跳頻通信自適應技術研究

李雨，程永茂，張潤萍

(海軍航空大學，山東 煙臺 264000)

0 引言

常規跳頻規避干擾的方法是不停地變換跳頻頻率，然而由于跳變頻率表是事先安排好的，不能根據環境變化進行實時調整，這種通信方式已經滿足不了當代戰場電磁干擾劇烈、頻譜競爭激烈的環境下對抗干擾的要求，這種通信方式也被稱為“盲跳頻”[1]。很多專家提出將自適應技術與跳頻通信相結合，即跳頻自適應技術。自適應跳頻通信收發雙方可以根據信道被干擾的實時情況判斷是否更換信道，使通信數據始終保持在沒有被干擾或干擾很少的信道上傳輸，增加了通信的靈活性、可靠性；根據信道質量評估準則，在保證通信質量的前提下，使發射功率盡可能低，提高通信隱蔽性[2]。

1 跳頻通信概述

跳頻通信頻率按照一定的頻率變換規律跳變，采用“打一槍換一炮”的方式，使干擾信號難以偵察截獲。跳頻通信時，由通信網內的主控制臺發出跳變指令，所有通信臺站根據預先設定好的跳變圖案同步使發射信號在一個寬頻帶內進行頻率跳變，并在每個頻率上駐留一段很短的時間，接收端經過解跳解調后恢復出原始信號。

1.1 跳頻通信工作原理

跳頻通信的原理框圖如圖1所示，其主要工作過程如下：

1.1.1 信號調制

發射機中的信息調制器對信號源產生的基帶信號進行調制，將原始信號轉換成適合在信道中傳輸的高頻已調信號。

1.1.2 跳頻調制

PN序列發生器產生偽隨機序列，通過頻率選擇器從具有偽隨機序列變化規律的跳頻頻率中選擇出頻率控制碼，使頻率合成器輸出跳頻本振信號作為跳頻載波，已調信號與跳頻載波經過調制后，實現頻率擴展，發射機將該擴頻調制信號發送出去。

1.1.3 跳頻解跳

接收機中，通過偽碼同步得到與發送端偽隨機碼變化規律相同的本地偽隨機碼，本地頻率合成器在此偽碼控制下產生一個頻率變化規律與發射端相同的本振跳頻信號，與接收的跳頻信號之間相差一個中頻，兩個跳頻信號經混頻后產生固定的中頻信號，實現跳頻解跳。

1.1.4 信號解調

解跳后輸出的中頻信號經解調器后，恢復出發射端基帶信號。

圖1 跳頻通信原理框

1.2 跳頻通信的軍事應用與局限

20世紀40年代，Hedy K.Markey最先提出用跳頻通信來對抗電子干擾，從20世紀60年代開始西方國家首先對跳頻技術進行了理論研究，20世紀70年代后各國引起重視，加大對跳頻戰術研究力度，加緊投入生產研制，跳頻技術逐步成熟。

1.2.1 跳頻通信在軍事上的應用

跳頻通信技術面世之后，在實戰中應用表現出色。1982年馬島戰爭中，英軍使用了跳頻技術，保障了通信暢通。1989年巴拿馬戰爭，美軍裝備了SINCGARS跳頻通信系統，作戰中幾乎未受干擾影響，對敵方通信網絡施加干擾，而巴軍通信裝備落后，因受到強大干擾，基本失去戰場控制能力，被迫投降。20世紀90年代開始，越來越多的西方國家研制了各式軍用跳頻電臺，包括CHESS，ALCATEL-Ⅲ，SOTRIN等。1991年海灣戰爭中，法軍使用TRC.950跳頻電臺，英軍使用Jaguar-V跳頻電臺，美軍使用Sincgars.V跳頻電臺，跳頻的抗干擾能力保證了北約盟軍之間通信的可靠性。1999年科索沃戰爭跳頻電臺應用更加廣泛。美研制的JITIDS跳頻系統跳速可達每秒幾萬跳，我國雖然起步較晚，但國內目前研制的跳頻系統已經可以達到每秒上萬跳的跳速。

