跳頻通信

採用跳頻技術是為了確保通信的秘密性和抗干擾性。與定頻通信相比，跳頻通信比較隱蔽也難以被截獲。只要對方不清楚載頻跳變的規律，就很難截獲我方的通信內容。同時，跳頻通信也具有良好的抗干擾能力，即使有部分頻點被幹擾，仍能在其他未被幹擾的頻點上進行正常的通信。由於跳頻通信系統是瞬時窄帶系統，它易於與其他的窄帶通信系統兼容，也就是説，跳頻電台可以與常規的窄帶電台互通，有利於設備的更新。

跳頻功能主要是：

(1) 改善衰落。

(2) 處於多徑環境中的漫速移動的移動台通過採用跳頻技術，大大改善移動台的通信質量，相當於頻率分集。

在廣闊地域使用短波通信，都希望通信話路暢通和保密。然而他們常遇到竊聽、電子對抗、信道擁塞等問題。常規短波電台用固定頻率發射和接收。因而無法避開竊聽、人為干擾、信道阻塞。這些問題必須利用跳頻技術才能徹底克服。

“跳頻通信”就是針對上述傳統無線電通信的弊端，使原先固定不變的無線電發信頻率按一定的規律和速度來回跳變，而讓約定對方也按此規律同步跟蹤接收。由於敵方不瞭解我方無線電信號的跳變規律，很難將信息截獲。儘管它亦可以採用“跟蹤干擾”的方式來干擾我方電台，但由於跳頻頻譜變化無常，往往是敵方剛搜索到某發送頻率，它立即又變了，很難做到緊跟不捨。可能有人會提出全面實行干擾（即“寬帶阻塞干擾”）的方法，但這樣做不僅會耗費巨大功率，而且還可能因此而暴露自己和對己方通信造成嚴重干擾。

跳頻通信是一種數字化通信，是擴頻通信的一種。在這種通信方式中，信號傳輸所使用的射頻帶寬是原信號帶寬的幾十倍、幾百倍以至幾千倍。但僅就某一瞬間來説，它只工作在某一頻率上。

跳頻的原理是：按全網預設的程序，自動操控網內所有台站在一秒鐘內同步改變頻率多次，並在每個跳頻信道上短暫停留。週期性的同步信令從主站發出，指令所有的從站同時跳躍式更換工作頻率。

跳頻通信的原理説來也並不複雜。它是在普通無線電短波通信基礎上增加一個“碼控跳頻器”。它的主要作用是使跳頻通信發射的載波按一定規則的隨機跳變序列發生變化。實現跳頻通信的關鍵是，收發雙方受偽隨機碼控制的、用來改變載頻頻率的本振頻率必須嚴格同步。跳頻偽隨機碼的改變可用微型計算機控制；改變計算機的程序，就可改變跳頻的規律。跳頻變化的方案不止一套，且經常更換，要識破它就猶如大海撈針，十分困難。

就通信的安全性而言，跳頻短波通信比衞星通信更為可靠。這是因為提供衞星服務的機構對其所屬國承擔了戰略責任，必須受到該國政府的控制，而跳頻短波通信是完全自主的，因而也是最可信賴的，在涉及國家安全和社會安全的場合，跳頻短波通信的地位無可取代。

目前世界各電台廠商提供的多數是普通數字式跳頻。數字跳頻的缺點是跳頻頻譜不夠隱蔽，容易被識別、破譯、跟蹤。近兩年出現了更先進的智能邊帶跳頻模式，這是邊帶跳頻和智能跳頻的統稱。邊帶跳頻是在數字跳頻基礎上發展的更高級技術，它將跳頻碼隱含於邊帶話音中，隱含的跳頻信號近似邊帶噪聲，比一般的數字跳頻更難被識別，破譯和跟蹤。智能跳頻則是一種具有極強的頻帶適應技術，能夠在256KHz跳頻頻帶內自動識別和棄用擁塞信道。明顯淨化通信背景。例如在夜晚，短波信道常常被各種嘈雜的信號所佔據，利用智能跳頻，可以將整個通信網自動調整到乾淨的信道區，通信背景自然就會乾淨和安靜的多，有用信號將明顯變的清晰。

GSM系統中的跳頻分為基帶跳頻（BBH）和射頻跳頻（SFH）兩種。射頻跳頻的原理是話音信號固定在一個發射機上發射，但是該發射機的發射頻率不斷變化，具體變化過程由跳頻序列控制。射頻跳頻比基帶跳頻具有更高的性能和抗同頻干擾能力，目前的GSM實際網絡一般都採用射頻跳頻。

