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摘 要：基于當(dāng)前短波差分跳頻研究的現(xiàn)狀及其基本原理，較全面地討論了短波差分跳頻中有關(guān)系統(tǒng)及技術(shù)問題，分析了差分跳頻的優(yōu)勢(shì)和不足及其與傳統(tǒng)跳頻的不同點(diǎn)，得出了一些有益的結(jié)論。
關(guān)鍵詞：短波通信；差分跳頻；跳頻通信；數(shù)據(jù)傳輸；CHESS電臺(tái)
一、前言
短波通信作為一種抗毀性較強(qiáng)且成本低廉的通信方式，在多種領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。十幾年來，隨著跳頻和自適應(yīng)等新技術(shù)的引入，短波通信系統(tǒng)的性能得到了進(jìn)一步提高。但由于短波空中信道特點(diǎn)和傳統(tǒng)短波通信體制等原因，其傳輸可靠性仍不盡人意，使得短波數(shù)據(jù)傳輸速率一直限制在2.4kbps以下。美國(guó)Sanders公司于1995年推出了一種相關(guān)跳頻增強(qiáng)型擴(kuò)譜電臺(tái)(Correlated Hopping Enhanced Spread Spectrum)，簡(jiǎn)稱CHESS電臺(tái)，它從高速差分跳頻新體制出發(fā)，較好地解決了提高數(shù)據(jù)速率和抗跟蹤干擾等問題［1～8］，這在傳統(tǒng)的短波通信系統(tǒng)中是很難實(shí)現(xiàn)的。CHESS電臺(tái)采用了多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，比如：差分跳頻、異步跳頻、DSP、寬帶接收等，其中差分跳頻（DFH）是CHESS電臺(tái)的核心技術(shù)，集跳頻圖案、信息調(diào)制與解調(diào)于一體，決定了該電臺(tái)的基本技術(shù)體制，是一個(gè)全面基于數(shù)字信號(hào)處理的全新概念的通信系統(tǒng)，其技術(shù)體制和原理與常規(guī)跳頻完全不同。盡管目前還不太成熟，離實(shí)際應(yīng)用還有一段距離，但它代表了當(dāng)前短波通信的一個(gè)重要發(fā)展方向。然而，任何一種體制都有其優(yōu)勢(shì)和不足，加上我國(guó)對(duì)該體制和技術(shù)的研究還處于初始階段，國(guó)內(nèi)早期有關(guān)的文獻(xiàn)主要基于翻譯和局部技術(shù)研究的層面上，對(duì)系統(tǒng)及體制的有些問題認(rèn)識(shí)還不夠深入或不盡一致，甚至存在一些概念上的差異，有必要對(duì)其進(jìn)行深入研究和必要的總結(jié)，理清一些概念，以求統(tǒng)一思想，正確認(rèn)識(shí)這一新體制，避免研究和應(yīng)用中的盲目性。
二、差分跳頻基本原理
在發(fā)送端，當(dāng)前時(shí)刻的頻率值fn由上一跳的頻率值fn-1和當(dāng)前時(shí)刻的數(shù)據(jù)符號(hào)Xn決定，可用一個(gè)隱式差分方程表式為
式中G(·)表示一種函數(shù)變換關(guān)系，簡(jiǎn)稱G函數(shù)［4］。其頻率、數(shù)據(jù)正變換關(guān)系可表示成圖1的形式。
在收端，通過數(shù)字化寬帶接收，經(jīng)FFT分析跳頻帶寬內(nèi)的所有信號(hào)特征，確定fn-1和fn，由G函數(shù)的逆變換即可恢復(fù)出發(fā)送端的數(shù)據(jù)信息，即
式中G-1(·)表示G函數(shù)的逆變換，即要求G函數(shù)必須具有可逆性。其逆變換關(guān)系可表示成圖2的形式。
三、CHESS系統(tǒng)基本指標(biāo)
CHESS系統(tǒng)基本指標(biāo)如表1所示。
四、CHESS系統(tǒng)基本特點(diǎn)
由差分跳頻的基本原理，可總結(jié)出差分跳頻具有的幾個(gè)基本特點(diǎn)，這也是CHESS跳頻體制與常規(guī)跳頻跳頻體制的主要差別。
(1)差分跳頻體制是一種相關(guān)跳頻體制
