跳频通信在通信领域中的应用研究

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跳频通信在通信领域中的应用研究【摘要】跳频通信是一种具有较强抗干扰能力的通信体制。通过对跳频通信对多种干扰信号的抑制能力与跳频处理增益相关性的分析，研究了跳频通信系统对宽带干扰、多频点干扰、跟踪干扰的抗干扰能力的计算方法。根据计算结果进一步对提高跳频通信系统抗干扰能力的技术原理进行了详细的分析，并设计了提高跳频通信抗干扰能力的技术措施。【关键字】跳频通信跳频技术跳频系统【Abstract】Frequency-hoppingcommunicationisastronganti-interferenceabilityofthecommunicationssystem.Frequency-hoppingcommunicationthroughavarietyofinterferencesuppressionandsignalprocessinggainoffrequencyhoppingcorrelationanalysistostudythebroadbafrequency-hoppingcommunicationsysteminterference,multi-frequencyinterference,tracking,anti-interferenceabilityiscalculated.Thcalculatioresultsinaccordancewithafurtherfrequencyhoppingcommunicationsystemtoimprovethetechnicalprinciplesoanti-interferenceabilitytocarryoutadetailedanalysisanddesigntoimprovethecapacityoffrequency-hoppinganti-jammingcommunicationstechnicalmeasures.【Keywords】FHFHfrequencyhoppingcommunicationsystem 目录引言1一、跳频的概述1四、跳频电台的组网3五、调频通信的种类55、1快速跳频和慢速跳频6六、Matlab程序126、1 MATLAB简介12七、 跳频技术18八、跳频系统198、1跳频系统概述198、1、1为什么要跳频198、1、2什么是跳频图案218、1、3跳频是怎样抗干扰的238、1、4跳频技术指标与抗干扰的关系268、1、5跳频系统的主要特点27九、跳频通信的应用与发展27十、国内外研究现状:29【总结】30【参考文献】30 引言　　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。 一、跳频的概述跳频是指载波频率在很宽频带范围内按某种图案（序列）进行跳变。信息数据D经信息调制成带宽为Bd的基带信号后，进入载波调制。载波频率受伪随机码发生器控制，在带宽Bss（Bss＞＞Bd）的频带内随机跳变，实现基带信号带宽Bd扩展到发射信号使用的带宽Bss的频普扩展。可变频率合成器受伪随机序列（跳频序列）控制，使载波频率随跳频序列的序列值改变而改变，因此载波调制又被称为扩频调制。GSM的无线接口使用了慢速跳频，其要点是按固定间隔改变一个信道使用的频率。系统使用慢速跳频（SFH），每秒跳频217次，传输频率在一个突发脉冲传输期间保持一定。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。二、跳频通信的基本概念2、1定义　　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。2、2同步条件(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。三、跳频通信的主要特点3、1抗干扰性强　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。3、2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。3、3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。3、4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。四、跳频电台的组网4、1组网过程　组网前，网内所有跳频电台均处于搜索扫描状态，当主台（中心台）按下收发转换开关（PPT键）时，主台首先发出同步信号，该同步信号被网内其他属台正确接收后，各属台先自动校正本台的时钟，再将自己的跳速自动跟踪到主台的跳速上，尔后建立通信联络。通信完毕，网内所有电台再次回到搜索扫描状态，以等待下一次同步组网。为了使网内电台仅在本网中搜索扫描，网内各台需在组网前设置呼叫参数。这样，网内电台只有当监听到对本网或本台的呼叫时才进入跳频建立状态，也就是说，属台只与呼叫本网网号的主台同步。4、2组网方法4.2.1组网方法分类　跳频电台的组网方法，根据跳频图案分为正交和非正交两种。如果多个网所用的跳频图案在时域上不重叠(形成正交)，则组成的网络称为正交跳频网。