跳頻擴(kuò)頻技術(shù)

1、華北水利水電大學(xué)擴(kuò)頻通信結(jié)課報(bào)告跳頻擴(kuò)頻技術(shù)學(xué)院：信息工程專業(yè)：通信工程姓名：劉 建學(xué)號(hào)： 2012157071.跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)的組成及工作原理1、 跳頻系統(tǒng)的組成跳頻擴(kuò)頻（ FHSS）通信是擴(kuò)頻通信的一種，是以載波頻率的跳變進(jìn)行通信的。這種通信可以有效地躲避干擾，已成為抗電子干擾的主要手段。系統(tǒng)的信道數(shù)、載波的帶寬、 跳頻的速率和跳變的偽隨機(jī)性是抗干擾的重要技術(shù)指標(biāo)。信道數(shù)越多，帶寬范圍越大，跳變的速率越快，頻率跳變的規(guī)律越接近隨機(jī)變化，就越難以被外界干擾。跳頻擴(kuò)頻（ FHSS）系統(tǒng)組成框圖如圖1 所示。圖 1 跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)組成框圖跳頻系統(tǒng)的載頻受一個(gè)偽隨機(jī)碼控制，不斷地、隨機(jī)地跳變，因此跳頻

2、系統(tǒng)可視作載頻按照一定規(guī)律變化的多頻頻移鍵控（MFSK）。與直擴(kuò)系統(tǒng)不同，跳頻系統(tǒng)中的偽隨機(jī)序列并不直接傳輸，而是用來選擇信道。跳頻系統(tǒng)主要由 PN 碼產(chǎn)生器和頻率合成器兩部分組成， 快速響應(yīng)的頻率合成器是頻率跳變系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。頻率跳變系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)在一個(gè)預(yù)定的頻率集中，由 PN碼序列控制頻率合成器，使發(fā)射頻率能隨機(jī)地由一個(gè)跳到另一個(gè)。 接收機(jī)中的頻率合成器也按相同的順序跳變， 產(chǎn)生一個(gè)與發(fā)射頻率只差一個(gè)中頻的本振頻率， 經(jīng)混頻后得到固定的中頻信號(hào)，該中頻信號(hào)經(jīng)放大后送到解調(diào)器，恢復(fù)傳送的信息。此處，混頻器實(shí)際上擔(dān)當(dāng)了解調(diào)器角色， 只要收發(fā)雙方同步， 就可將頻率跳變信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)固定頻率的信號(hào)

3、。.2、 跳頻系統(tǒng)的工作原理在傳統(tǒng)的定頻通信系統(tǒng)中， 發(fā)射機(jī)中的主振蕩器的振蕩頻率是固定設(shè)置的，因而它的載波頻率是固定的。為了得到載波頻率是跳變的跳頻信號(hào)，要求主振蕩器的頻率應(yīng)能遵照控制指令而改變。這種產(chǎn)生跳號(hào)的裝置叫跳頻器。通常，跳頻器是由頻率合成器和跳頻指令發(fā)生器構(gòu)成的，如圖2（a）所示。(a) 發(fā)送（ b） 接收?qǐng)D 2 跳頻信號(hào)的發(fā)送與接收?qǐng)D 2（a）中，如果將跳頻器看作是主振蕩器，則與傳統(tǒng)的發(fā)信機(jī)沒有區(qū)別。被傳送的信息可以是模擬的或數(shù)字的信號(hào)形式 ( 圖 5 中標(biāo)示的為信碼入 ) ，經(jīng)過調(diào)制器的相應(yīng)調(diào)制， 便獲得副載波頻率固定的已調(diào)波信號(hào)， 再與頻率合成器輸出的主載波頻率信號(hào)進(jìn)行混頻，

