跳频扩频技术

华北水利水电大学扩频通信结课报告跳频扩频技术学院：信息工程专业：通信工程姓名：刘 建学号： 2012157071跳频扩频系统的组成及工作原理1、 跳频系统的组成跳频扩频（ FHSS）通信是扩频通信的一种，是以载波频率的跳变进行通信的。这种通信可以有效地躲避干扰，已成为抗电子干扰的主要手段。系统的信道数、载波的带宽、 跳频的速率和跳变的伪随机性是抗干扰的重要技术指标。信道数越多，带宽范围越大，跳变的速率越快，频率跳变的规律越接近随机变化，就越难以被外界干扰。跳频扩频（ FHSS）系统组成框图如图1 所示。图 1 跳频扩频系统组成框图跳频系统的载频受一个伪随机码控制，不断地、随机地跳变，因此跳频系统可视作载频按照一定规律变化的多频频移键控（MFSK）。与直扩系统不同，跳频系统中的伪随机序列并不直接传输，而是用来选择信道。跳频系统主要由 PN 码产生器和频率合成器两部分组成， 快速响应的频率合成器是频率跳变系统的关键部件。频率跳变系统的发射机在一个预定的频率集中，由 PN码序列控制频率合成器，使发射频率能随机地由一个跳到另一个。 接收机中的频率合成器也按相同的顺序跳变， 产生一个与发射频率只差一个中频的本振频率， 经混频后得到固定的中频信号，该中频信号经放大后送到解调器，恢复传送的信息。此处，混频器实际上担当了解调器角色， 只要收发双方同步， 就可将频率跳变信号转换为一个固定频率的信号。22、 跳频系统的工作原理在传统的定频通信系统中， 发射机中的主振荡器的振荡频率是固定设置的，因而它的载波频率是固定的。为了得到载波频率是跳变的跳频信号，要求主振荡器的频率应能遵照控制指令而改变。这种产生跳号的装置叫跳频器。通常，跳频器是由频率合成器和跳频指令发生器构成的，如图2（a）所示。(a) 发送（ b） 接收图 2 跳频信号的发送与接收图 2（a）中，如果将跳频器看作是主振荡器，则与传统的发信机没有区别。被传送的信息可以是模拟的或数字的信号形式 ( 图 5 中标示的为信码入 ) ，经过调制器的相应调制， 便获得副载波频率固定的已调波信号， 再与频率合成器输出的主载波频率信号进行混频，其输出的已调波信号的载波频率达到射频通带的要求，经过高通滤波器反馈至天线发射出去。这就是定频信号的发送过程。3跳频系统的频率合成器输出什么频率的载波信号是受跳频指令控制的。在时钟的作用下， 跳频指令发生器不断地发出控制指令，频率合成器不断地改变其输出载波的频率。 因此，混频器输出的已调波的载波频率也将随着指令不断地跳变，从而经高通滤波器和天线发送出去的就是跳频信号。通常，是利用伪随机码发生器来产生跳频指令的，或者由软件编程来产生跳频指令。所以，跳频系统的关键部件是跳频器，更具体地，是能产生频谱纯度好的快速切换的频率合成器和伪随机性好的跳频指令发生器。由跳频信号产生的过程可以看出， 不论是数字的或是模拟的定频发送系统，在原理上，只要加装上一个跳频器就可变成一个跳频的发送系统。 但是在实际系统中尚需考虑信道机的通带宽度。定频信号的接收设备中，一般都采用超外差式的接收方法，即接收机本地振荡器的频率比所接收的外来信号的载波频率相差一个中频， 经过混频后产生一个固定的中频信号和混频产生的组合波频率成分。 经过中频带通滤波器的滤波作用，滤除组合波频率成分， 而使中频信号进人解调器。 解调器的输出就是所要传送给接收端的信息。跳频信号的接收，其过程与定频的相似。