1.2.2 跳頻通信局限

傳統的常規跳頻雖然具有抗干擾能力強、不易被截獲等優點，但由于通信頻率按照規定的跳頻規律跳變，抗多頻段干擾以及抗跟蹤干擾能力差。提高頻率跳變速率是對抗跟蹤干擾的一個重要途徑，局限于目前技術現狀，產生跳速快、帶寬大、穩定性強的跳頻信號還存在很大的難度。因此多功能、多頻段通信的自適應跳頻成為目前跳頻通信的重點研究方向。

2 自適應跳頻技術

1995年，Zander J博士最先對自適應跳頻通信系統及其干擾模式建立了仿真模型，并分析了該系統性能。自適應跳頻模式一經提出，就吸引了國內外很多專家的關注。自20世紀末開始，美國、法國、英國、以色列等國家就已經將自適應技術應用于軍事通信[3-4]。表1是幾個主要國家的典型自適應跳頻電臺及其簡要介紹。

2.1 自適應跳頻基本原理

與常規跳頻通信相比，自適應跳頻系統增加的模塊是頻點實時質量評估LQA[2]。自適應跳頻系統原理框圖，如圖2所示，其工作過程主要分為以下三個部分。

圖2 自適應跳頻系統原理框

(1)建立正向通信。通信雙方實現同步收發數據。

(2)全信道掃描。對跳頻系統所有信道進行掃描。

(3)通信反饋調整。信道質量評估單元在接收端對工作信道中每個信道傳輸的數據信息進行質量檢測，將判決為被干擾的信道以信令的形式通過反饋信道返回給發送端，通信收發雙方根據預先約定的協議調整通信方式，增強通信系統數據傳輸可靠性。

常用的頻點質量評估方法主要是基于誤碼率、信噪比等參數。將信道傳輸中實際統計得到的數據與設定的門限值比較，低于門限值說明該頻點通信質量好，達到門限值則說明該頻點通信質量差。對于慢速跳頻系統而言，誤碼率是接收端解調后收到的錯誤比特數與總比特之比，而對于快速跳頻系統，由于每個頻點的誤碼率難以統計，因此，一般采用基于信噪比的頻點質量評估法則。

表1 幾個主要國家的典型自適應跳頻電臺

自適應跳頻目前主要分為兩類，即頻率跳頻自適應和功率跳頻自適應。

2.2 頻率自適應跳頻

通信收發雙方建立同步之后，接收端對頻點質量進行判斷，將判定為被干擾的頻點作為信令傳輸給發送方，收發雙方利用頻點更新算法更新頻點集，更新后的頻點集不僅要滿足各頻點頻率均勻分布，跳頻圖案具有偽隨機性，且要使信號在未受電磁干擾或受干擾影響較小的頻道內傳輸，其原理框圖如圖3所示[8]。頻率自適應跳頻的工作過程一般分為五個部分：建立頻點集、頻點質量評估、頻點信息反饋、頻點集調整、建立新的跳頻圖案[9]。

