跳頻擴(kuò)頻技術(shù).doc

精品文檔 華北水利水電大學(xué) 擴(kuò)頻通信結(jié)課報(bào)告 跳頻擴(kuò)頻技術(shù) 學(xué)院： 信息工程 專業(yè)： 通信工程 姓名： 劉 建 學(xué)號(hào)： 201215707 跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)的組成及工作原理1、 跳頻系統(tǒng)的組成跳頻擴(kuò)頻（FHSS）通信是擴(kuò)頻通信的一種，是以載波頻率的跳變進(jìn)行通信的。這種通信可以有效地躲避干擾，已成為抗電子干擾的主要手段。系統(tǒng)的信道數(shù)、載波的帶寬、跳頻的速率和跳變的偽隨機(jī)性是抗干擾的重要技術(shù)指標(biāo)。信道數(shù)越多，帶寬范圍越大，跳變的速率越快，頻率跳變的規(guī)律越接近隨機(jī)變化，就越難以被外界干擾。跳頻擴(kuò)頻（FHSS）系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。 圖1 跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)組成框圖跳頻系統(tǒng)的載頻受一個(gè)偽隨機(jī)碼控制，不斷地、隨機(jī)地跳變，因此跳頻系統(tǒng)可視作載頻按照一定規(guī)律變化的多頻頻移鍵控（MFSK）。與直擴(kuò)系統(tǒng)不同，跳頻系統(tǒng)中的偽隨機(jī)序列并不直接傳輸，而是用來(lái)選擇信道。跳頻系統(tǒng)主要由PN碼產(chǎn)生器和頻率合成器兩部分組成，快速響應(yīng)的頻率合成器是頻率跳變系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。頻率跳變系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)在一個(gè)預(yù)定的頻率集中，由PN碼序列控制頻率合成器，使發(fā)射頻率能隨機(jī)地由一個(gè)跳到另一個(gè)。接收機(jī)中的頻率合成器也按相同的順序跳變，產(chǎn)生一個(gè)與發(fā)射頻率只差一個(gè)中頻的本振頻率，經(jīng)混頻后得到固定的中頻信號(hào)，該中頻信號(hào)經(jīng)放大后送到解調(diào)器，恢復(fù)傳送的信息。此處，混頻器實(shí)際上擔(dān)當(dāng)了解調(diào)器角色，只要收發(fā)雙方同步，就可將頻率跳變信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)固定頻率的信號(hào)。2、 跳頻系統(tǒng)的工作原理在傳統(tǒng)的定頻通信系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)中的主振蕩器的振蕩頻率是固定設(shè)置的，因而它的載波頻率是固定的。為了得到載波頻率是跳變的跳頻信號(hào)，要求主振蕩器的頻率應(yīng)能遵照控制指令而改變。這種產(chǎn)生跳號(hào)的裝置叫跳頻器。通常，跳頻器是由頻率合成器和跳頻指令發(fā)生器構(gòu)成的，如圖2（a）所示。 (a) 發(fā)送 （b） 接收 圖2 跳頻信號(hào)的發(fā)送與接收?qǐng)D2（a）中，如果將跳頻器看作是主振蕩器，則與傳統(tǒng)的發(fā)信機(jī)沒(méi)有區(qū)別。被傳送的信息可以是模擬的或數(shù)字的信號(hào)形式(圖5中標(biāo)示的為信碼入)，經(jīng)過(guò)調(diào)制器的相應(yīng)調(diào)制，便獲得副載波頻率固定的已調(diào)波信號(hào)，再與頻率合成器輸出的主載波頻率信號(hào)進(jìn)行混頻，其輸出的已調(diào)波信號(hào)的載波頻率達(dá)到射頻通帶的要求，經(jīng)過(guò)高通濾波器反饋至天線發(fā)射出去。這就是定頻信號(hào)的發(fā)送過(guò)程。跳頻系統(tǒng)的頻率合成器輸出什么頻率的載波信號(hào)是受跳頻指令控制的。在時(shí)鐘的作用下，跳頻指令發(fā)生器不斷地發(fā)出控制指令，頻率合成器不斷地改變其輸出載波的頻率。因此，混頻器輸出的已調(diào)波的載波頻率也將隨著指令不斷地跳變，從而經(jīng)高通濾波器和天線發(fā)送出去的就是跳頻信號(hào)。通常，是利用偽隨機(jī)碼發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生跳頻指令的，或者由軟件編程來(lái)產(chǎn)生跳頻指令。