如果多个网所用的跳频图案在时域上发生重叠，则称为非正交跳频网。　此外，根据跳频网的同步方式，跳频电台的组网方法又有同步网和异步网之分。   正交跳频网为了使跳频图案不发生重叠，要求全网做到严格定时，故一般采用同步网方式组网。从严格意义上讲，正交跳频网是同步正交跳频网，一般简称为同步网。　非正交跳频网的跳频图案可能会发生重叠，即网与网之间在某一时刻跳频频率可能会发生碰撞（重合），因而可能会产生网间干扰。不过，这种网间干扰通过精心选择跳频图案和采用异步组网方式，是完全可以减少到最低限度的。因此，非正交跳频网常采用异步组网方式。异步非正交跳频网一般简称为异步网。　 显然，跳频电台的组网比定频电台的组网复杂得多。4.2.2同步组网　①同步组网方法   所有的网都使用同一张频率表，但每个网的频率秩序不同；各网在统一的时钟下实施同步跳频。例如，某跳频电台的跳频频率表为f1、f2、f3、f4四个频率，若要组织四个跳频网，则组织方法为：1#网按f1、f2、f3、f4的秩序跳频；2#网按f2、f3、f4、f1的秩序跳频；3#网按f3、f4、f1、f2的秩序跳频；4#网按f4、f1、f2、f3的秩序跳频。此外，为了使某一瞬间不发生频率碰撞，四个网还必须在统一的时钟下实施跳频通信。这样，在某一瞬间，仅仅存在着不同秩序但又不重复的四个频率集。　②同步组网的优缺点   同步组网的优点显而易见：一是频率利用率高。各网都使用同一张频率表（但频率秩序不同）。理论上讲，有多少个跳频频率就可组成多少个正交跳频通信网。二是不存在网间干扰。某一时刻，网间不会发生频率重叠，因而不会发生网与网之间的干扰。然而，同步组网方法的缺点也是十分突出的。首先，各网必须“步调一致”，否则，只要有一个网不同步，将会造成全网失步而瘫痪。其次，同步组网方式实际上是将各网组成一个大的群网，建网时需要所有的子网（上例中的1#至4#网）内的电台都响应同步信号，才能将各电台的跳频图案完全同步起来，因而建网速度比较慢。再者，同步时间比较长，因为，同步组网方法必须使用统一的密钥，一旦泄密，整个群网的跳频图案都会被暴露无遗。最后，同步组网时，频率表的选择难度比较大，一旦某个频率受到干扰或效果不佳，则换频必须是全局性的。有鉴于此，目前使用的跳频电台很少采用同步组网方法。4.2.3异步组网　①异步组网方法　非正交网虽然可能会发生网间干扰，但通过精心选择跳频图案和采用异步方式组网，是可以减少网间频率重叠的概率。常见的组网方法是：   ＊不同的网络应采用不同的跳速或不同的频段。   ＊若网络和电台的数量不多，则可考虑采用同一频率集组网；反之应考虑采用不同的频率集。    ＊在同一频率集内若要求每两部或三部电台组成—个网，并且网数不多时，可以通过以下两种手段来组成不同的跳频网：一是通过设置不同的密钥号；二是通过不同的时钟来组网。　　②异步组网的优点　　由于异步组网不需要全网的定时同步，因而可以降低对定时精度的要求，而且在技术上容易实施。此外，它还有容易建立系统的同步、用户入网方便以及组网灵活等优点，因而得到广泛的应用。　③异步组网的关键　采用异步组网的方法，各网按各自的时间和跳频序列工作。由于各跳频网之间没有统一的时间标准，因而异步组网时，如果多网采用同一频率表，频率序列虽不同，但也有可能发生频率碰撞。显然，这种频率碰撞的机会是随着网络数量的增加而增多的。毋庸置疑，异步组网工作时，为了实现多网之间互不干扰，频率表的选择以及频率序列（即密钥）的选择就成了异步组网的关键——这正是跳频通信在应用上的主要研究方向。五、调频通信的种类5、1快速跳频和慢速跳频　　跳频频率高于信元码率时，称作快速跳频。　　跳频频率低于信元码率时，称作慢速跳频。　　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。 　　跳频是最常用的扩频方式之一，其工作原理是指收发双方传输信号的载波频率按照预定规律进行离散变化的通信方式，也就是说，通信中使用的载波频率受伪随机变化码的控制而随机跳变。从通信技术的实现方式来说，“跳频”是一种用码序列进行多频频移键控的通信方式，也是一种码控载频跳变的通信系统。从时域上来看，跳频信号是一个多频率的频移键控信号；从频域上来看，跳频信号的频谱是一个在很宽频带上以不等间隔随机跳变的。其中：跳频控制器为核心部件，包括跳频图案产生、同步、自适应控制等功能；频合器在跳频控制器的控制下合成所需频率；数据终端包含对数据进行差错控制。　　与定频通信相比，跳频通信比较隐蔽也难以被截获。只要对方不清楚载频跳变的规律，就很难截获我方的通信内容。同时，跳频通信也具有良好的抗干扰能力，即使有部分频点被干扰，仍能在其他未被干扰的频点上进行正常的通信。由于跳频通信系统是瞬时窄带系统，它易于与其他的窄带通信系统兼容，也就是说，跳频电台可以与常规的窄带电台互通，有利于设备的更新。　　通信收发双方的跳频图案是事先约好的，同步地按照跳频图案进行跳变。这种跳频方式称为常规跳频(NormalFH）。随着现代战争中的电子对抗越演越烈，在常规跳频的基础上又提出了自适应跳频。它增加了频率自适应控制和功率自适应控制两方面。在跳频通信中，跳频图案反映了通信双方的信号载波频率的规律，保证了通信方发送频率有规律可循，但又不易被对方所发现。