差分跳頻通過G函數(shù)變換［4］，使相鄰或多跳頻率之間具有了相關(guān)性，其相關(guān)性攜帶了待發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，收端也是根據(jù)其相關(guān)性還原數(shù)據(jù)信息，所以也將這種跳頻體制稱之為相關(guān)跳頻。在常規(guī)跳頻體制中，時(shí)間上相鄰的頻率與其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息是無關(guān)的。
(2)差分跳頻體制是一種異步跳頻體制
差分跳頻的收端無法預(yù)先知道每個(gè)時(shí)刻的發(fā)端頻率，只能在工作帶寬內(nèi)進(jìn)行寬帶數(shù)字化接收，也就是說不可能實(shí)現(xiàn)收發(fā)跳頻圖案同步，收端也沒有頻率合成器，從這個(gè)意義上說，差分跳頻又是異步跳頻。在傳統(tǒng)跳頻體制中，需要實(shí)現(xiàn)收發(fā)跳頻圖案的同步。
(3)G函數(shù)具備了數(shù)據(jù)的調(diào)制解調(diào)功能
差分跳頻不需要傳統(tǒng)定頻或跳頻體制中的基帶和中頻調(diào)制，發(fā)端經(jīng)G函數(shù)變換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與頻率之間的“數(shù)－頻”編碼，收端先對(duì)接收到的直接攜帶信息的射頻頻率進(jìn)行有效檢測(cè)，再經(jīng)過G函數(shù)的逆變換即可恢復(fù)出數(shù)據(jù)信息，實(shí)際上這也是一種調(diào)制解調(diào)過程。
(4)G函數(shù)具備了產(chǎn)生跳頻圖案的功能
差分跳頻體制不需要設(shè)置專門的跳頻圖案產(chǎn)生器，而在跳頻控制和數(shù)傳過程中經(jīng)G函數(shù)變換后，自動(dòng)產(chǎn)生了跳頻圖案，跳頻圖案直接受發(fā)端數(shù)據(jù)流和G函數(shù)的控制。由于數(shù)據(jù)流是無法控制的，要提高差分跳頻圖案的性能，需要對(duì)G函數(shù)算法進(jìn)行深入研究［6,7］。
(5)差分跳頻具備了高速數(shù)據(jù)傳輸能力
在每跳攜帶的比特?cái)?shù)一定的情況下，跳速越高，數(shù)據(jù)傳輸速率越高；在跳速一定的情況下，每跳攜帶的比特?cái)?shù)越多，數(shù)據(jù)傳輸速率也越高。但是，由于短波空中信道群時(shí)延、色散等因素的影響，跳速并不能無限制地提高，其最高跳速為5 000跳每秒數(shù)量級(jí)［8］。
(6)差分跳頻系統(tǒng)存在誤碼傳播的問題
正是由于差分跳頻系統(tǒng)的頻率跳變具有相關(guān)性，數(shù)據(jù)信息不僅與當(dāng)前跳的頻率有關(guān)，還與前一跳或前幾跳的頻率有關(guān)，使得在收端某頻率檢測(cè)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，即使后續(xù)跳的頻率檢測(cè)正確，仍然出現(xiàn)誤碼，導(dǎo)致誤碼傳播。為此，需要采取其它相應(yīng)的技術(shù)措施［9］。
(7)差分跳頻的出發(fā)點(diǎn)是提高數(shù)傳速率
CHESS系統(tǒng)的基本出發(fā)點(diǎn)是提高短波數(shù)據(jù)傳輸速率，而不是抗跟蹤干擾和多徑干擾，因?yàn)槟壳皣?guó)際上短波實(shí)用跟蹤干擾機(jī)的水平是幾十跳/秒，且短波多徑時(shí)延在毫秒數(shù)量級(jí)［10］，抵抗大部分短波多徑信號(hào)的跳速在1 000跳每秒左右即可。這一點(diǎn)應(yīng)予以澄清。
(8)差分跳頻的寬帶頻率選擇十分困難［11］
CHESS系統(tǒng)的跳頻帶寬大于2 MHz［1～3］，占用頻帶太寬，即使采用頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但在短波頻段同時(shí)找出64或256個(gè)干凈的頻率點(diǎn)并不容易，尤其是在夜間更為困難。并且頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只能監(jiān)測(cè)本地干擾情況，不能代表接收端干擾情況，遠(yuǎn)程通信難以交互。
五、差分跳頻圖案的基本性能
