跳頻擴頻通信技術具有優良的抗干擾性能和多址組網性能 , 不但在軍事通信中得到了廣泛套用 , 而且在G SM , Hom e RF(家庭射頻 )、B lue too th(藍牙 )等民用移動通信中得到了廣泛的套用 。 跳頻序列的性能對跳頻通信系統的性能有著決定性的影響 。
基本介紹
- 中文名：跳頻序列
- 外文名：frequency hoppingsequence
跳頻通信系統的原理,跳頻序列設計的研究現狀,短波跳頻通信新的抗干擾措施,
跳頻技術是通過一組偽隨機碼控制載波跳變的工作方式 。通信雙方使用相同的跳頻碼發生器 ,並使用非相干檢測等方法實現收發雙方跳頻序列在時間上的同步 。跳頻通信具有碼分多址 、頻帶共享 、抗定頻干擾和抗截獲的能力 , 在軍用無線通信及民用移動通信系統中得到了廣泛的套用 。
實現跳頻通信 , 需要在常規的定頻通信技術的基礎上 ,解決跳頻序列設計 、跳頻頻率合成 、跳頻同步和組網幾個關鍵技術 。跳頻序列的性能對跳頻系統的性能有重大影響 ,直接影響到系統的抗截獲 、抗干擾 、同步等性能及系統的組網能力 。
實現跳頻通信 , 需要在常規的定頻通信技術的基礎上 ,解決跳頻序列設計 、跳頻頻率合成 、跳頻同步和組網幾個關鍵技術 。跳頻序列的性能對跳頻系統的性能有重大影響 ,直接影響到系統的抗截獲 、抗干擾 、同步等性能及系統的組網能力 。
理想的跳頻序列要求 :(1)良好的漢明自相關和互相關性 。(2)較好的隨機性和較大的線性複雜度 。(3 )頻率在一個序列周期中的出現次數基本相同 ,即均勻性好 。(4)寬的跳頻間隔 ,以躲避多徑等干擾 。(5)序列數目儘可能多 ,以便有更多的跳頻序列提供用戶使用 。(6)每一個跳頻序列都可以使用頻率集合中的所有頻率 ,以實現最大的處理增益 。
目前跳頻序列的主要研究方向有 : 藍牙跳頻序列 、混沌序列 、差分跳頻的 G 函式算法 、寬間隔跳頻序列等 。此外 , 自適應跳頻技術也是研究的熱點 。本文將綜述跳頻序列的研究進展及最新成果 , 並指出今後的發展方向 。
跳頻通信系統的原理
跳頻通信系統的核心部分是跳頻序列發生器 、頻率合成器和跳頻同步器 。跳頻通信系統的主要工作原理是 : 在傳送端 ,信息首先被調製到頻率為 fs的載波上 ,得到頻寬為 R 的調製信號 。跳頻序列從跳頻頻率表中取出頻率控制碼 ,控制頻率合成器在不同的時隙內輸出頻率跳變的本振信號 。 用它對調製信號進行變頻處理 ,使變頻後射頻信號頻率按照跳頻序列跳變 , 即為跳頻信號 。 跳頻信號頻寬 W 與調製信號頻寬 R 的比值(W /R )就是跳頻通信系統的處理增益 Gp 。在接收端 ,與發射機跳頻序列一致的本地跳頻序列從跳頻頻率表中取出頻率控制碼控制頻率合成器 , 使輸出的本振信號頻率按照跳頻序列相應地跳變 。跳變的本振信號 ,對接收到的跳頻信號進行變頻 ,將頻率搬回到 fs ,實現解跳 。解跳後的調製信號 , 在本地載波作用下 ,經相干解調後 ,恢復出原基帶信息 。