常用的跳频码序列是基于m序列、M序列、RS码等设计的伪随机序列。这些伪随机码序列通过移位寄存器加反馈结构来实现，结构简单，性能稳定，能够较快实现同步。它们可以实现较长的周期，汉明相关特性也比较好，但是当存在人为的故意干扰(如预测码序列后进行的跟踪干扰)时，这些序列的抗干扰能力较差。　　与一般的数字通信系统一样，跳频系统要求实现载波同步、位同步、帧同步。此外，由于跳频系统的载频按伪随机序列变化，为了实现电台间的正常通信，收发信机必须在同一时间跳变到同一频率，因此跳频系统还要求实现跳频图案同步。跳频系统对同步有两个基本要求：一是同步速度快，二是同步能力强。目前跳频电台的同步方法有精确时钟法、同步字头法、自同步法、FFT捕获法、自回归谱估计法等等。在实际应用中，同步方案常常综合使用多种同步方法。例如战术跳频系统中常用扫描驻留同步法，综合使用了精确时钟法、同步字头法、自同步法三种同步方法，分成扫描和驻留两个阶段进行。扫描阶段完成同步头频率的捕获，驻留阶段从同步头中提取同步信息，从而完成收发双方的同步。 　　在自适应跳频中，同步还包括收发双方频率集更新的同步，保证双方同步地实现坏频点替代，否则会使收发双方频率表不一致，导致通信失败。频合器是跳频通信系统中的关键部分，目前大多数跳频电台中使用的频率合成器采用的是锁相环（PLL）频率合成技术，但是该技术的频率转换速度已经接近其极限，要进一步改善的技术难度越来越大，而且分辨率较低。为了能够进一步提高跳频速率，提出了直接式数字频合器(DDS）。它采用全数字技术，具有频率分辨率高，频率转换时间快，输出频率可以很高而且稳定性好，相位噪声低等优点，可满足快速跳频电台对频率合成器的要求。例如在美国的JTIDS中，跳速达到每秒35800跳，只有采用直接数字频合器才能实现。但是DDS的价格昂贵，复杂度大，直接用于战术跳频电台有一定的难度。如果采用DDS+PLL的方法，结合两者的长处，可以获得单一技术难以达到的效果。在跳频系统中，即使在信道条件良好的情况下，仍有可能在少数跳中出现错误，因此有必要进行差错控制。差错控制的方法主要分为两类：一是自动请求重发纠错（ARQ)技术；二是采用前向纠错（FEC)技术。ARQ技术可以很好的对付随机错误和突发错误，它要求有反馈电路，当信道条件不好时，需要频繁的重发，最终可能导致通信失败。FEC技术不需要反馈电路，但是需要大量的信号冗余度以实现优良的纠错，从而会降低信道效率。由于纠错码对突发错误的纠错能力较差，而通过交织技术可以使信道中的错误随机化，因此，经常采用编码与交织技术相结合的办法来获得良好的纠错性能。在跳频系统中常用的纠错编码技术有汉明码、BCH码、trellis码、RS码、Golay码、卷积码和硬判决译码、软判决译码等。1993年提出了TURBO码，其信噪比接近于Shannon极限，引起了人们的极大兴趣。与RS码等常用的跳频编码相比，TURBO码在跳频系统中显示了极大的应用潜能。此外，还可以把不同的编码方法结合在一起，取长补短，进行联合编码。在快跳频方式下，还可以运用重发大数判决来克服跳频频段内的快衰落。 　　跳频电台在实际应用中通常要组成跳频通信网，以实现网中的任何两个通信终端均能够做到点到点的正常通信。组网除了要避免近端对远端的干扰、码间干扰、电磁干扰等其它干扰以及由系统引起的热噪声等噪声干扰以外，还要注意避免由组网引起的同道干扰、邻道干扰、互调干扰、阻塞干扰等。采用跳频的多址通信网具有很多优点：抗干扰能力强，低截获概率，低检测概率，对频率选择性衰落有很好的抑制作用等等。但是，与常用的DS/CDMA系统相比，跳频网的最大用户数相对较小。　　跳频通信网可以分为同步通信网和异步通信网。跳频通信网有多种组网方式，如分频段跳频组网方式、全频段正交跳频组网方式等。在分频段跳频组网方式中，系统把整个频段分成若干个子频段，不同的通信链路采用不同的子频段进行通信，从而有效地防止同一通信网间的干扰。全频段正交跳频组网方式仅用于同步跳频通信网中，也就是说整个通信网中只有一个基准时钟，通过设计在某一相同时刻t的N个相互正交的跳频频率序列来进行组网，这样尽管各个终端间的通信均使用相同频段，但是由于瞬时的跳频频率点不相同，因此可保证它们之间不会出现同频道干扰。自适应跳频通信系统中，由于在通信过程中会去除那些通信条件恶劣的信道，因此频率更新后可能会出现同频道干扰现象，故必须设计一种良好的频点更新算法，保证更新后的跳频序列之间依然是正交的，否则可能会使各通信节点之间频繁出现频率碰撞，导致无法正常通信。实际应用中也可以把以上两种组网方式结合进行。例如英国Recal-Tacticom公司的Jaguar系列电台在组网中就同时采用了这两种组网方式，可组网数目达到200—300个。　　除了以上这些关键技术以外，调制解调方法在跳频系统中也很重要，可以采用FSK、QAM、QPSK、QASK、DPSK、QPR、数字chirp调制等多种调制方式。自适应跳频系统是在常规跳频系统的基础上，实时地去除固定或半固定干扰，从而自适应地自动选择优良信道集，进行跳频通信，使通信系统保持良好的通信状态。也就是说，它除了要实现常规跳频系统的功能之外，还要实现实时的自适应频率控制和自适应功率控制功能，因此就需要一个反向信道以传输频率控制和功率控制信息。 