【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 同步。 在自適應(yīng)跳頻中，同步還包括收發(fā)雙方頻率集更新的同步，保證雙方同步地實(shí)現(xiàn)壞頻點(diǎn)替代，否則會(huì)使收發(fā)雙方頻率表不一致，導(dǎo)致通信失敗。頻合器是跳頻通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，目前大多數(shù)跳頻電臺(tái)中使用的頻率合成器采用的是鎖相環(huán)（ PLL）頻率合成技術(shù)，但是該技術(shù)的頻率轉(zhuǎn)換速度已經(jīng)接近其極限，要進(jìn)一步改善的技術(shù)難度越來(lái)越大 ，而且分辨率較低。為了能夠進(jìn)一步提高跳頻速率，提出了直接式數(shù)字頻合器 (DDS）。它采用全數(shù)字技術(shù)，具有頻率分辨率高，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間快，輸出頻率可以很高而且穩(wěn)定性好，相位噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，可滿(mǎn)足快速跳頻電臺(tái)對(duì)頻率合成器的要求。例如在美國(guó)的 JTIDS 中，跳速達(dá)到每秒 35800 跳，只有采用直接數(shù)字頻合器才能實(shí)現(xiàn)。但是 DDS的價(jià)格昂貴，復(fù)雜度大，直接用于戰(zhàn)術(shù)跳頻電臺(tái)有一定的難度。如果采用DDS+PLL的方法，結(jié)合兩者的長(zhǎng)處，可以獲得單一技術(shù)難以達(dá)到的效果。在跳頻系統(tǒng)中，即使在信道條件良好的情況下，仍有可能在少數(shù)跳中出 現(xiàn)錯(cuò)誤，因此有必要進(jìn)行差錯(cuò)控制。差錯(cuò)控制的方法主要分為兩類(lèi)：一是自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā)糾錯(cuò)（ ARQ） 技術(shù)；二是采用前向糾錯(cuò)（ FEC） 技術(shù)。 ARQ技術(shù)可以很好的對(duì)付隨機(jī)錯(cuò)誤和突發(fā)錯(cuò)誤，它要求有反饋電路，當(dāng)信道條件不好時(shí)，需要頻繁的重發(fā)，最終可能導(dǎo)致通信失敗。 FEC技術(shù)不需要反饋電路，但是需要大量的信號(hào)冗余度以實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的糾錯(cuò)，從而會(huì)降低信道效率。由于糾錯(cuò)碼對(duì)突發(fā)錯(cuò)誤的糾錯(cuò)能力較差，而通過(guò)交織技術(shù)可以使信道中的錯(cuò)誤隨機(jī)化，因此，經(jīng)常采用編碼與交織技術(shù)相結(jié)合的辦法來(lái)獲得良好的糾錯(cuò)性能。在跳頻系統(tǒng)中常用的糾錯(cuò)編碼技術(shù)有漢明碼、 BCH碼、 trellis 碼、 RS碼、 Golay碼、卷積碼和硬判決譯碼、軟判決譯碼等。 1993年提出了 TURBO碼，其信噪比接近于 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(tǒng)中顯示了極大的應(yīng)用潛能。此外，還可以把不同的編碼方法結(jié)合在一起，取長(zhǎng)補(bǔ)濰 坊 學(xué) 院 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 10 短，進(jìn)行聯(lián)合編碼。在快跳頻方式下，還可以運(yùn)用重發(fā)大數(shù)判決來(lái)克服跳頻頻段內(nèi)的快衰落。 跳頻電臺(tái)在實(shí)際應(yīng)用中通常要組成跳頻通信網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)中的任何兩個(gè)通信終端均能夠做到點(diǎn)到點(diǎn)的正常通信。組網(wǎng)除了要避免近端對(duì)遠(yuǎn)端的干擾、 碼間干擾、電磁干擾等其它干擾以及由系統(tǒng)引起的熱噪聲等噪聲干擾以外，還要注意避免由組網(wǎng)引起的同道干擾、鄰道干擾、互調(diào)干擾、阻塞干擾等。