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跳頻擴頻

跳頻擴頻

百科解釋

目錄·FHSS概述
·FHSS原理
·技術(shù)發(fā)展史
·FHSS優(yōu)點
·跳頻信道評估
·技術(shù)意義

FHSS跳頻技術(shù)，英文全稱“Frequency-Hopping Spread Spectrum”，縮寫為FHSS，是無線通訊最常用的擴頻方式之一。跳頻技術(shù)是通過收發(fā)雙方設(shè)備無線傳輸信號的載波頻率按照預(yù)定算法或者規(guī)律進行離散變化的通信方式，也就是說，無線通信中使用的載波頻率受偽隨機變化碼的控制而隨機跳變。從通信技術(shù)的實現(xiàn)方式來說，“跳頻技術(shù)”是一種用碼序列進行多頻頻移鍵控的通信方式，也是一種碼控載頻跳變的通信系統(tǒng)。從時域上來看，跳頻信號是一個多頻率的頻移鍵控信號；從頻域上來看，跳頻信號的頻譜是一個在很寬頻帶上以不等間隔隨機跳變的。其中：跳頻控制器為核心部件，包括跳頻圖案產(chǎn)生、同步、自適應(yīng)控制等功能；頻合器在跳頻控制器的控制下合成所需頻率；數(shù)據(jù)終端包含對數(shù)據(jù)進行差錯控制。
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(guī)律，就很難截獲我方的通信內(nèi)容。同時，跳頻通信也具有良好的抗干擾能力，即使有部分頻點被干擾，仍能在其他未被干擾的頻點上進行正常的通信。由于跳頻通信系統(tǒng)是瞬時窄帶系統(tǒng)，它易于與其他的窄帶通信系統(tǒng)兼容，也就是說，跳頻電臺可以與常規(guī)的窄帶電臺互通，有利于設(shè)備的更新。因為這些優(yōu)點，跳頻技術(shù) 被廣泛適用于對通訊安全或者通訊干擾具有較高要求的無線領(lǐng)域，低端的應(yīng)用產(chǎn)品包括無聲電話、藍牙設(shè)備、數(shù)字寶護神、嬰兒監(jiān)視器、無線攝像槍、移動電話等，中高端應(yīng)用產(chǎn)品例如手軍用電臺、衛(wèi)星電話等

FHSS在同步、且同時的情況下，接受兩端以特定型式的窄頻載波來傳送訊號，對于一個非特定的接受器，F(xiàn)HSS所產(chǎn)生的跳動訊號對它而言，也只算是脈沖噪聲。FHSS所展開的訊號可依特別設(shè)計來規(guī)避噪聲或One-to-Many的非重復(fù)的頻道，并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。

　　跳頻擴頻就是用擴頻的碼序列去進行移頻鍵控(FSK)調(diào)制，使載波的頻率不斷地跳變。跳頻系統(tǒng)的跳變頻率有多個，多達幾十各甚至上千個。傳送的信息與這些擴頻碼的組合進行選擇控制，在傳送中不斷跳變。在接收端，由于有與發(fā)送端完全相同的本地發(fā)生器發(fā)生完全相同的擴頻碼進行解擴，然后通過解調(diào)才能正確地恢復(fù)原有的信息。

　　所謂跳頻，比較確切的意思是：用一定碼序列進行選擇的多頻率頻移鍵控。也就是說，用擴頻碼序列去進行頻移鍵控調(diào)制，使載波頻率不斷地跳變，所以稱為跳頻。

　　簡單的頻移鍵控如2FSK，只有兩個頻率，分別代表傳號和空號。而跳頻系統(tǒng)則有幾個、幾十個、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。

