跳频通信系统教学概述PPT

1、1 1 跳频跳频(fh)(fh)通信系统概述通信系统概述 刘乃安 contents 1.1引言 1.2跳频通信系统的组成原理 1.3跳频通信系统的重要指标 1.4跳频通信系统的关键技术 1.5跳频通信系统的发展方向 1.1 引言引言 v 跳频通信是扩频通信的一种重要方式 v 跳频通信的起因主要是面向抗干扰的控制系统 v 跳频通信的历史具有戏剧性，应用具有广泛性 扩频通信扩频通信 n 扩展频谱通信(spread spectrum communication)， 与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三 大高技术通信传输方式。 n 扩展频谱（扩频、扩谱、展频、展谱）-宽带通信 n 扩展频谱

2、方式- 直扩（ds）-cdma 跳频（fh） 混合 跳时（th） n 扩展频谱-提高通信系统的可靠性（抗干扰）和 有 效性（提高频谱利用率利用多址形式） 电磁波波谱电磁波波谱 扩频通信的概念扩频通信的概念 扩展频谱技术是用比信号带宽宽得多的频带宽度来传 输信息的技术。扩频通信是将待传送的信息数据用伪随机 编码(扩频序列：spread sequence)调制，实现频谱扩展后再 传输；接收端则采用相同的编码进行解调及相关处理，恢 复原始信息数据。是一种宽带的编码传输系统。 扩 扩频通信方式与常规的窄带通信方式的区别： （1）信息的频谱扩展后形成宽带传输； （2）用扩频码序列来展宽信号频谱； （3）

3、相关处理后恢复成窄带信息数据。 通信中的干扰通信中的干扰 n自然干扰（非人为干扰） n非敌意的人为干扰: 多径干扰、多用户干扰、环境噪声干扰、其 它电台的干扰等。 n敌意的人为干扰: 1）单频干扰(固频干扰) 2）窄带干扰 3）脉冲干扰、梳状干扰 4）跟踪瞄准式干扰 5）转发式干扰 6）宽带阻塞式干扰 7）升空干扰、智能化干扰 通信方（抗干扰）与干扰方的博弈通信方（抗干扰）与干扰方的博弈 多网、引诱、eccm 提高频谱率用率提高频谱率用率 窄带系统 （1）拓展高频段 （2）压缩信息带宽 （3）高性能的编码与调制技术 宽带系统 扩频技术或cdma技术 复用与多址 单载波与多载波 单天线与多天线

4、有线资源的带宽是无限的 无线资源的带宽是有限的 跳频技术之母跳频技术之母-海蒂海蒂拉玛（拉玛（hedy lamarr） 福布斯旗下的美国发明与科技 遗产杂志曾经以海蒂为封面 l科技史上最美女人 “比我聪明的都没我漂亮，比我漂亮的都没我聪明。” l她既是性感的艳星，也是伟大的 科学家 l本名海德维希爱娃玛丽娅基 斯勒（hedy kiesler markey） l美籍奥地利人，6次失败婚姻 l灵感来自钢琴 l电影有限，技术永恒 跳频技术之母跳频技术之母-海蒂海蒂拉玛（拉玛（hedy lamarr） l1914.11.9 奥地利维也纳 父亲：犹太银行家 母亲：钢琴家 l1931 德国 l1932 世

5、界首位全裸出镜明星 l1937 逃往巴黎 好莱坞 艺名 l6位丈夫 l1966,1991 偷窃商店 l2000.1.19 去世 奥兰多 第一部电影：街上的钱 捷克斯洛伐克电影：神魂颠倒（ecstacy） 参演25部戏：50岁时演霸王妖姬 军火大亨曼德尔(fritz mandl)、作家吉恩马基、 英国演员约翰洛德、乐队指挥欧内斯特斯托 弗、石油商人霍华德李、律师刘易斯鲍尔斯 跳频通信专利跳频通信专利-保密通信系统保密通信系统 l专利号“2，292，387 申请时间：1941.6.10 授权时间：1942.8.11 l音乐家乔治安泰尔(george anteil) l1940年初 制作飞机导航系统

6、 l纽约州的sylvania公司 l终生未得利 l1997年 美国电子前沿基金会（eff） 欧洲先锋派作曲家 钢琴家：飞机奏鸣曲爵士奏鸣曲机器之死 . 50年代初：专利相关研发 1963年：blades 荣誉技术奖章 跳频通信专利跳频通信专利-保密通信系统保密通信系统 借鉴自动钢琴实现“跳频”。自动钢琴像老 式计算机，通过读入编好码的打孔纸带演奏。 引导鱼雷的通信方法：在一段固定时间内， 在载波频率之间发射方和接收方用一种同步的通 信方式。被发射方(飞机)和接收方(鱼雷)所采用 载波频率同步的编号，是由一种类似自动钢琴音 乐筒的装置控制，该装置有一个独特的由88个可 能的阶梯组成的序列。通过在

7、每个频率上仅发送 整个信息的一小部分，鱼雷能受到操纵。干扰通 信的企图通常一次只能是一条信道失去作用，而 在其他信道上的信息足以保证鱼雷做出必要的方 向矫正，以击中目标。 理论先导理论先导-香农信息论香农信息论 克劳德. 艾尔伍德. 香农 (claude elwood shannon 19162001) l 1948年6月到10月，香农在贝尔系统 技术杂志上连载发表了通信的数 学原理。1949年，香农又在该杂志 上发表了噪声下的通信。这两篇 论文为信息论奠定了基础。 l 由于在信息科学领域的卓越贡献，香 农被称为“信息论之父”。 l shannon公式给出了信道容量与带宽和 信噪比之间的关系。

