跳频通信中跳频图案与跳频同步的研究
西安电子科技大学
硕士学位论文
跳频通信中跳频图案与跳频同步的研究
姓名：张鹏
申请学位级别：硕士
专业：军事通信学
指导教师：杨家玮
20070101
跳频通信系统抗干扰性能分析
题目：跳频通信系统抗干扰性能分析 姓名： 学院：信息科学与技术学院 系：通信工程系 专业： 年级： 学号： 教师： 2012年7月10日
跳频通信系统抗干扰性能分析 摘要 扩频技术是一种信息传送技术，它利用伪随机码对被传输信号进行频谱扩展，使之占有远远超过被传送信息所需的最小带宽。而跳频技术以其良好的抗干扰性能和衰落性及较低的信号被截获概率，成为战术通信领域应用最广的一种抗干扰手段。本文在介绍跳频通信基础原理的基础上，并借助计算机仿真工具Matlab /Simulink 搭建仿真模型，得到了在多径信道下的误码率-信噪比曲线，从而分析跳频通信系统的抗干扰性能。 关键字：跳频、Simulink 仿真、多径、抗干扰 一．引言 跳频通信时现代通信中采用的最常用的扩频方式之一，其基本原理是指收发双方传输信号的载波频率按照预定规律进行离散变化。与定频通信相比，由于发送的信号调制在多个伪随机跳变的频率上，敌方不容易捕获到所发送的信息，有利于信号的隐藏，可以有效躲避干扰。因此，跳频技术在通信对抗尤其是卫星通信中处于特别有利的位置。扩频技术正在取代常规通信技术成为军事通信的一种主要抗干扰通信技术。因此，对扩频通信的研究，成为通信对抗中的重要部分。本文通过Matlab 软件仿真跳频通信系统的基本过程，在多径信道下分析其抗干扰能力。 二．跳频通信的基本原理 扩频通信系统是一种信息处理传输系统，这种系统是利用伪随机码对被传输信号进行频谱扩展，使之占有远远超过被传输信息所必需的最小带宽。在接收机中利用同一码对接收信号进行同步相关处理以解扩和恢复数据。现有的扩频系统可分为：直接序列扩频、跳频、跳时，以及上述几种方式的组合。其中跳频系统是如今使用最多的扩频技术。 跳频扩频的调制方式可以为二进制或M 进制的FSK(MFSK)。如果采用二进制FSK ，调制器选择两个频率中的一个，设为0f 或1f ，对应于待传输的信号0或1.得到的二进制FSK 信号是由PN 码生成器输出序列输出觉得的频率平移量，选择
跳频系统概述
6.1 跳频系统概述 6.1.1 为什么要跳频 通常我们所接触到的无线通信系统都是载波频率固定的通信系统，如无线 对讲机，汽车移动电话等，都是在指定的频率上进行通信，所以也称作定频通信。这种定频通信系统，一旦受到干扰就将使通信质量下降，严重时甚至使通信中断。 例如：电台的广播节目，一般是一个发射频率发送一套节目，不同的节目占用不同的发射频率。有时为了让听众能很好地收听一套节目，电台同时用几个发射频率发送同一套节目。这样，如果在某个频率上受到了严重干扰，听众还可以选择最清晰的频道来收听节目，从而起到了抗干扰的效果。但是这样做的代价是需要很多额谱资源才能传送一套节目。如果在不断变换的几个载波频率上传送一套广播节目，而听众的收音机也跟随着不断地在这几个频率上调谐接收，这样，即使某个频率上受到了干扰，也能很好地收听到这套节目。这就变成了一个跳频系统。 另外在敌我双方的通信对抗中，敌方企图发现我方的通信频率，以便于截获所传送的信息内容，或者发现我方通信机所在的方位，以便于引导炮火摧毁。定频通信系统容易暴露目标且易于被截获，这时，采用跳频通信就比较隐蔽也难以被截获。因为跳频通信是“打一枪换一个地方”的游击通信策略、使敌方不易发现通信使用的频率，一旦被敌方发现，通信的频率也已经“转移”到另外一个频率上了。当敌方摸不清“转移规律”时，就很难截获我方的通信内容。 因此，跳频通信具有抗干扰、抗截获的能力，并能作到频谱资源共享。所以在当前现代化的电子战中跳频通信已显示出巨大的优越性。另外，跳频通信也应用到民用通信中以抗衰落、抗多径、抗网间干扰和提高频谱利用率。 6.1.2 什么是跳频图案? 为了不让敌方知道我们通信使用的频率，需要经常改变载波频率，即“打一枪换一个地方”似地对载波频率进行跳变，跳频通信中载波频率改变的规律，叫作跳频图案。
跳频扩频通信技术资料整理
3.1.3 自适应跳频adaptive frequency hopping 在WIA-PA超帧簇通信阶段的每个时隙，根据实际的信道状况更换通信信道。 3.1.20 跳频frequency hopping 收发信道切换方法，目的为抗干扰和减少信号衰落。 3.1.40 时隙跳频timeslot hopping 为了避免干扰和衰减，按照一定规律，在每个时隙改变收发频率。 AFH Adaptive Frequency Hopping 自适应跳频 AFS Adaptive Frequency Switch 自适应频率切换 FH Frequency Hopping 跳频 TH Timeslot Hopping 时隙跳频 WIA-PA 数据链路层支持基于时隙的跳频机制、重传机制、时分多路访问（TDMA）和载波侦听多路访问CSMA）混合信道访问机制，保证传输的可靠性和实时性。 --------------------------------------- 8.4.3 时隙通信
