跳頻

跳頻技術 (Frequency-Hopping Spread Spectrum；FHSS)在同步、且同時的情況下，接收兩端以特定型式的窄頻載波來傳送訊號，對於一個非特定的接受器，FHSS所產生的跳動訊號對它而言，只算是脈衝噪聲。FHSS所展開的訊號可依特別設計來規避噪聲或One-to-Many的非重複的頻道，並且這些跳頻訊號必須遵守FCC的要求，使用75個以上的跳頻訊號、且跳頻至下一個頻率的最大時間間隔 (Dwell Time)為400ms。

移動通信信道環境惡劣，各種干擾會不約而至。為了抵禦出現的某些頻率的干擾，採用跳頻技術是有效的方法之一。

基本介紹

• 中文名：跳頻
• 外文名：Frequency-Hopping Spread Spectrum
• 簡稱：FHSS
• 領域：信息科學

定義

所謂跳頻技術，是指用偽隨機碼序列進行頻移鍵控，使載波頻率不斷跳變而擴展頻譜的一種方法。

運用

跳頻技術是國內國際上比較成熟的一種技術。主要用於軍用通信中，它可以有效的避開干擾，發揮通信效能。

跳頻技術與直序擴頻技術完全不同，是另外一種意義上的擴頻。跳頻的載頻受一個偽隨機碼的控制，在其工作頻寬範圍內，其頻率合成器按偽隨機碼（PN碼）的隨機規律不斷改變頻率。在接收端，接收機的頻率合成器受偽隨機碼的控制，並保持與發射端的變化規律一致。

跳頻是載波頻率在一定範圍內不斷跳變意義上的擴頻，而不是對被傳送信息進行擴譜，不會得到直序擴頻的處理增益。跳頻相當於瞬時的窄帶通信系統，基本等同於常規通信系統，由於無抗多徑能力，同時發射效率低，同樣發射功率的跳頻系統在有效傳輸距離內小於直擴系統。跳頻的優點是抗干擾，定頻干擾只會干擾部分頻點。用於語音信息的傳輸，當定頻干擾只占一小部分時不會對語音通信造成很大的影響。

跳頻速率的高低直接反映跳頻系統的性能，跳頻速率越高抗干擾的性能越好，軍用的跳頻系統可以達到每秒上萬跳。實際上移動通信GSM系統也是跳頻系統，其規定的跳頻速率為每秒217跳。出於成本的考慮，商用跳頻系統跳速都較慢，一般在50跳/秒以下。由於慢跳速跳頻系統實現簡單，因此低速無線區域網路產品常常採用這種技術。

一種利用載波跳變實現頻譜展寬的擴頻技術。廣泛套用於抗干擾的通信系統中。其方法是把一個寬頻段分成若干個頻率間隔（稱為頻道，或頻隙），由一個偽隨機序列控制發射機在某一特定的駐留時間所傳送信號的載波頻率。

當接收機的本地振盪信號頻率與接收機輸入信號的頻率按同一規律同步跳變，那么，經過變頻以後，將得到一個固定的中頻信號即把原來的頻率跳變解除，這一過程稱解跳或去跳。

分類

從技術實現的角度而言，GSM中的跳頻的實現分為基帶跳頻、射頻跳頻兩種。華為基站BTS同時支持兩種方式，在基站系統設計中充分考慮到跳頻在頻率分集和干擾分集的作用，可以同時支持基帶跳頻和射頻跳頻這兩種實現方式，並在網上獲得了規模套用。從實際套用的情況來看，華為自主開發的跳頻技術能夠提高GSM系統的抗干擾、抗衰落性能，大大提高通話質量，增強緊密復用的組網能力，增加系統容量，具有很強的技術特色。

射頻跳頻實現的技術難點主要表現如何實現寬頻帶內的快速變頻和在快速變頻的同時如何保證信號的高質量。快速變頻與信號的高質量是相互矛盾的。在GSM系統中各個時隙之間的間隙只有二十幾微秒，要實現射頻跳頻，系統必須在時隙之間二十幾微秒的保護時間內快速地從一個頻點切換到另一個頻點。按照以前的技術，在實現快速跳頻的同時必然會帶來調製精度下降、接收靈敏度惡化、雜散增加以及阻塞性能下降等一系列負作用。華為的基站是怎樣解決這個問題的呢？下面我們從對射頻鎖相環的分析入手加以說明。