8、 第一个实用跳频通信系统第一个实用跳频通信系统-blades l1955年研制 l1963年试验 海军指挥舰 mt.mckinley 编码器为每一比特信号独立选择两个新频率，由即 将发送的数据比特来决定使用两个频率中的哪一个 频率集： 传号- ， ， ， 空号- ， ， ， 1 f 2 f 3 f 1 f 2 f 3 f 军用跳频通信军用跳频通信 tbr-2000背负式超短波跳频电台 l 1970年代末产品定型 l 1980年代逐步推广（特征） l 1990年代后技术进步 l 2000年后飞速发展 短波低速跳 少量超短波中低速跳 1982年马尔维纳斯战争 英国 1989年美国入侵巴拿马 200

9、部sincgars 超短波中高速跳 数字化 自适应跳频 90年代初：模糊图案 90年代末：混沌图案，chess 1991年海湾战争 5000多部 美、英、法 1999年科索沃战争 2003年伊拉克战争 多频段 多模式 多功能 超高速 数据链 网络化 军用跳频电台 l 解决的问题 抗干扰：自然干扰 非人为敌意干扰 多址干扰 人为敌意干扰 反侦察、抗截获 民用跳频通信（民用跳频通信（1990年后）年后） l 动因 l 解决的问题 无线革命的兴起 市场需求的驱动 bn | fn bn-1 | fn-1 b1 | f1 burst 容量（频谱利用率） 抗干扰：自然干扰 非人为有意干扰 多址干扰 l 主

10、要应用领域 移动通信：gsm 短距离无线通信：homerf bluetooth wlan 保密通信 广播 1.2 跳频通信的组成原理跳频通信的组成原理 l跳频通信是通信双方或多方在相同同步算法和伪随机跳频 图案算法的控制下，射频频率在约定的频率表（集）内以 离散频率的形式伪随机且同步地跳变。射频在跳变过程中 所覆盖的射频带宽远远大于原信号带宽。 l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控， 是一种码控载频跳变的通信系统。 l跳频通信采用主动躲避方式，是对抗无线电干扰的有效手 段（

11、干扰方式与效果），称其为无线电通信的杀手锏。 跳频通信的组成跳频通信的组成 同步系统 跳频 器 跳频器由频率合成器和跳频指令发生器构成 跳频器输出的跳变的频率序列，就是跳频图案（时频矩阵） 利用伪随机发生器或软件编程来产生跳频指令 跳频单元称为载波保护单元cpa(carrier protect assemble) 跳频通信的原理跳频通信的原理 发送端的载波频率 受一组快速变化的pn 码控制而随机跳变 接收端本振受同一 pn码控制且同步跳变 接收端本振与接收 到的频率在同步的情 况下始终相差一个中 频if 跳频（图案）同步 需要时间和频率二维 搜索 跳频信号频域特征跳频信号频域特征 发频合输出

12、if f if f if f if f 收频合输出 发射机输出 l 宏观宽带 l 瞬时窄带 l 频谱平均分配 l 频率跳变伪随机 瞬时带宽不大于频率 集中的最小频率间隔 跳频信号时域特征跳频信号时域特征 频率合成器从接受指令开始建立振荡到达稳定状态的时间叫 作建立时间；稳定状态持续的时间叫驻留时间(记作td)；从 稳定状态到达振荡消失的时间叫消退时间。从建立到消退的 整个时间叫作一个跳周期（记作th）。建立时间加上消退时 间（实际上还有无功率输出时间）叫作换频时间。只有在驻 留时间内才能有效地传送信息。 换频时间小于跳 周期的10%，最大 不超过20% l为了尽可能减少邻近干扰，频率间隔应选择

13、为1th，这 样频率 fi的谱状零值正好处于fi +1th的峰值处，即为fi +(1 th)，构成频率的正交关系。 l跳频频率数为n，跳频带宽为 brf=n(1th) 跳周期与频率间隔跳周期与频率间隔 23 l 从时频域来看,跳频图案是指在伪随机码的控制下，射 频频率随时间伪随机跳变的规律，形成的时间-频率矩阵。 跳频图案（图样）跳频图案（图样） q图案本身的随机性要好，要求参加跳频 的每个频率出现的概率相同。随机性好， 抗干扰能力也强。周期要长。 q保密性要强，密钥量要大，要求跳频图 案的数目要足够多。这样抗破译的能力强。 各图案之间出现频率重叠的机会要尽量的 小，要求图案的正交性要好。这样

14、将有利 于组网通信和多用户的码分多址。 q跳频图案同步需要时间和频率二维搜索 跳频图案产生跳频图案产生 tod pk + 伪随机序 列产生 复杂非线 性变换 n k p2 hkprg tpt 跳频序列周期 跳频图案周期 l 不可递推性 l 不可逆推性 一次通信的时间远 小于跳频图案周期 频率 控制字 频率 合成器 跳频图案 核心单元和关键技术： n伪随机序列发生器 n频率合成器 跳频序列跳频序列 l用来控制载波频率跳变的地址码序列称为跳 频序列 控制频率跳变以实现频谱扩展 跳频组网时，采用不同的跳频序列作为地址码， 发端根据收端的地址码选择通信对象。当多个用 户在同一频段同时跳频工作时，跳频序