前已述及，在差分跳頻通信過程中，隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)經(jīng)G函數(shù)變換后產(chǎn)生了隨時(shí)間隨機(jī)變化的頻率，即跳頻圖案。由于差分跳頻圖案產(chǎn)生的機(jī)理與傳統(tǒng)跳頻圖案產(chǎn)生的機(jī)理完全不同，使得差分跳頻圖案的基本性能與傳統(tǒng)跳頻圖案也存在重大差別。
實(shí)際上，隨著時(shí)間的變化，由頻率和數(shù)據(jù)經(jīng)G函數(shù)形成的跳頻圖案的結(jié)構(gòu)為一棵隨機(jī)的倒立樹［4,5］(稱為G函數(shù)倒立樹)，樹根即為最初的起始頻率。比如：當(dāng)頻率個(gè)數(shù)N=32，每跳攜帶的比特?cái)?shù)BPH=1 時(shí)的G函數(shù)倒立樹如圖3所示；設(shè)起始頻率fi=f6，一組數(shù)據(jù)與頻率的關(guān)系如表2所示；當(dāng)N=32，BPH=2時(shí)的G函數(shù)倒立樹如圖4所示；設(shè)起始頻率fi=f6，一組數(shù)據(jù)與頻率的關(guān)系如表3所示。
由以上分析，可得出關(guān)于差分跳頻圖案的幾點(diǎn)初步結(jié)論。
(1)時(shí)間相鄰的頻率相同的概率為零
無論每跳攜帶幾比特信息，差分跳頻圖案從當(dāng)前頻率向下一個(gè)頻率轉(zhuǎn)移時(shí)，必將選擇另一個(gè)頻率子集中的一個(gè)頻率，不會(huì)轉(zhuǎn)移到相同的頻率上，即不會(huì)出現(xiàn)相鄰頻率相同的情況，這是差分跳頻圖案產(chǎn)生的機(jī)理決定的，在傳統(tǒng)跳頻圖案中不能保證這一點(diǎn)。
(2)跳頻圖案與起始頻率和數(shù)據(jù)有關(guān)
在G函數(shù)變換關(guān)系確定的條件下，差分跳頻圖案不僅與發(fā)端數(shù)據(jù)流有關(guān)，還與最初的起始頻率有關(guān)。必須確保起始頻率的一次性相關(guān)同步，即收端必須獲得起始頻率的信息，否則收端不能正確恢復(fù)發(fā)端數(shù)據(jù)信息。因此，起始頻率信息獲取不能出現(xiàn)錯(cuò)誤。
(3)跳頻圖案的周期理論上為無窮大
G函數(shù)倒立樹的路徑數(shù)，即跳頻圖案?jìng)�(gè)數(shù)為：HG=ml，其中m=2BPH為每個(gè)頻率轉(zhuǎn)移的分支數(shù)，l=n/BPH，n為數(shù)據(jù)碼元數(shù)，l為數(shù)據(jù)符號(hào)的個(gè)數(shù)�？梢姡簃為一常數(shù)，當(dāng)n→+∞時(shí)，HG→+∞，倒立樹是發(fā)散的，永遠(yuǎn)不會(huì)閉合，所以跳頻圖案的周期TG→+∞。
(4)跳頻圖案沒有實(shí)時(shí)時(shí)間參與運(yùn)算
在傳統(tǒng)跳頻圖案產(chǎn)生過程中，除了跳頻時(shí)序控制以外，原始跳頻密鑰Pk和時(shí)間參數(shù)TOD參與跳頻圖案運(yùn)算［12，13］。而在差分跳頻圖案產(chǎn)生過程中，數(shù)據(jù)流參與跳頻圖案的運(yùn)算，相當(dāng)于跳頻密鑰，與實(shí)時(shí)時(shí)間TOD無關(guān)。數(shù)據(jù)流對(duì)于跳頻通信的接收端是未知的。
(5)跳頻圖案一維、二維及隨機(jī)性能
跳頻圖案表現(xiàn)出隨時(shí)間頻率遞增的關(guān)系，導(dǎo)致普通差分跳頻圖案的一維均勻性(每個(gè)頻率平均出現(xiàn)的概率)較好。而二維連續(xù)性(某一頻率出現(xiàn)后緊接著出現(xiàn)某一特定頻率的概率)和隨機(jī)性(由當(dāng)前頻率預(yù)知下一個(gè)頻率的概率)較差。嚴(yán)格的檢驗(yàn)證明了這一點(diǎn)［4，5］。
六、差分跳頻抗干擾性能
與常規(guī)跳頻抗干擾能力相對(duì)應(yīng)，下面分別討論差分跳頻的抗跟蹤干擾能力、抗阻塞干擾能力和抗多徑干擾能力。
(1)抗跟蹤干擾能力
