跳頻技術

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信號的載波頻率按照預定規律進行離散變化的通信方式，也就是說，通信中使用的載波頻率受偽隨機變化碼的控制而隨機跳變。

從通信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信方式，也是一種碼控載頻跳變的通信系統。從時域上來看，跳頻信號是一個多頻率的頻移鍵控信號；從頻域上來看，跳頻信號的頻譜是一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；數據終端包含對數據進行差錯控制。

與定頻通信相比，跳頻通信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信內容。同時，跳頻通信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信。由於跳頻通信系統是瞬時窄帶系統，它易於與其他的窄帶通信系統兼容，也就是說，跳頻電台可以與常規的窄帶電台互通，有利於設備的更新。

通信收發雙方的跳頻圖案是事先約好的，同步地按照跳頻圖案進行跳變。這種跳頻方式稱為常規跳頻(Normal FH）。隨著現代戰爭中的電子對抗越演越烈，在常規跳頻的基礎上又提出了自適應跳頻。它增加了頻率自適應控制和功率自適應控制兩方面。在跳頻通信中，跳頻圖案反映了通信雙方的信號載波頻率的規律，保證了通信方發送頻率有規律可循，但又不易被對方所發現。常用的跳頻碼序列是基於m序列、M序列、RS碼等設計的偽隨機序列。這些偽隨機碼序列通過移位寄存器加反饋結構來實現，結構簡單，性能穩定，能夠較快實現同步。它們可以實現較長的周期，漢明相關特性也比較好，但是當存在人為的故意干擾(如預測碼序列後進行的跟蹤干擾)時，這些序列的抗干擾能力較差。

在90年代初，出現了基於模糊（Fuzzy)規則的跳頻圖案產生器。在這種系統中，由模糊規則、初始條件以及採樣模式共同來決定系統的輸出序列。只要竊聽者不知道模糊規則、初始條件、採樣模式三者的任何一個，就無法預測到系統的輸出頻率，由此就提高了系統的抗竊聽能力和抗干擾能力。模糊跳頻給出的跳頻碼序列與傳統的跳頻碼序列相比更加均勻，也更難預測。

90年代末有人提出了混沌（chaotic)跳頻序列。其基本思想是通過混沌系統的符號序列來生成跳頻序列。在這個混沌系統中要確定一個非線性的映射關係、初始條件和混沌規則，三者唯一確定一個輸出序列。由此確定的混沌跳頻序列體現了良好的均勻性，低截獲概率，良好的漢明相關特性以及具有理想的線性範圍。

與一般的數字通信系統一樣，跳頻系統要求實現載波同步、位同步、幀同步。此外，由於跳頻系統的載頻按偽隨機序列變化，為了實現電台間的正常通信，收發信機必須在同一時間跳變到同一頻率，因此跳頻系統還要求實現跳頻圖案同步。跳頻系統對同步有兩個基本要求：一是同步速度快，二是同步能力強。跳頻電台的同步方法有精確時鐘法、同步字頭法、自同步法、FFT捕獲法、自回歸譜估計法等等。在實際應用中，同步方案常常綜合使用多種同步方法。例如戰術跳頻系統中常用掃描駐留同步法，綜合使用了精確時鐘法、同步字頭法、自同步法三種同步方法，分成掃描和駐留兩個階段進行。掃描階段完成同步頭頻率的捕獲，駐留階段從同步頭中提取同步信息，從而完成收發雙方的同步。