8.4.5 信道跳频 WIA-PA 支持跳频通信方式，跳频序列由网络管理者指定。 WIA-PA 支持以下3 种跳频机制：——自适应频率切换（AFS）：在WIA-PA 超帧中，信标Beacon、CAP 和CFP 段在同一个超帧周期使用相同的信道，在不同的超帧周期根据信道状况切换信道。信道质量差时，即丢包率高于“PLRThreshold”时设备改变通信信道。参数“PLRThreshold”的容详见6.9.1.2.1；——自适应跳频（AFH）：在WIA-PA 超帧的每个时隙，根据信道状况更换通信信道。信道状况通过重传次数进行评价。信道质量差时，如果发送端统计的重传次数达到了“ChannelThreshold”，则从可用信道“IntraChanel[ ]”中按顺序选择下一信道，同时在下一重传时隙利用主信道通知所在簇的接收端（通知过程详见图43）。如果接收端没有接收到信道切换通知，继续统计接收端的重传次数，达到“ChannelThreshold”时从可用信道“IntraChanel[ ] ”中按顺序选择下一信道在第（ChannelThreshold+2）个重传时隙进行通信。如果接收端接收到信道切换通知，则更换通信信道,且返回确认信息ACK。如果发送端没有收到确认信息ACK，则不更换信道，仍然采用主信道重传数据。如果发送端达到重传上限值“macMaxFrameRetries”，则丢弃当前包，且利用主信道发送下一个包。如果接收端在切换信道后仍然没有接收到发送端的包，则认为切换信道失败，返回主信道进行通信。如果发送端在达到重传上限值“macMaxFrameRetries”前与接收端在备选信道上通信成功，则发送端选用备选信道发送下一个包。非活动期的簇通信段采用AFH 跳频机制。
跳频通信技术及其应用与发展
跳频通信技术及其应用与发展 跳频通信是扩频通信的一个分支，它的突出优点是抗干扰性强，因而很适用于军事领域。当70 年代末第一部跳频电台问世以后，就预示着其发展势头锐不可挡。到了80年代，世界各国军队普遍装备跳频电台。这十年是跳频电台发展速度最快的十年。广泛使用跳频电台曾被誉为80年代VHF频段无线电通信发展的主要特征。90年代, 跳频通信如虎添翼，在军用跳频通信领域已相当成熟的同时，跳频通信的应用又拓宽到民用领域。业内人士指出，跳频通信是对抗无线电干扰的有效手段，称其为无线电通信的“杀手锏”。跳频通信是如此的神奇，以致于自其问世至今的短短30 年间，倍受世界各国，特别是几大军事强国的青睐。 2跳频通信的基本概念 2.1定义 我们在用收音机收听某电台，当电台在中波和短波两个波段上播放同一个节目时，有这样的体会：若中波波段信号不好，则随即换到短波波段收听；当短波波段信号不好，则又换回到中波波段收听。这种以更换波段的手段来改善收听效果的方法，就是跳频的通俗含义。只不过这种跳频仅在接收端发生，而且是由人工干预来实施跳频的。我们假设，当广播电台发送的频段也能“紧跟”收音机用户更换的话，那么，这种通信方式就是跳频通信。因此，跳频通信可这样描述：通信收发双方同步地改变频率的通信方式称为跳频通信。
2.2同步条件（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。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：跳频频率相同；跳频序列相同；跳频的时钟相同（允许存在一定的误差）。三个条件缺一不可，否则无法实现跳频通信。 3跳频通信的主要特点 3.1抗干扰性强 跳频通信抗干扰的机理是“打一枪换一个地方”的游击策略，敌方搞不清跳频规律，因而具有较强的抗干扰能力。一方面，我方的跳频指令是个伪随机码，其周期可长达十年甚至更长的时间。另一方面，跳变的频率可以达到成千上万个。因此，敌方若在某一频率上或某几个频率上施放长时间的干扰也无济于事。 另外，跳频频率受伪随机码控制而不断跳变，在每一个频率 的驻留时间内，所占信道的带宽是很窄的。由于频率跳变的速率非常快，因而从宏观上看，跳频系统又是个宽带系统，即扩展了频谱。事实上，跳频的带宽就是频率的数目与每个频率所占信道带宽的乘积。由扩频通信理论可知，扩展频谱的好处可以换取更好的信噪比。也就是说，如果扩展了频带，
跳频通信技术的研究
