基于擴頻技術的跳頻擴頻分析

福州大學物理與信息工程學院 湄洲灣職業技術學院 佘明輝

福州大學物理與信息工程學院 余 輪

擴展頻譜技術最初應用于軍事導航和通信系統中[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，跳頻通信也已應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。隨著提高通信系統抗干擾性能的需要，擴頻技術的研究得以廣泛開展，并且應用于諸多領域之中[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的特性、實現原理和同步過程分析。

1.擴頻數字通信系統

在擴頻通信系統中，接收機作擴頻解調后，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制，實現頻譜擴展后再傳輸[1]。擴頻數字通信系統基本框圖如圖1所示。

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

偽隨機圖樣發生器產生的PN序列與PSK調制器聯合使用，從而是PSK信號的相位偽隨機偏移，調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結合使用時，偽隨機序列按偽隨機方式選擇發送信號的頻率，由此產生的信號為跳頻擴頻信號。

2.跳頻擴頻系統

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，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，其頻率合成器按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，并保持與發射端的變化規律一致。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，所以在現代電子戰中跳頻通信已顯示出巨大的優越[3]。另外，跳頻通信也應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。

圖1 擴頻數字通信系統基本框圖Fig.1 Expands frequency word communication systematic basic block diagram

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

2.1 跳頻擴頻系統模型

跳頻擴頻的基本特征是通信信號的載頻預定的頻率集上改變或者跳轉。在跳頻擴頻通信系統中，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，發送信號占據一個或多個可用的頻隙，在每個信號傳輸間隔內，按照PN發生器的輸出偽隨機地選擇一個或數個頻隙[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，對頻率間隙(s)的選擇由PN生成器的輸出偽隨機地決定。

跳頻擴頻系統的發射機和接收機的框圖如圖2所示。調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調制器選擇兩個頻率中的一個，設為f0或f1，對應于待傳輸的信號0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調制器的輸出進行混頻，再將混頻后的信號由信道發送。例如PN序列發生器輸出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，得到的信號再經過FSK解調器解調就能恢復出原始信號，PN發生器與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擴頻系統中，經常采用FSK調制和非相干解調。

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

圖4 FH/MFSK解調器Fig.4 The demodulator of FH/MFSK

2.2 跳頻擴頻系統分析

在偽隨機序列控制下，發射頻率在一組預先設計的頻率按照一定規律離散跳變，從而擴展了信號頻帶。跳頻擴頻通常與多進制移頻鍵控（MFSK）聯合使用，有k=log2M個信息比特決定發送信號的頻率[6]。M進制信號的頻率在跳頻寬帶Wss內，在頻率合成器的控制下偽隨機地跳變，典型的FH/MFSK系統框圖如圖3所示。在常規的MFSK系統中，數據所調制的是固定頻率的載波；而在FH/MFSK系統中，數據碼元調制的是一個頻率偽隨機變化的載波[7]。如圖3所示，跳頻系統的調制過程可以看作分為兩個步驟：數據調制和跳頻調制。但是實際上可以由PN序列和數據共同控制頻率合成器一步完成。在每一個跳變時間內，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[8]。對于一個給定的跳變，傳輸占用的帶寬與常規MFSK是相等的，通常遠小于Wss。但考慮多次跳頻的總帶寬，FH/MFSK將占據整個擴頻帶寬。跳頻擴頻的帶寬可以達到數兆赫茲，遠遠高于直接序列擴頻系統所能達到的帶寬，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是很困難的，因此一般采用非相干解調方法[10]。如圖3所示，接收端的處理步驟與發送端相反，接收信號首先與偽隨機的跳頻序列混頻進行跳頻解調（即解跳），再通過一組M個非相干檢測器確定最相似的發送符號。