15、列是区分 每个用户的唯一标志。 l跳频序列的性能对跳频系统的性能有着决定 性的影响 跳速跳速r rh h l绝对跳速： 慢速跳频sfh：rh小于100h/s； 中速频跳mfh：rh的范围是1001000h/s； 快速跳频ffh：rh大于1000h/s。 l相对跳速： 慢速跳频sfh：在每个跳频间隔内存在多个调制码 元，系统中最短的不间断波形是数据码元，即rh小于rb 快速跳频ffh：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，即rh大于rb 。 跳频速率不同，抗干扰性能不同，复杂程度和成本也不同。 不同频段的信道特性和频率资源制约跳速，存在极限跳速。 过高跳速会产生

16、频谱溅射污染，不利于网间电磁兼容。 跳速是抗干扰的重要但非唯一指标，要综合考虑。 慢跳频跳频图案慢跳频跳频图案 快跳频跳频图案快跳频跳频图案 跳频通信条件跳频通信条件 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且时间同 步。 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（缺一不可）： n跳频频率相同 n跳频序列相同 n跳频的时刻相同（即同步，但允许存在一定的误差） 跳频图案同步 只是跳频图案相同； 跳频图案及跳频频率一致的

17、情况； 跳频图案、跳频频率以及跳频起止时刻完全一致 flfh 跳频信号干扰信号 flfh 工作时间工作时间 工作频率工作频率 跳频信号干扰信号 快速跳频通信可对抗跟踪瞄准式干扰快速跳频通信可对抗跟踪瞄准式干扰 跳频系统中的信息调制方式灵活，模拟或数字调制均可。 模拟跳频系统通常采用模拟调制方式 采用模拟fm方式时，频合输出的频率间隔要不小于fm 信号带宽；调制器后需加中频滤波器来限制fm信号带宽。 fm 调制器 中频 滤波器 混频器 带通 滤波器 跳频器 发中频载波 模拟信 息信号 去功放 或天线 对频差和相移不敏感 恒包络调制，agc的限幅作用对误码率影响不大 峰平比低，对hpa的线性要求不

18、高 频谱效率低，适宜慢跳频和低调制速率系统 抗白噪声能力优于mask，较mpsk差 解调在一个周期内积分，抗脉冲干扰的能力强 可用前向纠错的办法克服部分频带干扰 抗多径方法：编码与交织结合、宏分集、增大调制阶数 （通常不大于8）、提高跳速并用微分集。 对频差和相移较敏感 agc的限幅作用对误码率影响较大 对hpa的线性要求不高 频谱效率较高，可用于快跳频系统 抗白噪声和部分频带干扰的能力较强 常用dqpsk或/4dqpsk方式 在系统带宽一定的情况下，采用高效的调制制度(如 mqam)，可以增加频点数。 在混沌通信系统中，常用 csk（混沌移频键控）， dcsk（差分混沌移频键控），fm-cs

19、k 等调制方式。 fh-cdma fh-ofdm 跳频信号的解跳与解调跳频信号的解跳与解调 l把接收的每一个频率一个“码片”一个 “码片”地去掉频率跳变（解跳）； l把它们变换进窄带滤波器的通带内； l把这个去跳变信号送到信息解调器中解调 出发送信息。 模拟跳频信号的解跳与解调模拟跳频信号的解跳与解调 l混频器和中频滤波器相当于相关解跳器，兼有下混频 功能； l接收跳频输出频率始终与输入信号差1个中频频率； lfm解调器就是鉴频器（改成fsk解调器可完成fsk调 制跳频信号的解调）。 混频器 中频 滤波器 中频 放大器 fm 解调器 跳频器 接收跳 频信号 解调信 号输出 跳频同跳频同 步系统

20、步系统 数字跳频信号的解跳与解调（数字跳频信号的解跳与解调（2fsk2fsk） 传 号 合 成 器码 发 生 器 带 通 滤 波 器检 测 器0/1判 决 s1数 据 输 出 s1信 号 包 络 数 据 输 出 带 通 滤 波 器 传 号 合 成 器 空 号 合 成 器 码 发 生 器 检 测 器 带 通 滤 波 器检 测 器 0/1判 决 接 收 的 跳 频 信 号 数 据 输 出 s1(传 号 ) 信 号 包 络 s2(空 号 ) 数 据 输 出 单通道 双通道 m m进制跳频信号的解跳与解调（进制跳频信号的解跳与解调（8fsk8fsk） 数据速率rb=150 bs，码元速率rs=rb(l

21、b8)=50码元秒 跳频速率为50跳秒，跳频频率间隔1t=50 hz 跳 频 带 宽 码 元 间 隔 (20 ms) 典 型 数 据 r 150 b/s 单 音 3单 音 6 单 音 1 单 音 号 单 音 数 据 码 元 时 间 f0 175 h z f0 125 h z f0 75 h z f0 25 h z f0 25 h z f0 f0 75 h z f0 125 h z f0 175 h z 000 001 010 011 100 101 110 111 0 1 2 3 4 5 6 7 011011 001 m m进制跳频信号的解跳与解调进制跳频信号的解跳与解调 m进制频率跳变被接收