跳频通信技术的研究 当今信息时代，如何有效的利用宝贵的频带资源，如何进行准确可靠的信息通信是通信领域中至关重要的问题。扩频通正是在这种背景下迅速发展起来的。从20世纪40年代起，人们就开始了对扩频技术的研究，其抗干扰、抗窃听、抗测向等方面的能力早已为人们所熟知。但由于扩频系统的设备复杂，对各方面的要求都很高，在当时的技术条件下，要制成适应军事和民用需要的扩频系统是不可能的，因而扩频技术发展缓慢。进入20世纪60年代后，随着科学技术的迅速发展，许多新型器件的出现，特别是大规模、超大规模集成电路、微处理器、数字信号处理（DSP）器件、扩频专用集成电路(ASIC)以及像声表面波（SAW）器件、电荷耦合器件（CCD）这样的新型器件的问世，使扩频技有了重大的突破和发展，许多新型系统相继问世，兵在实际的使用和实验中显示出了它们的优越性，使扩频通信成为未来通信的一种重要方式。并因此受到了人们极大的重视。扩展频谱系统主要包括以下几种扩频方式： （1）直接序列扩频（DS） （2）跳频（FH） （3）跳时（TH） （4）线性调频（Chirp） 本文中主要讲述对跳频通信的研究。本论文共分X章， 第一章扩频技术及其理论基础 1.1概论 扩展频谱系统具有很强的干扰性，其多址能力、保密、抗多径等功能也倍受人们的关注，被广泛地应用于军事通信和民用通信中。 扩展频谱系统是指发送的信息被展宽到一个很宽的频带上，这一频带比要发送的信息的带宽宽得多，在接收端通过相关接收，将信号恢复到信息带宽的一种系统，简称为扩频系统或SS（Spread Spectrum）系统。
1.2 扩频通信的理论基础 扩频通信技术是把要发送的信号扩展到一个很宽的频带上，然后再发送出去，系统的射频带宽比原始信号的带宽宽得多。这样做，系统的复杂度比常规系统的复杂度要高得多，付出的代价是昂贵的，能得到什么好处呢？可以从著名的香农定理来看。 香农定理指出：在高斯白噪声干扰条件下，通信系统的极限传播速率（或称信道容量）为 C=B lb（1+S/N）b/s （1-1）式中：B为信号带宽，S为信号平均功率，N为噪声功率。若白噪声的功率谱密度可为,噪声功率N= B，则信道容量C可表示为 （1-2） 由上式看出，B、、S确定后，信道容量C就确定了。由香农第二定理知，若信源的信息速率R小于或等于信道容量C，通过编码，信源的信息能以任意小的差错概率通过信道传输。为使信源产生的信息以尽可能高的信息速率通过信道，提高信道容量是人们所期望的。 由香农公式可以看出： （1）要增加系统的信息传输速率，则要求增加信道容量。增加信道容量的方法可以通过增加传输信号带宽B，或增加信噪比S/N来实现。由式（1-1）可知，B与C成正比，而C与S/N呈对数关系，因此，增加B比增加S/N 更有效。 （2）信道容量C为常数时，带宽B与信噪比S/N可以互换，即可以通过增加带宽B来降低系统对信噪比S/N的要求；也可以通过增加信号功率，降低信号的带宽，这就为那些要求小的信号带宽的系统或对信号功率要求严格的系统找到了一个减小带宽或降低功率的有效途径。 （3）当B增加到一定程度后，信道容量C不可能无限地增加。由式（1-1）可知，信道容量与信号带宽成正比，增加B，势必会增加C，但当B增加到一定程度后，C增加缓慢。由式（1-2）知，随着B的增加，由于噪声功率N= B，因而N也要增加，从而信噪比S/N要下降，影响到C的增加。1-2扩频系统的物理模型
跳频扩频系统
跳频扩频系统 一、定义及原理 跳频扩频系统： 采用码序列控制信号的载波，使之在多个频率上跳变而产生扩频信号。接收端产生一个与信号载波频率变化相同移频信号，用它作变频参考，再把信号恢复到原来的频带。调频系统可随机选取的频率数通常是几百个或更多。 跳频系统的载频受一个伪随机码控制，不断地、随机地跳变，因此跳频系统可视作载频按照一定规律变化的多频频移键控(MFSK）。与直扩系统不同，跳频系统中的伪随机序列并不直接传输，而是用来选择信道。跳频系统主要由PN码产生器和频率合成器两部分组成，快速响应的频率合成器是频率跳变系统的关键部件。频率跳变系统的发射机在一个预定的频率集中，由PN码序列控制频率合成器，使发射频率能随机地由一个跳到另一个。接收机中的频率合成器也按相同的顺序跳变，产生一个与发射频率只差一个中频的本振频率，经混频后得到固定的中频信号，该中频信号经放大后送到解调器，恢复传送的信息。此处，混频器实际上担当了解调器角色，只要收发双方同步，就可将频率跳变信号转换为一个固定频率的信号。 二、跳频系统的结构
三、跳频系统的波形 发送端的波形