　　下圖為跳頻的原理示意圖。發(fā)端信息碼序列與擴頻碼序列組合以后按照不同的碼字去控制頻率合成器。

　　總之，跳頻系統(tǒng)占用了比信息帶寬要寬得多的頻帶。

技術(shù)發(fā)展史

　　在90 年代初，出現(xiàn)了基于模糊（Fuzzy)規(guī)則的跳頻圖案產(chǎn)生器。在這種系統(tǒng)中，由模糊規(guī)則、初始條件以及采樣模式共同來決定系統(tǒng)的輸出序列。只要竊聽者不知道模糊規(guī)則、初始條件、采樣模式三者的任何一個，就無法預(yù)測到系統(tǒng)的輸出頻率，由此就提高了系統(tǒng)的抗竊聽能力和抗干擾能力。模糊跳頻給出的跳頻碼序列與傳統(tǒng)的跳頻碼序列相比更加均勻，也更難預(yù)測。
90年代末有人提出了混沌（chaotic)跳頻序列。其基本思想是通過混沌系統(tǒng)的符號序列來生成跳頻序列。在這個混沌系統(tǒng)中要確定一個非線性的映射關(guān)系、初始條件和混沌規(guī)則，三者唯一確定一個輸出序列。由此確定的混沌跳頻序列體現(xiàn)了良好的均勻性，低截獲概率，良好的漢明相關(guān)特性以及具有理想的線性范圍。

FHSS優(yōu)點

　　跳頻圖案的偽隨機性和跳頻圖案的密鑰量使跳頻系統(tǒng)具有保密性。即使是模擬話音的跳頻通信，只要敵方不知道所使用的跳頻圖案就具有一定的保密的能力。當(dāng)跳頻圖案的密鑰足夠大時，具有抗截獲的能力。

　　由于載波頻率是跳變的，具有抗單頻及部分帶寬干擾的能力。當(dāng)跳變的頻率數(shù)目足夠多時，跳頻帶寬足夠?qū)挄r，其抗干擾能力是很強。這也是它能在WLAN系統(tǒng)中得到廣泛使用的原因。

　　利用載波頻率的快速跳變，具有頻率分集的作用，從而使系統(tǒng)具有抗多徑衰落的能力。條件是跳變的頻率間隔具要大于相關(guān)帶寬。

　　利用跳頻圖案的的正交性可構(gòu)成跳頻碼分多址系統(tǒng)，共享頻譜資源，并具有承受過載的能力。

　　跳頻系統(tǒng)為瞬時窄帶系統(tǒng)，能與現(xiàn)有的窄帶系統(tǒng)兼容通信。即當(dāng)跳頻系統(tǒng)處于某一固定載頻時，可與現(xiàn)有的定頻窄帶系統(tǒng)建立通信。另外，跳頻系統(tǒng)對模擬信源和數(shù)字信源均適用。

　　跳頻系統(tǒng)無明顯的無近效應(yīng)。這是因為當(dāng)大功率信號只在某個頻率上產(chǎn)生遠近效應(yīng)，當(dāng)載波頻率跳變至另一個頻率時則不再受其影響。這一點，使跳頻系統(tǒng)在移動通信中易于得到應(yīng)用與發(fā)展。跳頻系統(tǒng)也有其缺點和局限：

　　信號的隱蔽性差。因為跳頻系統(tǒng)的接收機除跳頻器外與普通超外差式接收機沒有什么差別，它要求接收機輸入端的信號噪聲功率比是正值，而且要求信號功率遠大于噪聲功率。所以在頻譜儀上是能夠明顯地看到跳頻信號的頻譜。特別是在慢速跳頻時，跳頻信號容易被敵方偵察、識別與截獲。

　　跳頻系統(tǒng)抗多頻干擾及跟蹤式干擾能力有限。當(dāng)跳頻的頻率數(shù)目中有一半的頻率被干擾時，對通信會產(chǎn)生嚴(yán)重影響，甚至中斷通信。抗跟蹤式干擾要求快速跳頻，使干擾機跟蹤不上而失效。

　　快速跳頻器的限制。產(chǎn)生寬的跳頻帶寬、快的跳頻速率、偽隨機性好的跳頻圖案的跳頻器在制作上遇到很多困難，且有些指標(biāo)是相互制約的。因此，使得跳頻系統(tǒng)的各項優(yōu)點也受到了局限。

