跳頻通信技術(shù)及其應(yīng)用與發(fā)展

跳頻通信技術(shù)及其應(yīng)用與發(fā)展跳頻通信是擴頻通信的一個分支，它的突出優(yōu)點是抗干擾性強，因而很適用于軍事領(lǐng)域。當(dāng)70年代末第一部跳頻電臺問世以后，就預(yù)示著其發(fā)展勢頭銳不可擋。到了年代，世界各國軍隊普遍裝備跳頻電臺。這十年是跳頻電臺發(fā)展速度最快的十年。廣泛使用跳頻電臺曾被譽為80年代頻段無線電通信發(fā)展的主要特征。90年代，跳頻通信如虎添翼，在軍用跳頻通信領(lǐng)域已相當(dāng)成熟的同時，跳頻通信的應(yīng)用又拓寬到民用領(lǐng)域。業(yè)內(nèi)人士指出，跳頻通信是對抗無線電干擾的有效手段，稱其為無線電通信的“殺手锏”。跳頻通信是如此的神奇，以致于自其問世至今的短短30年間，倍受世界各國，特別是幾大軍事強國的青睞。 2 跳頻通信的基本概念 2.1 定義 我們在用收音機收聽某電臺，當(dāng)電臺在中波和短波兩個波段上播放同一個節(jié)目時，有這樣的體會：若中波波段信號不好，則隨即換到短波波段收聽；當(dāng)短波波段信號不好，則又換回到中波波段收聽。這種以更換波段的手段來改善收聽效果的方法，就是跳頻的通俗含義。只不過這種跳頻僅在接收端發(fā)生，而且是由人工干預(yù)來實施跳頻的。我們假設(shè)，當(dāng)廣播電臺發(fā)送的頻段也能“緊跟”收音機用戶更換的話，那么，這種通信方式就是跳頻通信。因此，跳頻通信可這樣描述：通信收發(fā)雙方同步地改變頻率的通信方式稱為跳頻通信。 2.2 同步條件(通信條件) 與定頻通信相比，跳頻通信的載波頻率一直在跳變。工作中，發(fā)方以相當(dāng)快的速率（跳速）改變頻率，收方必須與發(fā)方同步地改變頻率，雙方才能保持通信。也就是說，跳頻通信時，收發(fā)雙方必須采用同一種跳頻圖案。跳頻電臺之間要成功地進(jìn)行跳頻通信，收發(fā)雙方必須同時滿足三個條件：跳頻頻率相同；跳頻序列相同；跳頻的時鐘相同（允許存在一定的誤差）。三個條件缺一不可，否則無法實現(xiàn)跳頻通信。 3 跳頻通信的主要特點 3.1 抗干擾性強 跳頻通信抗干擾的機理是“打一槍換一個地方”的游擊策略，敵方搞不清跳頻規(guī)律，因而具有較強的抗干擾能力。一方面，我方的跳頻指令是個偽隨機碼，其周期可長達(dá)十年甚至更長的時間。另一方面，跳變的頻率可以達(dá)到成千上萬個。因此，敵方若在某一頻率上或某幾個頻率上施放長時間的干擾也無濟于事。 另外，跳頻頻率受偽隨機碼控制而不斷跳變，在每一個頻率的駐留時間內(nèi)，所占信道的帶寬是很窄的。由于頻率跳變的速率非常快，因而從宏觀上看，跳頻系統(tǒng)又是個寬帶系統(tǒng)，即擴展了頻譜。事實上，跳頻的帶寬就是頻率的數(shù)目與每個頻率所占信道帶寬的乘積。由擴頻通信理論可知，擴展頻譜的好處可以換取更好的信噪比。也就是說，如果擴展了頻帶，就可以在較低的信噪比的情況下，照樣可用相同的信息速率、任意小的差錯概率來傳遞信息，甚至在信號被噪聲完全湮沒的情況下，也能保持可靠的通信。由此可見，抗干擾性強是跳頻通信最突出的優(yōu)點。 3.2 頻譜利用率高 人們早已認(rèn)識到頻譜資源十分寶貴，因此，提高頻譜利用率也是現(xiàn)代通信的基本要求之一。跳頻通信可以利用不同的跳頻圖案或時鐘，在一定帶寬內(nèi)容納多個跳頻通信系統(tǒng)同時工作，達(dá)到頻譜資源共享的目的，從而大大提高頻譜利用率。 3.3 易于實現(xiàn)碼分多址 多址通信是指許多用戶組成一個通信網(wǎng)，網(wǎng)內(nèi)任何兩個用戶都可達(dá)成通信，并且多對用戶同時通信時又互不干擾。應(yīng)用跳頻通信可很容易地組成這樣一個多址通信網(wǎng)。