福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院 湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 佘明輝

福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院 余 輪

擴展頻譜技術(shù)最初應(yīng)用于軍事導(dǎo)航和通信系統(tǒng)中[1-5]。跳頻通信具有抗干擾、抗截獲的能力，并能做到頻譜資源共享。所以在當前現(xiàn)代化的電子戰(zhàn)中跳頻通信已顯示出巨大的優(yōu)越性。另外，跳頻通信也已應(yīng)用到民用通信中以抗衰落、抗多徑、抗網(wǎng)間干擾和提高頻譜利用率。隨著提高通信系統(tǒng)抗干擾性能的需要，擴頻技術(shù)的研究得以廣泛開展，并且應(yīng)用于諸多領(lǐng)域之中[6-11]。

特別適用于移動（陸地、空中和海上）用戶通信[12-16]。本文主要討論跳頻擴頻通信系統(tǒng)的特性、實現(xiàn)原理和同步過程分析。

1.擴頻數(shù)字通信系統(tǒng)

在擴頻通信系統(tǒng)中，接收機作擴頻解調(diào)后，只提取處理后的帶寬的信息，而排除掉寬頻帶中的外部干擾、噪聲和其他用戶的通信影響。擴展頻譜通信通常使用偽隨機序列對待傳送的信號進行調(diào)制，實現(xiàn)頻譜擴展后再傳輸[1]。擴頻數(shù)字通信系統(tǒng)基本框圖如圖1所示。

擴頻系統(tǒng)使用了兩個完全相同的偽隨機圖樣發(fā)生器，兩個發(fā)生器均產(chǎn)生偽隨機序列或者稱為偽噪聲二進制序列（PN序列），在調(diào)制時用來擴展發(fā)送信號的頻譜，在解調(diào)時對接收信號的頻譜進行解擴[2]。

偽隨機圖樣發(fā)生器產(chǎn)生的PN序列與PSK調(diào)制器聯(lián)合使用，從而是PSK信號的相位偽隨機偏移，調(diào)制后的信號為直接序列擴頻信號。當它與二進制或M（M＞2）進制FSK結(jié)合使用時，偽隨機序列按偽隨機方式選擇發(fā)送信號的頻率，由此產(chǎn)生的信號為跳頻擴頻信號。

2.跳頻擴頻系統(tǒng)

跳頻擴頻可以防止在CDMA中遇到的窄帶和寬帶干擾。頻率跳變（frequency hopping.FH）技術(shù)，跳頻的載頻受一個偽隨機（PN）碼的控制，在其工作帶寬范圍內(nèi)，其頻率合成器按PN碼的隨機規(guī)律不斷改變頻率。在接收端，接收機的頻率合成器受偽隨機碼的控制，并保持與發(fā)射端的變化規(guī)律一致。通過跳頻可以獲得更大的處理增益，彌補FSK信號非相干檢測所帶來的損耗。跳頻通信具有抗干擾、抗截獲的能力，并且能做到頻譜資源共享，所以在現(xiàn)代電子戰(zhàn)中跳頻通信已顯示出巨大的優(yōu)越[3]。另外，跳頻通信也應(yīng)用到民用通信中以抗衰落、抗多徑、抗網(wǎng)間干擾和提高頻譜利用率。

圖1 擴頻數(shù)字通信系統(tǒng)基本框圖Fig.1 Expands frequency word communication systematic basic block diagram

圖2 跳頻擴頻系統(tǒng)的框圖Fig.2 Jumps and expand the block diagram of frequency system frequently

2.1 跳頻擴頻系統(tǒng)模型

跳頻擴頻的基本特征是通信信號的載頻預(yù)定的頻率集上改變或者跳轉(zhuǎn)。在跳頻擴頻通信系統(tǒng)中，把可用的信道帶寬分割成大量相鄰的互不重疊的頻率間隙。在任何一信號傳輸間隔內(nèi)，發(fā)送信號占據(jù)一個或多個可用的頻隙，在每個信號傳輸間隔內(nèi)，按照PN發(fā)生器的輸出偽隨機地選擇一個或數(shù)個頻隙[4]。跳頻可以看成是用擴頻碼序列去進行頻移鍵控調(diào)制，使載波頻率不斷地跳變。簡單的頻移鍵控(FSK)只有2個頻率，而跳頻系統(tǒng)則有幾個、幾十個、幾百個甚至上千個頻率，由所傳信息與擴頻碼的組合去進行選擇控制，不斷跳變[5]。跳頻(FH)擴頻中可用的信道帶寬W被分割成大量互不重疊的頻率間隙。任何信號間隔中發(fā)送的信號占有一個或多個可用的頻率間隙。在每個信號間隔內(nèi)，對頻率間隙(s)的選擇由PN生成器的輸出偽隨機地決定。