接收端的波形 四、跳频系统的优点 跳频扩频技术的优点如下： （1）抗单频干扰，部分带宽干扰能力强 跳频系统的抗干扰原理和直扩系统不同，直扩是靠频谱的扩展和解扩处理来提高信噪比的；跳频是靠躲避干扰，来达到提高信噪比的。虽然不能像直扩系统那样，但由于载波频率是跳变的，减少了单频干扰和窄带干扰进入接收机的概率。故调频系统具有抗单频及部分带宽干扰的能力。当跳频的概率数目足够多、跳频的带宽足够宽时，其抗干扰能力是很强的。 （2）抗多径衰落的能力强 利用载波频率的快速跳变，具有频率分集的作用，从而增强了系统抗多径衰落的能力。 （3）便于实现多址通信 应用跳频通信可以很容易地组建一个多址网络，网络内的各
跳频信号的侦察技术研究
跳频信号的侦察技术研究 跳频通信因其良好的抗干扰性、低截获概率及组网能力,在军事通信中得到了广泛的应用,也向通信侦察提出了严峻的挑战。开展对跳频信号侦察的研究,寻求截获、估计、分选跳频信号的方法,已成为当前通信侦察领域紧迫而艰巨的任务之一。论文研究了复杂电磁环境下跳频信号侦察的关键技术,主要包括跳频信号的检测、参数估计和信号分选三部分内容。首先,将各种时频表示应用于跳频信号的检测,仿真其性能,在时频聚焦性和抑制交叉项两项指标上定性和定量比较了各种时频表示的优劣,寻求综合性能较好的时频表示。建立了跳频信号的数学模型,给出了跳频信号各种参数的定义;重点研究了各种线性时频表示、二次时频分布、重排类时频分布、组合时频分布在跳频信号检测中的应用;利用信息熵,定量评价了各类时频分布的性能,并估算了几种典型时频分布的计算复杂度,给出了各类时频分布的综合评价。其次,针对单天线宽带数字接收系统,研究了复杂电磁环境下基于时频分析的跳频信号参数盲估计算法。针对跳频信号侦察,提出了“复合信息熵”的定量评估指标,该指标综合考虑电磁环境中的信号类型数、跳频信号数目、跳速和信道使用情况,由类型熵、密度熵和分布熵三部分组成;基于信道化门限和时频分析完成了去噪和信号预选;基于谱图对单个跳频信号的跳周期、跳时和载频进行了盲估计;基于组合时频分析(SP&SPWVD),对多个跳频信号的跳周期、跳时、载频和幅度参数进行了盲估计,并给出了各参数估计的仿真性能。再次,基于时频分析、空间谱估计,结合数字信道化、时频聚焦等技术对FH
信号、FH/DS信号进行空时频测向,实现了欠定条件下的高精度测向。根据传统的空时阵列模型,结合信号的时频分析,建立了空时频分布 的数学模型;分析了空时频测向能获得时频增益的原因,研究了增益 大小与哪些因素相关;利用空时频分析实现了多个跳频信号的DOA估计,提出了适合无“频率碰撞”情况下的线性空时频DOA估计算法; 虽然利用空时频技术能够实现欠定条件的多信号测向,但在N /M值较大情况因为信号之间的互扰较大使测向性能欠佳,故再结合数字信道 化技术,解决了N /M值较大情况信号之间互扰很大的问题,实现了多 个跳频信号的高精度测向;将空时频分析和宽带信号测向方法,实现 了欠定条件下多FH/DS信号的DOA高精度估计。最后对跳频信号分选技术进行了深入的研究,针对不同的应用场合提出了相应的分选算法。提出了一种适应于环境中仅存在异步组网电台的实时分选方法,该方 法计算量少,便于实时分选,适合应用于快速、高速跳频信号的侦察; 提出了一种类数目K值的估计和优选初始聚类中心的改进K-Means算法;初始聚类中心优选能使聚类迭代次数大为减少,并能避免聚类过 程中陷入局部最小,增强了聚类的鲁棒性;利用改进K-Means聚类算 法对HDW集合进行了聚类分选;针对高斯核参数σ的优选问题,提出 了粗搜索和精估计相结合的改进方法,在得到精确的σopt同时减少 了总搜索次数;利用密度分布图和领域半径、门限参数实现了KKM算 法中类数目K的估计和初始聚类中心的优选;利用基于高斯核函数的 K-Means对跳速和到达角均时变的跳频信号进行聚类分选,分选效果 良好。
跳频通信系统中的迟入网技术研究
科技情报开发与经济ＳＣＩ－ＴＥＣＨＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ＆ＥＣＯＮＯＭＹ２００７年第１７卷第２期 随着跳频技术的出现，跳频通信得到了迅速发展，由于其独特的技术性能，跳频通信在军事领域得到了广泛的应用。跳频信号的载频具有伪随机跳变的特点，而侦察方无法预先获知其跳变规律，因此难以用伪码同步方法来实现对跳频信号的解跳侦收。本文讨论了跳频通信中的同步控制技术，并提出了一种实现迟入网同步的有效方法。 １系统结构及基本原理 以一种数字化的超短波跳频电台的简要框图为例（见图１），图中Ａｉｎ，Ａｏｕｔ分别表示模拟话音输入和输出。ＤＳＰ是进行同步控制和信号处理的核心模块。发送时，ＤＳＰ主要完成信号的组织、波形形成、驱动频率合成器跳频等任务；接收时，完成信号捕获、同步信息接受、驱动频率合成器跳频以实现解跳及对基带信号进行码元判决等。