通过可靠的信道质量评估算法，发现了干扰频点后，应当在收发双方的频率表中将其删除，并以好的频点对它们进行替换，以维持频率表的固定大小。这种检测和替换是实时进行的。为增加跳频信号的隐蔽性和抗破译能力，跳频图案除具有很好的伪随机性、长周期外，各频率出现次数在长时间内应具有很好的均匀性。在引入自适应频率替换算法对频率表进行实时更新后，为保障系统性能，仍然要求跳频图案具有很好的均匀性，所以应当依次用不同的质量较好的频点来分别替换被干扰的频点。收端频率表的更新会导致收发频率表的不一致性。为了使收发频率表同步更新，必须通过反馈信道将收端的频率更新信息通知发方。这种信息的相互交换是一种闭环控制过程，需要制定相应的信息交换协议来保证频表可靠的同步更新。衡量协议有效性的另一个重要指标便是频点去除的速度。在检测出干扰频点后，干扰频点去除的速度越快，对通信的影响越小。信道质量评估的另一个作用是进行自适应功率控制。功率控制就是要把有限的发送功率最好地分配给各个跳频信道，使得各个信道都能够以最小发射机功率实现正常通信，从而提高跳频信号的隐蔽性和抗截获能力。在自适应跳频系统中，系统检测每个信道的通信状况，并通过信道质量评估单元中的功率控制算法对每个跳频信道单独进行功率控制。　　功率控制算法可以基于两种原则：一是比特误码率最小原则，算法为各个跳频信道选择适当的功率，使得接收方收到的数据比特误码率达到预定的误码门限；二是等信干比原则，此算法调整各个跳频信道的平均功率，使得各个跳频信道上的信干比相同，这里的信干比是指各个跳频信道上的信号功率/（对应信道上的干扰功率+传输损耗功率）。这两种算法的性能差不多。　　随着跳频技术的不断发展，其应用也越来越广泛。战术电台中采用跳频技术的主要目的是提高通信的抗干扰能力。早在70年代，就开始了对跳频系统的研究，现已开发了跳频在VHF波段(30—300MHz）的低端30—88MHz、UHF波段(300MHz以上）以及HF波段(1.5—30MHz)的应用。随着研究的不断深入，跳频速率和数据数率也越来越高，现在美国Sanders公司的CHESS高速短波跳频电台已经实现了5000跳/秒的跳频速率，最高数据数率可达到19200bps。此外，CHESS跳频电台与一般的跳频电台还有所不同，它以DSP 为基础，采用了差动跳频（DFH)技术。通过现代数字处理技术，CHESS跳频电台较好解决了短波系统带宽有限(导致数据速率低的原因)、信号间相互干扰、存在多径衰落等的问题。同时，它的瞬时信号带宽很窄，对其它信号的影响很小。可以看到，实现更高跳速、更高数据速率的跳频电台正是跳频通信系统的未来发展方向，软件无线电的概念也已逐渐应用到新型的跳频电台中。短波自适应跳频电台已经在当前的军事通信中占有了很重要的一部分。与VHF/UHF频段不同，短波信道有许多固有特点，例如，受多径时延、幅度衰落、天气变化等因素的影响，信道条件变化莫测。但是随着各种新技术的出现，短波通信的可靠性得到了技术上的保证，而自适应跳频技术就是这些新技术中的一种。它通过分析波段上的频率占用率，自动搜索无干扰或未被占用的跳频信道进行跳频，不仅避免了自然干扰，也不会受到短波频谱大量占用的影响。它会根据需要自动地改变跳频序列，有效的适应恶劣环境。它在海湾战争中体现出的优越性引起了各国的高度重视。　　在现有的DS/CDMA系统中，远近效应是一个很大的问题。由于大功率信号只在某个频率上产生远近效应，当载波频率跳变到另一个频率时则不受影响，因此跳频系统没有明显的远近效应，这使得它在移动通信中易于得到应用和发展。在数字蜂窝移动通信系统中，如果链路间采用相互正交的跳频图案同步跳频，或者采用低互相关的跳频图案异步跳频，可以使得链路间的干扰完全消除或基本消除，对提高系统的容量具有重要意义。此外，跳频是瞬时窄带系统，其频率分配具有很大的灵活性，在现有频率资源十分拥挤的条件下，这一点具有重要意义。　　跳频的多址性能对于组网有很重要的意义。加拿大Laval大学提出了在光纤网络中应用快跳频技术。该系统利用Bragg光栅替代传统跳频系统中的频率合成器，跳速达到10G数量级。系统在30个用户，比特误码率为10-9的条件下，数据速率为500Mb/s。与采用非相干DS/CDMA技术的光纤网络相比，同时有相同数量的用户使用时，FFH/CDMA系统的比特误码率明显优于DS/CDMA系统。　　此外，跳频技术在GSM、无线局域网、室内无线通信、卫星通信、水下通信、雷达、微波等多个领域也得到了广泛的应用。 　　由于跳频系统本身也存在着一些缺点和局限，如信号隐蔽性差，抗多频干扰以及跟踪式干扰能力有限等，而扩频的另一种方式直接序列扩频却有较好的隐蔽性和抗多频干扰的能力。把这两种扩频技术结合起来，就构成了直接序列/跳频扩展频谱技术。它在直接序列扩展频谱系统的基础上增加载波频率跳变的功能，直扩系统所用的伪随机序列和跳频系统用的伪随机跳频图案由同一个伪随机码发生器生成，所以它们在时间上是相互关联的，使用同一个时钟进行时序控制。意大利Telettra公司的HydraV电台是采用了直接序列/跳频混合扩频技术的第一代战术电台。由于采用了直接序列扩频DBPSK调制方式，比单独采用跳频技术多获得9dB的处理增益，从而提高了电台的抗干扰性能。六、Matlab程序6、1 MATLAB简介MATLAB是以复数矩阵作为基本编程单元的一种程序设计语言，它提供了各种矩阵的运算操作，并具有较强的绘图功能Matlab的语言特点v语言简洁紧凑，使用方便灵活。