22、机解跳后, 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。 最 大 值 比 较 器 带 通 滤 波 器fh解 调 器 带 通 滤 波 器fh解 调 器 中 频 输 入 6-38 跳频信号的非相干解调跳频信号的非相干解调 包 络 检 测 器积 分 与 清 洗抽 样 保 持 触 发 器 q q 电 平 比 较 器 抽 样 保 持 123 4 5 0/1“切 普 ”数 据 至 判 决 电 路 “切 普 ”时 钟 自 后 相 关 滤 波 器 来 的 输 入 信 号 1 2 3 4 5 脉 冲 式 输 入 信 号 包 络 检 测 器 输 出 积 分

23、 与 清 洗 检 测 器 输 出 “切 普 ”时 钟 抽 样 与 保 持 抽 样 时 钟 抽 样 与 保 持 1/0“切 普 ”数 据 提高可靠性的多择判决提高可靠性的多择判决 三中取二判决电路， 一个信息比特对应三个“码片”。 两 个 或 三 个 “1”？ 输 出 “1” 输 出 “0” 是 否 对 “1”计 数 输 入 的 1/0 “切 普 ”数 据 (a) 触 发 器d c q q 计 数 器 复 位 “切 普 ”数 据 “切 普 ”时 钟 2 对 2或 3 解 码 数 据 输 出 比 特 (b) “切 普 ”时 钟 6 跳频滤波器跳频滤波器 l在收发通道中按跳频图案改变中心频率的带通滤

24、波器 l连续快速改变或开关改变滤波器的部分或全部参数 l单元组合式滤波器组 l可变参数器件式滤波器 l数字式滤波器 l数字调谐式滤波器 单元组合式滤波器组单元组合式滤波器组 l容易实现 l跳速快 l功率容量大 n频点少 n易干扰 n体积功耗大 可变参数器件式滤波器可变参数器件式滤波器 l体积小 l调试方便 l易与锁相和数字技术配合 n可控范围小 n精度低，温度特性差 n功率容量小 n跳速不高 数字式滤波器数字式滤波器 l滤波性能好 l功能强大 l处理灵活 l精度高 n处理速度慢 n工作频率低 n功率容量小 n信号单向传输 数字调谐式滤波器数字调谐式滤波器 l频率控制特性好 l线性度好，频点均匀

25、分布 l功率容量大 l跳速高 n电路复杂 n附加插损 n难做高阶滤波 n调试要求高 跳频通信工程问题跳频通信工程问题 l在无干扰情况下，定频通信能力（数据传输速率）比 跳频强。 l在无干扰和同等功率条件下，跳频通信距离比定频缩 短1/5左右。 l在有干扰情况下，跳频通信具有更强的鲁棒性。 l各信道特性不同，解调需要的信噪（干）比要比最差 频率信道上所需的要大。 跳频通信的特点跳频通信的特点主要特点主要特点 抗抗 干干 扰扰 能能 力力 强强 l单频、窄带（主动躲避）-频点数n l跟踪瞄准式-跳速rh l转发式-跳速rh l宽带阻塞式（宏观宽带）-跳频带宽 l“远-近”干扰（瞬时窄带） l抗选择

26、性衰落（频率分集） -跳速rh（同下） l抗多径-跳速rh（驻留时间与多径时延相当） 远远- -近现象近现象主要特点主要特点 多径衰落（多径衰落（multipath) )特点特点 |多径衰落产生于散射的环境 |是移动通信特有的现象 |降低传输质量，是影响网络质量的关键因素 |是任何移动通信系统都面临的挑战 频率分集频率分集主要特点主要特点 spread corrupted bursts 交织与解交织交织与解交织主要特点主要特点 frame 1 f1 frame 2 f2 frame 3 f1 frame 4 f2 frame 5 f1 frame 6 f2 frame 7 f1 frame 8

27、 f2 20ms coded speech tx multipath fading environment 20ms speech coding rx de-coding 20ms speech corrupted bursts 跳频通信的特点跳频通信的特点主要特点主要特点 l保密性强（跳频图案），抗截获 伪随机码、密钥、非线性变换 l兼容性好 模拟与数字、定频与跳频、语音与数据、与其它扩频方式 l频谱利用率高 多址与组网 l伪随机码速低，同步快 1.3 跳频通信系统的重要指标跳频通信系统的重要指标 l 频率指标 频率范围 跳频带宽 信道间隔 跳频频率数 l 时间指标 跳频图案周期 伪码周期

28、跳频周期 同步时间 l 系统指标 跳频处理增益干扰容限 跳频速率（与频谱扩展无关，但与抗干扰能力有关） 调制方式 同步方式 组网方式 技术指标与系统 技术体制和系统 性能有密切关系 频率指标频率指标 l频率范围 跳频通信系统工作频段，30-88mhz、108-156mhz l跳频带宽 覆盖总带宽：跳频系统工作时最高与最低频率只差。 短波跳频电台跳频带宽分为窄带跳频（64khz/128khz）、分频 段跳频(0.83mhz/1.32mhz)和全频段跳频(1.6-29.999mhz)。 跳频带宽大小与抗宽带或部分频带干扰的能力有关（正相关）。 l信道间隔 任意两个相邻信道间的标称频率只差。通常也是

