反饋通道將收端的頻率更新資訊通知發方。這種資訊的相互交換是一種閉環控制過程,需要制定相應的資訊交換協議來保證頻表可靠的同步更新。衡量協議有效性的另乙個重要指標便是頻點去除的速度。在檢測出干擾頻點後,干擾頻點去除的速度越快,對通訊的影響越小。

通道質量評估的另乙個作用是進行自適應功率控制。功率控制就是要把有限的傳送功率最好地分配給各個跳頻信道,使得各個通道都能夠以最小發射機功率實現正常通訊,從而提高跳頻訊號的隱蔽性和抗截獲能力。在自適應跳頻系統中,系統檢測每個通道的通訊狀況,並通過通道質量評估單元中的功率控制演算法對每個跳頻信道單獨進行功率控制。

功率控制演算法可以基於兩種原則:一是

位元誤位元速率最小原則,演算法為各個跳頻信道選擇適當的功率,使得接收方收到的資料位元誤位元速率達到預定的誤碼門限;二是等信幹比原則,此演算法調整各個跳頻信道的平均功率,使得各個跳頻信道上的信幹比相同,這裡的信幹比是指各個跳頻信道上的訊號功率/(對應通道上的干擾功率 + 傳輸損耗功率)。這兩種演算法的效能差不多。

隨著跳頻技術的不斷發展,其應用也越來越廣泛。戰術電台中採用跳頻技術的主要目的是提高通訊的抗干擾能力。早在70 年代,就開始了對跳頻系統的研究,現已開發了跳頻在vhf 波段(30—300mhz)的低端30—88mhz、uhf波段(300mhz 以上)以及hf 波段(1.5—30mhz)的應用。隨著研究的不斷深入,跳頻速率和資料數率也越來越高,美國sanders 公司的chess 高速短波

跳頻電台已經實現了5000跳/秒的跳頻速率,最高資料數率可達到19200bps。此外,chess跳頻電台與一般的跳頻電台還有所不同,它以dsp 為基礎,採用了差動跳頻(dfh)技術。通過現代數字處理技術,chess跳頻電台較好解決了短波系統

頻寬有限(導致資料速率低的原因)、訊號間相互干擾、存在多徑衰落等的問題。同時,它的瞬時訊號頻寬很窄,對其它訊號的影響很小。可以看到,實現更高跳速、更高資料速率的跳頻電台正是

跳頻通訊系統的未來發展方向,

軟體無線電的概念也已逐漸應用到新型的跳頻電台中。短波

自適應跳頻電台已經在當前的軍事通訊中占有了很重要的一部分。與vhf/uhf頻段不同,短波通道有許多固有特點,例如,受多徑時延、幅度衰落、天氣變化等因素的影響,通道條件變化莫測。但是隨著各種新技術的出現,短波通訊的可靠性得到了技術上的保證,而自適應跳頻技術就是這些新技術中的一種。它通過分析波段上的頻率佔用率,自動搜尋無干擾或未被占用的跳頻信道進行跳頻,不僅避免了自然干擾,也不會受到短波頻譜大量占用的影響。它會根據需要自動地改變跳頻序列,有效的適應惡劣環境。它在海灣戰爭中體現出的優越性引起了各國的高度重視 編輯

跳頻系統本身也存在著一些缺點和侷限,如訊號隱蔽性差,抗多頻干擾以及跟蹤式干擾能力有限等,而擴頻的另一種方式

直接序列擴頻卻有較好的隱蔽性和抗多頻干擾的能力。把這兩種

擴頻技術結合起來,就構成了直接序列/跳頻

擴充套件頻譜技術。它在直接序列擴充套件頻譜系統的基礎上增加載波頻率跳變的功能,直擴系統所用的偽隨機序列和跳頻系統用的偽隨機跳頻圖案由同乙個偽隨機碼發生器生成,所以它們在時間上是相互關聯的,使用同乙個時鐘進行時序控制。義大利telettra 公司的hydra v 電台是採用了直接序列/跳頻混合擴頻技術的第一代戰術電台。由於採用了直接序列擴頻dbpsk 調製方式,比單獨採用跳頻技術多獲得9db 的處理增益,從而提高了電台的抗干擾性能。

LoRa技術科普

lora簡介物聯網應用中的無線技術有多種,可組成區域網或廣域網。組成區域網的無線技術主要有2.4ghz的wifi,藍芽 zigbee等,組成廣域網的無線技術主要有2g 3g 4g等。這些無線技術,優缺點非常明顯,可如下圖總結。在低功耗廣域網 low power wide area network,l...

密碼技術科普

密碼學家的六個工具 對稱密碼,公鑰密碼,單向雜湊函式,訊息認證碼,數字簽名,偽隨機數生成器。單向雜湊函式 也稱訊息摘要 單向雜湊函式可以實現完整性的檢查,可以辨別出 篡改 但無法辨別出 偽裝 當我們不僅需要確認訊息的完整性,同時還需要確認訊息是否真的來自傳送者,緊靠完整性檢查是不夠的,還需要進行 認...

RTK和PPK技術科普

參考鏈結2 rtk real time kinematic,實時動態 載波相位差分技術,是實時處理兩個測量站載波相位觀測量的差分方法,將基準站採集的載波相位發給使用者接收機,進行求差解算座標。也就是說,rtk需要有另外乙個裝置作為基準站,基準站接收到的衛星訊號通過無線通訊網實時發給使用者。使用者接收...