4、其輸出的已調(diào)波信號(hào)的載波頻率達(dá)到射頻通帶的要求，經(jīng)過高通濾波器反饋至天線發(fā)射出去。這就是定頻信號(hào)的發(fā)送過程。3.跳頻系統(tǒng)的頻率合成器輸出什么頻率的載波信號(hào)是受跳頻指令控制的。在時(shí)鐘的作用下， 跳頻指令發(fā)生器不斷地發(fā)出控制指令，頻率合成器不斷地改變其輸出載波的頻率。 因此，混頻器輸出的已調(diào)波的載波頻率也將隨著指令不斷地跳變，從而經(jīng)高通濾波器和天線發(fā)送出去的就是跳頻信號(hào)。通常，是利用偽隨機(jī)碼發(fā)生器來產(chǎn)生跳頻指令的，或者由軟件編程來產(chǎn)生跳頻指令。所以，跳頻系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是跳頻器，更具體地，是能產(chǎn)生頻譜純度好的快速切換的頻率合成器和偽隨機(jī)性好的跳頻指令發(fā)生器。由跳頻信號(hào)產(chǎn)生的過程可以看出， 不論是數(shù)字

5、的或是模擬的定頻發(fā)送系統(tǒng)，在原理上，只要加裝上一個(gè)跳頻器就可變成一個(gè)跳頻的發(fā)送系統(tǒng)。 但是在實(shí)際系統(tǒng)中尚需考慮信道機(jī)的通帶寬度。定頻信號(hào)的接收設(shè)備中，一般都采用超外差式的接收方法，即接收機(jī)本地振蕩器的頻率比所接收的外來信號(hào)的載波頻率相差一個(gè)中頻， 經(jīng)過混頻后產(chǎn)生一個(gè)固定的中頻信號(hào)和混頻產(chǎn)生的組合波頻率成分。 經(jīng)過中頻帶通濾波器的濾波作用，濾除組合波頻率成分， 而使中頻信號(hào)進(jìn)人解調(diào)器。 解調(diào)器的輸出就是所要傳送給接收端的信息。跳頻信號(hào)的接收，其過程與定頻的相似。為了保證混頻后獲得中頻信號(hào)，要求頻率合成器的輸出頻率要比外來信號(hào)高出一個(gè)中頻。 因?yàn)橥鈦淼男盘?hào)載波頻率是跳變的，則要求本地頻率合成器輸出

6、的頻率也隨著外來信號(hào)的跳變規(guī)律而跳變，這樣才能通過混頻獲得一個(gè)固定的中頻信號(hào)。圖 2(b) 給出跳頻信號(hào)接收機(jī)的框圖。圖中的跳頻器產(chǎn)生的跳頻圖案應(yīng)當(dāng)與所要求高出一個(gè)中頻， 并且要求收、發(fā)跳頻完全同步。所以， 接收機(jī)中的跳頻器還需受同步指令的控制， 以確定其跳頻的起、止時(shí)刻?？梢钥闯?，跳頻器是跳頻系統(tǒng)的關(guān)鍵部件， 而跳頻同步則是跳頻系統(tǒng)的核心技術(shù)。跳頻系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)跳頻通信，正確接收跳頻信號(hào)的條件是跳頻系統(tǒng)的同步。系統(tǒng)的同步包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容:(l) 收端和發(fā)端產(chǎn)生的跳頻圖案相同即有相同的跳頻規(guī)律。(2) 收、發(fā)端的跳變頻率應(yīng)保證在接收端產(chǎn)生固定的中頻信號(hào)，即跳變的載波頻率與收端產(chǎn)生的本地跳變頻率相差

7、一個(gè)中頻。.(3) 頻率跳變的起止時(shí)刻在時(shí)間上同步，即同步跳變，或相位一致。(4) 在傳送數(shù)字信息時(shí)，還應(yīng)做到幀同步和位同步。3、 跳頻信號(hào)的波形與定頻連續(xù)信號(hào)波形不同，跳頻信號(hào)的波形是不連續(xù)的，這是因?yàn)樘l器產(chǎn)生的跳變載波信號(hào)之間是不連續(xù)的。 頻率合成器從接受跳頻指令開始到完成頻率的跳變需要一定的切換時(shí)間。 為了保證其輸出的頻率純正而穩(wěn)定， 防止雜散輻射，在頻率切換的瞬間是抑止發(fā)射機(jī)末級(jí)工作的。頻率合成器從接受指令開始建立振蕩到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間叫做建立時(shí)間 ; 穩(wěn)定狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間叫駐留時(shí)間 ; 從穩(wěn)定狀態(tài)到達(dá)振蕩消失的時(shí)間叫消退時(shí)間。從建立到消退的整個(gè)時(shí)間叫做一個(gè)跳周期， 記作 Th 。建立