圖1 跳頻

鎖相環的鎖定時間主要由環路頻寬決定，頻寬越寬鎖定時間越短。本振信號的質量主要由參考時鐘（鑒相頻率）、壓控振盪器、環路頻寬等因素決定，在環路頻寬以內本振的相位噪聲取決於參考時鐘，在環路頻寬以外主要取決於壓控振盪器。要將最佳環路頻寬變寬只有兩條途徑，一是降低壓控振盪器的性能，這顯然不可取；二是提高參考性能。由於GSM系統採用的是200kHz頻寬，鑒相頻率不可能太高，尤其對於DCS1800系統N不可能太小，因此在GSM系統中很難提高環路頻寬，即降低頻率鎖定時間。為了克服以上兩個難點，華為公司通過採用一套特有的動態環路頻寬及桌球切換技術，可以很好地解決快速變頻與信號質量之間的矛盾。

動態環路頻寬技術：工作中環路頻寬不是固定的，而是隨著系統的需要而變，但系統處於不工作狀態時，環路頻寬保證變回最佳頻寬，使輸出信號最佳，保證系統的最佳性能。

桌球切換技術：在電路上設計了兩個完全相同的振盪器，通過開關對兩個本振進行選擇，當一個本振工作時，另外一個本振快速鎖定到下一個需要的頻點上，在兩個時隙的中間通過開關切換到另一個本振電路。這樣，避免了在時隙的開頭和最後出現瞬時的系統性能惡化。

通過採用特有的動態環路頻寬及桌球切換技術後，實現了900MHz的25MHz頻寬、1800MHz的75MHz頻寬內的任意跳頻，所有跳頻指標均超過GSM協定要求。

基帶跳頻的技術難點在於如何實現信息數據的高速交換，滿足217跳/秒的跳頻速度及271kbits/s的數據傳輸速率。

考慮以無線接口時隙為基礎進行數據的交換，交換方法可以是空分、時分、數據包交換。華為基站在設計中採用了先進的匯流排技術，以時隙交換為基礎實現基帶跳頻，其具體的實現方法為：

每個發射機(TRX)調諧在固定頻率，有一個固定的ID號。收發信機的編碼器將下行信號編碼，形成突發格式數據，編碼器根據跳頻算法計算本突發應調製的頻道（即TRX號），加上有關功率控制等附加信息形成特定的數據包格式，收發信機的編碼器在固定的時間(子時隙)內發出數據包。調製器對每個子時隙的數據包的TRX號進行檢查，如和本TRX的ID號不同，則收下一子時隙；如相同，則將本子時隙的數據包接收下來，延時一時隙再發射到空間接口，實現了基帶跳頻。基帶跳頻對TRX的ID識別實時性要求非常高，在這一點上華為是採用ASIC技術來解決的，可實現高速、可靠的TRX－ID識別功能。

原理

跳頻通信是一種擴頻通信。跳頻是指載波頻率在很寬頻帶範圍內按某種圖案(序列)進行跳變。信息數據經適當編碼後成為頻寬為Bd的基帶信號，再對頻寬為Bd的基帶信號進行載波調製。載波頻率受偽隨機碼發生器控制，在頻寬為BSS(BSS遠大於Bd)的頻帶內隨機跳變，實現基帶信號頻寬Bd擴展到發射信號使用的頻寬BSS的頻譜擴展。產生跳變載波的可變頻率合成器受偽隨機序列(跳頻序列)控制，使載波頻率隨跳頻序列的序列值改變而改變。跳頻序列的碼元寬度為Tc，每間隔時間Tc，可變頻率合成器的輸出載波頻率跳變一次。跳頻信號經射頻濾波器至天線發射後，被接收機接收。

圖2 跳頻

接收機首先從傳送來的跳頻信號中提取跳頻同步信號，使本機偽隨機序列控制的頻率跳變與接收到的跳頻信號同步，得到被同步的本地載波，使載波解調即擴頻解調獲得攜帶有信息的中頻信號，從而得到發射機送來的信息。

在跳頻系統中，用狹窄的工作頻帶按某種順序跳變，並均勻地使用全部寬頻帶的各個窄帶。跳頻系統最常用的是RS編碼，它是多元BCH循環編碼的一種，有最大的漢明距離，可選用的編碼數目多。