跳頻擴頻系統(tǒng)的發(fā)射機和接收機的框圖如圖2所示。調(diào)制方式可以為二進制或M進制的FSK（MFSK）。例如，如果采用二進制FSK調(diào)制器選擇兩個頻率中的一個，設(shè)為f0或f1，對應(yīng)于待傳輸?shù)男盘?或1。得到的二進制FSK信號是由PN生成器輸出序列的輸出決定的頻率平移量，選擇一個由頻率合成器合成的頻率fc，與FSK調(diào)制器的輸出進行混頻，再將混頻后的信號由信道發(fā)送。例如PN序列發(fā)生器輸出m個比特，可用來確定2m-1種可能的載波頻率。

在接收端，有一個相同的PN序列生成器，與接收信號同步，并用來控制頻率合成器的輸出。因此，發(fā)射機中引入的偽隨機頻率平移，在接收器端通過合成器的輸出與接收的信號混頻，而將其去除。隨后，得到的信號再經(jīng)過FSK解調(diào)器解調(diào)就能恢復(fù)出原始信號，PN發(fā)生器與FH接收信號的同步信號通常從接收信號中提取。雖然二進制PSK調(diào)制的性能一般比二進制FSK好，然而在合成跳頻圖樣中所使用的頻率很難保持相位相干。當信號通過信道傳播時，要使一個信號在較寬的頻帶上從一個頻率跳到另一個頻率頻率，同樣也很難保持相位相干。所以，在FH擴頻系統(tǒng)中，經(jīng)常采用FSK調(diào)制和非相干解調(diào)。

圖3 FH/MFSK擴頻系統(tǒng)Fig.3 FH/MFSK expand frequency system

圖4 FH/MFSK解調(diào)器Fig.4 The demodulator of FH/MFSK

2.2 跳頻擴頻系統(tǒng)分析

在偽隨機序列控制下，發(fā)射頻率在一組預(yù)先設(shè)計的頻率按照一定規(guī)律離散跳變，從而擴展了信號頻帶。跳頻擴頻通常與多進制移頻鍵控（MFSK）聯(lián)合使用，有k=log2M個信息比特決定發(fā)送信號的頻率[6]。M進制信號的頻率在跳頻寬帶Wss內(nèi)，在頻率合成器的控制下偽隨機地跳變，典型的FH/MFSK系統(tǒng)框圖如圖3所示。在常規(guī)的MFSK系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)所調(diào)制的是固定頻率的載波；而在FH/MFSK系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)碼元調(diào)制的是一個頻率偽隨機變化的載波[7]。如圖3所示，跳頻系統(tǒng)的調(diào)制過程可以看作分為兩個步驟：數(shù)據(jù)調(diào)制和跳頻調(diào)制。但是實際上可以由PN序列和數(shù)據(jù)共同控制頻率合成器一步完成。在每一個跳變時間內(nèi)，PN序列生成器將一個頻率字（L個碼片的序列）送入頻率合成器，用以表示2L個碼元集中的一個。跳頻帶寬Wss、連續(xù)跳變之間最小頻隙△f共同決定了頻率字中需要的最小碼片數(shù)[8]。對于一個給定的跳變，傳輸占用的帶寬與常規(guī)MFSK是相等的，通常遠小于Wss。但考慮多次跳頻的總帶寬，F(xiàn)H/MFSK將占據(jù)整個擴頻帶寬。跳頻擴頻的帶寬可以達到數(shù)兆赫茲，遠遠高于直接序列擴頻系統(tǒng)所能達到的帶寬，因此能獲得比直接序列擴頻更高的處理增益[9]。由于跳頻帶寬非常寬，在頻率跳變時保持相位連續(xù)是很困難的，因此一般采用非相干解調(diào)方法[10]。如圖3所示，接收端的處理步驟與發(fā)送端相反，接收信號首先與偽隨機的跳頻序列混頻進行跳頻解調(diào)（即解跳），再通過一組M個非相干檢測器確定最相似的發(fā)送符號。