在自適應跳頻中，同步還包括收發雙方頻率集更新的同步，保證雙方同步地實現壞頻點替代，否則會使收發雙方頻率表不一致，導致通信失敗。頻合器是跳頻通信系統中的關鍵部分，市場大多數跳頻電台中使用的頻率合成器採用的是鎖相環（PLL）頻率合成技術，但是該技術的頻率轉換速度已經接近其極限，要進一步改善的技術難度越來越大，而且解析度較低。為了能夠進一步提高跳頻速率，提出了直接式數字頻合器(DDS）。它採用全數字技術，具有頻率解析度高，頻率轉換時間快，輸出頻率可以很高而且穩定性好，相位雜訊低等優點，可滿足快速跳頻電台對頻率合成器的要求。例如在美國的JTIDS中，跳速達到每秒35800跳，只有採用直接數字頻合器才能實現。但是DDS的價格昂貴，複雜度大，直接用於戰術跳頻電台有一定的難度。如果採用DDS+PLL的方法，結合兩者的長處，可以獲得單一技術難以達到的效果。在跳頻系統中，即使在通道條件良好的情況下，仍有可能在少數跳中出現錯誤，因此有必要進行差錯控制。差錯控制的方法主要分為兩類：一是自動請求重發糾錯（ARQ)技術；二是採用前向糾錯（FEC)技術。ARQ技術可以很好的對付隨機錯誤和突發錯誤，它要求有反饋電路，當通道條件不好時，需要頻繁的重發，最終可能導致通信失敗。FEC技術不需要反饋電路，但是需要大量的信號冗餘度以實現優良的糾錯，從而會降低通道效率。由於糾錯碼對突發錯誤的糾錯能力較差，而通過交織技術可以使通道中的錯誤隨機化，因此，經常採用編碼與交織技術相結合的辦法來獲得良好的糾錯性能。在跳頻系統中常用的糾錯編碼技術有漢明碼、BCH碼、trellis碼、RS碼、Golay碼、卷積碼和硬判決解碼、軟判決解碼等。1993年提出了TURBO碼，其信噪比接近於Shannon極限，引起了人們的極大興趣。與RS碼等常用的跳頻編碼相比，TURBO碼在跳頻系統中顯示了極大的應用潛能。此外，還可以把不同的編碼方法結合在一起，取長補短，進行聯合編碼。在快跳頻方式下，還可以運用重發大數判決來克服跳頻頻段內的快衰落。

跳頻電台在實際應用中通常要組成跳頻通信網，以實現網中的任何兩個通信終端均能夠做到點到點的正常通信。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。採用跳頻的多址通信網具有很多優點：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，跳頻網的最大用戶數相對較小。

跳頻通信網可以分為同步通信網和非同步通信網。跳頻通信網有多種組網方式，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，不同的通信鏈路採用不同的子頻段進行通信，從而有效地防止同一通信網間的干擾。全頻段正交跳頻組網方式僅用於同步跳頻通信網中，也就是說整個通信網中只有一個基準時鐘，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信均使用相同頻段，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。自適應跳頻通信系統中，由於在通信過程中會去除那些通信條件惡劣的通道，因此頻率更新后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演算法，保證更新后的跳頻序列之間依然是正交的，否則可能會使各通信節點之間頻繁出現頻率碰撞，導致無法正常通信。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，進行跳頻通信，使通信系統保持良好的通信狀態。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，因此就需要一個反向通道以傳輸頻率控制和功率控制信息。

通過可靠的通道質量評估演演算法，發現了干擾頻點后，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。為增加跳頻信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、長周期外，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演算法對頻率表進行實時更新后，為保障系統性能，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信息通知發方。這種信息的相互交換是一種閉環控制過程，需要制定相應的信息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一個重要指標便是頻點去除的速度。在檢測出干擾頻點后，干擾頻點去除的速度越快，對通信的影響越小。

通道質量評估的另一個作用是進行自適應功率控制。功率控制就是要把有限的發送功率最好地分配給各個跳頻通道，使得各個通道都能夠以最小發射機功率實現正常通信，從而提高跳頻信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信狀況，並通過通道質量評估單元中的功率控制演演算法對每個跳頻通道單獨進行功率控制。

功率控制演演算法可以基於兩種原則：一是比特誤碼率最小原則，演演算法為各個跳頻通道選擇適當的功率，使得接收方收到的數據比特誤碼率達到預定的誤碼門限；二是等信干比原則，此演演算法調整各個跳頻通道的平均功率，使得各個跳頻通道上的信干比相同，這裡的信干比是指各個跳頻通道上的信號功率/（對應通道上的干擾功率+傳輸損耗功率）。這兩種演演算法的性能差不多。