数字上、下变频器的作用是在ＤＳＰ和高速Ａ／Ｄ／Ａ器件之间完成取样率的匹配，同时进行调制、解调；跳频码发生器根据ＤＳＰ提供的时间信息ＴＯＤ（ＴｉｍｅＯｆＤｅｌａｙ），启动加密算法计算出伪随机的跳频码送给ＤＳＰ；主控单片机用于对系统内的各模块功能进行集中控制和协调，并提供人机接口；外接计算机用于数据传输。 ２时间信息（ＴＯＤ）与３种跳频同步分类 ２．１ＴＯＤ设计格式 为了提高跳频电台的抗干扰能力，同步频率要随时间变化。我们设计了一种非线性的ＴＯＤ表示方法（见图２），将ＴＯＤ分为高段和低段，高段以１ｍｉｎ为计时单位，低段以跳频间隔为计时单位，低段计够１ｍｉｎ后要向高段进位；所以低段只需要１６ｋｂ，高段为３２ｋｂ。ＴＯＤｈ与ＴＯＤｌ一起代表了系统的实时状态。 ２．２３种跳频同步的关系 跳频同步又分为初始同步、迟入网同步和勤务同步。初始同步是指接收方通过接收同步字头实现与发送方同步的过程；迟入网同步是指未能通过接收初始同步入网的电台或者初始同步后又失去同步的电台，通过接收发送方在信息（话音数据或数传数据）跳中的迟入网同步信息实现跳频同步；勤务同步是指接受方在取得初始同步或者迟入网同步后，仍然需要通过接收方插入在信息（如话音数据）跳中的勤务同步信息来保持同步，以免因为收发双方频率源漂移等原因丢失跳频同步。 通常迟入网同步跳和勤务同步跳放在一起设计，只是用途不同而已，简称为迟入网同步。插入在信息跳中的迟入网同步信息和勤务同步信息称为迟入网勤务同步信息，简称为勤务同步；也就是说勤务信息的作用有两个：迟入网同步和同步跟踪保持。 同步跟踪保持在跳频同步中必不可少。不同电台之间由于系统频率源的差异，会造成彼此定时关系的差异。这种差异在同步之后会导致失步。这是因为，两电台获得初始同步以后，在接受机前端收发的跳沿（起跳时刻）是对齐的，现在假定收方的系统频率源略快于发方，那么收方的抽样定时也就略快于发方，从而收方的跳频间隔略快于发方，见图３。当然这里为了说明问题，对时钟差异做了夸大。 由图３可以看出，同步后随着时间增长，跳沿的逐渐错开会导致信号接收出错，直至完全失步。在设计中应避免这种失步，需要设置跳频勤务信息跳，实现跳频同步跟踪保持。勤务信息的接收应具有判断这种跳沿错开方向及大小的作用，所以说，勤务信息是同步保持及快速再同步的保证。 用于计算同步频率的算法称为同步频率算法。在设计同步频率算法时，不管在初始同步中，还是在迟入网勤务同步中，同步频率算法都采用一个不变的算法，但要求这一组同步频率应具有足够的随机性，以提高同步信息的防截获、抗干扰能力。因此在同步方案设计与实现中，对算法提出了很高的要求。 ３迟入网同步方案 ３．１勤务序列格式 本通信系统的设计方案为，每隔２８０跳发一组勤务信息序列，共２０跳（传插有６跳数据），用于迟入网同步和跳频跟踪保 持。设计的跳频迟入网勤务同步序列组成格式见图４。 它由同步序列、网号、ＴＯＤ构成，各自的跳数分配如下： 第一组ｆ０￣ｆ５发＼Ｗａｌｓｈ０～＼Ｗａｌｓｈ５（＼表示负的）；第二组ｆ２￣ 文章编号：１００５－６０３３（２００７）０２－０１９７－０２收稿日期：２００６－０９－１１跳频通信系统中的迟入网技术研究 李冬贵，帖翊，陈生潭 （西安电子科技大学，陕西西安，７１００７１） 摘要：介绍了超短波跳频电台系统结构及基本原理，分析了时间信息（ＴＯＤ）与３种 跳频同步分类，提出了一种迟入网同步方案。 关键词：跳频通信；跳频同步；迟入网同步 中图分类号：ＴＵ９１４．４１文献标识码：Ａ 图１系统结构图示 图２ＴＯＤ表示方法注：图中带端点的箭头指示的是跳频起始时刻—— —跳沿；第几跳指初始同步完成后跳频跳数计数的跳序数。 图３收发跳沿错开的情况 １９７
跳频和扩频通信
跳频通信和扩频通信 跳频通信是扩频通信的一个分支，它的突出优点是抗干扰性强，因而很适用于军事领域。当70年代末第一部跳频电台问世以后，就预示着其发展势头锐不可挡。到了８０年代，世界各国军队普遍装备跳频电台。这十年是跳频电台发展速度最快的十年。广泛使用跳频电台曾被誉为80年代ＶＨＦ频段无线电通信发展的主要特征。90年代，跳频通信如虎添翼，在军用跳频通信领域已相当成熟的同时，跳频通信的应用又拓宽到民用领域。业内人士指出，跳频通信是对抗无线电干扰的有效手段，称其为无线电通信的“杀手锏”。跳频通信是如此的神奇，以致于自其问世至今的短短30年间，倍受世界各国，特别是几大军事强国的青睐。 2 跳频通信的基本概念 2.1 定义 我们在用收音机收听某电台，当电台在中波和短波两个波段上播放同一个节目时，有这样的体会：若中波波段信号不好，则随即换到短波波段收听；当短波波段信号不好，则又换回到中波波段收听。这种以更换波段的手段来改善收听效果的方法，就是跳频的通俗含义。只不过这种跳频仅在接收端发生，而且是由人工干预来实施跳频的。