为了保证混频后获得中频信号，要求频率合成器的输出频率要比外来信号高出一个中频。 因为外来的信号载波频率是跳变的，则要求本地频率合成器输出的频率也随着外来信号的跳变规律而跳变，这样才能通过混频获得一个固定的中频信号。图 2(b) 给出跳频信号接收机的框图。图中的跳频器产生的跳频图案应当与所要求高出一个中频， 并且要求收、发跳频完全同步。所以， 接收机中的跳频器还需受同步指令的控制， 以确定其跳频的起、止时刻。可以看出，跳频器是跳频系统的关键部件， 而跳频同步则是跳频系统的核心技术。跳频系统要实现跳频通信，正确接收跳频信号的条件是跳频系统的同步。系统的同步包括以下几项内容:(l) 收端和发端产生的跳频图案相同即有相同的跳频规律。(2) 收、发端的跳变频率应保证在接收端产生固定的中频信号，即跳变的载波频率与收端产生的本地跳变频率相差一个中频。4(3) 频率跳变的起止时刻在时间上同步，即同步跳变，或相位一致。(4) 在传送数字信息时，还应做到帧同步和位同步。3、 跳频信号的波形与定频连续信号波形不同，跳频信号的波形是不连续的，这是因为跳频器产生的跳变载波信号之间是不连续的。 频率合成器从接受跳频指令开始到完成频率的跳变需要一定的切换时间。 为了保证其输出的频率纯正而稳定， 防止杂散辐射，在频率切换的瞬间是抑止发射机末级工作的。频率合成器从接受指令开始建立振荡到达稳定状态的时间叫做建立时间 ; 稳定状态持续的时间叫驻留时间 ; 从稳定状态到达振荡消失的时间叫消退时间。从建立到消退的整个时间叫做一个跳周期， 记作 Th 。建立时间加上消退时间叫做换频时间。只有在驻留时间( 记作 TD ) 内才能有效地传送信息。跳频通信系统为了能更有效地传送信息，要求频率切换占用的时间越短越好。通常，换频时间约为跳周期 Th 的 l/8 l/10 。比如跳频速率每秒 500 跳的系统，跳周期 Th =2ms，其换频时间为 0.2ms 左右 ; 跳频速率每秒 20 跳的系统，跳周期是 50ms，其换频时间约为5ms。4、 跳频信息的发送在跳频系统中，一般要采用码型变换的方法，在码型变换器（调制器）中控制频率合成器产生跳频指令。这个简单的跳频控制器由三个部分组成：伪码发生器、码型变换器、受控频率合成器。码型变换器输出的跳频指令（嵌有信息的） 控制频率合成器输出系统所要求的 N 个频率，由调制器 ( 码型变换器 ) 并行给出的信息比特数n, 如果系统输出 N个频率，则信息比特数为nlog 2 N如果伪码发生器能输N种不同的非零状态，则有nlog 2 ( N1)式中， n 为伪码发生器并行输出线的数目，N为跳频数目。伪码发生器的本身由n 级组成，其中每一级都馈送一条输出线，每条输出5线与输入的数字信息共同送到一个模2 加法器，再用其输出去控制频率合成器。5、 跳频信号的解跳与解调由于跳频信号的频率是不断变化的，而且在频率跳变过程中，相位不能做到连续，信号可能要针对传号和空号进行抽样产生脉冲，因此在跳频接收中，采用非相干的包络检测器。5.1跳频信号的解跳跳频信号的接收机应对发射信号进行相应的反变换。首先，将每个接收到的切普（Chip ）变换到窄带滤波器的通带内。 再将已解跳的信号送到基带解调器，即可恢复发射端的原始信息流。FH 接收机的性能取决于解跳乘法器及其后的带通滤波器能否从接收信号中提取有用的信号的能力。在二进制的 FH发射机里，数据的传输采用FSK时，是用发射某个频率 ( 切普 ) 表示“传号”，而发射另一个频率表示 “空号” 来实现的。