跳频通信系统ppt课件

1、6.3 跳频(FH)通信系统,主讲：朱丹丹,Contents,1.跳频通信的基本概念,2.跳频及其频率合成器,3.跳频通信系统的性能,4.跳频通信系统的抗噪性能,5. 跳频通信系统的技术特点,6.3.1 跳频通信的基本概念,跳频通信是指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。,从实现通信技术来说，“跳频”是一种用码序列进行多频、 选码、频移键控的通信方式，即用为码序列构成跳频指令 来控制频率合成器，并在多个频率中进行选择的频移键， 是一种码控载频跳变的通信系统。,跳频通信的基本原理,跳频系统简单原理如下图所示。, 从时频域来看,多频率的移频键控信号由时频矩阵组成,每个 频率持续

2、时间为T,并按跳频指令的规定在时频矩阵内跳变, 如图6-22(b)所示。,跳频通信的基本原理,为了尽可能减少邻近干扰,频率间隔应选择为1T,这样频率 fi的谱状零值正好处于fi +1T的峰值处,即为fi +(1T),构成 了频率的正交关系,如图6-22(c)所示。 因此,若取跳频频率数为N, 则跳频信号带宽为 BRF=N(1T)。,跳频通信的基本原理,跳频通信的数学模型,设s1(t)为发送的跳频信号，有 (6-79) 其中, n=0,1,2,N-1； 为输出的FH信号(令振幅A=1)； 为FH合成器跳变间隔,每跳持续时间为T,一般取 ; m(t)是待传数字信息流； 为初相。 ,跳频通信的数学模

3、型, 跳频系统模型图,跳频系统的处理增益,若基带滤波器的带宽为B,使TB,并假设使一个受干扰信号 “码片” 在某个频道上允许落入基带滤波器,而在下一个相邻频 道上将不能通过基带滤波器,这样基带滤波器的输出最大干扰 信号功率为 (6-84) 在一个码周期中输出的平均功率为 (6-85),跳频系统的处理增益,干扰信号的输入功率可求得为，输入到解调器的有用信号功率 可用S1来表示。设本地跳频指令码与发射端同步，且解调器是 理想的，并能无损的让S1通过，则系统的处理增益为： 其中N是跳变频总数。,6.3.2 跳频器及其频率合成器, 跳频系统中，由伪码发生器和频率合成器组成了跳频器， 它是跳频系统的核心

4、。, 跳频用频率合成器分为直接式和间接式两种。, 跳频系统对伪码发生器没有直扩DS中那么高，但对频率合成器的要求则比较苛刻，即要求频率合成器输出频谱纯，可供选用的频率数N大，频谱转换时间短，频率锁定时间小，跳频图案转换速度快等。,直接式频率合成器, 直接式频率合成器用混频、分频倍频构成,既能产生很多频 率又能快速跳变频率。 一个可以产生4096个频率的频率合成器例子如图6-24所示。,这是一种“和频”/“分频”方案。 “和频”/“分频”式频率合成器是由 一些完全相同的“和频”/“分频”基本单元串接而成的。,直接式频率合成器, 图中分频比为N,每增加一级,输出跳频频率间隔就减少为前 一级的1N,

5、所以输出跳频频率间隔f则为参考频率间隔 F与参考频率数K的乘积除以频率总数KA,即为,从上图可以看出,“和频”/“分频”式频率合成器能够提供的频 率总数与参考频率的数目(K)及混频的次数(A)有关,即为KA 个频率。, “和频”/“分频”基本单元如图6-25所示。,直接式频率合成器, 直接式频率合成器用混频、分频倍频构成,既能产生很多频 率又能快速跳变频率。 一个可以产生4096个频率的频率合成器例子如图6-24所示。,这是一种“和频”/“分频”方案。 “和频”/“分频”式频率合成器是由 一些完全相同的“和频”/“分频”基本单元串接而成的。,间接式频率合成器,间接式频率合成器是用锁相环法实现，

6、它的原理如 下图所示。,跳频的两个基本要求：跳变要快和输出频谱要纯都与锁相环路滤波器的基本性质是矛盾的,滤波器频带愈窄,输出相位噪声就小,但是捕捉一个新频率的时间就要增加。,为了保证在低相位噪声的情况下加快频率跳变时间,一般可采 取下列各种措施： (1) 采用一个取样环路滤波器。 (2) 利用频率控制指令先将VCO预置在输出频率附近。 (3) 用n个锁相环路进行顺序输出。 (4) 在锁相环路内运用小数分频、 自适应相位补偿等技 术来加快入锁。,间接式频率合成器,跳频速率和跳频数的确定,频率跳变系统： 慢频率跳变系统和快频率跳变系统两种。,跳频通信系统的性能, 慢跳频：若在每个跳频间隔内存在多个