我们假设，当广播电台发送的频段也能“紧跟”收音机用户更换的话，那么，这种通信方式就是跳频通信。因此，跳频通信可这样描述：通信收发双方同步地改变频率的通信方式称为跳频通信。 2.2 同步条件(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。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：跳频频率相同；跳频序列相同；跳频的时钟相同（允许存在一定的误差）。三个条件缺一不可，否则无法实现跳频通信。 3 跳频通信的主要特点 3.1 抗干扰性强 跳频通信抗干扰的机理是“打一枪换一个地方”的游击策略，敌方搞不清跳频规律，因而具有较强的抗干扰能力。一方面，我方的跳频指令是个伪随机码，其周期可长达十年甚至更长的时间。另一方面，跳变的频率可以达到成千上万个。因此，敌方若在某一频率上或某几个频率上施放长时间的干扰也无济于事。
跳频通信系统中同步技术研究
跳频通信系统中同步技术研究 作者：李娜 来源：《现代电子技术》2011年第01期 摘要：同步技术是跳频通信系统关键技术之一。针对跳频通信系统中同步的要求，采用同步字头与时间信息相结合的方法实现跳频同步。首先研究了跳频同步方法、同步信息格式和初始同步等问题，最后对同步性能进行了分析。结果表明，该跳频通信系统的同步时间短、捕获概率高、虚警概率低。 关键词：跳频通信；同步字头; 时间信息TOD; 同步方案；同步性能 中图分类号：TN914.41-34文献标识码：A 文章编号：1004-373X(2011)01-0095-02 Technology of Synchronization in Frequency-hopping Communication System LI Na (Beijing HAIGE SHENZHOU Communications Technology Co. Ltd., Guangzhou HAIGE Communications Group，Beijng 100070, China) Abstract： Synchronization is one of the key technologies of FH communication. The synchronization of frequency hopping is achieved by adopting synchronization head and time of day to meet the requirement of practical development of FH communication system. The method of frequency-hopping synchronization, the format of synchronization information and the capture of synchronization are studied, and the performance of synchronization is analyzed. The results show that the FH communication system has characteristics of short synchronization time, high capture probability and low false probability. Keywords： frequency-hopping communication; synchronization head; TOD; synchronization scheme; synchronization performance 0 引言 跳频通信是现代通信领域中一种有效的抗干扰通信手段，其独特的抗干扰性能使其在军事和民用领域都得到了越来越广泛的应用。由于定时时钟相对误差、传输信道的多普勒频移等因素，跳频通信系统存在时间和频率的不确定性，为保证正常工作，建立和实现准确的跳频同步是关键［1］。 1 跳频同步方法的研究
跳频图案的产生及跳频同步方法
1 跳频图案的产生 1.1 什么是跳频图案? 为了不让敌方知道我们通信使用的频率，需要经常改变载波频率，即“打一枪换一个地方”似地对载波频率进行跳变，跳频通信中载波频率改变的规律，叫作跳频图案。 通常我们希望频率跳变的规律不被敌方所识破，所以需要随机地改变以至无规律可循才好。但是若真的无规律可循的话，通信的双方(或友军)也将失去联系而不能建立通信。因此，常采用伪随机改变的跳频图案。 只有通信的双方才知道此跳频图案，而对敌方则是绝对的机密。所谓“伪随机”，就是“假”的随机，其实是有规律性可循的，但当敌方不知跳频图案时，就很难猜出其跳频的规律来。 图1－1所示为一个跳频图案。图中横轴为时间，纵轴为频率。这个时间与频率的平面叫作时频域。也可将这个时频域看作一个棋盘，横轴上的时间段与纵轴上的频率段构成了棋盘格子。阴影线代表所布棋子的方案，就是跳频图案；它表明什么时间采用什么频率进行通信，时间不同频率也不同。