对每一个信息比特，无论只发一个切普，还是发多个切普（每个切普都一定是两个频率中的一个） ，接收机应能判断两个频率中哪一个是有用信号。 因此，接收机必须能够同时观测两个交替信道，或者先对一个取样，然后紧接着对另一个取样。5.2 非相干跳频解调器信号经过无线信道传输 , 保持跳频频率合成器的同步和信号在跳变时的线性相位是很困难的 , 因此通常采用非相干解调。其中有一个方案是可行的， 即采用最大似然块估计 (MLBE)算法 , 针对 3 个观测区间中所有可能的序列组合 , 计算加权相关值 , 然后进行包络检测 , 对中间比特进行判决。当位于包络检波器输出端的施密特触发器能够给出同样的信息，还要用过于复杂切普判决过程的原因。使用两个取样保持电路和电平比较器的原因在于，当干扰叠加在输入信号上时， 由于人为的干扰在互补频道上造成随机冲击， 使两个半切普都包含两个射频脉冲串， 在积分清洗电路加两个取样保持电路和电平比较后，才能很好地判决哪个频道含有最大的信号， 而不是根据是否含有信号超过阈值来判断。6、 跳频系统的主要技术指标跳频系统的主要参数有：跳频带宽、信道间隔、跳频频率数、处理增益、6跳频速率、跳频周期等。6.1跳频带宽跳频系统工作时的最高频率与最低频率之间所占的频带宽度，称为跳频带宽。记为 BFR ， BFRf maxf min 。跳频带宽的大小与抗宽带或部分频带噪声干扰的能力有关。跳频带宽越宽，抗干扰能力越强。6.2信道间隔任意两个相邻信道之间的标称频率之差称为信道间隔，记为F 。短波电台的信道间隔是1000Hz、100Hz、 10Hz。超短波电台的信道间隔通常为25kHz、12.5kHz 。6.3跳频频率数目跳频电台工作时跳变的载波频率点的数目称为跳频频率数目，记为 N。跳频电台工作时跳变的载波频率点的集合称为跳频频率集，也称跳频频率表。 跳频频率数目与抗单频干扰和多频连续干扰的能力有关。跳频频率越多，抗单频、多频以及梳状干扰的能力越强。虽然在工作频率范围内，可能有几千个可用的信道，但是，在一次通信中只使用其中的一部分。在跳频系统正交组网时， 通常将频率集划分为几个相互正交的子集，供不同的子网使用。6.4跳频处理增益在跳频通信中，某一时刻只出现一个瞬时频谱，该瞬时频谱即为原始信息经跳频处理和中频调制后的频谱， 其带宽稍大于原始信息速率在定频通信时的带宽，并且该瞬时频谱的射频是跳变的。跳频处理增益定义为G pBFRBIF其中， BFR 为射频带宽， BIF 为跳频后的中频带宽。6.5跳频速率跳频速率是指跳频电台载波跳变的速率，通常用每秒载波频率跳变的次数来表示，记为 R 。跳频速率越高，抗跟踪式干扰的能力越强。不过，跳频速率受到通信信道和元器件水平的限制。在短波波段，跳频速率一般在50Hop/s。76.6跳频周期跳频周期是指每一跳占据的时间，用Th 来表示，它等于跳频的驻留时间和信道切换时间之和。 跳频驻留时间是指跳频电台在各信道频率上发送或接收信息的时间，信道切换时间是跳频系统由一个信道频率转换到另一个信道频率并达到稳定状态所需的时间。一般来说，信道转换时间较短，可忽略。将驻留时间就看做是跳频周期，有时也称切普（chip ）时间。跳频周期是跳频速率的倒数，即R1/ Th 。6.7跳频序列周期跳频序列不出现重复的最大长度，称为跳频序列周期，即可用位数表示，也可用时间表示。用时间表示的跳频序列周期等于用位数表示的跳频序列周期乘以每跳占据的时间。8