跳频技术的工作要求
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发布时间：2022-04-22 05:30
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时间：2023-10-06 20:44
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。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，市场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，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。