图1－1 图1－1中所示为一跳频图案，它是在一个时间段内传送一个或多个比特信息。通常称此时间段叫跳频的驻留时间，称频率段为信道带宽。 在时频域这个“模盘”上的一种布子方案就是一个跳频图案。当通信收发双方的跳频图案完全一致时，就可以建立跳频通信了。图1－2所示就是建立跳频通信的示意图。
图1－2 其中t表示时间，s表示空间，f表示频率。当收、发双方在空间上相距一定距离时，只要时频域上的跳频图案完全相重合，就表示收、发双方同步跳频地进行通信。 1.2 跳频图案与跳频频率表 跳频图案是由跳频指令控制频率合成器所产生的频率序列。跳频系统中，跳频带宽和可供跳变的频率(频道)数目都是预先定好的。 比如说，跳频带宽为5MHz，跳频频率的数目是64个，频道间隔是25kHz。这样，在5MHz带宽内可供选用的频道数远大于64个，那么你怎样选择出64个频率来呢? 这就是所谓的跳频频率表。 根据电波传播条件、电磁环境条件以及敌方干扰的条件等因素来制定一张或几张具有64个频率的频率表，即f1，f2，…f64，另一
跳频同步技术及其干扰措施
跳频通信同步技术及其干扰措施 摘要：跳频通信是短波通信抗干扰技术中应用最广泛、最为有效的技术，它的特点决定了它具有较强的抗干扰能力。本文论述了通信对抗中跳频技术的原理、特点、关键技术及其发展方向等，并就如何对跳频通信实施干扰进行了初步探讨。 一、跳频通信技术原理 跳频就是用伪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移频键控。所传递的信息码与伪随机序列模二相加(或波形相乘)构成跳频指令(即跳频图案)，并由它随机选择发送频率。发送端的信息码序列与伪随机序列经过调制后，按不同的跳频图案控制频率的合成。在接收端，接收到的信号与干扰经高放滤波后送至混频器。接收机的本振信号也是一频率跳变信号，跳变规律是相同的，两个合成器产生的频率相对应，但对应的频率有一频差，正好为接收机的中频。只要收发方的伪随机码同步，就可使收发双方的跳频源一频率合成器产生的跳变频率同步，经混频后，就可得到一个不变的中频信号，然后对此信号进行解调，就可恢复出发送的信息。而对干扰信号而言，由于不知道跳频频率的变化规律，与本地的频率合成器产生的频率不相关，因此，不能进入混频器后面的中频通道，不能对跳频系统形成干扰，这样就达到了抗干扰的目的。其工作原理框图如1所示： 图1 跳频通信系统框图
与定频通信相比，跳频通信比较隐蔽也难以被截获，只要对方不清楚载频跳变的规律，就很难截获对方的通信内容。同时，跳频通信也具有良好的抗干扰能力，即使有部分频点被干扰，仍能在其它未被干扰的频点上进行正常的通信。通信双方的跳频图案是事先约好的，同步地按照跳频图案进行跳变，这种跳频方式称为常规跳频。随着现代战争中的电子对抗越演越烈!在常规跳频的基础上又提出了自适应跳频，它增加了频率自适应控制和功率自适应控制两方面。 二、跳频通信的抗干扰性能分析 跳频之抗干扰如同游击战中“打一枪换一个地方”的战术，携带信息的载频不断变化，使敌方的侦察和干扰跟不上通信载频的变化，从而无法施放干扰。所以，跳频性能好坏取决于频率点变化的多少（频率点越多，意味着信号带宽越宽）和频率点变化的快慢，即跳频速率（简称跳速）。跳频带宽越宽，跳速越高，则侦察和干扰越困难。跳频电台的抗干扰性能一般可以用处理增益来描述。跳频处理增益： G N =（1） ( ) lg 10dB F FH 式中 N为跳频信道数。 F 处理增益的物理意义是敌方采用宽带干扰方式干扰跳频电台时所需的功率，较之干扰一个窄带定频电台所需的功率大出的倍数。但是一旦跳频电台被对方的跟踪式干扰机所跟踪，则跳频处理增益不再能说明抗干扰能力。更有实际意义的 10-时，同步概率为95% (又是在干扰环境下的通信能力，例如当同步误码率在1 例如当跳频频率有30%受到干扰时，仍能保持话音通信，但话音质量有所下降。 三、跳频通信关键技术 3.1频率合成技术 频率合成技术是跳频系统的心脏，跳频系统的快慢决定于频率合成器换频时间的快慢，跳变频率的总数和跳频速率决定了系统的整体性能。频率合成器的频率偏差度则决定了跳频通信系统稳定工作的时间。因此，频率合成技术是跳频通信的关键点之一。 3.2跳频图案 跳频图案是通信双方频率跳变的规则，是通信双方事先约定和预置的相关频