8、時(shí)間加上消退時(shí)間叫做換頻時(shí)間。只有在駐留時(shí)間( 記作 TD ) 內(nèi)才能有效地傳送信息。跳頻通信系統(tǒng)為了能更有效地傳送信息，要求頻率切換占用的時(shí)間越短越好。通常，換頻時(shí)間約為跳周期 Th 的 l/8 l/10 。比如跳頻速率每秒 500 跳的系統(tǒng)，跳周期 Th =2ms，其換頻時(shí)間為 0.2ms 左右 ; 跳頻速率每秒 20 跳的系統(tǒng)，跳周期是 50ms，其換頻時(shí)間約為5ms。4、 跳頻信息的發(fā)送在跳頻系統(tǒng)中，一般要采用碼型變換的方法，在碼型變換器（調(diào)制器）中控制頻率合成器產(chǎn)生跳頻指令。這個(gè)簡單的跳頻控制器由三個(gè)部分組成：偽碼發(fā)生器、碼型變換器、受控頻率合成器。碼型變換器輸出的跳頻指令（嵌有信息

9、的） 控制頻率合成器輸出系統(tǒng)所要求的 N 個(gè)頻率，由調(diào)制器 ( 碼型變換器 ) 并行給出的信息比特?cái)?shù)n, 如果系統(tǒng)輸出 N個(gè)頻率，則信息比特?cái)?shù)為nlog 2 N如果偽碼發(fā)生器能輸N種不同的非零狀態(tài)，則有nlog 2 ( N1)式中， n 為偽碼發(fā)生器并行輸出線的數(shù)目，N為跳頻數(shù)目。偽碼發(fā)生器的本身由n 級(jí)組成，其中每一級(jí)都饋送一條輸出線，每條輸出5.線與輸入的數(shù)字信息共同送到一個(gè)模2 加法器，再用其輸出去控制頻率合成器。5、 跳頻信號(hào)的解跳與解調(diào)由于跳頻信號(hào)的頻率是不斷變化的，而且在頻率跳變過程中，相位不能做到連續(xù)，信號(hào)可能要針對(duì)傳號(hào)和空號(hào)進(jìn)行抽樣產(chǎn)生脈沖，因此在跳頻接收中，采用非相干的包絡(luò)檢

10、測(cè)器。5.1跳頻信號(hào)的解跳跳頻信號(hào)的接收機(jī)應(yīng)對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的反變換。首先，將每個(gè)接收到的切普（Chip ）變換到窄帶濾波器的通帶內(nèi)。 再將已解跳的信號(hào)送到基帶解調(diào)器，即可恢復(fù)發(fā)射端的原始信息流。FH 接收機(jī)的性能取決于解跳乘法器及其后的帶通濾波器能否從接收信號(hào)中提取有用的信號(hào)的能力。在二進(jìn)制的 FH發(fā)射機(jī)里，數(shù)據(jù)的傳輸采用FSK時(shí)，是用發(fā)射某個(gè)頻率 ( 切普 ) 表示“傳號(hào)”，而發(fā)射另一個(gè)頻率表示 “空號(hào)” 來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)每一個(gè)信息比特，無論只發(fā)一個(gè)切普，還是發(fā)多個(gè)切普（每個(gè)切普都一定是兩個(gè)頻率中的一個(gè)） ，接收機(jī)應(yīng)能判斷兩個(gè)頻率中哪一個(gè)是有用信號(hào)。 因此，接收機(jī)必須能夠同時(shí)觀測(cè)兩個(gè)交替信道