估算FH擴頻系統(tǒng)在慢跳頻時的系統(tǒng)性能。考察一個跳變率為Rh=1跳/比特的是跳頻系統(tǒng)，假設(shè)其信道干擾是功率譜密度為Io的寬帶加性高斯白噪聲，此系統(tǒng)采用非相干二進制FSK解調(diào)，其錯誤概率為：

其中，式（1）中 ρb=ξb/Io為每比特的SNR。

正如在直接序列擴頻系統(tǒng)中，單位比特能量ξb可以表示為其中SP代表平均發(fā)射功率，R為比特速率。類似有為寬帶干擾的平均功率，W為可用信道帶寬。因此，信噪比bρ可以表示為：

給出的DS擴頻信號的關(guān)系相同。因此，跳頻也提供了和直接序列擴展基本相同的效益。

圖4是典型的跳頻MFSK（FH/MFSK）解調(diào)器原理圖。首先，信號通過與跳頻時一樣的PN序列解擴，在通過帶寬為數(shù)據(jù)帶寬的低通濾波器，然后進行MFSK解調(diào)。將前一步的輸出送入M個包絡(luò)檢波器，每個包絡(luò)檢波器后面都有限幅（削波）電路和累加器。解調(diào)器對碼元的判決并不是基于逐個碼片的判決，而是將N個碼片的能量累積起來，完成累加后，選擇能量最高的累加器Zi（i=1，2，……，M）對應(yīng)的碼元作為判決結(jié)果[11]。

3.跳頻擴頻的同步過程

跳頻擴頻系統(tǒng)接收端需要一個同步的擴頻序列副本以進行接收信號的解調(diào)［12］。本地生成的擴頻序列與接收擴頻信號的同步通常要經(jīng)過兩個步驟完成，第一步是捕獲，使兩個信號彼此粗略對準；一旦接收的擴頻信號被捕獲，緊接著進行第二步是跟蹤，通過反饋回路使得兩個波形盡可能精確地對準。用于跳頻系統(tǒng)的捕獲電路有并行和串行兩種。并行捕獲需要的相關(guān)器或匹配濾波器數(shù)量巨大，因此實際中通常不采用完全并行搜索技術(shù)。而串行捕獲只需要一個相關(guān)器或匹配濾波器即可實現(xiàn)相應(yīng)的功能，當然速度要慢得多。因此，需要綜合考慮硬件復(fù)雜度和捕獲速度，選擇并行、串行或兩者綜合的結(jié)構(gòu)。

跳頻擴頻信號可以在多用戶共享公共帶寬的CDMA系統(tǒng)中使用。在有些情況中，因為直接序列擴頻信號對同步的要求很嚴格，這時跳頻信號就優(yōu)于直接序列擴頻信號。特別地，直接序列擴頻系統(tǒng)的定時和同步必須在一個碼片間隔Tc=1/W的幾分之一時間內(nèi)建立。而在FH系統(tǒng)中，碼片間隔Tc是在帶寬B?W的特定頻率間隔內(nèi)發(fā)送信號所用的時間，該間隔近似為1/B，遠大于1/W。因此，F(xiàn)H系統(tǒng)的定時要求遠不如直接序列系統(tǒng)嚴格。

