跳频系统基本原理

Posted 2021-03-24 littleking163

跳频系统基本原理

　　在广阔地域使用短波通信，都希望通信话路畅通和保密。然而他们常遇到窃听、电子对抗、信道拥塞等问题。常规短波电台用固定频率发射和接收，因而无法避开窃听、人为干扰、信道阻塞。这些问题必须利用跳频技术才能彻底克服。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。
　　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。
　　通信收、发双方的跳频图案是事先约定好的，或者是由发方通知收方的。这个跳频图案是敌方所不知道的。敌方若想于扰跳频通信，有几种策略可供选择：

• 　　干扰方式1，在某一个频率上施放长时间的大功率的干扰，即单频干扰。
• 　　干扰方式2，在某几个频率上施放长时间大功率的干扰，即多频干扰。
• 　　干扰方式3；在连续的几个频带上施放长时间大功率的干扰，称作部分频带来扰。
• 　　干扰方式4，在不同时间内在不同的频率上施放大功率的干扰。
• 　　干扰方式5，依照跳频图案的规律跟踪施放大功率的干扰。

　　这些干扰方式和跳频通信的关系正像二人对奕时相互“出子”一样，当双方的“布子”落在时一频域棋盘内的同一小格时，则干扰有效。因此，跟踪跳频图案施放的干扰策略就是最佳的干扰跳频通信的策略了。
　　考察一个系统的跳频技术性能，应注意下列各项指标：

• 　　跳频带宽
• 　　跳频频率的数目
• 　　跳频的速率
• 　　跳频码的长度(周期)
• 　　跳频系统的同步时间

　　一般说来，希望跳频带宽要宽，跳频的频率数目要多，跳频的速率要快，跳频码的周期要长，跳频系统的同步时间要短。
　　跳频带宽的大小，与抗部分频带的干扰能力有关。
　　跳频带宽越宽，抗宽带干扰的能力越强。所以希望能全频段跳频。例如，在短波段，从1.5MHz到3MHz全频段跳频；在甚高频段，从30MHz到80MHz全频段跳频。
　　跳频频率的数目，与抗单频干扰及多频干扰的能力有关。
　　跳变的频率数目越多，抗单频、多频以及梳状干扰的能力越强。在一般的跳频电台中，跳频的频率数目不超过100个。
　　跳频的速率，是指每秒钟频率跳变的次数，它与抗跟踪式干扰的能力有关。
　　跳速越快，抗跟踪式干扰的能力就越强。一般在短波跳频电台中，其跳速目前不超过100跳／秒。在甚高频电台中，一般跳速在500跳／秒。对某些更高频段的跳频系统可工作在每秒几万跳的水平。
　　跳频码的长度，它将决定跳额图案延续时间的长度，这个指标与抗截获(破译)的能力有关。
　　跳频图案延续时间越长，敌方破译越困难，抗截获的能力也越强。跳频码的周期可长达10年甚至更长的时间。
　　跳频系统的同步时间，是指系统使收发双方的跳频图案完全同步并建立通信所需要的时间。系统同步时间的长短将影响该系统的顽存程度。因为同步过程 一旦被敌方破环，不能实现收、发跳频图案的完全同步，则将使通信系统瘫痪。因此，希望同步建立的过程越短越好，越隐蔽越好。根据使用的环境不同，目前跳频电台的同步时间可在秒或几百毫秒的量级。
　　当然，一个跳频系统的各项技术指标应依照使用的目的、要求以及性能价格比等方面综合考虑才能作出最佳的选择。跳频系统的特点，在很大程度上取决于它的扩展频谱机理。跳频扩展频谱在机理上与直接序列扩展频谱大不相同。
　　载波频率之间的频率间隔就是信道带宽，跳频的载波数目乘上信道带宽就是跳频带宽。因此，跳频系统有如下特点：
　　由于它是瞬时窄带系统，它易于与目前的窄带通信系统兼容。
　　目前的通信系统不论是模拟调制的还是数字调制的，通常都是窄带的通信系统。如果给现有的窄带通信系统加装上能使其载波频率按照某种跳频图案跳变并能实现同步接收的装置，则可改造成为跳频通信系统。
　　由于它是宏观的宽带系统，它具有扩展频谱的抗干扰能力。
　　跳频扩展频谱具有抗单频干扰、多频干扰的能力，还具有抗部分频带和宽带干扰的能力。
　　在传统的定频通信系统中，发射机中的主振荡器的振荡频率是固定设置的，因而它的载波频率是固定的。为了得到载波频率是跳变的跳频信号，要求主振荡　器的频率应能遵照控制指令而改变。这种产生跳频信号的装置叫跳频器。跳频器输出的跳变的频率序列，就是跳频图案。因此，有什么样的跳频指令就会产生什么样的跳频图案?通常，是利用伪随机发生器来产生跳频指令的，或者由软件编程来产生跳频指令。所以，跳频系统的关键部件是跳频器，更具体地，是能产生频谱纯度好的快速切换的频率合成器和伪随机性好的跳频指令发生器。
　　定频信号的接收设备中，一般都采用超外差式的接收方法，即接收机本地振荡器的频率比所接收的外来信号的载波频率相差一个中频，经过混频后产生一个固定的中频信号和混频产生的组合波频率成分。经过中频带通滤波器的滤波作用，滤除组合波频率成分，而使中频信号进入解调器。解调器的输出就是所要传送给收端的信息。
　　跳频信号的接收，其过程与定频的相似。为了保证混频后获得中频信号，要求频率合成器的输出频率要比外来信号高出一个中频。因为外来的信号载波频率是跳变的，则要求本地频率合成器输出的频率也随着外来信号的跳变规律而跳变。所以，接收机中的跳频器还需受同步指令的控制，以确定其跳频的起、止时刻。可以看出，跳频器是跳频系统的关键部件，而跳频同步则是跳频系统的该心技术。
　　跳频系统要实现跳频通信，正确接收跳频信号的条件是跳频系统的同步。
　　系统的同步包括以下几项内容：

• 　　收端和发端产生的跳频图案相同，即有相同的跳频规律。
• 　　收、发端的跳变频率应保证在接收端产生固定的中频信号，即跳变的载波频率与收端产生的本地跳变频率相差一个中频。
• 　　频率跳变的起止时刻在时间上同步，即同步跳变，或相位一致。
• 　　在传送数字信息时，还应做到帧同步和位同步。

　　目前世界各电台厂商提供的多数是普通数字式跳频。数字跳频的缺点是跳频频谱不够隐蔽，容易被识别、破译、跟踪。近两年出现了更先进的智能边带跳频模式，这是边带跳频和智能跳频的统称。边带跳频是在数字跳频 基础上发展的更高级技术，它将跳频码隐含于边带话音中，隐含的跳频信号近似边带噪声，比一般的数字跳频更难被识别，破译和跟踪。智能跳频则是一种具有极强的频带适应技术，能够在256KHz跳频频带内自动识别和弃用拥塞信道。明显净化通信背景。例如在夜晚，短波信道常常被各种嘈杂的信号所占据，利用智能跳频，可以将整个通信网自动调整到干净的信道区，通信背景自然就会干净和安静的多，有用信号将明显变的清晰