短波差分跳頻形成了抗跟蹤干擾的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，主要由于兩個(gè)方面的原因：一是短波差分跳頻實(shí)現(xiàn)了高跳速，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于干擾機(jī)的跟蹤跳速，使得干擾橢圓相當(dāng)小［14］；二是由于完全隨機(jī)的數(shù)據(jù)流控制跳頻圖案，且跳頻圖案不重復(fù)，使得干擾方難以預(yù)測(cè)跳頻路徑。
(2)抗阻塞干擾能力
短波差分跳頻可以依靠較大的跳頻帶寬，相應(yīng)提高抗阻塞干擾能力，但干擾的門限效應(yīng)與常規(guī)跳頻沒有本質(zhì)的變化［11,14］；在常規(guī)跳頻中同頻干擾形成威脅，在差分跳頻中主要是異頻干擾形成威脅，同頻干擾只在與有用頻率的相位相反時(shí)，才形成干擾威脅。
(3)抗多徑干擾能力
盡管差分跳頻頻率駐留時(shí)間小于多徑時(shí)延，但本跳信號(hào)經(jīng)多徑傳輸后會(huì)以較大的概率落入后續(xù)跳中，當(dāng)本跳頻率與后續(xù)跳的頻率不相同時(shí)，會(huì)造成差分頻率檢測(cè)的誤判。所以，差分跳頻體制本身并不能完全解決抗多徑干擾問題，其機(jī)理也不同于常規(guī)跳頻。
七、差分跳頻組網(wǎng)性能
主要分析差分同步跳頻組網(wǎng)和差分異步跳頻組網(wǎng)兩種組網(wǎng)方式的基本性能［15］，其機(jī)理與常規(guī)跳頻組網(wǎng)也有所不同。
(1)差分同步跳頻組網(wǎng)性能
在差分跳頻同步組網(wǎng)時(shí)，要求各網(wǎng)跳變頻率采用相同的頻率表、相同的跳頻規(guī)律和任一時(shí)刻的各網(wǎng)瞬時(shí)頻率正交［14］。至少由于以下兩個(gè)方面的原因，差分跳頻難以實(shí)現(xiàn)同步組網(wǎng):一是頻率的隨機(jī)跳變受隨機(jī)數(shù)據(jù)和G函數(shù)的約束，難以通過人為干預(yù)，以實(shí)現(xiàn)跳頻規(guī)律相同和任一時(shí)刻的頻率正交；二是由于差分跳頻采用異步跳頻接收，各網(wǎng)又采用同一張頻率表和相同的G函數(shù)，即使做到了任一時(shí)刻的頻率正交，在同一時(shí)刻會(huì)出現(xiàn)滿足G函數(shù)的非正常異頻接收，從而導(dǎo)致網(wǎng)間相互干擾。所以，差分跳頻能否實(shí)現(xiàn)同步組網(wǎng)，值得進(jìn)一步研究。
(2)差分異步跳頻組網(wǎng)性能
在差分跳頻異步組網(wǎng)時(shí)，各網(wǎng)的頻率表、G函數(shù)和頻率正交性沒有約束關(guān)系［14］。主要分為兩種情況。一是各異步網(wǎng)的頻率表不相同，盡管差分跳頻在異頻接收時(shí)可能形成干擾，但由于此時(shí)各異步網(wǎng)G函數(shù)及其映射的頻率表不同，各網(wǎng)當(dāng)前頻率只能在本張頻率表中映射產(chǎn)生，當(dāng)收到不同頻率時(shí)，只要不在本頻率表內(nèi)，便不滿足G函數(shù)正反變換的約束，因而不影響數(shù)據(jù)判決，也就不形成干擾。不過，這種方法需要占用大量的頻率資源。二是用一張頻率表組多個(gè)差分異步跳頻網(wǎng)，會(huì)出現(xiàn)相同G函數(shù)的部分相同頻率集，從而導(dǎo)致瞬間異頻干擾。
八、結(jié)束語(yǔ)
差分跳頻體制集調(diào)制、解調(diào)和跳頻圖案于一體，可以理解為是一種特殊的調(diào)制解調(diào)方式，具有數(shù)字化程度高、極易實(shí)現(xiàn)高跳速和高數(shù)據(jù)率、抗跟蹤干擾能力強(qiáng)、跳頻圖案的一維均勻性好、跳頻圖案不重復(fù)以及流動(dòng)密鑰特性等優(yōu)點(diǎn)，但存在跳頻圖案的二維連續(xù)性和隨機(jī)性較差、寬帶頻率選擇困難、誤碼傳播以及組網(wǎng)困難等問題。因此，雖然差分跳頻是一個(gè)全新的通信體制，具有眾多的優(yōu)勢(shì)，但要進(jìn)入實(shí)用化，還有不少系統(tǒng)、體制及技術(shù)問題需要突破。
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作者：姚富強(qiáng) 總參第63研究所，江蘇 南京210016 來源：電訊技術(shù)
