跳频通信系统

跳频频率相同 跳频序列相同
跳频图案同步
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情况； 跳频图案、跳频频率以及跳频起止时刻完全一致
慢跳频对抗定频干扰
fL
fH
跳频信号
干扰信号
快速跳频通信可对抗跟踪瞄准式干扰
工作时间
fL
工作频率 fH
跳频信号
干扰信号
跳频系统中的模拟调制
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。
模拟信 息信号
FM 调制器
中频 滤波器
混频器
带通 滤波器
去功放 或天线
发中频载波
BURST
Bn || fn
Bn-1 || fn-1
……
B1 || f1
动因
主要应用领域
无线革命的兴起
市场需求的驱动
解决的问题
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
移动通信：GSM 短距离无线通信：HomeRF 保密通信 广播
Bluetooth
WLAN
1.2
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。 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。 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（干扰方式与效果），称其为无线电通信的"杀手锏"。
纽约州的Sylvania公司
50年代初：专利相关研发 1963年：BLADES
终生未得利
1997年 美国电子前沿基金会（EFF）
荣誉技术奖章
跳频通信专利----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----
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。
由于在信息科学领域的卓越贡献，香 农被称为“信息论之父”。
Shannon公式给出了信道容量与带宽和 信噪比之间的关系。
1 跳频(FH)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
❖ 跳频通信是扩频通信的一种重要方式
❖ 跳频通信的起因主要是面向抗干扰的控制系统 ❖ 跳频通信的历史具有戏剧性，应用具有广泛性
TOD PK
+
伪随机序 列产生
跳频序列周期 Pk 2n
跳频图案周期TPRG Pk Th
一次通信的时间远 小于跳频图案周期
跳
复杂非线 频率 频率
频
性变换 控制字 合成器 图
案
不可递推性 不可逆推性
核心单元和关键技术： 伪随机序列发生器 频率合成器
跳频序列
用来控制载波频率跳变的地址码序列称为跳 频序列
1966,1991 偷窃商店
2000.1.19 去世 奥兰多
跳频通信专利----保密通信系统
专利号“2，292，387
申请时间：1941.6.10 授权时间：1942.8.11
音乐家乔治·安泰尔(George Anteil)
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》
1940年初 制作飞机导航系统 .
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-CSK 等调制方式。
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。
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。这样将有利 于组网通信和多用户的码分多址。
跳频图案同步需要时间和频率二维搜索
为了尽可能减少邻近干扰，频率间隔应选择为1／Th，这 样频率 fi的谱状零值正好处于fi +1／Th的峰值处，即为fi +(1 ／Th)，构成频率的正交关系。 跳频频率数为N，跳频带宽为
BRF=N(1／Th)
23
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。
扩频通信
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。
扩展频谱（扩频、扩谱、展频、展谱）----宽带通信
扩展频谱方式---- 直扩（DS）--CDMA 跳频（FH） 跳时（TH）
wenku.baidu.com
混合
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）
1914.11.9 奥地利维也纳
父亲：犹太银行家 母亲：钢琴家
1931 德国
第一部电影：《街上的钱》
1932 世界首位全裸出镜明星
捷克斯洛伐克电影：《神魂颠倒》（Ecstacy）
1937 逃往巴黎 好莱坞 艺名
参演25部戏：50岁时演《霸王妖姬》
6位丈夫
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
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。”
她既是性感的艳星，也是伟大的 科学家
本名海德维希·爱娃·玛丽娅·基 斯勒（Hedy Kiesler Markey）
美籍奥地利人，6次失败婚姻
灵感来自钢琴
电影有限，技术永恒
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
跳频技术之母----海蒂·拉玛（Hedy Lamarr）
通信方（抗干扰）与干扰方的博弈
多网、引诱、ECCM
有线资源的带宽是无限的 无线资源的带宽是有限的
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
跳频技术之母----海蒂·拉玛（Hedy Lamarr）
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。
跳频 器
同步系统
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)
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
发频合输出 发射机输出
f IF
fIF
f IF
收频合输出
fIF
宏观宽带
瞬时窄带
瞬时带宽不大于频率 集中的最小频率间隔
频谱平均分配
频率跳变伪随机
跳频信号时域特征
换频时间小于跳 周期的10%，最大 不超过20%
跳频器
跳频系统中的数字调制（FSK/MSK）
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。
1990年代后技术进步
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
2000年后飞速发展
多频段 超高速
多模式 数据链
多功能 网络化
军用跳频电台
民用跳频通信（1990
慢跳频跳频图案
快跳频跳频图案
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）：
跳频系统中的MFSK调制与解调
跳频系统中的PSK调制
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π/4DQPSK方式
跳频系统中的特殊调制
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。
克劳德. 艾尔伍德. 香农 (Claude Elwood Shannon 1916—2001)
第一个实用跳频通信系统----BLADES
1955年研制
1963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----{ f1 ， f2 ， f3 ，…}
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，跳频序列是区分 每个用户的唯一标志。
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Rh
绝对跳速：
慢速跳频SFH：Rh小于100h/s； 中速频跳MFH：Rh的范围是100～1000h/s； 快速跳频FFH：Rh大于1000h/s。
空号----{
f1'
，f
' 2
，
f
'，…}
3
TBR-2000背负式超短波跳频电台
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
1970年代末产品定型
1980年代逐步推广（特征）
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部SINCGARS
（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）相关处理后恢复成窄带信息数据。
自然干扰（非人为干扰） 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。
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
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。
电磁波波谱
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：