　　一種用RF載波在大量RF信道上跳頻實現(xiàn)擴頻的技術(shù)，它用隨機或偽隨機代碼確定使用通道的序列。

　　&＃65279;同DSSS一樣，F(xiàn)HSS使用一個PN碼。但是它不是將PN碼調(diào)制到RF載波上，而是用這個PN碼確定離散頻率的次序。這些離散頻率就成了RF載波。本質(zhì)上，F(xiàn)HSS是一個RF系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)中，RF載波不斷跳變（這也是它名字的由來），從一個頻點跳到另一人頻點（在給定的頻率范圍內(nèi)）。

跳頻信道評估

　　通過可靠的信道質(zhì)量評估算法，發(fā)現(xiàn)了干擾頻點后，應(yīng)當(dāng)在收發(fā)雙方的頻率表中將其刪除，并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、長周期外，各頻率出現(xiàn)次數(shù)在長時間內(nèi)應(yīng)具有很好的均勻性。在引入自適應(yīng)頻率替換算法對頻率表進行實時更新后，為保障系統(tǒng)性能，仍然要求跳頻圖案具有很好的均勻性，所以應(yīng)當(dāng)依次用不同的質(zhì)量較好的頻點來分別替換被干擾的頻點。收端頻率表的更新會導(dǎo)致收發(fā)頻率表的不一致性。為了使收發(fā)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(fā)方。這種信息的相互交換是一種閉環(huán)控制過程，需要制定相應(yīng)的信息交換協(xié)議來保證頻表可靠的同步更新。衡量協(xié)議有效性的另一個重要指標(biāo)便是頻點去除的速度。在檢測出干擾頻點后，干擾頻點去除的速度越快，對通信的影響越小。
信道質(zhì)量評估的另一個作用是進行自適應(yīng)功率控制。功率控制就是要把有限的發(fā)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(fā)射機功率實現(xiàn)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(yīng)跳頻系統(tǒng)中，系統(tǒng)檢測每個信道的通信狀況，并通過信道質(zhì)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。

技術(shù)意義

　　在現(xiàn)有的DS/CDMA 系統(tǒng)中，遠近效應(yīng)是一個很大的問題。由于大功率信號只在某個頻率上產(chǎn)生遠近效應(yīng)，當(dāng)載波頻率跳變到另一個頻率時則不受影響，因此跳頻系統(tǒng)沒有明顯的遠近效應(yīng)，這使得它在移動通信中易于得到應(yīng)用和發(fā)展。在數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)中，如果鏈路間采用相互正交的跳頻圖案同步跳頻，或者采用低互相關(guān)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(tǒng)的容量具有重要意義。此外，跳頻是瞬時窄帶系統(tǒng)，其頻率分配具有很大的靈活性，在現(xiàn)有頻率資源十分擁擠的條件下，這一點具有重要意義。
跳頻的多址性能對于組網(wǎng)有很重要的意義。加拿大Laval 大學(xué)提出了在光纖網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用快跳頻技術(shù)。該系統(tǒng)利用Bragg 光柵替代傳統(tǒng)跳頻系統(tǒng)中的頻率合成器，跳速達到10G數(shù)量級。系統(tǒng)在30個用戶，比特誤碼率為10-9的條件下，數(shù)據(jù)速率為500Mb/s。與采用非相干DS/CDMA 技術(shù)的光纖網(wǎng)絡(luò)相比，同時有相同數(shù)量的用戶使用時，F(xiàn)FH/CDMA系統(tǒng)的比特誤碼率明顯優(yōu)于DS/CDMA 系統(tǒng)。
此外，跳頻技術(shù)在GSM、無線局域網(wǎng)、室內(nèi)無線通信、衛(wèi)星通信、水下通信、雷達、微波等多個領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。

通信詞典解釋