关于建立跳频、跳时隙方案的模型_图文.
帧跳频和时隙跳频
帧跳频和 时隙跳频
主讲人 华 山
知 识回顾
跳频技术
使原先固定不变的无线电发信频率按一定的规律和速度 来回跳变，让对方也按此规律同步跟踪接收的通信技术。
改善衰落 抗干扰能力强
保密性强
频
跳频信道
率
带宽
跳 频时间间隔
跳频驻留时间
时间
跳频带 宽
帧跳频
➢一个帧的时间长度 跳变一次 ➢4.615ms跳变一次
帧跳频
间隔一帧时间
时隙跳频
间隔一帧时间
对于某个用户 来说，两种跳 频方式的跳频 间隔时间是一 样的，都是一 个帧的时间。
欢迎大家课下交流！
时隙跳频
➢一个时隙的时间 跳变一次 ➢0.577ms跳变一次
帧 跳频
一个帧中的8路信号，保持传输时隙不变，每次跳频一起跳到相同的频点
时 隙跳频
TS2
TS7
/U10
/U8
TS0
TS3
/U1
/U4
TS10
TS2
TS6
/U9
/U3
/U7
每个时隙中传输的信号分别跳频
用 户跳频间隔
跳频通信系统培训_PPT_ 跳频系统应用
SINCGARS电台的的现状及发展趋势
五． 软件无线电
软件无线电是一种基于A/D器件、高速DSP芯片，以 软件为核心的崭新体系结构。软件无线电的概念提出后 很快引起了美军的关注。美空军Rome实验室与Hazeltine 公司共同研制了军用软件无线电--易通话(Speakeasy)多 频段、多功能电台。Speakeasy频率覆盖范围为 2MHz~2000MHz，具有多种工作模式(可传送话音、数 据和图像等)、多种速率、多种调制方式(AM、FM、 MPSK、QAM等)、多种接口方式(可以入有线网、卫星 网等)和多种信息安全方式。其主要特点是能迅速重编波 形来适应频带拥挤、频率分配、操作模式、组网、互通 性和电子战威胁的变化。
一． 减小质量
在当今发展计划中，特别强调设备的质量。尽管现 代电子技术，诸如表面贴装技术有助于减少电台的尺寸， 但有两个因素限制了小型化程度的可能性：一个因素是 控制旋钮、开关和显示器的外部尺寸必须足够大才能被 戴保暖手套或身穿三防服装的作战人员使用；另一个因 素是需要提供足够的电池电源。发展最慢的技术领域主 要是电池，根据目前的技术，一块电池只能使输出功率 为5W的电台工作12h，这样，必须一天更换两次电池。
跳频通信的应用
超短波跳频电台—— SINCGARS系列
超短波跳频电台发展概述
20世纪70年代末，美、英、以色列等国相继成功地推出了超 短波跳频电台。20世纪80年代以来，外军超短波跳频电台发 展迅猛，加快了装备的更新换代。到20世纪90年代初，几乎 所有新的超短波电台都具有跳频功能，跳频速率大部分保持 在300跳/秒左右。
跳频通信的应用
联合战术信息分发系统 —JTIDS
(Joint Tactical Information Distribution System)
利用跳频同步的Ad hoc网络时隙同步
同步 方 案 基 于 内部 的 时 间解 析 ，对 文 献 【】 的方 案 作 了改 进 。 １中 文 献 【１ 出 了一种 基 于 内部 参 数 解 析 的 Ａｄ ｈ ｃ网络 时 隙 同步 方 案 。该 时 隙 同步 方 案 包括 节 点 时 １提 ｏ 间 同步 和 保 护 带 设 定 两 部 分 。节 点 时 间 同步 将 网络 中 的节 点 划 分 了等 级 ， 由选 举 产 生 的时 间主 控节 点
的 一种 比较 可 行 的时 隙 同 步 方 案 ，但 是这 种 方 案 需 要 在 网络 中 传输 具体 的 时 间信 息 ，这 占用 了 Ａｄｈ ｃ ｏ
网络 有 限 的 带 宽 资源 。考 虑 到 时 隙 同 步 是要 保 持 时 间基 准 的一 致 ，并 不 需要 保 持 具 体 时 间 一 致 ， 结合 物 理层 采 用 跳 频 方 式 ，可 以借助 于跳 频 同步 来 实 现 时 间 同步 ，避 免 在 网络 中传 输 具 体 的时 间信 息 。本 文 的第 ２部 分介 绍 了实 现 时 隙 同步 的 一些 基 本 原 理 ；第 ３部 分 介 绍 了利 用 跳 频 同步 的 时 隙 同步 具体 实 现 ；第 ４部 分 给 出 了性 能 仿真 结 果 并 与 文 献 ［】 方案 进 行 的 比较 ； 最 后 是对 本 文 的总 结 。 １的
跳频详解