跳頻系統以躲避干擾的方式抗干擾 , 可以認為是一種主動式抗干擾方式 。強的定頻干擾只能幹擾跳頻系統的一個或幾個頻率 ,若跳頻系統的頻道數很大 ,則對系統性能的影響是不嚴重的 。跳頻系統可採用快速跳頻的方法對抗頻率選擇性衰落 , 使每一個頻率的駐留時間非常短 , 平均衰落就非常低 。此外 , 還可以採用 1 比特信息用 m 個頻率編碼傳輸 , 也可較好地解決頻率選擇性衰落問題 ,這些都是以提高跳頻速率為代價的 。跳頻系統要抗多徑干擾 , 也是要求每一跳的駐留時間很短 , 即要求快跳頻 , 在多徑信號沒有到來之前接 收機已開始接收下一跳信號 。例如 , 多徑時延為 1μ s, 則跳頻速率大於1Mhop /s即可 。
跳頻系統以躲避干擾的方式抗干擾 , 可以認為是一種主動式抗干擾方式 。強的定頻干擾只能幹擾跳頻系統的一個或幾個頻率 ,若跳頻系統的頻道數很大 ,則對系統性能的影響是不嚴重的 。跳頻系統可採用快速跳頻的方法對抗頻率選擇性衰落 , 使每一個頻率的駐留時間非常短 , 平均衰落就非常低 。此外 , 還可以採用 1 比特信息用 m 個頻率編碼傳輸 , 也可較好地解決頻率選擇性衰落問題 ,這些都是以提高跳頻速率為代價的 。跳頻系統要抗多徑干擾 , 也是要求每一跳的駐留時間很短 , 即要求快跳頻 , 在多徑信號沒有到來之前接 收機已開始接收下一跳信號 。例如 , 多徑時延為 1μ s, 則跳頻速率大於1Mhop /s即可 。
跳頻序列設計的研究現狀
用於控制載波頻率跳變的地址碼序列稱為跳頻序列 ,或稱為跳頻碼 。跳頻序列的作用在於 : (1)控制頻率跳變以實現頻譜擴展 ; (2)跳頻組網時 , 採用不同的跳頻序列作為地址碼 , 傳送端根據要通信的對象選擇相應的地址碼 。當許多用戶在同一頻段同時跳頻工作時 ,跳頻序列是區分每個用戶的唯一標誌 。
傳統的跳頻序列設計有以下方法：基於 m 序列構造跳頻序列族列構造跳頻序列族 ,基於 RS碼構造跳頻序列族 , 基於素數序列構造跳頻序列族 , 基於 Bent序列構造跳頻序列族,基於 GMW 序列構造跳頻序列族, 基於 p元偽隨機序列構造跳頻序列族等 。近幾年來 , 研究熱點主要為如下幾個方向 : 藍牙跳頻序列 、基於混沌序列構造跳頻序列族 、差分跳頻的 G 函式算法 。此外還提出了幾種新的抗干擾技術。
1 藍牙跳頻序列
藍牙基帶標準定義了 10種類型的跳頻序列,其中 79跳系統與 23跳系統各有如下 5種類型: 呼叫跳頻序列、呼叫回響序列 、查詢跳頻序列、查詢回響序列、信道跳頻序列。跳頻序列由本地時鐘 (實時 TOD信息)和藍牙設備地址 (48b, 其中 32b有效位)通過首次相加、異或運算、換位操作 、二次相加等處理方法產生。生成的跳頻序列對暫存器組定址 ,從暫存器中取出跳頻頻率, 得到跳頻圖案。
基於計數式 TOD 的藍牙信道跳頻序列雖然性能比較優越 ,但若套用於短波跳頻電台,還存在密鑰量不是很大 、周期不夠長、漢明相關特性有待改善等問題。國內的研究進展就是針對這些問題提出了一些改進方案 。 2004 年, 蔡金元 、梅文華和杜興民提出了仿藍牙序列的一類新的跳頻序列, 新序列的周期更長、密鑰量更大 、漢明互相關性能更好 。 