圖3 頻率自適應

近年來，頻率自適應跳頻技術得到了廣泛關注和深入研究，取得了許多有價值的研究成果。經過實驗或仿真驗證，許多新技術新算法都能在一定程度上提高跳頻通信的反偵察和抗干擾性能。自適應頻率跳頻通信中，被干擾頻點越多，平均處理時間就越長，但在提高系統抗阻塞干擾能力方面效果明顯[7]。在短波跳頻通信中，將載波頻點信噪比概率分布情況返回至發送方，發送方自動調整頻點跳頻策略，按照受干擾程度小的頻點概率分布廣、受干擾程度大的頻點概率分布少的原則，進行自適應跳頻通信，可以明顯提高短波跳頻通信的誤碼性能[8]。然而，這種方法由于不使用所有信道，系統安全性低，為此提出了基于一維混沌圖的自適應跳頻算法(ACFH)，單一的混沌跳頻均勻使用所有頻點，雖然能提升系統安全性，但系統誤碼率高，ACFH將混沌序列作為自適應跳頻的偽隨機序列，可以結合混沌跳頻和自適應跳頻兩種算法的優點，既提高了系統安全性，又保證了系統誤碼性能。針對Wi-Fi網絡受干擾的問題，提出一種基于藍牙且可感知干擾的跳頻(IAFH)自適應算法。與傳統自適應頻率跳頻方法的相同之處在于，根據預定的閾值，將頻點分為質量好的和質量不好的兩類，而不同之處在于，IAFH算法頻點質量評估是動態的，根據信道的干擾程度自動調整頻點分類，使用質量好的頻點概率更大，通過仿真證明，IAFH抗干擾能力更強[9]。基于干擾統計的跳頻算法，通過統計信道內干擾出現的概率，分析獲得受干擾影響少的信道，以此調整可用頻點的概率分布，也具有較好的抗干擾效果。

可以看出，頻率跳頻自適應算法分為“剔除法”和“概率法”兩種。“剔除法”指的是根據信道質量判決原則在頻率集中剔除質量不好的頻點，僅使用質量好的頻點。“概率法”指的是對質量不好的頻點不是完全不使用，而是使用的概率小。

2.3 功率自適應跳頻

跳頻通信系統的每條信道內都有信號，且信道存在衰落，每條信道衰落程度不同。在信道平均衰落程度很小的時候，每條信道內只要比較小的發射功率就可以保證系統對誤碼率的要求；在信道平均衰落程度很大的時候，系統誤碼率迅速上升，個別衰落程度特別大的信道甚至無法正常傳輸信號。給每條信道分配相同的發射功率是不合理的，且有的時候會造成很大的浪費，因此功率自適應跳頻得到研究者們的關注。

在跳頻系統通信質量得到保證的前期下，根據信道衰落程度和系統誤碼率情況，使系統每條信道的發射功率盡量低，增強通信隱蔽性。功率自適應跳頻系統信道質量評估單元一般是基于信噪比，通過設定信噪比閾值，將實際信噪比檢測值與閾值比較，產生功率控制命令，通過反饋信道傳送給發送方，發送方對各信道發射功率進行調整，形成一個閉環反饋系統，其原理框圖如圖4所示。

圖4 功率自適應

為了提高功率自適應跳頻系統的通信可靠性，使之更具實用價值，近年來研究者們在許多方面提出了大量改進方案。為了改進RS編碼跳頻擴頻多址(FH/SSMA)通信性能，還可以利用一種混合的功率/頻率自適應算法，對于信道流量和信道衰落，其傳輸功率和頻率同時自適應，得到在給定誤差且所需信噪比最小時的最優傳輸策略。針對數字化短波功率自適應系統，通過在發射端產生反向功率，并實時控制，防止反向功率過大。同時在DSP中，通過BDPC算法分析接收端的誤碼率、信噪比等信息，控制發射端的發射功率，在反向功率保護下實現功率自適應[10]。一種基于再生中繼的正交頻分復用(OFDM)接入系統，作為功率自適應跳頻系統的資源分配方案，其基站和中繼器之間屬于第一跳鏈路，中繼器之間屬于第二跳鏈路，通過比例公平調度算法分配子信道，保證了各用戶數據傳輸速率的公平性，并通過降低傳輸功率節約能源。通過研究正交頻分復用通信系統受總功率約束的自適應功率分配算法，將傳統的兩跳系統模型推廣到三跳結構中，用對偶法實現功率自適應跳頻，使傳輸速率達到最大，且信道功率得到最優分配。在放大轉發鏈路的正交頻分復用選頻信道基礎上，運用子載波兩步功率分配算法，一方面，引入虛擬直連實現次優子載波匹配，降低了功率分配的維數；另一方面，將中繼網絡的分配問題簡化為傳統蜂窩網絡的分配問題。通過一維搜索得到虛擬直接鏈路的最優功率分配，提高了能量效率。