11、，或者先對(duì)一個(gè)取樣，然后緊接著對(duì)另一個(gè)取樣。5.2 非相干跳頻解調(diào)器信號(hào)經(jīng)過無線信道傳輸 , 保持跳頻頻率合成器的同步和信號(hào)在跳變時(shí)的線性相位是很困難的 , 因此通常采用非相干解調(diào)。其中有一個(gè)方案是可行的， 即采用最大似然塊估計(jì) (MLBE)算法 , 針對(duì) 3 個(gè)觀測(cè)區(qū)間中所有可能的序列組合 , 計(jì)算加權(quán)相關(guān)值 , 然后進(jìn)行包絡(luò)檢測(cè) , 對(duì)中間比特進(jìn)行判決。當(dāng)位于包絡(luò)檢波器輸出端的施密特觸發(fā)器能夠給出同樣的信息，還要用過于復(fù)雜切普判決過程的原因。使用兩個(gè)取樣保持電路和電平比較器的原因在于，當(dāng)干擾疊加在輸入信號(hào)上時(shí)， 由于人為的干擾在互補(bǔ)頻道上造成隨機(jī)沖擊， 使兩個(gè)半切普都包含兩個(gè)射頻脈沖串，

12、在積分清洗電路加兩個(gè)取樣保持電路和電平比較后，才能很好地判決哪個(gè)頻道含有最大的信號(hào)， 而不是根據(jù)是否含有信號(hào)超過閾值來判斷。6、 跳頻系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)跳頻系統(tǒng)的主要參數(shù)有：跳頻帶寬、信道間隔、跳頻頻率數(shù)、處理增益、.跳頻速率、跳頻周期等。6.1跳頻帶寬跳頻系統(tǒng)工作時(shí)的最高頻率與最低頻率之間所占的頻帶寬度，稱為跳頻帶寬。記為 BFR ， BFRf maxf min 。跳頻帶寬的大小與抗寬帶或部分頻帶噪聲干擾的能力有關(guān)。跳頻帶寬越寬，抗干擾能力越強(qiáng)。6.2信道間隔任意兩個(gè)相鄰信道之間的標(biāo)稱頻率之差稱為信道間隔，記為F 。短波電臺(tái)的信道間隔是1000Hz、100Hz、 10Hz。超短波電臺(tái)的信道間

13、隔通常為25kHz、12.5kHz 。6.3跳頻頻率數(shù)目跳頻電臺(tái)工作時(shí)跳變的載波頻率點(diǎn)的數(shù)目稱為跳頻頻率數(shù)目，記為 N。跳頻電臺(tái)工作時(shí)跳變的載波頻率點(diǎn)的集合稱為跳頻頻率集，也稱跳頻頻率表。 跳頻頻率數(shù)目與抗單頻干擾和多頻連續(xù)干擾的能力有關(guān)。跳頻頻率越多，抗單頻、多頻以及梳狀干擾的能力越強(qiáng)。雖然在工作頻率范圍內(nèi)，可能有幾千個(gè)可用的信道，但是，在一次通信中只使用其中的一部分。在跳頻系統(tǒng)正交組網(wǎng)時(shí)， 通常將頻率集劃分為幾個(gè)相互正交的子集，供不同的子網(wǎng)使用。6.4跳頻處理增益在跳頻通信中，某一時(shí)刻只出現(xiàn)一個(gè)瞬時(shí)頻譜，該瞬時(shí)頻譜即為原始信息經(jīng)跳頻處理和中頻調(diào)制后的頻譜， 其帶寬稍大于原始信息速率在定頻通信時(shí)的帶寬，并且該瞬時(shí)頻譜的射頻是跳變的。跳頻處理增益定義為G pBFRBIF其中， BFR 為射頻帶寬， BIF 為跳頻后的中頻帶寬。6.5跳頻速率跳頻速率是指跳頻電臺(tái)載波跳變的速率，通常用每秒載波頻率跳變的次數(shù)來表示，記為 R 。跳頻速率越高，抗跟蹤式干擾的能力越強(qiáng)。不過，跳頻速率受到通信信道和元器件水平的限制。在短波波段，跳頻速率一般在50Hop/s。7.6.6跳頻周期跳頻周期是指每一跳占據(jù)的時(shí)間，用Th 來表示，它等于跳頻的駐留時(shí)間和信道切換時(shí)間之和。 跳頻駐留時(shí)間是指跳