例如：A=[123;456;789]一条语句实现了对3x3矩阵的输入。v数值算法稳定可靠，库函数十分丰富。例如：polyder(b)%求多项式b的微分v运算符丰富。例如：C=A*B%矩阵的乘法，x=Ab%求Ax＝b的最小二乘解vMatlab既具有结构化的控制语句（if、for、while）又支持面向对象的程序设计。v语法限制不严格，程序设计自由度大。v程序的可移植性好。vMatlab的图形功能强大，支持数据的可视化操作，方便的显示程序的运行结果。v强大的工具箱。例如：控制领域可以使用的工具箱就有ControlSystem（控制工具箱） v源程序的开发性，系统的可扩充能力强。vMatlab是解释执行语言。Matlab程序不用编译生成可执行文件就可以运行ØMatlab语言ØMatlab工作环境包括程序编辑器、变量查看器、系统仿真器。ØMatlab图形系统用Matlab的句柄图形，可以实现二维、三维数据的可视化、图象处理，也可以完全或局部修改图形窗口，还可以方便的设计图形界面。ØMatlab数学函数库ØMatlabAPIMatlab软件的基本使用方法üMatlab软件的安装üMatlab软件的启动 Matlab的命令窗口可以执行任何Matlab命令和函数。主要功能•操作M文件（打开、新建、运行、保存）•操作MDL文件•运行Matlab程序•运行外壳应用程序程序编辑/调试器Matlab内置了一个程序的编辑/调试器主要功能•建立、编辑、存储M文件•可以运行程序•调试（断点、单步、跟踪、查看）程序变量查看器在MATLAB中，工作空间（Workspace）是一个重要的、比较抽象的概念。 工作空间指运行MATLAB的程序或命令所生成的所有变量和MATLAB提供的常量构成的空间是一个概念工作空间的特点q工作空间在MATLAB运行期间一直存在q关闭MATLAB后工作空间自动消失q可以随时查看工作空间中的变量名及变量的值　　whosq保存工作空间中的所有变量为一个文件　　　　　　saveq把保存的工作空间的所有变量调入到当前工作空间　load图形窗口在图形窗口上可以进行绘制曲线、显示文本、填充颜色等操作q用figure命令建立新的图形窗口 q可以用绘图语句自动创建图形窗口并在上面绘图，如plot命令。帮助系统1、 使用普通文本帮助help函数名/文件名%显示相关函数/文件的帮助体lookfor函数名/文件名%显示相关函数/文件的H1行2、 使用超文本帮助Ø在命令窗口键入doc命令doc函数名/文件名Ø选择命令窗口的帮助菜单Matlab编程基础Ø可以在MATLAB命令窗口键入一个命令，也可以由Matlab定义的语言编写一个或多个应用程序，然后在MATLAB环境下返回运算结果。Ø MATLAB以复数矩阵为基本的运算单元，既可以对它整体进行处理，也可以对它的某个或某些元素进行单独处理，操作起来比较方便。ØMATLAB最基本的语句是赋值语句，其结构为：变量名列表=表达式其中等号左边的变量名列表为MATLAB语句的返回值，若一次返回多个结果，则变量列表用[]括起来，各变量间用逗号分隔；等号右边为表达式，可以是矩阵运算或函数调用，可以由分号(;)、逗号(,)或回车结束Ø变量不需要定义就可以直接使用和赋值。例如：A=[1,2;3,4]%定义并输入一个2x2的矩阵str=’Hello’%定义并输入一个字符串（字符数组）矩阵的每行中的各个元素用逗号或者空格分隔，行于行之间用分号分隔；字符串用单引号定义。Ø输入、输出函数①A＝input（提示信息，选项）例如：A＝input（‘EntermatrixA=>’）②dips（A）例如：A＝‘hello’；disp（A）A=[1,2,3;4,5,6;7,8,9];disp(A)七、 跳频技术跳频是最常用的扩频方式之一，其工作原理是指收发双方传输信号的载波频率按照预定规律进行离散变化的通信方式，也就是说，通信中使用的载波频率受伪随机变化码的控制而随机跳变。从通信技术的实现方式来说，“跳频”是一种用码序列进行多频频移键控的通信方式，也是一种码控载频跳变的通信系统。从时域上来看，跳频信号是一个多频率的频移键控信号；从频域上来看，跳频信号的频谱是一个在很宽频带上以不等间隔随机跳变的。其中：跳频控制器为核心部件，包括跳频图案产生、同步、自适应控制等功能；频合器在跳频控制器的控制下合成所需频率；数据终端包含对数据进行差错控制。与定频通信相比，跳频通信 比较隐蔽也难以被截获。只要对方不清楚载频跳变的规律，就很难截获我方的通信内容。同时，跳频通信也具有良好的抗干扰能力，即使有部分频点被干扰，仍能在其他未被干扰的频点上进行正常的通信。由于跳频通信系统是瞬时窄带系统，它易于与其他的窄带通信系统兼容，也就是说，跳频电台可以与常规的窄带电台互通，有利于设备的更新。通信收发双方的跳频图案是事先约好的，同步地按照跳频图案进行跳变。这种跳频方式称为常规跳频(NormalFH）。随着现代战争中的电子对抗越演越烈，在常规跳频的基础上又提出了自适应跳频。它增加了频率自适应控制和功率自适应控制两方面。在跳频通信中，跳频图案反映了通信双方的信号载波频率的规律，保证了通信方发送频率有规律可循，但又不易被对方所发现。