29、瞬时带宽。 短波电台：1000hz/100hz/10hz；超短波电台：25khz/12.5khz。 l跳频（可用）频率数n 跳频系统工作时跳变的载波频点数，也称频率集（表）。 n与抗干扰单频和多频及梳状干扰的能力有关（正相关）。 一次通信可只用其中一部分；组网时可分成几个子集。 f fnbfr 时间指标时间指标 l跳频周期th 一跳占据的时间，等于驻留时间和换频时间之和； 通常一个伪码码片（chip）对应1跳，因此也称为切普时间； th=1/rh l伪码周期 跳频序列不出现重复的最大长度，可用位数或时间表示。 伪码周期与抗截获能力有关（正相关）。 l跳频图案周期 任意两个相邻信道间的标称频率只

30、差。 短波电台：1000hz/100hz/10hz；超短波电台：25khz/12.5khz。 l同步时间 初始同步时间：从发射机发射同步信息到接收机实现与之同步 并进入跳频通信状态所需时间，通常不大于600ms。 迟入网时间：跳频电台欲进入正在工作的跳频通信网时，该电 台从进入跳频工作状态起到正确入网的时间，通常小于6s。 hkprg tpt k p 跳频处理增益跳频处理增益 l定义 （跳频瞬时带宽） （跳频覆盖总带宽） b w gp ap nng bfnng ap / bfnng ap / 跳频处理增益跳频处理增益 表示系统解扩前后信噪比改善程度和敌方干扰要付出的 理论上的代价，是抗干扰能力

31、的重要指标。 跳频处理增益是针对抗阻塞干扰而言的,而抗阻塞干扰能 力又是针对定频通信而言的（常用部分频带干扰的原因） 跳频处理增益不能完全描述系统的抗阻塞干扰能力（功 率大小、盲跳频和自适应跳频） 提高跳频处理增益有利于提高系统抗跟踪干扰能力（非 直接关系） 跳频处理增益的增加受到多种因素的限制 干扰容限干扰容限 表示系统实际抗干扰能力，实际系统的抗干扰能力 更小。 后两项若有5db，则跳频干扰容限为0.32n，即只有 可用频率数的30%-40%。 跳频干扰容限与纠错编码关系密切，或者，以上数 值是以跳频加纠错为前提的。跳频本身不纠错。 噪比满足正常解调所需的信）（ 扩频系统的系统损耗 out

32、 s outspj ns l nslgm / )/( 1.4 跳频通信系统的关键技术跳频通信系统的关键技术 l跳频序列设计 l跳频频率合成器 l跳频同步-解跳 l跳频组网-分选 l调制与解调 跳频图案 1.5 跳频通信系统的发展方向跳频通信系统的发展方向 l新的跳频体制 l更高的工作频段 l抗干扰增效措施 l共用增效措施 l混合体制与综合措施 技术、战术、多维空间 抗跟踪干扰增效措施抗跟踪干扰增效措施 l提高跳频组网能力 l提高跳频的战术使用能力 频率佯动、频率表优化等 l提高跳速或采用变速跳策略 l提高跳频图案的技术性能和使用水平 抗阻塞干扰增效措施抗阻塞干扰增效措施 l空闲信道搜索技术（f

33、cs）-认知无线电 l实时频率/功率自适应跳频技术 l频域、时域甚至空域的多维处理技术 l自动更换频率表 l频率冗余设计（较常用） 共用增效措施共用增效措施 l选择合适额调制方式 l增加可用跳频频率数 l宽间隔或变间隔跳频-跳频图案 l交织与纠错 l功率对抗或低速传输 l干信分离技术或自适应抵消 l智能天线 l跳频参数管控 2 2 跳频通信系统性能跳频通信系统性能 contents 2.1跳频系统面临的干扰威胁 2.2跳频通信系统的数学模型 2.3技术指标与抗干扰能力 2.4跳频系统抗干扰性能分析 2.1 跳频系统面临的干扰威胁跳频系统面临的干扰威胁 l自然干扰 l人为干扰 噪声 多径 衰落

34、其它用户 单频与窄带 多频 部分频带 宽带 跟踪 转发（特殊跟踪） 阻塞式 跟踪式 通过优化设计或技术手 段可消除或减弱其影响 跳频面临的干扰 所有干扰都假设强度足够大 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 带干扰。 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。 2.1 跳频系统面临的干扰威胁跳频系统面临的干扰威胁 2.1 跳频系统面临的干扰威胁跳频系统

35、面临的干扰威胁 单频 多频 部分频带 宽频带 单频或窄带干扰单频或窄带干扰 不邻接 干扰a对跳频频道干扰 干扰b对跳频频道无干扰 邻接 干扰a对跳频频道干扰 干扰b对1个或2个跳频 频道形成干扰 跟踪与转发式干扰跟踪与转发式干扰 跳频发射机跳频发射机 跳频接收机跳频接收机 侦察、分析、引导时间tp 接收时间tr 发送时间tt 干扰机干扰机 t总=t接收+t发送+t侦察、分析、引导 收发传输时延td 跟踪与转发式干扰跟踪与转发式干扰 跟踪式干扰机是指干扰机实时地侦收跳频信号， 进行信号处理后，在相同的中心频率上发射干扰 信号，从而破坏跳频通信的干扰形式。 转发式干扰是将接收的跳频信号放大直接发出