跳頻系統與IS-95中採用的直擴系統一樣，最重要的參數是擴頻增益G，對跳頻系統來說又稱跳頻增益。跳頻系統的可變頻率合成器能提供N個不同頻率，即跳頻數為N。跳頻系統的頻頻寬度BSS為N個最小跳頻間隔Δf=Bd。跳頻系統的擴頻增益為

也就是說，跳頻系統的擴頻增益等於系統的最大頻率跳變數。擴頻增益G的大小直接反映了跳頻抗衰落、抗干擾能力的大小。

對跳頻系統的可變頻率合成器有兩點要求：一是受跳頻序列控制；二是能足夠快地跳變頻率，使系統能很快地從一個頻率跳變到另一個頻率。快跳較慢跳具有更好的抗干擾和隱蔽性能。

跳頻所用的頻率合成器有直接式(只用混頻、分頻、倍頻合成)和間接式(用鎖相環〉兩種。前者的跳頻速率高於後者，後者僅適用於慢速、中速跳頻。

傳送端在時鐘控制下，偽碼發生器產生偽隨機序列去控制頻率合成至生成跳頻載波系列，稱做跳頻圖案。跳頻通信系統的原理框圖見上圖。圖中接收端的預調製濾波器是一種中心頻率隨信號跳頻式樣而同步跳變的窄帶濾波器（通頻帶允許所需信號通過），目的在於增加接收機的時間選擇性，減少強幹擾對接收機可能引起的阻塞現象。

接收的跳頻載波序列若與本地產生的跳頻序列圖案一致，則經混頻後可得到一個固定的中頻信號，再經解調獲得輸出。若外來跳頻圖案與本地圖案不一致，則得不到一個固定的中頻信號，解調後只是一些噪聲而得不到有用的輸出。因此時間同步是跳頻通信的關鍵技術。

調製方式可根據跳頻信號的特徵進行選擇。在跳頻系統中不宜採用對相位要求嚴格的調製方式。因為在跳頻通信系統中，接收機的本地載波要做到與外來信號的載波在相位上保持相干是很困難的。因此，宜用非相干檢測方式。頻率合成器是跳頻通信系統的重要組成部分。頻率合成器的性能將制約跳頻速率。對頻率合成器的要求是跳頻速率快、雜散電平低和功耗小。頻率合成器進行頻率跳變時，一般有2個階段：一個是過渡期（暫態時間），一個是滯留期（穩態時間）。要求過渡期儘量的要短，以實現高速轉換。

特性

跳頻系統僅在常規通信系統中增載入頻跳變能力，使整個工作頻帶大大加寬，提高了通信系統抗干擾、抗衰落能力。跳頻系統的抗干擾性是“躲避”式的，這與直擴系統不同，直擴系統是靠頻譜的擴展和解擴處理來提高抗干擾能力的。跳頻序列的碼元速率小於或等於信息速率。在GSM系統中，每秒跳頻217次(等於每秒傳輸的幀數，幀周期為120/26ms)。

頻寬

跳頻系統的總頻頻寬度，可以由互不銜接的幾個頻段組成，是跳頻系統抗干擾性的重要指標。

圖3 跳頻

頻率

跳頻頻道數（跳頻點數）既與跳頻頻寬度有關，又與跳頻頻道寬度有關，頻道寬度取決於採用的調製方式。一般說，跳頻點數越多越好。

處理增益

是跳頻系統的跳頻頻寬與頻道頻寬之比。若跳頻頻寬為W，將W分成N個相等的頻道，則跳頻系統的處理增益為GP=N，它是綜合跳頻系統抗干擾能力的一個指標。

5.4抗衰落和抗干擾在TDMA數字蜂窩系統中採用跳頻技術，可以在瑞利衰落信道中，不使一個碼字的所有突發脈衝序列都被瑞利衰落所損害。這樣，在接收端就可以利用糾錯編碼恢復出原始數據。

跳頻對處於靜止或慢速移動的移動台能獲得好的抗衰落效果，增益估計6.5dB。跳頻在移動台高速移動時得益很小。因為移動台在高速移動時，對於同一信道的兩個接連的突發脈衝序列(在GSM系統中，時間上至少相隔120ms/26=4.61ms)其位置差已足以使它們與瑞利衰落不相關。