2005年 ,郭岩、張樹勇和劉志鵬構造了一種新的超長周期藍牙跳頻序列,密鑰量從 227提高到 264, 平均跳頻間隔從 26提高到 111,平均漢明相關從 0. 0127降低到 0. 0039,較好地滿足了跳頻序列的設計準則 ,適合在軍事跳頻通信上使用。此外, 2004年, 蔡金元 、梅文華和杜興民還指出某些藍牙跳頻序列在時鐘同步時會出現嚴重的碰撞 ,並提出了相應的解決辦法 。良好的均勻性是跳頻通信中提高信道利用率 ,減少臨近設備干擾等良好性能的一個必要條件 。2005年 ,張申如 、寧中華和鄧曉燕分析了藍牙信道跳頻序列的結構特徵 , 從理論上證明在一個遠短於周期的時間間隔內 ,序列是均勻性的,給出了達到均勻的時鐘條件 。
2 基於混沌序列構造跳頻序列族
混沌跳頻序列具有較大的線性複雜度, 各頻率分布均勻,漢明相關性能略差於基於 m序列等構造的最佳跳頻序列,具有實際套用前途 。國內對混沌序列的研究較多,也取得了較大的進展 。 2004年,劉向東和焉得軍等人提出了一種具有較好獨立性與隨機性的中間多比特量化混沌跳頻序列方案 ,不僅減少了序列生成的運算量,擴展了跳頻序列的周期, 同時也具有較高的複雜度及良好的多址性能。 2005年,牛和李文臣把寬間隔跳頻和混沌序列結合起來 ,提出了一種新的混沌寬間隔跳頻序列的構造方法,其序列不僅簡單 ,生成速度快 ,長度不受限制且跳頻間隔性能遠遠優於其它各種序列。 2005年,劉淮,李文臣等人實現了一種高速寬間隔混沌序列 ,用餘弦映射法產生混沌序列,並用對偶的方法使其間隔變寬。針對混沌跳頻通信中跳頻序列的產生這一關鍵問題 , 文獻 提出了對 Log istic映射的軌道點進行多值量化產生 q元跳頻序列的方法 , 產生的混沌跳頻序列具有良好的性能, 但其不足之處是在某些時延下存在較大的漢明相關值。為此, 文獻給出了一種減小其漢明相關值的新方法 , 但其疊代次數較前一種方法增加了(log2 q -1)倍。 2003年 ,米良、朱中梁]對此提出了一種將混沌軌道多值量化與比特抽取相結合產生混沌跳頻序列的新方法, 可以在保持與文獻中序列性能基本不變的條件下, 使其所需的疊代次數大大減少 。 2004年 , 米良在文獻的基礎上 , 給出了該方法的理論分析 ,證明其構造的跳頻序列是貝努利隨機序列 , 並對該序列的均勻分布性 、漢明相關性和線性複雜度做了性能比較 。 2005年 , 米良和唐剛提出了無需進行門限量化 ,直接將混沌映射軌道點的實數值表示為二進制小數 ,然後利用比特抽取產生跳頻序列的新方法 ,該跳頻序列的平衡性 、跳頻間隔和最大漢明相關值與其他方法產生的混沌跳頻序列相當 , 但所需的疊代次數卻可大大減少且可以極大地增強系統抗干擾 、抗截獲的能力 。
3 差分跳頻 G 函式算法
差分跳頻 (DFH )是 CHESS 電台的 核心技術, 主要歸結於一種 G 函式算法 。它集跳頻圖案 、信息調製與解調與一身 。 G 函式的核心內容即是利用跳頻頻率的相關性來攜帶待傳送的數據信息 ,同時所產生的頻率序列應具有良好的隨機性和均勻性 。