估算FH擴頻系統在慢跳頻時的系統性能。考察一個跳變率為Rh=1跳/比特的是跳頻系統，假設其信道干擾是功率譜密度為Io的寬帶加性高斯白噪聲，此系統采用非相干二進制FSK解調，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中，單位比特能量ξb可以表示為其中SP代表平均發射功率，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，在通過帶寬為數據帶寬的低通濾波器，然后進行MFSK解調。將前一步的輸出送入M個包絡檢波器，每個包絡檢波器后面都有限幅（削波）電路和累加器。解調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）對應的碼元作為判決結果[11]。

3.跳頻擴頻的同步過程

跳頻擴頻系統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［12］。本地生成的擴頻序列與接收擴頻信號的同步通常要經過兩個步驟完成，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。用于跳頻系統的捕獲電路有并行和串行兩種。并行捕獲需要的相關器或匹配濾波器數量巨大，因此實際中通常不采用完全并行搜索技術。而串行捕獲只需要一個相關器或匹配濾波器即可實現相應的功能，當然速度要慢得多。因此，需要綜合考慮硬件復雜度和捕獲速度，選擇并行、串行或兩者綜合的結構。

跳頻擴頻信號可以在多用戶共享公共帶寬的CDMA系統中使用。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，這時跳頻信號就優于直接序列擴頻信號。特別地，直接序列擴頻系統的定時和同步必須在一個碼片間隔Tc=1/W的幾分之一時間內建立。而在FH系統中，碼片間隔Tc是在帶寬B?W的特定頻率間隔內發送信號所用的時間，該間隔近似為1/B，遠大于1/W。因此，FH系統的定時要求遠不如直接序列系統嚴格。

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

圖6 收發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的同步過程。串行捕獲使用單個相關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相關過程，串行搜索的硬件復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造。在跳頻系統串行捕獲過程中，本地PN序列發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］。跳頻系統中只要不發生頻率的碰撞，利用跳頻序列的正交性，跳頻系統將具有碼分多址和頻帶共享的組網能力，雖然對于一個收、發信息機而言，占用了很寬的頻帶，但對于整個系統而言，頻帶的利用率仍是很高的。

當通信收發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，就表示收發雙方能夠同步跳頻，實現正常通信。一般來講，跳頻帶寬和可供跳變的頻率（頻道）數目都是預先定好的，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的頻率。比如說，跳頻帶寬為5MHz，跳頻頻率數目為64個，頻道間隔是25kHz。這樣，在5MHz帶寬內可供選用的頻道數（5MHz/25kHz=200）遠大于64個，那么應如何選擇這64個頻率呢？這就是所謂的跳頻頻率表。跳頻頻率的制定應以電波傳播條件、電磁環境條件以及可能的干擾條件等因素為依據。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］。當跳頻信號發生器采用的是偽碼序列發生器時，跳頻圖案的性質主要依賴于偽碼的性質，此時，選擇好的偽碼序列成為獲得好的跳頻圖案的關鍵。

跳頻擴頻的應用。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。基于跳頻原理的CDMA系統，為每一發射機/接收機對分配相應的偽隨機跳頻模式。除了這一點不同以外，所有用戶的發射機和接收機都是相同的，即擁有相同的編碼器、譯碼器、調制器和解調器。

基于跳頻擴頻信號的CDMA系統的時鐘同步沒有直接序列擴頻系統要求得那樣嚴格，所以特別適用于移動（包括陸地、空中和海上）用戶通信。此外，隨著頻率合成技術和輔助硬件的發展、可以在比現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量級）的頻帶上實現頻率跳變。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.結語

跳頻系統從微觀上看是一種窄帶系統，易于和窄帶通信系統兼容；從宏觀上看，它是寬帶系統，因此具有很強的抗干擾和抗衰落能力。因為跳頻系統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時間均很小，對強干擾產生的阻塞現象和近電臺產生的遠近效應，跳頻系統均有很強的抵抗能力，利用小區間不相關的跳頻分集，在擴頻偽隨機碼的控制下，各個跳頻頻隙幾乎不相關，使得頻率選擇性衰落的影響降低。

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