跳頻通信一般分為兩種：跳頻頻率高於信元碼率時，稱作快速跳頻。跳頻頻率低於信元碼率時，稱作慢速跳頻。

快速跳頻抗干擾能力極強，基本上認為是不可被破解的。但系統成本較高，目前只用在軍事通信領域。

慢速跳頻的特點是按照固定的間隔改變一個信道使用的頻率。2G中GSM採用的就是慢速跳頻。 ^[3]  根據GSM的建議，基站無線信道的跳頻是以每一個物理信道為基礎的，因此對於移動台來説，只需要在每個幀的相應時隙跳變一次即可，即每秒跳217次。它在一個時隙內用固定的頻率發送和接收，然後在該時隙後需跳到下一個TDMA幀，由於監視其它基站需要時間，故允許跳頻的時間約為lms，收發頻率為雙工頻率。相對來説實現簡單。

通信收發雙方的跳頻圖案是事先約好的，同步地按照跳頻圖案進行跳變。這種跳頻方式稱為常規跳頻(Normal FH）。隨着現代戰爭中的電子對抗越演越烈，在常規跳頻的基礎上又提出了自適應跳頻。它增加了頻率自適應控制和功率自適應控制兩方面。在跳頻通信中，跳頻圖案反映了通信雙方的信號載波頻率的規律，保證了通信方發送頻率有規律可循，但又不易被對方所發現。常用的跳頻碼序列是基於m 序列、M序列、RS碼等設計的偽隨機序列。這些偽隨機碼序列通過移位寄存器加反饋結構來實現，結構簡單，性能穩定，能夠較快實現同步。它們可以實現較長的週期，漢明相關特性也比較好，但是當存在人為的故意干擾(如預測碼序列後進行的跟蹤干擾)時，這些序列的抗干擾能力較差 ^[1]  。

與一般的數字通信系統一樣，跳頻系統要求實現載波同步、位同步、幀同步。此外，由於跳頻系統的載頻按偽隨機序列變化，為了實現電台間的正常通信，收發信機必須在同一時間跳變到同一頻率，因此跳頻系統還要求實現跳頻圖案同步。跳頻系統對同步有兩個基本要求：一是同步速度快，二是同步能力強。目前跳頻電台的同步方法有精確時鐘法、同步字頭法、自同步法、FFT捕獲法、自迴歸譜估計法等等。在實際應用中，同步方案常常綜合使用多種同步方法。例如戰術跳頻系統中常用掃描駐留同步法，綜合使用了精確時鐘法、同步字頭法、自同步法三種同步方法，分成掃描和駐留兩個階段進行。掃描階段完成同步頭頻率的捕獲，駐留階段從同步頭中提取同步信息，從而完成收發雙方的同步。

在自適應跳頻中，同步還包括收發雙方頻率集更新的同步，保證雙方同步地實現壞頻點替代，否則會使收發雙方頻率表不一致，導致通信失敗。頻合器是跳頻通信系統中的關鍵部分，目前大多數跳頻電台中使用的頻率合成器採用的是鎖相環（PLL）頻率合成技術，但是該技術的頻率轉換速度已經接近其極限，要進一步改善的技術難度越來越大，而且分辨率較低。為了能夠進一步提高跳頻速率，提出了直接式數字頻合器(DDS）。它採用全數字技術，具有頻率分辨率高，頻率轉換時間快，輸出頻率可以很高而且穩定性好，相位噪聲低等優點，可滿足快速跳頻電台對頻率合成器的要求。例如在美國的JTIDS 中，跳速達到每秒35800 跳，只有採用直接數字頻合器才能實現。但是DDS的價格昂貴，複雜度大，直接用於戰術跳頻電台有一定的難度。如果採用DDS+PLL的方法，結合兩者的長處，可以獲得單一技術難以達到的效果。在跳頻系統中，即使在信道條件良好的情況下，仍有可能在少數跳中出現錯誤，因此有必要進行差錯控制。差錯控制的方法主要分為兩類：一是自動請求重發糾錯（ARQ)技術；二是採用前向糾錯（FEC）技術。ARQ技術可以很好的對付隨機錯誤和突發錯誤，它要求有反饋電路，當信道條件不好時，需要頻繁的重發，最終可能導致通信失敗。FEC技術不需要反饋電路，但是需要大量的信號冗餘度以實現優良的糾錯，從而會降低信道效率。由於糾錯碼對突發錯誤的糾錯能力較差，而通過交織技術可以使信道中的錯誤隨機化，因此，經常採用編碼與交織技術相結合的辦法來獲得良好的糾錯性能。在跳頻系統中常用的糾錯編碼技術有漢明碼、BCH碼、trellis 碼、RS碼、Golay碼、卷積碼和硬判決譯碼、軟判決譯碼等。1993年提出了TURBO碼，其信噪比接近於Shannon極限，引起了人們的極大興趣。與RS碼等常用的跳頻編碼相比，TURBO 碼在跳頻系統中顯示了極大的應用潛能。此外，還可以把不同的編碼方法結合在一起，取長補短，進行聯合編碼。在快跳頻方式下，還可以運用重發大數判決來克服跳頻頻段內的快衰落。