網(wǎng)內(nèi)各用戶都被賦于一個互不相同的地址碼，這個地址碼恰似電話號碼。每個用戶只能收到其他用戶按其地址碼發(fā)來的信號才可判別出是有用信號，對其他用戶發(fā)來的信號，則不會被解調(diào)出來。 3.4 兼容性 對于跳頻通信而言，兼容的含義是指一個跳頻通信系統(tǒng)可以與一個不跳頻的窄帶通信系統(tǒng)在定頻上建立通信。顯而易見，兼容的好處在于，先進(jìn)的跳頻電臺可與常規(guī)的定頻電臺互通。這在跳頻電臺的研制上比較容易實現(xiàn)只要將常規(guī)電臺加裝跳頻模塊即可變成跳頻電臺。顯然，跳頻模塊是整個跳頻電臺的關(guān)鍵部件。 4 跳頻電臺的組網(wǎng) 4.1組網(wǎng)過程 組網(wǎng)前，網(wǎng)內(nèi)所有跳頻電臺均處于搜索掃描狀態(tài)，當(dāng)主臺（中心臺）按下收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)（PPT鍵）時，主臺首先發(fā)出同步信號，該同步信號被網(wǎng)內(nèi)其他屬臺正確接收后，各屬臺先自動校正本臺的時鐘，再將自己的跳速自動跟蹤到主臺的跳速上，爾后建立通信聯(lián)絡(luò)。通信完畢，網(wǎng)內(nèi)所有電臺再次回到搜索掃描狀態(tài)，以等待下一次同步組網(wǎng)。為了使網(wǎng)內(nèi)電臺僅在本網(wǎng)中搜索掃描，網(wǎng)內(nèi)各臺需在組網(wǎng)前設(shè)置呼叫參數(shù)。這樣，網(wǎng)內(nèi)電臺只有當(dāng)監(jiān)聽到對本網(wǎng)或本臺的呼叫時才進(jìn)入跳頻建立狀態(tài)，也就是說，屬臺只與呼叫本網(wǎng)網(wǎng)號的主臺同步。 4.2 組網(wǎng)方法4.2.1 組網(wǎng)方法分類 跳頻電臺的組網(wǎng)方法，根據(jù)跳頻圖案分為正交和非正交兩種。如果多個網(wǎng)所用的跳頻圖案在時域上不重疊(形成正交)，則組成的網(wǎng)絡(luò)稱為正交跳頻網(wǎng)。如果多個網(wǎng)所用的跳頻圖案在時域上發(fā)生重疊，則稱為非正交跳頻網(wǎng)。 此外，根據(jù)跳頻網(wǎng)的同步方式，跳頻電臺的組網(wǎng)方法又有同步網(wǎng)和異步網(wǎng)之分。正交跳頻網(wǎng)為了使跳頻圖案不發(fā)生重疊，要求全網(wǎng)做到嚴(yán)格定時，故一般采用同步網(wǎng)方式組網(wǎng)。從嚴(yán)格意義上講，正交跳頻網(wǎng)是同步正交跳頻網(wǎng)，一般簡稱為同步網(wǎng)。 非正交跳頻網(wǎng)的跳頻圖案可能會發(fā)生重疊，即網(wǎng)與網(wǎng)之間在某一時刻跳頻頻率可能會發(fā)生碰撞（重合），因而可能會產(chǎn)生網(wǎng)間干擾。不過，這種網(wǎng)間干擾通過精心選擇跳頻圖案和采用異步組網(wǎng)方式，是完全可以減少到最低限度的。因此，非正交跳頻網(wǎng)常采用異步組網(wǎng)方式。異步非正交跳頻網(wǎng)一般簡稱為異步網(wǎng)。 顯然，跳頻電臺的組網(wǎng)比定頻電臺的組網(wǎng)復(fù)雜得多。4.2.2 同步組網(wǎng) 同步組網(wǎng)方法所有的網(wǎng)都使用同一張頻率表，但每個網(wǎng)的頻率秩序不同；各網(wǎng)在統(tǒng)一的時鐘下實施同步跳頻。例如，某跳頻電臺的跳頻頻率表為f1、f2、f3、f4 四個頻率，若要組織四個跳頻網(wǎng)，則組織方法為：1#網(wǎng)按f1、f2、f3、f4的秩序跳頻；2#網(wǎng)按f2、f3、f4 、f1的秩序跳頻；3#網(wǎng)按f3、f4 、f1、f2的秩序跳頻；4#網(wǎng)按f4、 f1、f2、f3的秩序跳頻。