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信的抗干擾能力。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VH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，跳頻速率和數據數率也越來越高，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，最高數據數率可達到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帶寬有限(導致數據速率低的原因)、信號間相互干擾、存在多徑衰落等的問題。同時，它的瞬時信號帶寬很窄，對其它信號的影響很小。可以看到，實現更高跳速、更高數據速率的跳頻電台正是跳頻通信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信中佔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，短波通信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，自動搜索無干擾或未被佔用的跳頻通道進行跳頻，不僅避免了自然干擾，也不會受到短波頻譜大量佔用的影響。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。

在現有的DS/CDMA系統中，遠近效應是一個很大的問題。由於大功率信號只在某個頻率上產生遠近效應，當載波頻率跳變到另一個頻率時則不受影響，因此跳頻系統沒有明顯的遠近效應，這使得它在移動通信中易於得到應用和發展。在數字蜂窩移動通信系統中，如果鏈路間採用相互正交的跳頻圖案同步跳頻，或者採用低互相關的跳頻圖案非同步跳頻，可以使得鏈路間的干擾完全消除或基本消除，對提高系統的容量具有重要意義。此外，跳頻是瞬時窄帶系統，其頻率分配具有很大的靈活性，在現有頻率資源十分擁擠的條件下，這一點具有重要意義。

跳頻的多址性能對於組網有很重要的意義。加拿大Laval大學提出了在光纖網路中應用快跳頻技術。該系統利用Bragg光柵替代傳統跳頻系統中的頻率合成器，跳速達到10G數量級。系統在30個用戶，比特誤碼率為10-9的條件下，數據速率為500Mb/s。與採用非相干DS/CDMA技術的光纖網路相比，同時有相同數量的用戶使用時，FFH/CDMA系統的比特誤碼率明顯優於DS/CDMA系統。

此外，跳頻技術在GSM、無線區域網、室內無線通信、衛星通信、水下通信、雷達、微波等多個領域也得到了廣泛的應用。

跳頻系統本身也存在著一些缺點和局限，如信號隱蔽性差，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/跳頻擴展頻譜技術。它在直接序列擴展頻譜系統的基礎上增載入波頻率跳變的功能，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一個偽隨機碼發生器生成，所以它們在時間上是相互關聯的，使用同一個時鐘進行時序控制。義大利Telettra公司的HydraV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。

跳頻通信技術是在現代信息對抗日益激烈的形勢下迅速發展起來的，它具有很強的抗搜索、抗截獲、抗干擾能力。因此，各國軍方對這一先進技術的發展和應用十分重視。大家知道，無線電通信是戰場上保障作戰與指揮的重要手段。但無線電通信易遭受干擾，特別是短波通信領域，不僅易遭到天電、工業等自然干擾，而且還要遇到敵方人為的跟蹤、阻塞、多徑干擾等各種通信干擾。因此改善短波通信性能，提高其抗干擾能力，就成了無線電通信技術不斷創新和發展的重要課題，跳頻通信技術裝備也就應時而生。

跳頻通信系統的頻率取值可多達幾百個、幾千個，甚至上萬個，形成很寬的射頻頻譜。那麼，跳頻通信為什麼能夠抗敵搜索呢？假設電台跳頻規律為偽隨機跳頻，而每秒跳頻1000次，即在一個頻率點上可駐留時間僅1ms，則意味著總共有數千個可能用於通信的頻率點，由於敵方通信偵察搜索並不知道跳頻的規律，且“跳頻圖案”常常是隨機性地設置，敵方就要對每一個新的工作頻率點進行尋找，而且必須在遠小於1ms的時間內完成，所以要製造這樣的通信偵察搜索接收機是相當困難的。因此，跳頻速率越高，“跳頻圖案”越複雜，就越能有效地抗敵通信偵察搜索。

跳頻系統的“同步”，是關係到跳頻通信能否建立的關鍵。同步的含義包括：收發通信兩端跳頻頻率表與“跳頻圖案”對應一致；收發通信兩端載頻跳變的起始時刻和該時刻的頻率值對應一致。