常用的跳频码序列是基于m序列、M序列、RS码等设计的伪随机序列。这些伪随机码序列通过移位寄存器加反馈结构来实现，结构简单，性能稳定，能够较快实现同步。它们可以实现较长的周期，汉明相关特性也比较好，但是当存在人为的故意干扰(如预测码序列后进行的跟踪干扰)时，这些序列的抗干扰能力较差。八、跳频系统8、1跳频系统概述　8、1、1为什么要跳频　　通常我们所接触到的无线通信系统都是载波频率固定的通信系统，如无线　　对讲机，汽车移动电话等，都是在指定的频率上进行通信，所以也称作定频通信。这种定频通信系统，一旦受到干扰就将使通信质量下降，严重时甚至使通信中断。 　　例如：电台的广播节目，一般是一个发射频率发送一套节目，不同的节目占用不同的发射频率。有时为了让听众能很好地收听一套节目，电台同时用几个发射频率发送同一套节目。这样，如果在某个频率上受到了严重干扰，听众还可以选择最清晰的频道来收听节目，从而起到了抗干扰的效果。但是这样做的代价是需要很多额谱资源才能传送一套节目。如果在不断变换的几个载波频率上传送一套广播节目，而听众的收音机也跟随着不断地在这几个频率上调谐接收，这样，即使某个频率上受到了干扰，也能很好地收听到这套节目。这就变成了一个跳频系统。　　另外在敌我双方的通信对抗中，敌方企图发现我方的通信频率，以便于截获所传送的信息内容，或者发现我方通信机所在的方位，以便于引导炮火摧毁。定频通信系统容易暴露目标且易于被截获，这时，采用跳频通信就比较隐蔽也难以被截获。因为跳频通信是“打一枪换一个地方”的游击通信策略、使敌方不易发现通信使用的频率，一旦被敌方发现，通信的频率也已经“转移”到另外一个频率上了。当敌方摸不清“转移规律”时，就很难截获我方的通信内容。因此，跳频通信具有抗干扰、抗截获的能力，并能作到频谱资源共享。所以在当前现代化的电子战中跳频通信已显示出巨大的优越性。另外，跳频通信也应用到民用通信中以抗衰落、抗多径、抗网间干扰和提高频谱利用率。8、1、2什么是跳频图案　　为了不让敌方知道我们通信使用的频率，需要经常改变载波频率，即“打一枪换一个地方”似地对载波频率进行跳变，跳频通信中载波频率改变的规律，叫作跳频图案。　　通常我们希望频率跳变的规律不被敌方所识破，所以需要随机地改变以至无规律可循才好。但是若真的无规律可循的话，通信的双方(或友军)也将失去联系而不能建立通信。因此，常采用伪随机改变的跳频图案。　　只有通信的双方才知道此跳频图案，而对敌方则是绝对的机密。所谓“伪随机”，就是“假”的随机，其实是有规律性可循的，但当敌方不知跳频图案时，就很难猜出其跳频的规律来。　　图6－1所示为一个跳频图案。图中横轴为时间，纵轴为频率。这个时间与频率的平面叫作时频域。也可将这个时频域看作一个棋盘，横轴上的时间段与纵　　　轴上的频率段构成了棋盘格子。阴影线代表所布棋子的方案，就是跳频图案；它表明什么时间采用什么频率进行通信，时间不同频率也不同。 　　　　　图6－1　　图6－1(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。　　图6－1(b)所示则是一慢跳频图案，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。　　　在时频域这个“模盘”上的一种布子方案就是一个跳频图案。当通信收发双方的跳频图案完全一致时，就可以建立跳频通信了。图6－2所示就是建立跳频通信的示意图。 　　　　　图6－2　　其中t表示时间，s表示空间，f表示频率。当收、发双方在空间上相距一定距离时，只要时频域上的跳额图案完全相重合，就表示收、发双方同步跳频地进行通信。8、1、3跳频是怎样抗干扰的　　通信收、发双方的跳频图案是事先约定好的，或者是由发方通知收方的。这个跳频图案是敌方所不知道的。敌方若想于扰跳频通信，有几种策略可供选择：　干扰方式1，在某一个频率上施放长时间的大功率的干扰，即单频干扰。　　　　干扰方式2，在某几个频率上施放长时间大功率的干扰，即多频干扰。　　干扰方式3；在连续的几个频带上施放长时间大功率的干扰，称作部分频带来扰。　　干扰方式4，在不同时间内在不同的频率上施放大功率的干扰。 　　干扰方式5，依照跳频图案的规律跟踪施放大功率的干扰。　　　这些干扰方式和跳频通信的关系正像二人对奕时相互“出子”一样，当双方的“布子”落在时一频域棋盘内的同一小格时，则干扰有效。因此，跟踪跳频图案施放的干扰策略就是最佳的干扰跳频通信的策略了。　　图6－3给出了方式1和方式4的干扰策略与跳频图案的关系。　　　　　图6－3　　图中示出一种跳频图案，方式1干扰策略是在时间上连续的施放一个窄带干扰，即第l0个频率段以斜线表示的干扰带；方式4干扰策略是在第一个时间段用第一个频率段进行干扰，第二个时间段用第二个频率段进行干扰，依次下去，就形成了沿时频域模盘对角线上的于扰带。跳频图案中受到这两种干扰时就用全黑色方块来表示。由图中可以看出，干扰方式1只干扰了一个跳频驻留时间的通信，而干扰方式4则干扰了三个跳频驻留时间的通信。　　跳频图案的不同，其干扰的效果也不尽相同。当跳频图案的随机性越大时，跳频抗干扰的能力就越强；“棋盘”越大时，即频率和时间的乘积越大时，可容纳的随机图案也越多，跳频图案本身的随机性也越大，从而抗干扰能力也越强。　所谓抗于扰能力强，实际上是指碰到干扰的概率小。　 　　