可見，功率自適應跳頻技術的研究和應用，目前主要集中于對各傳輸信道進行最優功率分配，在節約能源的前提下，使資源盡可能合理配置。

2.4 自適應跳頻特點

頻率自適應和功率自適應技術使跳頻通信的性能得到擴展和提高。目前，自適應跳頻系統的作用和特點主要表現在以下三個方面。

(1)抗衰落能力強。信號在信道內傳輸受自然電磁干擾影響會有衰落現象，影響通信質量，自適應跳頻可以選擇在質量好的信道內傳輸，使信號傳輸更加穩定。

(2)抗干擾能力強。自適應跳頻系統可以通過自適應選擇合適的頻點，避開敵方電磁干擾的頻點；自適應調整發射功率，保證通信免遭干擾壓制，提高通信可靠性。

(3)抗截獲能力強。自適應跳頻系統不僅具有跳頻圖案不可預測、頻率停留時間短等跳頻通信固有特點，還可以根據信道質量靈活的變換信道，使敵方干擾信號偵察跟蹤截獲難度大大增加。

3 自適應跳頻技術發展趨勢

當前，跳頻通信正朝著高跳速、寬頻譜、多頻點的方向發展，為了在未來信息化戰場復雜電磁環境下激烈的電子戰中取得主動權，必須充分發揮自適應跳頻技術的作用和優勢，并不斷改進和提高技術水平。未來自適應跳頻技術的研究和發展趨勢主要體現在以下幾個方面。

(1)隨著5g網絡的發展，未來戰場信息指揮體系將實現網絡化、一體化、實時化。通信系統中數據傳輸流量大，流量密度和節點密度大幅提高，成本更低的反饋機制是未來自適應技術的熱點問題。

(2)未來戰場通信終端將會朝高速移動方向發展，高速移動通信中，信道變性問題對自適應跳頻系統的影響將會進一步加大，設計高速移動下的自適應算法，將是一個無法回避的研究重點。

(3)在通信對抗中，干擾敵方通信系統，使之通信網絡陷入癱瘓，對己方贏得戰場主動權至關重要，對于慢速自適應跳頻系統，采用跟蹤干擾和阻塞干擾可以達到很好的效果，而對于快速自適應跳頻系統，其有效干擾樣式還有待進一步研究。

(4)自適應跳頻通信中，如何剔除“壞頻點”，產生“好頻點”，是一個十分重要的關鍵技術。因此，研究頻率集改良算法，也是當前及未來提高自適應跳頻通信性能的重要方向。

(5)自適應技術兼容性強，可以與其他抗干擾技術組合，融合出抗干擾能力更強的集成抗干擾技術，實現信號傳輸可靠性，提高通信質量。因此，有必要開展自適應技術與多種其他技術相結合的研究，以大大擴展跳頻通信技術的威力。

(6)日益增長的通信需求使通信網絡的能耗不斷增加。為了減少發射功率，節約能源，應充分發揮功率自適應跳頻技術的優勢，保證通信有效性前提下，實現系統資源最優配置。因此，對功率自適應跳頻技術的研究將會有廣闊的發展空間。

4 結語

自適應技術與跳頻技術結合，不僅是提高通信系統抗干擾性、抗截獲性的重要手段，而且順應了未來戰場無人化、智能化作戰的發展趨勢。因此，自適應跳頻通信在軍事通信中地位不容小覷。隨著進一步研究與改進，自適應跳頻技術在軍用通信、無線通信和移動通信等領域，將會體現出重要的應用價值，得到長遠的推動和發展。