36、去， 或者在放大并增加额外的噪声调制（污染）信号 后发送出去，从而对当前跳频信号形成干扰 2.2 跳频通信系统的数学模型跳频通信系统的数学模型 设s1(t)为发送的跳频信号，有 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。 )cos()()( 01nt tntmts )cos( 0nt tn t t t /2 n 跳频通信系统的数学模型跳频通信系统的数学模型 解调 m(t) s1(t) s2(t) sk(t) s1(t)sp(t)s12(t) i m(t) 噪声 n(t) 干扰 j

37、(t) 带通 cos(0 nt)t n cos(r nt)t r 发端收端 )()()()()( 2 1 tjtntststs j k j i iit tmts)cos()( 2 1 )( 12 )cos()()()( )2cos()cos( 2 1 )cos()()()()()( 2 0 2 1 rtrj k j nntrji rtrj k j p tmtjtnts tnttm tmtjtntststs 解跳 2.3 技术指标与跳频抗干扰性能技术指标与跳频抗干扰性能 跳频带宽越宽，抗宽带（部分频带）干扰的能 力越强。 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。 跳速越快，抗跟

38、踪式干扰的能力就越强。 跳频码的长度越长，跳额图案延续时间越长， 敌方破译越困难，抗截获的能力也越强。 跳频同步越快，抗干扰能力越强。 2.4 跳频系统抗干扰性能分析跳频系统抗干扰性能分析 抗白噪声能力 假设跳频系统总带宽为w，把w分成相等的n个频道 （不重叠、不间隔），白噪声的功率均匀分布在这些 频道内。跳频信号经解跳后落入中频频带内的噪声功 率为总噪声功率的1/n，则处理增益为n。 在 bfsk/fh 系统中，几个用户独立地按照它们的跳频 图案改变载波频率。如果两个用户不同时使用相同的频 带，即不发生碰撞，也没有干扰“击中”，则在awgn 信道上，采用非相干解调方式，2fsk的fh系统的差

39、错 概率为 0 /2/2 11 22 bb en b pee 跳频对白噪声无抵抗能力 2.4 跳频系统抗干扰性能分析跳频系统抗干扰性能分析 抗单频或窄带干扰能力 若在bw内有n个频道和j个固频干扰，这j个干扰的频 率正好与n个频率中的j个频率相同，且假设n个频率是 等概出现的，那么这j个干扰频率将形成一定的干扰。我 们把干扰频率与信号频率相同，且干扰功率超过信号电 平形成的干扰称为“击中”（即形成干扰），则“击中” 概率为 h j p n 在这种情况下系统的最大误码率为 11 22 bh j pp n 2.4 跳频系统抗干扰性能分析跳频系统抗干扰性能分析 抗单频或窄带干扰能力 降低击中概率：减

40、少击中频率数或增加可用频率数 若是弱干扰信号，不会影响在此频道上的传输， 对系统的误码率也影响不大。此时系统误码率近似 为在白噪声情况下的性能，或者近似为 000 11 exp()(1)exp() 2222() bb bhh ee ppp nnj 0 j 其中，j0为干扰的功率谱密度。 降低击中概率降低击中概率-增加冗余度增加冗余度 n增加冗余度（分组编码） 用若干个频率(一般是取奇数个)传输一个比特 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,但只要大多数 频率正确，通过多数判决,就能减少差错率。 n同时提高跳频速率 n采用如前提出的增加冗余度的方法时跳频系

41、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（击中概率）； 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。 xcx c rx qp r c pe 分组编码改善误码性能分组编码改善误码性能 jn与与pe的关系的关系 100 101 102 103 104 105 1.00.50.10.05 0.01 0.005 9中取5 3中取2 5中取3 7中取4 在实际中增加多余度究竟能 使误码率改善多少，取决于 系统参量。显然，每比特信 息发送的切普数越多，误码 率就越小，这要求跳频速率

42、和射频带宽成正比增加。如 果系统带宽或频率合成器产 生的频率的能力受到限制， 则必须在每比特发送较多频 率数与降低误码率之间进行 一定的折衷。 两种判决的比较两种判决的比较 判决准 则 误码率为 10-3，j/n的 值 n每个频率的 瞬时带宽 射频带宽 3中取2 0.01952606khz31.5khz 5中取30.047 213010khz21.3khz 在两个用户同时使用相同的频带时，则会发生碰撞，设一次在两个用户同时使用相同的频带时，则会发生碰撞，设一次 碰撞的概率为碰撞的概率为 , ,假定出现这种碰撞时误码的概率为假定出现这种碰撞时误码的概率为 0.5,0.5,则则 总的误码率就为总的

43、误码率就为 如果对数目较大的如果对数目较大的q q个跳频信道，有个跳频信道，有 k-1 k-1 个相互干扰用户，个相互干扰用户， 则目标用户所在的频隙中，至少存在一个干扰的概率则目标用户所在的频隙中，至少存在一个干扰的概率为为 此时，系统的误码率为此时，系统的误码率为 1 11 1 (1)k h k p qq h p 0 11 exp()(1) 222 b bhh e ppp n 0 1111 exp()(1) 222 b b ekk p nqq 同步跳频用户碰撞同步跳频用户碰撞 仿真结果仿真结果 对于异步的情况，一次碰撞的概率为对于异步的情况，一次碰撞的概率为 异步跳频用户碰撞异步跳频用户碰