跳頻電台在實際應用中通常要組成跳頻通信網，以實現網中的任何兩個通信終端均能夠做到點到點的正常通信。組網除了要避免近端對遠端的干擾、碼間干擾、電磁干擾等其它干擾以及由系統引起的熱噪聲等噪聲干擾以外，還要注意避免由組網引起的同道干擾、鄰道干擾、互調幹擾、阻塞干擾等。採用跳頻的多址通信網具有很多優點：抗干擾能力強，低截獲概率，低檢測概率，對頻率選擇性衰落有很好的抑制作用等等。但是，與常用的DS/CDMA系統相比，跳頻網的最大用户數相對較小。 ^[2] 

跳頻通信網可以分為同步通信網和異步通信網。跳頻通信網有多種組網方式，如分頻段跳頻組網方式、全頻段正交跳頻組網方式等。在分頻段跳頻組網方式中，系統把整個頻段分成若干個子頻段，不同的通信鏈路採用不同的子頻段進行通信，從而有效地防止同一通信網間的干擾。全頻段正交跳頻組網方式僅用於同步跳頻通信網中，也就是説整個通信網中只有一個基準時鐘，通過設計在某一相同時刻t 的N 個相互正交的跳頻頻率序列來進行組網，這樣儘管各個終端間的通信均使用相同頻段，但是由於瞬時的跳頻頻率點不相同，因此可保證它們之間不會出現同頻道干擾。自適應跳頻通信系統中，由於在通信過程中會去除那些通信條件惡劣的信道，因此頻率更新後可能會出現同頻道干擾現象，故必須設計一種良好的頻點更新算法，保證更新後的跳頻序列之間依然是正交的，否則可能會使各通信節點之間頻繁出現頻率碰撞，導致無法正常通信。實際應用中也可以把以上兩種組網方式結合進行。例如英國Recal-Tacticom 公司的Jaguar 系列電台在組網中就同時採用了這兩種組網方式，可組網數目達到200—300 個。

除了以上這些關鍵技術以外，調製解調方法在跳頻系統中也很重要，可以採用FSK、QAM、QPSK、QASK、DPSK、QPR、數字chirp 調製等多種調製方式。自適應跳頻系統是在常規跳頻系統的基礎上，實時地去除固定或半固定干擾，從而自適應地自動選擇優良信道集，進行跳頻通信，使通信系統保持良好的通信狀態。也就是説，它除了要實現常規跳頻系統的功能之外，還要實現實時的自適應頻率控制和自適應功率控制功能，因此就需要一個反向信道以傳輸頻率控制和功率控制信息。通過可靠的信道質量評估算法，發現了干擾頻點後，應當在收發雙方的頻率表中將其刪除，並以好的頻點對它們進行替換，以維持頻率表的固定大小。這種檢測和替換是實時進行的。為增加跳頻信號的隱蔽性和抗破譯能力，跳頻圖案除具有很好的偽隨機性、長週期外，各頻率出現次數在長時間內應具有很好的均勻性。在引入自適應頻率替換算法對頻率表進行實時更新後，為保障系統性能，仍然要求跳頻圖案具有很好的均勻性，所以應當依次用不同的質量較好的頻點來分別替換被幹擾的頻點。收端頻率表的更新會導致收發頻率表的不一致性。為了使收發頻率表同步更新，必須通過反饋信道將收端的頻率更新信息通知發方。這種信息的相互交換是一種閉環控制過程，需要制定相應的信息交換協議來保證頻表可靠的同步更新。衡量協議有效性的另一個重要指標便是頻點去除的速度。在檢測出干擾頻點後，干擾頻點去除的速度越快，對通信的影響越小。 信道質量評估的另一個作用是進行自適應功率控制。功率控制就是要把有限的發送功率最好地分配給各個跳頻信道，使得各個信道都能夠以最小發射機功率實現正常通信，從而提高跳頻信號的隱蔽性和抗截獲能力。在自適應跳頻系統中，系統檢測每個信道的通信狀況，並通過信道質量評估單元中的功率控制算法對每個跳頻信道單獨進行功率控制。