跳频可分为快速跳频和慢速跳频,在GSM中采用的是慢速跳频,其特点是按照固定的间隔改变一个信道使用的频率.根据GSM的建议，基站无线信道的跳频是以每一个物理信道为基础的，因此对于移动台来说，只需要在每个帧的相应时隙跳变一次，其跳频速率为217跳/秒，它在一个时隙内用固定的频率发送和接收，然后在该时隙后需跳到下一个TDMA帧，由于监视其它基站需要时间，故允许跳频的时间约为1ms，收发频率为双工频率。
但对基站系统来说，每个基站中的TRX（收发信机）要同时于多个移动台通信，因此，对于每个TRX来说，能根据通信使用的物理信道，在其每个时隙上按照不同的跳频方案来进行跳变。
一、跳频的种类及各自实现的方法GSM中的跳频可分为基带跳频和射频跳频两种。
在北电系统中采用的是射频跳频。
基带跳频是通过腔体合成器来实现的，而射频跳频是通过混合合成器来实现的。
当采用基带跳频时，它的原理是在真单元和载频单元之间加入了一个以时隙为基础的交换单元，通过把某个时隙的信号切换到相应地无线频率上来实现跳频，这种做法的特点是比较简单，而且费用也底。
但由于采用的腔体合成器它要求其每个发信机的频率都是固定发射的，当发信机要改动其频率时，只能人工调谐到新的频率上，其话音信号随着时间的变化使用不同频率发射机发射，收发信机在跳频总线上不停的扫描观察，当总线发现有要求使用某一频率时，总线就自动指向拥有该频率的发信机上来发送信号。
采用基带跳频的小区的载频数与该小区使用的频点数是一样的。
当采用射频跳频时，它是在通过对其每个TRX的频率合成器进行控制，使其在每个时隙的基础上按照不同的方案进行跳频。
它采用的混合合成器对频带的要求十分宽松，每个发信机都可使用一组相同的频率，采用不同的MAIO加以区分。
但它必须有一个固定发射携带有BCCH的频率的发信机，其他的发信机可随着跳频序列的序列值的改变而改变。
两者的区别是：1、基带跳频采用的腔体合成器最多可配置8个发信机，而且衰耗小，此时衰耗仅为3.5dB;而射频跳频采用的混合合成器的容量较小,最多可配置4个发信机,而且衰耗大,当为H2D时,衰耗为4.5dB当为H4D 时,衰耗为8dB.显然,当基站配置较大时,采用混合合成器的基站的覆盖要小.2、腔体合成器对频段的要求不如混合合成器灵活,混合合成器所带的发信机可以使用一组频率,频点的间隔要求为200 K;腔体合成器的发信机仅能使用固定的频率发射,而且所用频点的间隔要求大于600K.3、基带跳频的每个发信机TX只能对应一个频点，而射频跳频的每个发信机TX能够发送所有参与跳频的频点。
跳频通信系统培训_PPT_ 均衡
a h(kT t
n s
0
nTs ) —除第k个码元以外的其他码元产生的 不需要的串扰值，称为码间串扰。
时变
传播迟延
信道冲激响应
h(t, )
max(t)
信号经过多条路径到达，每条径的幅度和相位是随机的
考虑收发信机的移动性，信道是时变的，时变会带来频域弥散（多普勒 频移）
把无线信道建模为线性时变信道→时变信道的抽头延迟线模型
无线通信系统模型
s(t)
传输信号 多径通道
h(t)
+
x(t) 均衡 y(t) 解调
器
c(t)
噪声
信号
均衡前：
x t s t * h t n t
均衡后： y t x t * c t
s t * h t n t * c t
数字通信系统模型
信道编码 调制 基带发送 噪声和干扰 信道 RF部分
信道解码
同步、信道均衡 和解调 基带接收
RF部分
为什么会产生码间干扰
无线通信系统的移动台常常工作在一些如城市、山
区等存在高大障碍物的较为复杂的环境中，所以无 线信道的传输特性也随时随地发生变化，因此无线 通信的信道是典型的随参信道。
结束
yk
n
cr
n k n
1, k 0 0, k 1, 2,......, N
当k为其他值时，yk可能是非零值，构成均衡器输出端的残留码间干扰。
例1 设计三个抽头的迫零均衡器，以减少码间的干扰。已 知，r2 0 ， r1 0.1 ，r0 1 ，r+1 -0.2， r2 0.1 ，求三个抽头 的系数。 1, k 0 解：根据迫零均衡器必须满足 yk cn rk n n 0, k 1, 2,......, N 列出矩阵方程为
《跳频通信系统》课件
跳频通信系统的频率合成技术
高精度频率合成
为了实现高速跳变和减少邻道干扰，需要高精度的频率合成器来产生跳频信号。
低相位噪声频率合成
在跳频通信中，相位噪声对通信性能的影响较大，因此需要采用低相位噪声的频 率合成技术。
跳频通信系统通过在传输信息时 不断改变载波频率，以避开干扰 信号和保护通信内容不被窃听。
跳频通信系统具有抗干扰能力强 、保密性好、抗多径干扰等优点 ，广泛应用于军事、民用等领域
。
跳频通信系统的调制方式
调相（PM）调制
01