近年的研究提出了一些新的方法來構造 G 函式 。 2003年 , 梁富林 、羅偉雄和張石磊基於可逆整型哈希函式的加密原理 ,構造出了一種新的 G 函式 。 2004年 , 朱秀林 、胡用時和於奇 將原有的差分跳頻 G 函式表達式 Fn = G(Fn -1 , X n)擴展為 Fn =G(Fn - 1 , X n, m), 利用 Fn 和 Fn - 1的相關性來攜帶信息 ,用 m序列來控制跳頻間隔 , 提高了 G 函式的隨機性與複雜性 ,增加了信息的隱蔽程度 。同年 ,易大進與楊千里基於仿射密碼原理構造了一種差分跳頻的轉移函式 ,蓋函式具有構造簡單 ,便於密鑰管理和控制 , 且密鑰量大的特點 。 2005年 ,裴小東等人將 Turbo碼與差分跳頻技術相結合 , 提出了一種新的 Turbo -DFH 編碼調製方法 。 2006年 ,王芙蓉和宋小恆[ 19]提出了一種基於模糊原理與頻率分組的 G 函式算法 ,其中頻率轉移函式採用了模糊算法 、選擇算法和複雜的分組算法 , 保證了轉移函式的複雜度 ,改善了跳頻序列的隨機性和均勻性 ,增強了系統的隱蔽性和抗跟蹤性 。
傳統的跳頻序列設計有以下方法：基於 m 序列構造跳頻序列族列構造跳頻序列族 ,基於 RS碼構造跳頻序列族 , 基於素數序列構造跳頻序列族 , 基於 Bent序列構造跳頻序列族,基於 GMW 序列構造跳頻序列族, 基於 p元偽隨機序列構造跳頻序列族等 。近幾年來 , 研究熱點主要為如下幾個方向 : 藍牙跳頻序列 、基於混沌序列構造跳頻序列族 、差分跳頻的 G 函式算法 。此外還提出了幾種新的抗干擾技術。
1 藍牙跳頻序列
藍牙基帶標準定義了 10種類型的跳頻序列,其中 79跳系統與 23跳系統各有如下 5種類型: 呼叫跳頻序列、呼叫回響序列 、查詢跳頻序列、查詢回響序列、信道跳頻序列。跳頻序列由本地時鐘 (實時 TOD信息)和藍牙設備地址 (48b, 其中 32b有效位)通過首次相加、異或運算、換位操作 、二次相加等處理方法產生。生成的跳頻序列對暫存器組定址 ,從暫存器中取出跳頻頻率, 得到跳頻圖案。
基於計數式 TOD 的藍牙信道跳頻序列雖然性能比較優越 ,但若套用於短波跳頻電台,還存在密鑰量不是很大 、周期不夠長、漢明相關特性有待改善等問題。國內的研究進展就是針對這些問題提出了一些改進方案 。 2004 年, 蔡金元 、梅文華和杜興民提出了仿藍牙序列的一類新的跳頻序列, 新序列的周期更長、密鑰量更大 、漢明互相關性能更好 。 2005年 ,郭岩、張樹勇和劉志鵬構造了一種新的超長周期藍牙跳頻序列,密鑰量從 227提高到 264, 平均跳頻間隔從 26提高到 111,平均漢明相關從 0. 0127降低到 0. 0039,較好地滿足了跳頻序列的設計準則 ,適合在軍事跳頻通信上使用。此外, 2004年, 蔡金元 、梅文華和杜興民還指出某些藍牙跳頻序列在時鐘同步時會出現嚴重的碰撞 ,並提出了相應的解決辦法 。良好的均勻性是跳頻通信中提高信道利用率 ,減少臨近設備干擾等良好性能的一個必要條件 。2005年 ,張申如 、寧中華和鄧曉燕分析了藍牙信道跳頻序列的結構特徵 , 從理論上證明在一個遠短於周期的時間間隔內 ,序列是均勻性的,給出了達到均勻的時鐘條件 。
2 基於混沌序列構造跳頻序列族