现代电子战中，通信方采用跳频技术来分散干扰的影响，干扰方则想截获通信方的信号以减少于扰的盲目性，并尽量作到有的放矢，这就是跟踪式干扰策　略。跟踪式干扰的有效干扰是有条件的，这个条件除功率因素外，还应当满足干扰椭圆的要求，如图6－4所示。　　　　　图6－4　　图中的通信方为收、发信机，干扰机用来对通信的信号进行侦听、处理，然后以同样的载波频率施放干扰。为了有效地干扰跳频系统，在通信频率跳到新的频率之前，干扰机必须完成从侦听到施放干扰的全过程。　　跳系统更换载频的跳频间隔时间，就是跳频信号在空间驻留的时间。根据收、发信机的距离d1，干扰机与发、收信机的距离d2和d3，以及跳频驻留时间和干扰机施放干扰的处理时间，可以得到以发射机和接收机为两个焦点的椭圆。只有当干扰机设置在这个椭圆内时，才能使干扰有效，如果干扰机设置在椭圆之外时，则此跟踪式干扰策略无效。　　显然，为了对付跟踪式干扰，希望跳频信号的驻留时间越短越好，让干扰机来不及施放干扰。因此，希望跳频通信的跳速应当尽可能的快才好。这就是目前各国争先研究快速跳频通信装备的原因之一。 8、1、4跳频技术指标与抗干扰的关系　　考察一个系统的跳频技术性能，应注意下列各项指标：　　跳频带宽　　跳频频率的数目　　跳频的速率　　跳频码的长度(周期)　　跳频系统的同步时间　　一般说来，希望跳频带宽要宽，跳频的频率数目要多，跳频的速率要快，跳频码的周期要长，跳频系统的同步时间要短。　　跳频带宽的大小，与抗部分频带的干扰能力有关。　　跳频带宽越宽，抗宽带干扰的能力越强。所以希望能全频段跳频。例如，在短波段，从1.5mhz到3mhz全频段跳频；在甚高频段，从30mhz到80mhz全频段跳频。　　跳频频率的数目，与抗单频干扰及多频干扰的能力有关。　　跳变的频率数目越多，抗单频、多频以及梳状干扰的能力越强。在一般的跳频电台中，跳频的频率数目不超过100个。　　跳频的速率，是指每秒钟频率跳变的次数，它与抗跟踪式干扰的能力有关。　　跳速越快，抗跟踪式干扰的能力就越强。一般在短波跳频电台中，其跳速目前不超过100跳／秒。在甚高频电台中，一般跳速在500跳／秒。对某些更高频段的跳频系统可工作在每秒几万跳的水平。　　跳频码的长度，它将决定跳额图案延续时间的长度，这个指标与抗截获(破译)的能力有关。　　跳频图案延续时间越长，敌方破译越困难，抗截获的能力也越强。跳频码的周期可长达10年甚至更长的时间。　　跳频系统的同步时间，是指系统使收发双方的跳频图案完全同步并建立通信所需要的时间。系统同步时间的长短将影响该系统的顽存程度。因为同步过程　一旦被敌方破环，不能实现收、发跳频图案的完全同步，则将使通信系统瘫痪。因此，希望同步建立的过程越短越好，越隐蔽越好。根据使用的环境不同，目前跳频电台的同步时间可在秒或几百毫秒的量级。　 　　当然，一个跳频系统的各项技术指标应依照使用的目的、要求以及性能价格比等方面综合考虑才能作出最佳的选择。8、1、5跳频系统的主要特点　　跳频系统的特点，在很大程度上取决于它的扩展频谱机理。跳频扩展频谱在机理上与直接序列扩展频谱大不相同。从图6－1的跳频图案上可以看出，每一跳频驻留时间的瞬时所占的信道带宽是窄带频谱，依照跳频图案随时间的变化，这些瞬时窄带频谱在一个很宽的频带内跳变，形成一个跳频带宽。由于跳频速率　　很快，从而在宏观上实现了频谱的扩展。图6－5所示是由频谱仪上观察到的跳频信号的频谱。　　　　　图6－5　　图中箭头所标示的，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九、跳频通信的应用与发展　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。诚然，跳频通信是由电子对抗而首先应用于军事领域的。但是，它在民用通信的应用也越来越受到人们的密切关注。目前，跳频通信的理论和技术已很成熟。9、1跳频通信在军事通信中的应用与发展　 跳频通信自问世以来之所以如此迅猛发展，这主要得益于跳频通信本身所具备的突出优点。这些优点又能符合现代信息战条件下电子对抗的要求。海湾战争表明，跳频电台在通信中发挥了突出的作用。目前，跳频系统的跳速维持在如下水平：短波电台——100跳/秒，超短波电台——500跳/秒。但每秒千跳以上的跳频电台也已问世。可以乐观地预测，到了21世纪，跳频电台的跳速可发展到每秒几万跳，甚至每秒百万跳。跳频带宽一般可工作到全频段。跳频频率集虽然目前已达到300个的水平，但上万个频率集的跳频系统也已研制出来。跳频系统的同步时间目前已达到几百毫秒的数量级，今后必定越来越短。因为，同步建立时间越短，信息被敌方发现、截获和测向的概率就越低，通信的隐蔽性越好．当然，通信干扰与反干扰是一对矛盾，它们互相制约，但又互相促进发展。　　跳频通信并不惧怕单频干扰和多频干扰，但跟踪式干扰是跳频通信的“天敌”。跟踪式干扰的步骤是：侦听、处理、施放干扰。当本方截获到敌方的跳频图案后，迅速地以同样的跳频图案施放干扰，由于两个跳频图案的矢量迭加必然带来接收方的一片盲然，致使敌方无法达成正常的跳频通信。据报载，国外已有能同时监视80个相邻信道，扫描搜索速度为80,000信道/秒的侦察接收机问世，这种侦察接收机的截获跳频图案的概率几乎达到100％。