采用跳頻的多址通信網(wǎng)具有很多優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，低截獲概率，低檢測(cè)概率，對(duì)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(tǒng)相比，跳頻網(wǎng)的最大用戶(hù)數(shù)相對(duì)較小。 跳頻通信網(wǎng)可以分為同步通信網(wǎng)和異步通信網(wǎng)。跳頻通信網(wǎng)有多種組網(wǎng)方式，如分頻段跳頻組網(wǎng)方式、全頻段正交跳頻組網(wǎng)方式等。在分頻段跳頻組網(wǎng)方式中，系統(tǒng)把整個(gè)頻段分成若干個(gè)子頻段，不同的通信鏈路采用不同的子頻段 進(jìn)行通信，從而有效地防止同一通信網(wǎng)間的干擾。全頻段正交跳頻組網(wǎng)方式僅用于同步跳頻通信網(wǎng)中，也就是說(shuō)整個(gè)通信網(wǎng)中只有一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)鐘，通過(guò)設(shè)計(jì)在某一相同時(shí)刻 t 的 N 個(gè)相互正交的跳頻頻率序列來(lái)進(jìn)行組網(wǎng)，這樣盡管各個(gè)終端間的通信均使用相同頻段，但是由于瞬時(shí)的跳頻頻率點(diǎn)不相同，因此可保證它們之間不會(huì)出現(xiàn)同頻道干擾。自適應(yīng)跳頻通信系統(tǒng)中，由于在通信過(guò)程中會(huì)去除那些通信條件惡劣的信道，因此頻率更新后可能會(huì)出現(xiàn)同頻道干擾現(xiàn)象，故必須設(shè)計(jì)一種良好的頻點(diǎn)更新算法，保證更新后的跳頻序列之間依然是正交的，否則可能會(huì)使各通信節(jié)點(diǎn)之間 頻繁出現(xiàn)頻率碰撞，導(dǎo)致無(wú)法正常通信。實(shí)際應(yīng)用中也可以把以上兩種組網(wǎng)方式結(jié)合進(jìn)行。例如英國(guó) RecalTacti 公司的 Jaguar 系列電臺(tái)在組網(wǎng)中就同時(shí)采用了這兩種組網(wǎng)方式，可組網(wǎng)數(shù)目達(dá)到 200— 300 個(gè)。 除了以上這些關(guān)鍵技術(shù)以外，調(diào)制解調(diào)方法在跳頻系統(tǒng)中也很重要，可以采用FSK、 QAM、 QPSK、 QASK、 DPSK、 QPR、數(shù)字 chirp 調(diào)制等多種調(diào)制方式。自適應(yīng)跳頻系統(tǒng)是在常規(guī)跳頻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)地去除固定或半固定干擾，從而自適應(yīng)地自動(dòng)選擇優(yōu)良信道集，進(jìn)行跳頻通信，使通信系統(tǒng)保持良好的通 信狀態(tài)。也就是說(shuō)，它除了要實(shí)現(xiàn)常規(guī)跳頻系統(tǒng)的功能之外，還要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的自適應(yīng)頻率控制和自適應(yīng)功率控制功能，因此就需要一個(gè)反向信道以傳輸頻率控制和功率控制信息。 通過(guò)可靠的信道質(zhì)量評(píng)估算法，發(fā)現(xiàn)了干擾頻點(diǎn)后，應(yīng)當(dāng)在收發(fā)雙方的頻率表中將其刪除，并以好的頻點(diǎn)對(duì)它們進(jìn)行替換，以維持頻率表的固定大小。這種檢測(cè)和替換是實(shí)時(shí)進(jìn)行的。為增加跳頻信號(hào)的隱蔽性和抗破譯能力，跳頻圖案除具有很好的偽隨機(jī)性、長(zhǎng)周期外，各頻率出現(xiàn)次數(shù)在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)應(yīng)具有很好的均勻性。在引入自適應(yīng)頻率替換算法對(duì)頻率表進(jìn)行實(shí)時(shí)更新后，為保障系統(tǒng)性能，仍然要求跳 頻圖案具有很好的均勻性，所以應(yīng)當(dāng)依次用不同的質(zhì)量較好的頻點(diǎn)來(lái)分別替換被干擾的頻點(diǎn)。收端頻率表的更新會(huì)導(dǎo)致收發(fā)頻率表的不一致性。