通过改变载波相位来传递信息，具有较好的抗干扰性能和较高
的频谱利用率。
调频（FM）调制
传输速率
跳频通信系统通过快速跳变频Hale Waihona Puke 来实现高速数据传输。跳频点数
增加跳频点数可以增加通信系统的传输速率，但同时也会增加系统 的复杂性。
调制解调方式
采用高效的调制解调方式可以提高跳频通信系统的传输速率。
跳频通信系统的功耗优化
功耗
跳频通信系统的功耗是评价其性能的重要指标之一。
低功耗设计
采用低功耗的硬件和软件设计可以降低跳频通信系统 的功耗。
未来趋势
随着物联网、智能家居等技术的普及，跳频通信系统将有更广阔 的应用前景。
跳频通信系统的应用场景
军事通信
用于军事隐蔽通信和无线电指挥。
民用通信
用于无线局域网、无线数传、卫星通信等领域。
物联网
用于智能家居、智能交通、智能农业等物联网应 用场景。
02
跳频通信系统的原理
跳频通信系统的基本原理
跳频通信是一种利用载波频率在 一定频带内快速跳变以实现抗干 扰和保密通信的无线通信技术。
通信系统学习-跳时系统
第4章 跳频通信系统 只要收发两端在时间上严格同步进行， 就能正确地恢 复原始数据。 跳时也可以看成是一种时分系统；不同之处在于它不是 在一帧中固定分配一定位置的时片， 而是由扩频码序列控 制的按一定规律跳变位置的时片。 由于简单的跳时抗干扰性不强， 因而很少单独使用。 跳时通常都与其他方式结合使用， 组成各种混合方式。
第4章 跳频通信系统
4.8 跳时系统
使发射信号在时间轴上跳变。用码序列进行选择的多 时片的时移键控。
图1-5 跳时系统
第4章 跳频通信系统 在发端， 输入的数据先存储起来， 由扩频码发生器产 生的扩频码序列控制通—断开关， 经二相或四相调制后再 经射频调制后发射。 在收端， 由射频接收机输出的中频信号经本地产生的 与发端相同的扩频码序列控制通—断开关， 再经二相或四 相解调器， 送到数据存储器并再定时后输出数据。
跳频
跳频技术简介2006-10-30 19:50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。
跳频通信系统ppt课件
跳频速率和跳频数的确定
❖ 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。
sP(t)
s12(t)
I
cos[(0＋nT)t＋kn]
cos[(r＋nT)t＋r]
sp(t)[s1发 (t端 ) sj(t)n(t)J(t)]cos[(rmT)t r]
收端
j2
12m(t){cos(It j )cos[(0
r
2ns12T()tt
❖图中画出的3个码元时间(0．1s)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,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。
跳频速率和跳频数的确定
比特
1
0
❖图6-28（a）是一个采用2PSK调
频率
❖ 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。
❖为了尽可能减少邻近干扰,频率间隔应选择为1／T,这样频率 fi的谱状零值正好处于fi +1／T的峰值处,即为fi +(1／T),构成 了频率的正交关系,如图6-22(c)所示。
时间
续时 间
(b)
跳频速率和跳频数的确定
❖ 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。
❖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,但只要 大多数频率正确,通过多数判决,就能减少差错率。
跳频原理与频率规划
慢跳频分类－1
慢跳频分类 从跳频序列方面来区分，可分为两类： 循环跳频(Cyclic hopping mode) ：使用相同的跳频序列。 自由跳频(Random hopping mode) ：GSM系统一般采用 的跳频方式，可定义1~63个序列，即有63种不同算法， 能够最大限度地避免相同频率的空中碰撞。
频率规划理论
频率规划概述 频率复用 频率规划
频率规划概述－1
蜂窝系统发展到今天，容量受到一定的频 率带宽限制。频率必须进行复用才能满足一定 区域内的容量需求。但频率复用尤其是紧密的 频率复用方式必然会使我们面临如何降低同邻 频干扰的问题：在同等区域内，频率复用距离 越宽松，同邻频干扰越小，但容量也小；频率 复用越紧密，容量得到一定的提升，但随之带 来了同邻频干扰的上升。如何取得容量和话音 质量的平衡是频率计划必须解决的问题，换句 话说，一个良好的频率计划可以在维持良好的 话音质量的基础上实现网络容量的提升。