这是迄今为止对付跳频通信最理想的反干扰手段。为了对付跟踪式干扰，人们总是希望尽可能缩短跳频信号的驻留时间，使侦察接收机无可乘之机。这就要求跳频系统的跳速尽可能快。基于这方面考虑，目前世界各国竞先研制快速跳频通信装备。　　另外，跳频系统的技术发展又受到元器件、编解码技术等因素的制约。目前，跳频速率尚未达到每秒5000跳。若达到这个水平，则目前的跟踪式干扰机便无能为力了。为此，跳频通信将向以下两个方面发展：一个是跳频与直接序列扩频混合使用方式，另一个是跳频与直接序列扩频、跳时三者混合使用方式。这样可以优势互补，共同发展。9、2跳频通信在民用通信中的应用与发展 　　90年代以来，跳频通信在军事通信领域的应用中取得巨大成就的基础上，又开始向民用通信领域进军。原因有二：一是“无线革命”的兴起。数字蜂窝移动通信、个人通信、室内无线通信等新兴通信方式，要求解决频带拥挤问题，由于跳频通信的频谱利用率较高，因此，人们自然就考虑到采用跳频通信来解决这个问题。二是市场需求的推动。采用新的通信技术不仅出于占有国内市场的考虑，也是为了争取国外市场。　　在移动通信领域，扩容乃当务之急。跳频或扩频码分多址技术的增容潜力无比强大。据专家估算，采用跳频或扩频码分技术后，目前的容量可提高２０倍。这是一个十分惊人的数字。为此，许多专家学者纷纷倡导采用跳频或扩频码分多址技术来解决扩容问题。　　在有线通信领域，考虑到一方面扩建需要巨大的投资，另一方面，无线个人通信又可作为有线通信网的应急手段，因此，跳频也是一条值得通信系统建设考虑的途径。如果采用跳频通信，可以预见未来会有“无线城市”和“无线办公室”的不断涌现。另外，加强在光纤通信中应用跳频技术的研究，也是跳频技术的一个发展方向。　　在一些要求信息保密的部门或场所，如公安部门、安全部门、政法部门、证券市场等，采用跳频通信作为其内部通信，则可以起到保密信息的作用，原因是跳频通信被截获的概率很低。　　在广播领域，原先的一个调频电台只能传送一个单声道和一个立体声节目，采用跳频技术后，则可传送75个立体声调频节目，而且是数字信号。十、国内外研究现状:随着通信技术的广泛应用，无线传输频道越来越拥挤，频道资源也越来越紧张，干扰多且十分严重，而扩展频谱通信（SpreadSpectrumCommunication）可以解决这些问题，并提高更高的保密性能，因此扩频通信技术得到了快速的发展和广泛的应用。跳频技术是扩频技术的一种，是一种新的通信方式。跳频通信具有良好的抗干扰性，低截获概率及组网能力，因此跳频技术的一出现，便在军事领域得到了极大的发展。采用跳频技术的短波超短波电台在军事通信中得到了广泛应用，极大地提高了军事装备的抗截获和抗干扰能力，保证了军事指挥系统的安全和有效性。目前，军事通信传递的信息，已从发送简单的指挥命令发展到诸如雷达探测的数据、计算机计算结果、高速图像传真信息和数字话音加密信息等一些要求较高的数字数据信息。传统调制方式由于频谱利用率不高而不适合跳频系统的高速数据传输。因而，研究适合于跳频通信特点的具有高效频谱利用率的调制方式具有重要的意义。在各种调制方式中，高斯最小频移键控(GaussianMinimumShift Keying)具有极好的频谱利用率、功率效率和可以采用非相干解调等优点，己经广泛应用于无线通信系统，尤其是移动通信领域。跳频通信具有的较强的抗干扰能力,越来越受到人们的重视,应用领域也不断在扩大。跳频技术主要应用在军事通信上,特别是战场通信,这是由它良好的抗干扰性能决定的。各国军方对跳频技术都非常重视,均投入了大量的人力、财力进行研究。在民用通信领域也有成功的应用,蓝牙技术就是典型案例,它是开放性、低功率、短距离无线通信技术标准,可在各种数字设备之间实现灵活、低成本、小功耗的话音和数据通信许多专家学者纷纷倡导采用跳频或扩频码分多址技术来解决扩容问题。在有线通信领域,考虑到一方面扩建需要巨大的投资,另一方面,无线个人通信又可作为有线通信网的应急手段,因此,跳频也是一条值得通信系统建设考虑的途径。如果采用跳频通信,可以预见未来会有“无线城市”和“无线办公室”的不断涌现。另外,加强在光纤通信中应用跳频技术的研究,也是跳频技术的一个发展方向。在一些要求信息保密的部门或场所,如公安部门、安全部门、政法部门、证券市场等,采用跳频通信作为其内部通信,则可以起到保密信息的作用,原因是跳频通信被截获的概率很低。在广播领域,原先的一个调频电台只能传送一个单声道和一个立体声节目,采用跳频技术后,则可传送个立体声调频节目,而且是数字信号。【总结】跳频技术是一种具有高抗干扰性、高抗截获得能力的扩频技术。随着微电子与数字信号处理技术的飞速发展,原先存在的频率合成器和跳频同步等难题已经解决。现在它不仅已经在军事通信中大展身手,较好地满足了现代战争提出的电子对抗与反对抗要求,而且在民用通信中也展示出良好的应用前景。与自适应技术的结合进一步提高了跳频系统的性能,其中信道质量评估方法是关键,如何针对不同的信道更好的进行信道质量评估还值得进一步研究。可以相信,跳频技术仍将继续向高跳频速率、高数据传输速率发展。各种新颖的跳频实现方法也不断地退出,软件无线电概念的提出为跳频技术的发展开辟了一个新领域。【参考文献】 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