此外，為了使某一瞬間不發(fā)生頻率碰撞，四個網(wǎng)還必須在統(tǒng)一的時鐘下實施跳頻通信。這樣，在某一瞬間，僅僅存在著不同秩序但又不重復(fù)的四個頻率集。 同步組網(wǎng)的優(yōu)缺點同步組網(wǎng)的優(yōu)點顯而易見：一是頻率利用率高。各網(wǎng)都使用同一張頻率表（但頻率秩序不同）。理論上講，有多少個跳頻頻率就可組成多少個正交跳頻通信網(wǎng)。二是不存在網(wǎng)間干擾。某一時刻，網(wǎng)間不會發(fā)生頻率重疊，因而不會發(fā)生網(wǎng)與網(wǎng)之間的干擾。然而，同步組網(wǎng)方法的缺點也是十分突出的。首先，各網(wǎng)必須“步調(diào)一致”，否則，只要有一個網(wǎng)不同步，將會造成全網(wǎng)失步而癱瘓。其次，同步組網(wǎng)方式實際上是將各網(wǎng)組成一個大的群網(wǎng)，建網(wǎng)時需要所有的子網(wǎng)（上例中的1#至4#網(wǎng)）內(nèi)的電臺都響應(yīng)同步信號，才能將各電臺的跳頻圖案完全同步起來，因而建網(wǎng)速度比較慢。再者，同步時間比較長，因為，同步組網(wǎng)方法必須使用統(tǒng)一的密鑰，一旦泄密，整個群網(wǎng)的跳頻圖案都會被暴露無遺。最后，同步組網(wǎng)時，頻率表的選擇難度比較大，一旦某個頻率受到干擾或效果不佳，則換頻必須是全局性的。有鑒于此，目前使用的跳頻電臺很少采用同步組網(wǎng)方法。4.2.3異步組網(wǎng) 異步組網(wǎng)方法 非正交網(wǎng)雖然可能會發(fā)生網(wǎng)間干擾，但通過精心選擇跳頻圖案和采用異步方式組網(wǎng)，是可以減少網(wǎng)間頻率重疊的概率。常見的組網(wǎng)方法是：不同的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用不同的跳速或不同的頻段。若網(wǎng)絡(luò)和電臺的數(shù)量不多，則可考慮采用同一頻率集組網(wǎng)；反之應(yīng)考慮采用不同的頻率集。在同一頻率集內(nèi)若要求每兩部或三部電臺組成個網(wǎng)，并且網(wǎng)數(shù)不多時，可以通過以下兩種手段來組成不同的跳頻網(wǎng)：一是通過設(shè)置不同的密鑰號；二是通過不同的時鐘來組網(wǎng)。 異步組網(wǎng)的優(yōu)點 由于異步組網(wǎng)不需要全網(wǎng)的定時同步，因而可以降低對定時精度的要求，而且在技術(shù)上容易實施。此外，它還有容易建立系統(tǒng)的同步、用戶入網(wǎng)方便以及組網(wǎng)靈活等優(yōu)點，因而得到廣泛的應(yīng)用。 異步組網(wǎng)的關(guān)鍵 采用異步組網(wǎng)的方法，各網(wǎng)按各自的時間和跳頻序列工作。由于各跳頻網(wǎng)之間沒有統(tǒng)一的時間標(biāo)準(zhǔn)，因而異步組網(wǎng)時，如果多網(wǎng)采用同一頻率表，頻率序列雖不同，但也有可能發(fā)生頻率碰撞。顯然，這種頻率碰撞的機會是隨著網(wǎng)絡(luò)數(shù)量的增加而增多的。毋庸置疑，異步組網(wǎng)工作時，為了實現(xiàn)多網(wǎng)之間互不干擾，頻率表的選擇以及頻率序列（即密鑰）的選擇就成了異步組網(wǎng)的關(guān)鍵這正是跳頻通信在應(yīng)用上的主要研究方向。5 跳頻通信的應(yīng)用與發(fā)展 跳頻通信的發(fā)展歷程可概括為：40年代末理論先導(dǎo)，60年代研制攻關(guān)，70年代末產(chǎn)品問世，80年代逐步推廣，90年代廣泛應(yīng)用，21世紀(jì)飛速發(fā)展。