44、撞 对应的对应的系统误码率为系统误码率为 其中，其中， 是是1跳内发送的符号数。跳内发送的符号数。 1 11 1 1(1)k h b p qn 11 0 111111 exp()1(1)1 1(1) 222 kk b b bb e p nqnqn b n 对于快跳频，信号的差错率为对于快跳频，信号的差错率为 1 2 21 0 0 11 ( )exp()() 222 l i b ib l i e p lk n 其中，其中， 1 0 21 1 ! li i i l k ri 宽带干扰指带宽大于跳频总带宽宽带干扰指带宽大于跳频总带宽 1/5 1/5 或干扰掉或干扰掉 2020 以上跳频频率的干扰。以

45、上跳频频率的干扰。 干扰跳频信号，宽带干扰比窄带或单频干扰更有效。干扰跳频信号，宽带干扰比窄带或单频干扰更有效。 由于功率和带宽的原因，要求高，实现困难。由于功率和带宽的原因，要求高，实现困难。 宽频带干扰机的工作方式可以是每部干扰机干扰一宽频带干扰机的工作方式可以是每部干扰机干扰一 个信道，也可以是二部干扰机发出宽带干扰或若干个信道，也可以是二部干扰机发出宽带干扰或若干 个干扰机组合来覆盖整个跳频频段。个干扰机组合来覆盖整个跳频频段。 宽带阻塞干扰宽带阻塞干扰 宽带干扰的总功率为 ，带宽为w，功率谱密度为 ,并 假设 ，则snr为 j p 0 j 0 j 0 n 0 / / bs b jjs

46、 eprw r jpwpp 处理增益 干扰容限或阻塞系数 在awgn信道上，2fsk的fh系统的差错概率为 /2 1 2 b b pe 超短波扩频电台在城市的电磁环境下由于受到民用无线电 设备的干扰产生阻塞，无法正常工作； 防止阻塞干扰对接收机线性提出了严格的要求； 可采用跳频前置滤波器的方法来减小阻塞干扰。 抗宽带阻塞干扰性能抗宽带阻塞干扰性能 部分频带干扰可用一个零均值的高斯随机过程来建模， 这个过程在总带宽w的某一部分具有平坦的功率谱密度 （ ， ， 为干扰所占的频带份额 ），而在这 个频带以外为0。 假设部分频带干扰来自某一干扰台，在采用2fsk调制 和非相干检测的未编码fh系统中，平

47、均差错概率为 /2 2( ) 2 b pe 最坏情况下的部分频带干扰，相应的差错概率为 0 ( )/ j sfj 01 1 2 / 2 /,2 1 ,2 2 b bb b e p e 多频传输可解决部分频带干扰问题。若每个信息比特在d 次频率跳变上传输，相应的差错概率为（其中 为某个常 数） 2( ),2 d b d b k p d d k 抗部分频带干扰性能抗部分频带干扰性能 跟踪式干扰机的组成为一频谱分析仪和干扰机。工作时， 它首先用频谱分析仪分析出跳频发射机发送信号的频率等 参数，然后将干扰机的频率调到跳频信号的频率上，对跳 频信号进行干扰。这样跟踪式干扰机对有用信号的干扰就 有一个时延

48、问题，这个时延包括频谱分析仪的处理时间、 干扰发射机的调谐时间以及信号传输的时延差等，这就大 大降低了该干扰机的干扰能力，除非时延小于跳频频率的 驻留时间，否则不会对有用信号形成干扰。要有效地干扰 跳频信号，需知道跳频图案，即知道频率跳变的准确频率 和时间，在此频率上发噪声调制信号，使有用信号在所有 的频率上错误判决。而跳频图案是跳频系统中最重要部分， 都具有很高的保密程度，很难破译，因而实际中基本上是 不可能的。 抗跟踪式干扰性能抗跟踪式干扰性能 跳频发射机 跳频接收机 侦察、分析、引导时间 接收时间 发送时间 干扰机 t总=t接收+t发送+t侦察、分析、引导 跟踪干扰和临界跳速跟踪干扰和临

49、界跳速 收发传输时间td 跟踪干扰和临界跳速跟踪干扰和临界跳速 fi fj t总t跳频 t总t跳频 干扰干扰 有效干扰时间 t跳频 抗跟踪干扰抗跟踪干扰 l快跳频是对付跟踪干扰的最好方法。 理论公式：临界跳速=1/（t总-td） 经验公式：临界跳速150khz / d(km) l如果跳速做不快，可以采用跳扩结合的 方法。因为扩频增加了信号的隐蔽性，不 容易被跟踪。 l从抗干扰的角度，很少采用直扩。 例例设设ff/ss系统中收、发设备间的距离是的系统中收、发设备间的距离是的d1=20km， 干扰机与收、发设备间的距离约干扰机与收、发设备间的距离约d2=15km ，求最小跳，求最小跳 频速率频速率

50、rhmin？（光速？（光速 ） 解：解：td=d1/c，忽略干扰机处理时间，忽略干扰机处理时间，t总 总=2d2/c，则，则 抗转发式干扰例子抗转发式干扰例子 hps dd c tt r d h 30000 20152 103 2 1 5 12 min 总 kmc 5 103 转发式干扰机要有效地干扰跳频信号，必须在跳频信号 的一跳内使转发的干扰信号与有用信号同时到达接收机， 或在一跳的驻留时间内有时间上的重叠（60%以上最好）。 以d1表示直线传播距离，d2+d3为经干扰机转发的传播距 离，tp为干扰机的处理时间，则产生干扰的条件为 hp t v d t v dd 132 132 )(dvt