基于matlab的跳频通信系统的仿真
摘要 跳频通信系统是一种典型扩展频谱通信系统，它在军事通信、移动通信、计算机无线数据传输和无线局域网等领域有着十分广泛的应用，已成为当前短波保密通信的一个重要发展方向。本文介绍了跳频通信系统的基本工作过程，从跳频系统的结构组成、工作原理、主要技术指标、跳频通信系统的解跳和解调等方面阐述了跳频通信基本原理,并对跳频通信系统的抗干扰技术及其性能进行了仿真研究和理论分析。本文从理论上分析了跳频通信系统的抗干扰性能,其组成部分包括信号生成部分、发送部分、接收部分、判决部分、跳频子系统模块五个部分,并以2FSK系统为例,给出了上述通信干扰样式下的误码率理论分析结果，并利用Matlab中的Simulink仿真系统实现跳频系统的仿真和分析，达到了预期的效果。 关键词：跳频系统; 扩频通信; Matlab; Simulink仿真
目录 第1章绪论 (1) 1.1 概述 (2) 1.2 跳频通信简介 (1) 1.2.1 跳频通信系统概述 (1) 1.2.2 跳频技术的应用背景和发展趋势 (2) 1.3 MATLAB简介 (3) 1.4 本文研究内容及章节安排 (3) 第2章跳频通信系统的基本原理 (4) 2.1 跳频通信系统的结构组成 (4) 2.1.1 跳频系统的发送部分 (4) 2.1.2 跳频系统的接收部分 (5) 2.2 跳频通信系统的性能指标 (6) 2.3 跳频通信系统的调制方式 (7) 2.4 频率合成器 (8) 2.5 跳频信号的解跳与解调 (8) 2.5.1 跳频信号的解跳 (8) 2.5.2 跳频信号的解调 (9) 第3章跳频通信系统仿真及性能分析 (10)
军用跳频电台
军用跳频电台 军用跳频电台大多是短波或超短波电台。 跳频是最常用的扩频方式之一，其工作原理是指收发双方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，也就是说，通信中使用的载波频率受伪随机变化码的控制而随机跳变。从通信技术的实现方式来说，“跳频”是一种用码序列进行多频频移键控的通信方式，也是一种码控载频跳变的通信系统。从时域上来看，跳频信号是一个多频率的频移键控信号；从频域上来看，跳频信号的频谱是一个在很宽频带上以不等间隔随机跳变的。其中：跳频控制器为核心部件，包括跳频图案产生、同步、自适应控制等功能；频合器在跳频控制器的控制下合成所需频率；数据终端包含对数据进行差错控制。 与定频通信相比，跳频通信比较隐蔽也难以被截获。只要对方不清楚载频跳变的规律，就很难截获我方的通信内容。同时，跳频通信也具有良好的抗干扰能力，即使有部分频点被干扰，仍能在其他未被干扰的频点上进行正常的通信。由于跳频通信系统是瞬时窄带系统，它易于与其他的窄带通信系统兼容，也就是说，跳频电台可以与常规的窄带电台互通，有利于设备的更新。 通信收发双方的跳频图案是事先约好的，同步地按照跳频图案进行跳变。这种跳频方式称为常规跳频( Normal FH）。随着现代战争中的电子对抗越演越烈，在常规跳频的基础上又提出了自适应跳频。它增加了频率自适应控制和功率自适应控制两方面。 在跳频通信中，跳频图案反映了通信双方的信号载波频率的规律，保证了通信方发送频率有规律可循，但又不易被对方所发现。常用的跳频码序列是基于m序列、M序列、RS码等设计的伪随机序列。这些伪随机码序列通过移位寄存器加反馈结构来实现，结构简单，性能稳定，能够较快实现同步。它们可以实现较长的周期，汉明相关特性也比较好，但是当存在人为的故意干扰(如预测码序列后进行的跟踪干扰)时，这些序列的抗干扰能力较差。 在90年代初，出现了基于模糊（Fuzzy)规则的跳频图案产生器。在这种系统中，由模糊规则、初始条件以及采样模式共同来决定系统的输出序列。只要窃听者不知道模糊规则、初始条件、采样模式三者的任何一个，就无法预测到系统的输出频率，由此就提高了系统的抗窃听能力和抗干扰能力。模糊跳频给出的跳频码序列与传统的跳频码序列相比更加均匀，也更难预测。 90年代末有人提出了混沌（chaotic)跳频序列。其基本思想是通过混沌系统的符号序列来生成跳频序列。在这个混沌系统中要确定一个非线性的映射关系、初始条件和混沌规则，三者唯一确定一个输出序列。由此确定的混沌跳频序列体现了良好的均匀性，低截获概率，良好的汉明相关特性以及具有理想的线性范围。 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。目前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，目前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，