為了使收發(fā)頻率表同步更新，必須通過(guò)反饋信道將收濰 坊 學(xué) 院 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 11 端的頻率更新信息通知發(fā)方。這種信息的相互交換是一種閉環(huán)控制過(guò)程，需要制定相應(yīng)的信息交換協(xié)議來(lái)保證頻表可靠的同步更新。衡量協(xié)議有效性的另一個(gè)重要指標(biāo)便是頻點(diǎn)去除的速度。在檢測(cè)出干擾頻點(diǎn)后，干擾頻點(diǎn)去除的速度越快，對(duì)通信的影響越小。 信道質(zhì)量評(píng)估的另一個(gè)作用是進(jìn)行自適應(yīng)功率控制。功率控制就是要把有限的發(fā)送功率最好地分配給各個(gè)跳頻信道，使得各個(gè) 信道都能夠以最小發(fā)射機(jī)功率實(shí)現(xiàn)正常通信，從而提高跳頻信號(hào)的隱蔽性和抗截獲能力。在自適應(yīng)跳頻系統(tǒng)中，系統(tǒng)檢測(cè)每個(gè)信道的通信狀況，并通過(guò)信道質(zhì)量評(píng)估單元中的功率控制算法對(duì)每個(gè)跳頻信道單獨(dú)進(jìn)行功率控制。 功率控制算法可以基于兩種原則：一是比特誤碼率最小原則，算法為各個(gè)跳頻信道選擇適當(dāng)?shù)墓β?，使得接收方收到的?shù)據(jù)比特誤碼率達(dá)到預(yù)定的誤碼門(mén)限；二是等信干比原則，此算法調(diào)整各個(gè)跳頻信道的平均功率，使得各個(gè)跳頻信道上的信干比相同，這里的信干比是指各個(gè)跳頻信道上的信號(hào)功率 /（對(duì)應(yīng)信道上的干擾功率 + 傳輸損耗功率）。這兩種 算法的性能差不多。 隨著跳頻技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)中采用跳頻技術(shù)的主要目的是提高通信的抗干擾能力。早在 70 年代，就開(kāi)始了對(duì)跳頻系統(tǒng)的研究，現(xiàn)已開(kāi)發(fā)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 (— 30MHz)的應(yīng)用。隨著研究的不斷深入，跳頻速率和數(shù)據(jù)數(shù)率也越來(lái)越高，現(xiàn)在美國(guó) Sanders 公司的 CHESS 高速短波跳頻電臺(tái)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了 5000跳 /秒的跳頻速率，最高數(shù)據(jù)數(shù)率可達(dá)到 19200bps。此外， CHESS跳 頻電臺(tái)與一般的跳頻電臺(tái)還有所不同，它以 DSP 為基礎(chǔ)，采用了差動(dòng)跳頻（ DFH)技術(shù)。通過(guò)現(xiàn)代數(shù)字處理技術(shù)， CHESS跳頻電臺(tái)較好解決了短波系統(tǒng)帶寬有限 (導(dǎo)致數(shù)據(jù)速率低的原因 )、信號(hào)間相互干擾、存在多徑衰落等的問(wèn)題。同時(shí)，它的瞬時(shí)信號(hào)帶寬很窄，對(duì)其它信號(hào)的影響很小?？梢钥吹?，實(shí)現(xiàn)更高跳速、更高數(shù)據(jù)速率的跳頻電臺(tái)正是跳頻通信系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展方向，軟件無(wú)線(xiàn)電的概念也已逐漸應(yīng)用到新型的跳頻電臺(tái)中。短波自適應(yīng)跳頻電臺(tái)已經(jīng)在當(dāng)前的軍事通信中占有了很重要的一部分。與 VHF/UHF頻段不同，短波信道有許多固有特點(diǎn)，例如，受多 徑時(shí)延、幅度衰落、天氣變化等因素的影響，信道條件變化莫測(cè)。但是隨著各種新技術(shù)的出現(xiàn)，短波通信的可靠性得到了技術(shù)上的保證，而自適應(yīng)跳頻技術(shù)就是這些新技術(shù)中的一種。它通過(guò)分析波段上的頻率占用率，自動(dòng)搜索無(wú)干擾或未被占用的跳頻信道進(jìn)行跳頻，不僅避免了自然干擾，也不會(huì)受到短波頻譜大量占用的影響。它會(huì)根據(jù)需要自動(dòng)地改變跳頻序列，有效的適應(yīng)惡劣環(huán)境。它在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中體現(xiàn)出的優(yōu)越性引起了各國(guó)的高度重視。 