7、调制码元，系统中 最短的不间断波形是数据码元。, 快跳频：每个调制码元间隔内存在多次频率跳变，系统中 最短的不间断波形是跳频波形。,跳频速率和跳频数的确定, 图中描绘了一个码元间隔(130 s)内的信号波形s(t),波形中部的 变化正是由一次新的频率跳变所致。 因为此例中跳频间隔比数据 码元间隔短,所以,一个码元对应于一跳,每个码片长度为码元的一半。, 图6-27（a）是一个快跳频的例子： 数据码元速率为30波特,而频率跳变速率为60跳秒。,跳频速率和跳频数的确定,图中画出的3个码元时间(01s)上的信号波形s(t),并且跳频的边 沿时刻恰处于每3个码元的连接处。 此处的码元间隔小于跳频间 隔

8、,在一个跳频间隔内波形的变化取决于调制状态的变化，因此, 本例的一个码片对应于一个数据码元。, 图6-27（a）是一个慢跳频的例子： 数据码元速率仍是30波特,而频率跳变速率变为10跳秒。,图6-28（a）是一个采用2PSK调制的快跳频系统,分集数N=4,即每 比特含有4个码片,码片持续时间即 为跳频持续时间。,图6-28（b）是一个2FSK调制的 慢跳频系统。在此,对于SFH,码片 持续时间即为比特持续时间。,跳频速率和跳频数的确定,跳频速率和跳频数的确定,增加冗余度：用若干个频率(一般是取奇数个)传输一个比特 的信息,接收机按多数准则判决。这样,即使某 一瞬间某些频率受到干扰,发生了错误,

9、但只要 大多数频率正确,通过多数判决,就能减少差错率。, FH必须有大量按指令码可供选用的频率,所需的频率数取决 于系统差错率。, 采用如前提出的增加冗余度的方法时跳频系统的误码率,可由 积累二项分布的表达式给出： p=J/N 是只用一个频率传送时的误码率； q是传送一个频率的正确接收概率, q=1-p； c是传送1比特信息所用的频率数； r为使一个比特信息错判必须的错判频率数。 ,跳频速率和跳频数的确定, (JN)与Pe的关系曲线如图6-29所示。,跳频速率和跳频数的确定,跳频速率和跳频数的确定, 两种判决的比较, 由上述可知,在信码率已给定和“冗余度”已选定之后,系统的 跳频速率也随之而定

10、了。,跳频速率和跳频数的确定, 不过尚有一个因素也影响跳变速率的选定,即与有用信号同 频但不同相的无用信号的影响。, 这种同频不同相的信号,一方面来自传播过程中有用信号本 身的多径时延;另一方面来自人为的转发性干扰(即敌方设置 的)或称中继转发干扰。,在一般情况下,多径信号比有用信号小得多,故没有多大影响。,跳频速率和跳频数的确定, 将接收到的本系统的FH信号加以放大并用噪声污染之后再 发射出来,称为转发性干扰,如图6-34所示。,跳频速率和跳频数的确定, FH中收、 发设备间的直接传输路径时延为Td,从发射机到干扰机再由干扰机到接收机的时延之和为Tr=Ti+TT, 于是希望跳频速率应该大于1

11、/(Tr-Td)。,设发射机和接收机设备之间距离是30km，发射机和干扰机相距30 km,接收机距干扰机15 km。 若不考虑回答式干扰机延迟时间,最小跳频速率为,跳/秒,这一跳变速率在工程上是可以实现的。 美国的JTIDS系统跳变 率已做到38 000跳秒。, 跳频频道数的确定,跳频速率和跳频数的确定, 从抗干扰角度来看,跳频数N越大越好,因跳频系统的处理增 益Gp=N,但N大了则系统结构就比较复杂。 另外也要考虑系统的预期的误码率。 如跳频数太多,会增加频带宽度,使频谱利用率不高,如果缩小频道间隔, 则会由于振荡器的漂移,以及收发信机间相对位置不定性,易产生多个 用户同时跳到一个频率上去的