51、tdd ph 或 把此式右边看成常数，取等号，便形成一个以发射 机和接收机为两个焦点的椭圆。这说明，倘若干扰机 设在椭圆之外，则干扰不会有效。反过来，为了避免 转发式干扰，跳频速率应满足 )/( 1 132 p h h t v ddd t r n转发式干扰机并不需要知道跳频图案，因此它对 跳频信号的干扰最严重。 3 3 跳频频率合成器跳频频率合成器 contents 3.1跳频器及其频率合成器 3.2跳频频率合成器的要求 3.3直接频率合成器 3.4间接频率合成 器 3.5直接数字式频率合成器 3.1 跳频器及其频率合成器跳频器及其频率合成器 v 跳频系统中，由伪码发生器和频率合成器组成了跳频

52、 器，它是跳频系统的核心。频率合成器输出频率受跳 频指令的控制。 v 跳频用频率合成器分为直接式和间接式两种。 v 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 率稳定、频谱纯，可供选用的频率数n大，频谱转换要 快，频率锁定时间短，跳频图案转换速度快等。且这些 要求间可能相互矛盾。 频率合成器频率合成器 l频率合成是指以一个或少量的高准确度和高稳定 的标准频率作为参考频率，由此导出多个或大量的 输出频率，这些输出频率的准确度与稳定度与参考 频率是一致的。 l频率合成器通过一个或多个标准频率产生大量的 输出频率，它是通过对标准频率在频域进行加

53、、减、 乘、除来实现的，可以用混频、倍频和分频等电路 来实现。 3.2 跳频频率合成器的要求跳频频率合成器的要求 l 频率范围（覆盖系数） 输出最高和最低频率之间的范围 l 频率分辨力 两个相邻频率之间的最小间隔 l 频率转换时间 从一个频率转换到另一个频率且达到稳定所需的时间 l 频率准确度和稳定度 准确度：实际输出频率偏离标称频率的大小；只有稳才能准。 稳定度：在一定时间间隔内，输出频率变化的范围。 长期、短期、瞬时稳定度。 l 频谱纯度 谐波分量和其他杂散分量大小的量度。 l 体积与功耗 频率合成器的频谱频率合成器的频谱 影响频率合成器频谱纯度的因素主要有二个，一是相位噪 声，二是寄生干

54、扰。 相位噪声是瞬间频率稳定度的频域表示，在频谱上呈现为 主谱两边的连续噪声。寄生（又称为杂散）干扰是由非线性 部件所产生的，其中最严重的是混频器，寄生干扰表现为一 些离散的频谱。 3.3直接式频率合成器（直接式频率合成器（ds） v 直接式频率合成器用混频、分频、倍频（频率四则运算） 构成,既能产生很多频率又能快速跳变频率。 v 一个可以产生4096个频率的频率合成器例子。 200 m h z 相 同 的 组 件 c3 c4 f1f2f3f4 相 同 的 组 件 c9 c1 0 f1f2f3f4 4 双 边 平 衡 混 频 器 带 通 滤 波 器 门 开 关 c1 c2 f1f2f3f4 4

55、 双 边 平 衡 混 频 器 带 通 滤 波 器 门 开 关 c1 1 c12 f1f2f3f4 输 出 c1 c1 2 到 门 开 关 的 码 输 入 30 35 40 45 f1 f2 f3 f4 平 衡 混 频 器 5.0 m h z方 波 37.5 m h z 晶 体 滤 波 器 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。 直接式频率合成器直接式频率合成器 v 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，所以输出跳频频率间隔f 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

56、 v“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。 1 aa k f k kf f v “和频”/“分频”基本单元 bpf 输出 nbpf混频器 门控电路 载波 1 f 2 f k f 1 c 2 c m c . . . . 影响直接式频合跳速的因素影响直接式频合跳速的因素 带通滤波器抑制混频产生的不需要频率（如和频和 其他组合频率）； 开关转换时间-不是主要因素 带通滤波器的延迟-关键 混频器的处理延迟-重要 随着混频级数的增加，各种传输时延也会增加， 这样就限制了跳频速率。 直接式频率合成器特点直接式频率合成器特点 转换速度

57、快（100s级），跳速较高； 频率分辨率高（10-2hz）； 相位噪声较低，频谱纯度较高（90-100db），但杂 散较难抑制； 可产生的频率数多，通过增加混频级数还可进一步 增加频率数 ； 跳频信号频率高，带宽宽（如60mhz甚至更高）； 工作稳定可靠； 随着跳频点数的增加，滤波、屏蔽、消除射频干扰 等措施的硬件复杂度呈指数增加，体积和重量也相应 增加。 saw是发展趋势；集成电路工艺水平提高使其又被 重新重视起来。 3.4 间接式频率合成器（间接式频率合成器（is） v 间接式频率合成器是用锁相环法实现 振荡器鉴相器环路滤波vco 可变分频 m n c f m fc v f n fv 频率控制 mnff cv /l输出频率： l频率分辨力： mff cv / 间接式频率合成器间接式频率合成器 l可变分频器限制最高输出频率：加固定前置分频器 可提高输出频率，降低频率分辨力或输出频率间隔。 l鉴相频率限制频率转换时间：可提高鉴相频率，但 降低频率分辨力或输出频率间隔。 l可变分频比限制输出频率