在現(xiàn)有的 DS/CDMA 系統(tǒng)中，遠(yuǎn)近效應(yīng)是一個(gè)很大的問(wèn)題。由于大功率信號(hào)只在某個(gè)頻率上產(chǎn)生遠(yuǎn)近效應(yīng)，當(dāng)載波頻率跳變到另 一個(gè)頻率時(shí)則不受影響，因此跳頻系統(tǒng)沒(méi)有明顯的遠(yuǎn)近效應(yīng)，這使得它在移動(dòng)通信中易于得到應(yīng)用和發(fā)展。在數(shù)字蜂窩移濰 坊 學(xué) 院 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 12 動(dòng)通信系統(tǒng)中，如果鏈路間采用相互正交的跳頻圖案同步跳頻，或者采用低互相關(guān)的跳頻圖案異步跳頻，可以使得鏈路間的干擾完全消除或基本消除，對(duì)提高系統(tǒng)的容量具有重要意義。此外，跳頻是瞬時(shí)窄帶系統(tǒng)，其頻率分配具有很大的靈活性，在現(xiàn)有頻率資源十分擁擠的條件下，這一點(diǎn)具有重要意義。 跳頻的多址性能對(duì)于組網(wǎng)有很重要的意義。加拿大 Laval 大學(xué)提出了在光纖網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用快跳頻技術(shù)。該系統(tǒng)利用 Bragg 光柵替代傳統(tǒng)跳頻系 統(tǒng)中的頻率合成器，跳速達(dá)到 10G數(shù)量級(jí)。系統(tǒng)在 30個(gè)用戶(hù)，比特誤碼率為 109的條件下，數(shù)據(jù)速率為 500Mb/s。與采用非相干 DS/CDMA 技術(shù)的光纖網(wǎng)絡(luò)相比，同時(shí)有相同數(shù)量的用戶(hù)使用時(shí)，F(xiàn)FH/CDMA系統(tǒng)的比特誤碼率明顯優(yōu)于 DS/CDMA 系統(tǒng)。 此外，跳頻技術(shù)在 GSM、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、室內(nèi)無(wú)線(xiàn)通信、衛(wèi)星通信、水下通信、雷達(dá)、微波等多個(gè)領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。 由于跳頻系統(tǒng)本身也存在著一些缺點(diǎn)和局限，如信號(hào)隱蔽性差，抗多頻干擾以及跟蹤式干擾能力有限等，而擴(kuò)頻的另一種方式直接序列擴(kuò)頻卻有較好的隱蔽性和抗 多頻干擾的能力。把這兩種擴(kuò)頻技術(shù)結(jié)合起來(lái)，就構(gòu)成了直接序列 /跳頻擴(kuò)展頻譜技術(shù)。它在直接序列擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加載波頻率跳變的功能，直擴(kuò)系統(tǒng)所用的偽隨機(jī)序列和跳頻系統(tǒng)用的偽隨機(jī)跳頻圖案由同一個(gè)偽隨機(jī)碼發(fā)生器生成，所以它們?cè)跁r(shí)間上是相互關(guān)聯(lián)的，使用同一個(gè)時(shí)鐘進(jìn)行時(shí)序控制。意大利 Telettra 公司的 Hydra V 電臺(tái)是采用了直接序列 /跳頻混合擴(kuò)頻技術(shù)的第一代戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)。由于采用了直接序列擴(kuò)頻 DBPSK 調(diào)制方式，比單獨(dú)采用跳頻技術(shù)多獲得 9dB 的處理增益，從而提高了電臺(tái)的抗干擾性能。 搜索和截獲 跳頻大家知道，無(wú)線(xiàn)電通信是戰(zhàn)場(chǎng)上保障作戰(zhàn)與指揮的重要手段。但無(wú)線(xiàn)電通信易遭受干擾，特別是短波通信領(lǐng)域，不僅易遭到天電、工業(yè)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(wú)線(xiàn)電通信技術(shù)不斷創(chuàng)新和發(fā)展的重要課題，跳頻通信技術(shù)裝備也就應(yīng)時(shí)而生。 跳頻通信系統(tǒng)的頻率取值可多達(dá)幾百個(gè)、幾千個(gè)，甚至上萬(wàn)個(gè)，形成很寬的射頻頻譜。 那么，跳頻通信為什么能夠抗敵搜索呢？