跳頻提供了傳輸路徑上干擾的參差，改善了最壞情況下的干擾因素，均衡了通信質量。

原因

通常所接觸到的無線通信系統都是載波頻率固定的通信系統，如無線對講機，汽車行動電話等，都是在指定的頻率上進行通信，所以也稱作定頻通信。這種定頻通信系統，一旦受到干擾就將使通信質量下降，嚴重時甚至使通信中斷。例如：電台的廣播節目，一般是一個發射頻率傳送一套節目，不同的節目占用不同的發射頻率。有時為了讓聽眾能很好地收聽一套節目，電台同時用幾個發射頻率傳送同一套節目。這樣，如果在某個頻率上受到了嚴重干擾，聽眾還可以選擇最清晰的頻道來收聽節目，從而起到了抗干擾的效果。但是這樣做的代價是需要很多額譜資源才能傳送一套節目。如果在不斷變換的幾個載波頻率上傳送一套廣播節目，而聽眾的收音機也跟隨著不斷地在這幾個頻率上調諧接收，這樣，即使某個頻率上受到了干擾，也能很好地收聽到這套節目。這就變成了一個跳頻系統。

另外在敵我雙方的通信對抗中，敵方企圖發現我方的通信頻率，以便於截獲所傳送的信息內容，或者發現我方通信機所在的方位，以便於引導炮火摧毀。定頻通信系統容易暴露目標且易於被截獲，這時，採用跳頻通信就比較隱蔽也難以被截獲。因為跳頻通信是“打一槍換一個地方”的游擊通信策略、使敵方不易發現通信使用的頻率，一旦被敵方發現，通信的頻率也已經“轉移”到另外一個頻率上了。當敵方摸不清“轉移規律”時，就很難截獲我方的通信內容。

因此，跳頻通信具有抗干擾、抗截獲的能力，並能作到頻譜資源共享。所以在當前現代化的電子戰中跳頻通信已顯示出巨大的優越性。另外，跳頻通信也套用到民用通信中以抗衰落、抗多徑、抗網間干擾和提高頻譜利用率。

如何產生

在傳統的定頻通信系統中，發射機中的主振盪器的振盪頻率是固定設定的，因而它的載波頻率是固定的。為了得到載波頻率是跳變的跳頻信號，要求主振盪器的頻率應能遵照控制指令而改變。這種產生跳頻信號的裝置叫跳頻器。通常，跳頻器是由頻率合成器和跳頻指令發生器構成的。如果將跳頻器看作是主振盪器，則與傳統的發信機沒有區別。被傳送的信息可以是模擬的或數字的信號形式(圖中標示的為信碼入)，經過調製器的相應調製，便獲得副載波頻率固定的已調波信號，再與頻率合成器輸出的主載波頻率信號進行混頻，其輸出的已調波信號的載波頻率達到射頻通帶的要求，經過高通濾波器後饋至天線發射出去。這就是定頻信號的傳送過程。

跳頻系統的頻率合成器輸出什麼頻率的載波信號是受跳頻指令控制的。在時鐘的作用下，跳頻指令發生器不斷地發出控制指令，頻率合成器不斷地改變其輸出載波的頻率。因此，混頻器輸出的已調波的載波頻率也將隨著指令不斷地跳變，從而經高通濾波器和天線傳送出去的就是跳頻信號。

如何接收

定頻信號的接收設備中，一般都採用超外差式的接收方法，即接收機本地振盪器的頻率比所接收的外來信號的載波頻率相差一個中頻，經過混頻後產生一個固定的中頻信號和混頻產生的組合波頻率成分。經過中頻帶通濾波器的濾波作用，濾除組合波頻率成分，而使中頻信號進入解調器。解調器的輸出就是所要傳送給收端的信息。跳頻信號的接收，其過程與定頻相似。為了保證混頻後獲得中頻信號，要求頻率合成器的輸出頻率要比外來信號高出一個中頻。因為外來的信號載波頻率是跳變的，則要求本地頻率合成器輸出的頻率也隨著外來信號的跳變規律而跳變，這樣才能通過混頻獲得一個固定的中頻信號。

跳頻器是跳頻系統的關鍵部件，而跳頻同步則是跳頻系統的核心技術。跳頻系統的同步包括以下幾項內容：

1.收端和發端產生的跳頻圖案相同，即有相同的跳頻規律。

2.收、發端的跳變頻率應保證在接收端產生固定的中頻信號，即跳變的載波頻率與收端產生的本地跳變頻率相差一個中頻。

3.頻率跳變的起止時刻在時間上同步，即同步跳變，或相位一致。

4.在傳送數字信息時，還應做到幀同步和位同步。