圖5 跳頻信號的串行捕獲Fig.5 Jump frequency signal serial catch

圖6 收發(fā)雙方同步跳頻示意圖Fig.6 Dispatcher mutual synchronism jump frequency sketch

以串行捕獲為例介紹跳頻擴頻系統(tǒng)的同步過程。串行捕獲使用單個相關(guān)器或匹配濾波器串行搜索，以尋找FH信號的正確跳頻圖案。通過對每個可能的序列移位重復(fù)相關(guān)過程，串行搜索的硬件復(fù)雜度和尺寸大大的降低［13］。圖5給出了跳頻擴頻串行捕獲的基本構(gòu)造。在跳頻系統(tǒng)串行捕獲過程中，本地PN序列發(fā)生器控制頻率的跳變，使得本地跳頻與接收信號對齊。在捕獲或者粗同步完成后，下一步就需要對接收信號實施跟蹤或者細同步［14］。跳頻系統(tǒng)中只要不發(fā)生頻率的碰撞，利用跳頻序列的正交性，跳頻系統(tǒng)將具有碼分多址和頻帶共享的組網(wǎng)能力，雖然對于一個收、發(fā)信息機而言，占用了很寬的頻帶，但對于整個系統(tǒng)而言，頻帶的利用率仍是很高的。

當通信收發(fā)雙方的跳頻圖案完全一致時，就可以建立跳頻通信了［15］。圖6所示就是建立跳頻通信的示意圖。

圖6中，t表示時間，s表示空間，f表示頻率。當收發(fā)信雙方在空間上相距一定的距離時，只要時頻域上的跳額圖案完全重合，就表示收發(fā)雙方能夠同步跳頻，實現(xiàn)正常通信。一般來講，跳頻帶寬和可供跳變的頻率（頻道）數(shù)目都是預(yù)先定好的，所以可能變化的就是跳頻駐留時間和與各個時間段相對應(yīng)的頻率。比如說，跳頻帶寬為5MHz，跳頻頻率數(shù)目為64個，頻道間隔是25kHz。這樣，在5MHz帶寬內(nèi)可供選用的頻道數(shù)（5MHz/25kHz=200）遠大于64個，那么應(yīng)如何選擇這64個頻率呢？這就是所謂的跳頻頻率表。跳頻頻率的制定應(yīng)以電波傳播條件、電磁環(huán)境條件以及可能的干擾條件等因素為依據(jù)。可能制定一張，也肯能制定要制定幾張。針對一張確定的跳頻頻率表，又怎樣在這些頻率中做到偽隨機地跳頻呢？這就涉及到5個跳頻圖案的選擇問題［16］。當跳頻信號發(fā)生器采用的是偽碼序列發(fā)生器時，跳頻圖案的性質(zhì)主要依賴于偽碼的性質(zhì)，此時，選擇好的偽碼序列成為獲得好的跳頻圖案的關(guān)鍵。

跳頻擴頻的應(yīng)用。跳頻擴頻是代替直接序列擴頻的一種可行方法，它可以防止在CDMA中遇到的窄帶和寬帶干擾?；谔l原理的CDMA系統(tǒng)，為每一發(fā)射機/接收機對分配相應(yīng)的偽隨機跳頻模式。除了這一點不同以外，所有用戶的發(fā)射機和接收機都是相同的，即擁有相同的編碼器、譯碼器、調(diào)制器和解調(diào)器。

基于跳頻擴頻信號的CDMA系統(tǒng)的時鐘同步?jīng)]有直接序列擴頻系統(tǒng)要求得那樣嚴格，所以特別適用于移動（包括陸地、空中和海上）用戶通信。此外，隨著頻率合成技術(shù)和輔助硬件的發(fā)展、可以在比現(xiàn)有直接序列擴頻信號的可用帶寬更大（幅度的一個或多個數(shù)量級）的頻帶上實現(xiàn)頻率跳變。因此，通過跳頻可以獲得更大的處理增益，補償FSK信號固有的非相干檢測所帶來的性能損耗。

4.結(jié)語

跳頻系統(tǒng)從微觀上看是一種窄帶系統(tǒng)，易于和窄帶通信系統(tǒng)兼容；從宏觀上看，它是寬帶系統(tǒng)，因此具有很強的抗干擾和抗衰落能力。因為跳頻系統(tǒng)在某一頻段上只停留很短時間，所以干擾與所需信號碰撞的概率和持續(xù)時間均很小，對強干擾產(chǎn)生的阻塞現(xiàn)象和近電臺產(chǎn)生的遠近效應(yīng)，跳頻系統(tǒng)均有很強的抵抗能力，利用小區(qū)間不相關(guān)的跳頻分集，在擴頻偽隨機碼的控制下，各個跳頻頻隙幾乎不相關(guān)，使得頻率選擇性衰落的影響降低。

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