誠然，跳頻通信是由電子對抗而首先應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的。但是，它在民用通信的應(yīng)用也越來越受到人們的密切關(guān)注。目前，跳頻通信的理論和技術(shù)已很成熟。 5.1 跳頻通信在軍事通信中的應(yīng)用與發(fā)展 跳頻通信自問世以來之所以如此迅猛發(fā)展，這主要得益于跳頻通信本身所具備的突出優(yōu)點。這些優(yōu)點又能符合現(xiàn)代信息戰(zhàn)條件下電子對抗的要求。海灣戰(zhàn)爭表明，跳頻電臺在通信中發(fā)揮了突出的作用。目前，跳頻系統(tǒng)的跳速維持在如下水平：短波電臺100跳/秒，超短波電臺500跳/秒。但每秒千跳以上的跳頻電臺也已問世?？梢詷酚^地預(yù)測，到了21世紀(jì)，跳頻電臺的跳速可發(fā)展到每秒幾萬跳，甚至每秒百萬跳。跳頻帶寬一般可工作到全頻段。跳頻頻率集雖然目前已達(dá)到300個的水平，但上萬個頻率集的跳頻系統(tǒng)也已研制出來。跳頻系統(tǒng)的同步時間目前已達(dá)到幾百毫秒的數(shù)量級，今后必定越來越短。因為，同步建立時間越短，信息被敵方發(fā)現(xiàn)、截獲和測向的概率就越低，通信的隱蔽性越好 當(dāng)然，通信干擾與反干擾是一對矛盾，它們互相制約，但又互相促進(jìn)發(fā)展。 跳頻通信并不懼怕單頻干擾和多頻干擾，但跟蹤式干擾是跳頻通信的“天敵”。跟蹤式干擾的步驟是：偵聽、處理、施放干擾。當(dāng)本方截獲到敵方的跳頻圖案后，迅速地以同樣的跳頻圖案施放干擾，由于兩個跳頻圖案的矢量迭加必然帶來接收方的一片盲然，致使敵方無法達(dá)成正常的跳頻通信。據(jù)報載，國外已有能同時監(jiān)視80個相鄰信道，掃描搜索速度為80,000信道/秒的偵察接收機問世，這種偵察接收機的截獲跳頻圖案的概率幾乎達(dá)到100。這是迄今為止對付跳頻通信最理想的反干擾手段。為了對付跟蹤式干擾，人們總是希望盡可能縮短跳頻信號的駐留時間，使偵察接收機無可乘之機。這就要求跳頻系統(tǒng)的跳速盡可能快?；谶@方面考慮，目前世界各國競先研制快速跳頻通信裝備。 另外，跳頻系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展又受到元器件、編解碼技術(shù)等因素的制約。目前，跳頻速率尚未達(dá)到每秒5000跳。若達(dá)到這個水平，則目前的跟蹤式干擾機便無能為力了。為此，跳頻通信將向以下兩個方面發(fā)展：一個是跳頻與直接序列擴頻混合使用方式，另一個是跳頻與直接序列擴頻、跳時三者混合使用方式。這樣可以優(yōu)勢互補，共同發(fā)展。 5.2 跳頻通信在民用通信中的應(yīng)用與發(fā)展 90年代以來，跳頻通信在軍事通信領(lǐng)域的應(yīng)用中取得巨大成就的基礎(chǔ)上，又開始向民用通信領(lǐng)域進(jìn)軍。原因有二：一是“無線革命”的興起。數(shù)字蜂窩移動通信、個人通信、室內(nèi)無線通信等新興通信方式，要求解決頻帶擁擠問題，由于跳頻通信的頻譜利用率較高，因此，人們自然就考慮到采用跳頻通信來解決這個問題。二是市場需求的推動。采用新的通信技術(shù)不僅出于占有國內(nèi)市場的考慮，也是為了爭取國外市場。 在移動通信領(lǐng)域，擴容乃當(dāng)務(wù)之急。跳頻或擴頻碼分多址技術(shù)的增容潛力無比強大。據(jù)專家估算，采用跳頻或擴頻碼分技術(shù)后，目前的容量可提高倍。這是一個十分驚人的數(shù)字。為此，許多專家學(xué)者紛紛倡導(dǎo)采用跳頻或擴頻碼分多址技術(shù)來解決擴容問題。 在有線通信領(lǐng)域，考慮到一方面擴建需要巨大的投資，另一方面，無線個人通信又可作為有線通信