混沌跳頻序列具有較大的線性複雜度, 各頻率分布均勻,漢明相關性能略差於基於 m序列等構造的最佳跳頻序列,具有實際套用前途 。國內對混沌序列的研究較多,也取得了較大的進展 。 2004年,劉向東和焉得軍等人提出了一種具有較好獨立性與隨機性的中間多比特量化混沌跳頻序列方案 ,不僅減少了序列生成的運算量,擴展了跳頻序列的周期, 同時也具有較高的複雜度及良好的多址性能。 2005年,牛和李文臣把寬間隔跳頻和混沌序列結合起來 ,提出了一種新的混沌寬間隔跳頻序列的構造方法,其序列不僅簡單 ,生成速度快 ,長度不受限制且跳頻間隔性能遠遠優於其它各種序列。 2005年,劉淮,李文臣等人實現了一種高速寬間隔混沌序列 ,用餘弦映射法產生混沌序列,並用對偶的方法使其間隔變寬。針對混沌跳頻通信中跳頻序列的產生這一關鍵問題 , 文獻 提出了對 Log istic映射的軌道點進行多值量化產生 q元跳頻序列的方法 , 產生的混沌跳頻序列具有良好的性能, 但其不足之處是在某些時延下存在較大的漢明相關值。為此, 文獻給出了一種減小其漢明相關值的新方法 , 但其疊代次數較前一種方法增加了(log2 q -1)倍。 2003年 ,米良、朱中梁]對此提出了一種將混沌軌道多值量化與比特抽取相結合產生混沌跳頻序列的新方法, 可以在保持與文獻中序列性能基本不變的條件下, 使其所需的疊代次數大大減少 。 2004年 , 米良在文獻的基礎上 , 給出了該方法的理論分析 ,證明其構造的跳頻序列是貝努利隨機序列 , 並對該序列的均勻分布性 、漢明相關性和線性複雜度做了性能比較 。 2005年 , 米良和唐剛提出了無需進行門限量化 ,直接將混沌映射軌道點的實數值表示為二進制小數 ,然後利用比特抽取產生跳頻序列的新方法 ,該跳頻序列的平衡性 、跳頻間隔和最大漢明相關值與其他方法產生的混沌跳頻序列相當 , 但所需的疊代次數卻可大大減少且可以極大地增強系統抗干擾 、抗截獲的能力 。
3 差分跳頻 G 函式算法
差分跳頻 (DFH )是 CHESS 電台的 核心技術, 主要歸結於一種 G 函式算法 。它集跳頻圖案 、信息調製與解調與一身 。 G 函式的核心內容即是利用跳頻頻率的相關性來攜帶待傳送的數據信息 ,同時所產生的頻率序列應具有良好的隨機性和均勻性 。
近年的研究提出了一些新的方法來構造 G 函式 。 2003年 , 梁富林 、羅偉雄和張石磊基於可逆整型哈希函式的加密原理 ,構造出了一種新的 G 函式 。 2004年 , 朱秀林 、胡用時和於奇 將原有的差分跳頻 G 函式表達式 Fn = G(Fn -1 , X n)擴展為 Fn =G(Fn - 1 , X n, m), 利用 Fn 和 Fn - 1的相關性來攜帶信息 ,用 m序列來控制跳頻間隔 , 提高了 G 函式的隨機性與複雜性 ,增加了信息的隱蔽程度 。同年 ,易大進與楊千里基於仿射密碼原理構造了一種差分跳頻的轉移函式 ,蓋函式具有構造簡單 ,便於密鑰管理和控制 , 且密鑰量大的特點 。 2005年 ,裴小東等人將 Turbo碼與差分跳頻技術相結合 , 提出了一種新的 Turbo -DFH 編碼調製方法 。 2006年 ,王芙蓉和宋小恆[ 19]提出了一種基於模糊原理與頻率分組的 G 函式算法 ,其中頻率轉移函式採用了模糊算法 、選擇算法和複雜的分組算法 , 保證了轉移函式的複雜度 ,改善了跳頻序列的隨機性和均勻性 ,增強了系統的隱蔽性和抗跟蹤性 。