12、击中现象,击中会造成干扰,导致产生误码。,双通道跳频系统, 双通道跳频：每一信息比特(可能是“0”或“1”)需用两个频率进 行发送,其中,一个频率代表“1”,另一个频率代表“0”。,传输中,占用的频道称为发送通道,未被占用的频道称为互补通道。 图6-32是双通道跳频的示意图。,图6-32 双通道跳频示意图 (a) 快跳； (b) 慢跳,W是跳频总频段宽度, B是频道宽度, Th是跳频时间间隔。,双通道跳频系统, 图6-33是双通道跳频系统的原理框图。,图6-33 双通道跳频系统的原理框图 (a) 发送端； (b) 接收端,双通道跳频系统, 互补通道要占用一个额外的频道,因而对通信系统的频带 利

13、用率是不利的。, 双通道跳频系统的缺点：, 因为接收机必须为两个通道都提供通路,倘若外部干扰串 入了互补通道,它比干扰串入了发送通道对接收机的威协 性更大。,跳频信号的解调, 跳频信号的去跳变, 把接收的每一个频率一个“码片”一个“码片”地去掉频率跳变；, 把它们变换进窄带滤波器的通带内；, 然后再把这个去跳变信号送到信息解调器中解调出发送信息。,跳频信号的解调, 在二进制FH系统中,若数据传输采用FSK调制,发射一个频率表 示传号,发射另一个频率表示空号。 则接收机要求接收机或是 双通道的，或是能先对一个信道采样,然后紧接着对另一个信 道采样。, 图6-34是能够同时观测两个信道的双通道接收

14、机。,跳频信号的解调, 若以没有中频脉冲表示空号,就可以用一个单通道接收机代替 双通道接收机,如图6-35所示。 ,图6-35 单通道接收机框图,跳频信号的解调, 如果接收机中的频率合成器能比发射机中的频率合成器跳变 速度快一倍,先跳到传号频率,然后跳到空号频率,或反之,接收 机取样电路就能对两者同时取样。 这种接收机的框图和各点 波形示于图6-36。,跳频信号的解调, M进制频率跳变信号的解调,图6-37是一个8FSK调制的跳频系统，由图可知：, 输入二进制数据序列的速率Rb=150 bs, 因此码元速率Rs=Rb(lb8)=50码元秒。 每发送一个码元频率跳变一次, 且跳频与码元变化的边沿

15、同步, 因此跳频速率为50跳秒。,跳频信号的解调, 图中横坐标表示时间,纵坐标表示跳频带宽Wss。右侧的图表 列出了8FSK的码元-频率关系,此处的频率间隔为1T=50 Hz, 对应于非相干FSK正交信号处理所需的最小频隙。,跳频信号的解调, M进制频率跳变被接收机去跳变后, 把信号送入由M个带通 滤波器和FH解调器并联组成的检测器。M个解调器的输出送 入最大值检测器作出判决。这种解调器图6-38所示。,跳频信号的解调, 非相干频率跳变解调器,频率跳变信号经去跳变处理后经包络检波器变成一系列视频 脉冲,再根据最大值原则作出0/1判决。 由于噪声和干扰信号 的存在,采用简单的阈值判决很容易产生错

16、误,因此,在频率跳 变扩谱系统中要采用较为复杂的解调电路。 图6-39就是一种典型的非相干跳频解调器。,跳频信号的解调,跳频信号的解调, 为了提高判决的可靠性,还可以采用多择判决 图6-40是 三中取二判决电路, 一个信息比特对应三个“码片”。,跳频通信系统的抗噪性能,白噪声干扰 假定跳频系统的总频段宽度为W,把W分成N个相等的频道,白噪声的功率谱均匀地分布在这些频道内。 可以看出： 跳频信号经过解跳后,落入中频频带内的噪声功率只是总噪声功率的一部分(1N倍)。,跳频通信系统的抗噪性能,单频干扰和窄带干扰,在跳频扩频系统中,采用BPSK调制时几个用户相互独立地 跳变载波频率。 如果两个用户不是

17、使用相同的频带, 那么 BFSK的误码率如下：,但是,两个用户在同一频带中同时发送信号,则将发生碰撞。 在这种情况下, 那么BFSK的误码率如下：,跳频通信系统的抗噪性能,以上的分析假定所有的用户同步地跳跃载波频率,这叫做 分槽频率跳跃。在异步的情况下,一次碰撞的概率是,将式(6-91)中代入上式，则异步跳频扩频系统的误码概率是:,跳频通信系统的抗噪性能,多径干扰和多址干扰 当跳频速率很快,多径信号的相对时延差大于跳频时间间隔时,跳频系统具有捕获效应,因而对多径干扰有抑制能力。 不过, 靠这种办法抑制多径干扰,必须提高跳频速率,这在实际中不容易实现。,另外,跳频频段通常是受限制的, 因而在一个比较长的跳 频图案内,常常要重复使用其中的频道,这样,多