于是，射频跳频的频率平均复用度将大大减小，其大小由频 带宽度和跳频序列频点数的比值决定，其平均复用度可以达到2x3， 甚至是1x3，而其同频干扰保护比仍能满足条件。 而对于基带跳频而言，由于N(hop)<= N(TRX)。这是由跳频的 机制所决定的。 例如：频带宽度BW=36，每个小区频点数N(TRX)=3，射频跳 频序列长度N(hop)=12。于是，对于基带跳频(BBH) ， ARCS=36/3=12，因此可用3x4复用；对于射频跳频(RFH) ， FARCS=36/12=3，可以达到1x3复用。
不开跳频及射频跳频情况下话务量，复用度以及拥塞关系
由上图可知，在不跳频的网络中，ARCS=12较为适 合，软拥塞将达到最低。当ARCS=3时，尽管网络 频点配置可以很高，但软拥塞将决定系统容量会大 大下降。开启射频跳频后，当ARCS=3时，网络软 拥塞达到最低，也就是说，在射频跳频网络中可做 到1x3复用
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A4:关于建立跳频、跳时隙方案的模型
图1
在IEEE802.15.4中，规定了在2.4-2.483GHz，Fc=2405+5（k-11）in megahertz, for k=11，12，…，26其中K是信道编号，代表了从第11到第26号一共16个信道，每个信道的频间间隔是5MHz，如图1所示。
这16个信道可以同时工作，在其载波上交互的数据不会相互干扰。
图2
WIA-PA超帧的CAP阶段主要用于设备加入，簇内管理和重传。
CFP阶段用于手持设备与簇首间的通信。
WIA-PA超帧将IEEE STD 802.15.4-2006超帧非活动期的时隙用于簇内通信、簇间通信以及休眠。
网络管理者负责为每个路由设备生成一个WIA-PA超帧，每个路由设备的超帧长度可以不同。
路由设备的超帧长度为所管理簇的最小数据更新周期。
WIA-PA超帧中的时隙类型包括共享时隙和专用时隙，其中共享时隙用于簇间非周期性数据的传输，专用时隙用于簇内通信段和簇间通信段周期性数据的传输。
图3
按照上述拓扑结构，在一个超帧周期的通信时间范围内，每一个时隙只有一个节点工作，这样就会使得整个网络数据交互周期变得很长。
况且有些节点在每一个数据
采集周期中，可能出现没有数据上传的情况，势必造成过多的通信资源浪费，整个网络的吞吐量下降。
因此，我们将图4的拓扑结构设计成图5的拓扑结构，
图4
图5
将各簇内的节点数据收发收发模块的功率调大，能使节点发送数据包至或者接收到全网内任意的路由节点。
对于每一个路由节点，都工作在一个信道上，那么就有4个节点同时在接收传感器节点上传的数据。
考虑到每个节点都会存在在某个周期内没有数据发送的状态，那么，我们通过在自己所处的通信时隙前利用命令帧广播自己的“资源空闲信息”，告知整个网络其他节点自己空出来的通信资源，设计一种传感器节点跳频、跳时隙的通信方法，便于其
他节点占用。
（数据交互过程详见IEEE802.15.4、具体算法见“跳频跳时隙算法终版”）
例如：
在一个网内包括有15个数据信道、1个控制信道和197个节点。
默认所有节点在此通信周期里面有数据发送时，那么至少就应该分配[n/k]=14个时隙给全网节点。
当有节在这个周期里面没有数据向路由节点发送时，节点通过命令帧在控制信道上向全网告知自己的“空闲资源信息”，当编号其之后的节点收听到之后，调整自己发送数据的时隙及信道资源。
例如，按计划应该在第二时隙第2信道上发送数据的17号节点在这个数据周期交互周期里面没有数据发送给路由节点，那么它在第一时隙利用控制信道报告自己的“节点编号”（可按算法推算“空闲资源信息”），在此刻处于监听状态的其他节点收听到命令帧，修改自己发送数据的时隙及信道，占用空闲资源。
此时下一个时隙的第一个数据信道上的31号节点填补17号节点的位置，其他节点依次将自己的位置往前“挪”一个。
如图所示：
如此以往，没有数据发送的节点的通信资源都被利用，可以得到下图所示的效果：
针对问题建模：
在此簇内传感器节点是n，在整个带宽内信道个数是k，在一个节点有发送数据的概率是P的情况下，参考相关资料求：
（1）在不会发生通信冲突的情况下，使整个网络通信的带宽达到最大；
（2）设计算法求出在通信周期内分配多少个时隙最合适？。