跳頻通信技術所提供的通道具有很強的隱蔽性。同時，隨著數字信號處理技術和大規模集成電路的發展，加之高速跳頻關鍵技術的重大突破，在短波通信中將廣泛採用數字話通信。

由跳頻系統的工作原理可知，任何外來干擾，只有當它的頻譜落在有用信號的瞬時帶寬內，並且干擾功率足夠大時，才可能對有用信號的正確接收造成影響。因此，對於處在跳頻信號某瞬時帶寬內的跟蹤干擾，只可能對這一瞬時有用信號的正確接收產生影響。

跳頻工作時，最高頻率與最低頻率之間所佔的頻帶寬度稱之為“跳頻帶寬”，它是衡量跳頻抗干擾能力的重要指標。跳頻帶越寬，就越能迫使敵方把有限的干擾功率分散到更寬的頻帶中去，使干擾效果大大減弱；同時，跳頻帶越寬，也就越能使敵方區分不同通信網的工作，而變得更加複雜。所以，跳頻技術可以大大提高通信系統抗各種干擾的能力。近十幾年來，在世界軍事通信領域內掀起了一股跳頻通信熱潮。特別是美軍發展的戰術級通信，主要裝備了戰術信息分發系統及新型的地面和機載跳頻電台系統，這些跳頻通信裝備都具有高度的保密性和抗干擾性能。在第一次海灣戰爭中，據報道，美軍平均每天有70萬份信息在空中通道順暢傳輸，之所以暢通無阻，並不是伊軍沒有施放電子干擾，而是伊軍的電子偵察干擾系統在美軍的跳頻電台面前無能為力。

西方一些國家的跳頻技術裝備正朝著寬頻帶、高速率、數字化、低功耗的方向快速發展，其信息戰潛力巨大。

藍牙是工作在2．4GHz（2．40～2．48GHz）ISM頻段的短距離無線通信技術，能組成小型無線個人區域網（PAN），在辦公室和建築物中代替有線電纜，低功耗、低成本及靈活組網的特點，有著廣泛的應用前景。2．4GHz頻段中還有802．11b，HomeRF及微波爐、無繩電話等電子設備，為了與這些設備兼容，藍牙採用了AFH（Adaptive Frequency Hopping），LBT（Listen Before Talk）、功率控制等一系列獨特的措施克服干擾，避免衝突。隨著無線電通信技術的發展，頻率資源日益緊張，研究藍牙技術所採用的頻率兼容技術對有效利用頻譜、防止通信設備之間相互干擾，將有十分重要的作用。

跳頻技術與直頻技術的應用分析在集裝箱碼頭的計算機管理系統中，實行真正的實時化才能確保集裝箱管理的準確率。作為新的信息傳輸技術，擴頻通信具有較強的抗干擾能力和保密性能。許多港口、碼頭堆場將其投入集裝箱的管理中。本文闡述了擴頻跳頻技術在集裝箱碼頭環境中的應用，並將跳頻和直頻技術進行分析比較。無線網路通信技術的發展日新月異，2.4G擴頻通信技術已開始廣泛應用於各項領域之中；而許多用戶對2.4G擴頻通信技術中兩大收發機制即跳頻技術和直頻技術如何選用；存在不同的看法。其實；兩種技術各具優勢；它們適用於不同的領域。在集裝箱碼頭、堆場這樣對無線電波而言；可稱之為惡劣的工業環境下；選用那種更為合適；這不僅涉及到2.4G的通信機制問題；同時還應考慮到在上述條件下如何“揚長避短”。通過大量的調研工作和一定的實踐，認為在集裝箱碼頭、堆場環境下地域廣闊；反射源不規則；又要求信號冗餘勝全覆蓋；且生產作業可靠性要求高、響應要求快的條件下；選用跳頻技術能充分發揮其優點。而選用直頻技術則存在較大的風險；效果較差，主要分析如下：跳頻技術可免除干擾在集裝箱碼頭和堆場環境中；對於2.4G無線電波來說；金屬箱體的集裝箱是一個全反射源。