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概述 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(kuò)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(jìn)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(jī)變化碼的控制而隨機(jī)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(jìn)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(lán)牙設(shè)備、數(shù)字寶護(hù)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原理 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(kuò)頻就是用擴(kuò)頻的碼序列去進(jìn)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(dá)幾十各甚至上千個。傳送的信息與這些擴(kuò)頻碼的組合進(jìn)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(kuò)頻碼進(jìn)行解擴(kuò)，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(jìn)行選擇的多頻率頻移鍵控。也就是說，用擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)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(kuò)頻碼的組合去進(jìn)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(kuò)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(jī)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(yuǎn)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(jī)除跳頻器外與普通超外差式接收機(jī)沒有什么差別，它要求接收機(jī)輸入端的信號噪聲功率比是正值，而且要求信號功率遠(yuǎn)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�？垢櫴礁蓴_要求快速跳頻，使干擾機(jī)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(jī)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(kuò)頻的技術(shù)，它用隨機(jī)或偽隨機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(jìn)行功率控制。 技術(shù)意義 在現(xiàn)有的DS/CDMA 系統(tǒng)中，遠(yuǎn)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(yuǎn)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(yuǎn)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(dá)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(dá)、微波等多個領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。
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