功率控制算法可以基於兩種原則：一是比特誤碼率最小原則，算法為各個跳頻信道選擇適當的功率，使得接收方收到的數據比特誤碼率達到預定的誤碼門限；二是等信幹比原則，此算法調整各個跳頻信道的平均功率，使得各個跳頻信道上的信幹比相同，這裏的信幹比是指各個跳頻信道上的信號功率/（對應信道上的干擾功率+ 傳輸損耗功率）。這兩種算法的性能差不多。

隨着跳頻技術的不斷髮展，其應用也越來越廣泛。戰術電台中採用跳頻技術的主要目的是提高通信的抗干擾能力。早在70 年代，就開始了對跳頻系統的研究，現已開發了跳頻在VHF 波段(30—300MHz）的低端30—88MHz、UHF波段(300MHz 以上）以及HF 波段(1.5—30MHz)的應用。隨着研究的不斷深入，跳頻速率和數據數率也越來越高，現在美國Sanders 公司的CHESS 高速短波跳頻電台已經實現了5000跳/秒的跳頻速率，最高數據數率可達到19200bps。此外，CHESS跳頻電台與一般的跳頻電台還有所不同，它以DSP 為基礎，採用了差動跳頻（DFH)技術。通過現代數字處理技術，CHESS跳頻電台較好解決了短波系統帶寬有限(導致數據速率低的原因)、信號間相互干擾、存在多徑衰落等的問題。同時，它的瞬時信號帶寬很窄，對其它信號的影響很小。可以看到，實現更高跳速、更高數據速率的跳頻電台正是跳頻通信系統的未來發展方向，軟件無線電的概念也已逐漸應用到新型的跳頻電台中。短波自適應跳頻電台已經在當前的軍事通信中佔有了很重要的一部分。與VHF/UHF頻段不同，短波信道有許多固有特點，例如，受多徑時延、幅度衰落、天氣變化等因素的影響，信道條件變化莫測。但是隨着各種新技術的出現，短波通信的可靠性得到了技術上的保證，而自適應跳頻技術就是這些新技術中的一種。它通過分析波段上的頻率佔用率，自動搜索無干擾或未被佔用的跳頻信道進行跳頻，不僅避免了自然干擾，也不會受到短波頻譜大量佔用的影響。它會根據需要自動地改變跳頻序列，有效的適應惡劣環境。它在海灣戰爭中體現出的優越性引起了各國的高度重視。

在現有的DS/CDMA 系統中，遠近效應是一個很大的問題。由於大功率信號只在某個頻率上產生遠近效應，當載波頻率跳變到另一個頻率時則不受影響，因此跳頻系統沒有明顯的遠近效應，這使得它在移動通信中易於得到應用和發展。在數字蜂窩移動通信系統中，如果鏈路間採用相互正交的跳頻圖案同步跳頻，或者採用低互相關的跳頻圖案異步跳頻，可以使得鏈路間的干擾完全消除或基本消除，對提高系統的容量具有重要意義。此外，跳頻是瞬時窄帶系統，其頻率分配具有很大的靈活性，在現有頻率資源十分擁擠的條件下，這一點具有重要意義。

跳頻的多址性能對於組網有很重要的意義。加拿大Laval 大學提出了在光纖網絡中應用快跳頻技術。該系統利用Bragg 光柵替代傳統跳頻系統中的頻率合成器，跳速達到10G數量級。系統在30個用户，比特誤碼率為10-9的條件下，數據速率為500Mb/s。與採用非相干DS/CDMA 技術的光纖網絡相比，同時有相同數量的用户使用時，FFH/CDMA系統的比特誤碼率明顯優於DS/CDMA 系統。

此外，跳頻技術在GSM、無線局域網、室內無線通信、衞星通信、水下通信、雷達、微波等多個領域也得到了廣泛的應用。

由於跳頻系統本身也存在着一些缺點和侷限，如信號隱蔽性差，抗多頻干擾以及跟蹤式干擾能力有限等，而擴頻的另一種方式直接序列擴頻卻有較好的隱蔽性和抗多頻干擾的能力。把這兩種擴頻技術結合起來，就構成了直接序列/跳頻擴展頻譜技術。它在直接序列擴展頻譜系統的基礎上增加載波頻率跳變的功能，直擴系統所用的偽隨機序列和跳頻系統用的偽隨機跳頻圖案由同一個偽隨機碼發生器生成，所以它們在時間上是相互關聯的，使用同一個時鐘進行時序控制。意大利Telettra 公司的Hydra V 電台是採用了直接序列/跳頻混合擴頻技術的第一代戰術電台。由於採用了直接序列擴頻DBPSK 調製方式，比單獨採用跳頻技術多獲得9dB 的處理增益，從而提高了電台的抗干擾性能。