短波跳頻通信新的抗干擾措施
(1)變速跳頻
當對抗快速 跟蹤干擾 時 , 除了採取硬 抗措施 —— —提高跳頻速率和發射功率外 ,還可以採取一種 “跳速多變 ”的策略 , 以速率多變 , 不斷打亂干擾方的偵察和跟蹤部署 , 即實現變速跳頻 。這是一種在頻率域採取對抗快速跟蹤干擾的有效措施 , 組網運用時效果更佳 。
(2)實時頻率自適應跳頻
實時頻率自適應跳頻是採用頻譜分析處理技術與跳頻信號處理技術相結合的方法 , 通過實時頻率自適應算法 ,在跳頻通信過程中自動探測和刪除干擾頻點 ,使其在無干擾和弱干擾頻點上跳頻 ,從而有效地對付阻塞干擾和點頻干擾 ,改善通信質量 。可作為未來短波電台通信抗干擾的優選體制 。
(3)壞跳取代技術
當對抗快速 跟蹤干擾 時 , 除了採取硬 抗措施 —— —提高跳頻速率和發射功率外 ,還可以採取一種 “跳速多變 ”的策略 , 以速率多變 , 不斷打亂干擾方的偵察和跟蹤部署 , 即實現變速跳頻 。這是一種在頻率域採取對抗快速跟蹤干擾的有效措施 , 組網運用時效果更佳 。
(2)實時頻率自適應跳頻
實時頻率自適應跳頻是採用頻譜分析處理技術與跳頻信號處理技術相結合的方法 , 通過實時頻率自適應算法 ,在跳頻通信過程中自動探測和刪除干擾頻點 ,使其在無干擾和弱干擾頻點上跳頻 ,從而有效地對付阻塞干擾和點頻干擾 ,改善通信質量 。可作為未來短波電台通信抗干擾的優選體制 。
(3)壞跳取代技術
軍事跳頻電台工作時 , 如果受到在整個跳頻頻段內實施的阻塞式干擾 ,不論跳頻速率的高低 ,都會受到干擾 。採用壞跳取代技術 , 並增加交織法分散錯碼 ,即使 50%的信道受到干擾 , 仍還有較好的語言可懂性 。當跳頻通信系統採用糾錯編碼識別出被干擾的頻點 (稱其為壞跳 ,圖中用陰影部分表示 )時 , 可以利用前一個或後一個頻率跳變所攜帶的信息取代被干擾信息 ,提高信號的可懂性 。
(4)多頻率表隨機變換跳頻
如果給一個跳頻電台在整個可用頻段上設 3到5個頻率表 , 使電台在工作時可隨機地變換頻率表 ,則不僅使干擾方在多網工作時分離跳頻網更加困難 ,在單網工作時也會使干擾的效果大為降低 ,很難使電台的通信完全陷入癱瘓。使用多頻率表隨機變換技術帶來的最大好處是大大降低了進行全頻段較高速跳頻時對天線調諧器的要求, 即在使用慢速天線調諧器時也可以進行全頻段的中速跳頻 , 從而獲得全頻段跳頻的抗干擾能力。
如果給一個跳頻電台在整個可用頻段上設 3到5個頻率表 , 使電台在工作時可隨機地變換頻率表 ,則不僅使干擾方在多網工作時分離跳頻網更加困難 ,在單網工作時也會使干擾的效果大為降低 ,很難使電台的通信完全陷入癱瘓。使用多頻率表隨機變換技術帶來的最大好處是大大降低了進行全頻段較高速跳頻時對天線調諧器的要求, 即在使用慢速天線調諧器時也可以進行全頻段的中速跳頻 , 從而獲得全頻段跳頻的抗干擾能力。