假設(shè)電臺(tái)跳頻規(guī)律為偽隨機(jī)跳頻，而每秒跳頻 1000次，即在一個(gè)頻率 點(diǎn)上可駐留時(shí)間僅 1ms，則意味著總共有數(shù)千個(gè)可能用于通信的頻率點(diǎn)，由于敵方通信偵察搜索并不知道跳頻的規(guī)律，且“跳頻圖案”常常是隨機(jī)性地設(shè)置，敵方就要對(duì)每一個(gè)新的工作頻率點(diǎn)進(jìn)行尋找，而且必須在遠(yuǎn)小于濰 坊 學(xué) 院 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 13 1ms的時(shí)間內(nèi)完成，所以要制造這樣的通信偵察搜索接收機(jī)是相當(dāng)困難的。因此，跳頻速率越高，“跳頻圖案”越復(fù)雜，就越能有效地抗敵通信偵察搜索。 跳頻系統(tǒng)的“同步”，是關(guān)系到跳頻通信能否建立的關(guān)鍵。同步的含義包括：收發(fā)通信兩端跳頻頻率表與“跳頻圖案”對(duì)應(yīng)一致；收發(fā)通信兩端載頻跳變的起始時(shí)刻和該時(shí)刻的頻率值對(duì)應(yīng)一 致。這就要求收端獲得與發(fā)端有關(guān)的跳頻同步信息，并不斷地校正收端本地時(shí)鐘，使之與發(fā)端的時(shí)鐘高度一致。由于同步是跳頻系統(tǒng)的核心，通常要滿(mǎn)足以下幾點(diǎn)：其一，建立同步的自動(dòng)快速、高效檢測(cè)跳頻信息，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的跳頻同步；其二，穩(wěn)定可靠地啟動(dòng)一次同步，完成有關(guān)信息的識(shí)別、檢驗(yàn)；其三，要有很高的同步可靠性、隱蔽性和抗截獲能力；其四，要有較高的同步概率，較快的同步時(shí)間。跳頻通信同步系統(tǒng)能夠?qū)ν叫盘?hào)進(jìn)行掩蓋，而且一旦建立同步，敵方通信偵察系統(tǒng)與其同頻的機(jī)率將大大降低。據(jù)有關(guān)資料分析，現(xiàn)代通信偵察系統(tǒng)與跳頻通信系統(tǒng)的同頻機(jī)率僅 為 3%。另外，跳頻通信頻帶很寬，使得單位頻帶內(nèi)的功率很小，即信號(hào)的功率譜密度很低，這樣敵方就很不容易發(fā)現(xiàn)信號(hào)的存在，更難檢測(cè)出信號(hào)的參數(shù)，從而有利于防止敵方通信測(cè)向和截獲。 濰 坊 學(xué) 院 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 14 3 跳頻通信信號(hào)源的研制 在眾多的通信技術(shù)中，擴(kuò)頻通信技術(shù)由于具有獨(dú)特的抗干擾能力以及寬的使用頻帶而在軍事通信領(lǐng)域倍受青睞。根據(jù)擴(kuò)頻通信調(diào)制方式的不同，它可以分為直接序列擴(kuò)頻方式 （ DS）、跳頻方式（ FH）、跳時(shí)方式（ FT）及兼有以上方式中二種以上的混合方式。其中跳頻通信具有保密性好、不易受遠(yuǎn)近干擾和多徑干擾的 影響等優(yōu)點(diǎn)，是一種很有前景的通信方式。跳頻系統(tǒng)的頻率跳變，受到偽隨機(jī)碼的控制。不同的時(shí)間、不同的偽碼相位，頻率合成器產(chǎn)生的相應(yīng)頻率也不同。把跳頻系統(tǒng)的頻率跳變規(guī)律稱(chēng)為跳頻圖案。跳頻圖案是時(shí)間和頻率的函數(shù)，故又稱(chēng)為時(shí)間－頻率矩陣，簡(jiǎn)稱(chēng)時(shí)頻矩陣。時(shí)頻矩陣可直觀描述出頻率跳變規(guī)律，如圖 。 圖 時(shí)頻關(guān)系矩陣圖 跳 頻圖案的設(shè)計(jì)是跳頻通信系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，直接影響到跳頻系統(tǒng)的保密、抗干擾、多址等性能。一般要求跳頻圖案的周期要長(zhǎng)，這就要求控制跳頻圖案的偽隨機(jī)碼周期要長(zhǎng)，即移位寄存器的級(jí)數(shù)要大。 FPGA 和 DDS 技術(shù)的跳頻信號(hào)源設(shè)計(jì) 跳頻信號(hào)源即為載波頻率按照一定跳頻圖案跳變的信號(hào)發(fā)生器。設(shè)計(jì)一個(gè)性能優(yōu)異的跳頻信號(hào)源，困難在于其優(yōu)良的頻譜性能。筆者提出了一種基于 FPGA和 DDS技術(shù)的跳頻圖案的設(shè)計(jì)方