所以，跳頻系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是跳頻器，更具體地，是能產(chǎn)生頻譜純度好的快速切換的頻率合成器和偽隨機(jī)性好的跳頻指令發(fā)生器。由跳頻信號(hào)產(chǎn)生的過(guò)程可以看出，不論是數(shù)字的或是模擬的定頻發(fā)送系統(tǒng)，在原理上，只要加裝上一個(gè)跳頻器就可變成一個(gè)跳頻的發(fā)送系統(tǒng)。但是在實(shí)際系統(tǒng)中尚需考慮信道機(jī)的通帶寬度。定頻信號(hào)的接收設(shè)備中，一般都采用超外差式的接收方法，即接收機(jī)本地振蕩器的頻率比所接收的外來(lái)信號(hào)的載波頻率相差一個(gè)中頻，經(jīng)過(guò)混頻后產(chǎn)生一個(gè)固定的中頻信號(hào)和混頻產(chǎn)生的組合波頻率成分。經(jīng)過(guò)中頻帶通濾波器的濾波作用，濾除組合波頻率成分，而使中頻信號(hào)進(jìn)人解調(diào)器。解調(diào)器的輸出就是所要傳送給接收端的信息。跳頻信號(hào)的接收，其過(guò)程與定頻的相似。為了保證混頻后獲得中頻信號(hào)，要求頻率合成器的輸出頻率要比外來(lái)信號(hào)高出一個(gè)中頻。因?yàn)橥鈦?lái)的信號(hào)載波頻率是跳變的，則要求本地頻率合成器輸出的頻率也隨著外來(lái)信號(hào)的跳變規(guī)律而跳變，這樣才能通過(guò)混頻獲得一個(gè)固定的中頻信號(hào)。圖2(b)給出跳頻信號(hào)接收機(jī)的框圖。圖中的跳頻器產(chǎn)生的跳頻圖案應(yīng)當(dāng)與所要求高出一個(gè)中頻，并且要求收、發(fā)跳頻完全同步。所以，接收機(jī)中的跳頻器還需受同步指令的控制，以確定其跳頻的起、止時(shí)刻?？梢钥闯?，跳頻器是跳頻系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，而跳頻同步則是跳頻系統(tǒng)的核心技術(shù)。跳頻系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)跳頻通信，正確接收跳頻信號(hào)的條件是跳頻系統(tǒng)的同步。系統(tǒng)的同步包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容:(l)收端和發(fā)端產(chǎn)生的跳頻圖案相同即有相同的跳頻規(guī)律。(2)收、發(fā)端的跳變頻率應(yīng)保證在接收端產(chǎn)生固定的中頻信號(hào)，即跳變的載波頻率與收端產(chǎn)生的本地跳變頻率相差一個(gè)中頻。(3)頻率跳變的起止時(shí)刻在時(shí)間上同步，即同步跳變，或相位一致。(4)在傳送數(shù)字信息時(shí)，還應(yīng)做到幀同步和位同步。3、 跳頻信號(hào)的波形與定頻連續(xù)信號(hào)波形不同，跳頻信號(hào)的波形是不連續(xù)的，這是因?yàn)樘l器產(chǎn)生的跳變載波信號(hào)之間是不連續(xù)的。頻率合成器從接受跳頻指令開(kāi)始到完成頻率的跳變需要一定的切換時(shí)間。為了保證其輸出的頻率純正而穩(wěn)定，防止雜散輻射，在頻率切換的瞬間是抑止發(fā)射機(jī)末級(jí)工作的。頻率合成器從接受指令開(kāi)始建立振蕩到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間叫做建立時(shí)間;穩(wěn)定狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間叫駐留時(shí)間;從穩(wěn)定狀態(tài)到達(dá)振蕩消失的時(shí)間叫消退時(shí)間。從建立到消退的整個(gè)時(shí)間叫做一個(gè)跳周期，記作。建立時(shí)間加上消退時(shí)間叫做換頻時(shí)間。只有在駐留時(shí)間(記作)內(nèi)才能有效地傳送信息。跳頻通信系統(tǒng)為了能更有效地傳送信息，要求頻率切換占用的時(shí)間越短越好。通常，換頻時(shí)間約為跳周期的l/8l/10。比如跳頻速率每秒500跳的系統(tǒng)，跳周期=2ms，其換頻時(shí)間為0.2ms左右;跳頻速率每秒20跳的系統(tǒng)，跳周期是50ms，其換頻時(shí)間約為5ms。4、 跳頻信息的發(fā)送在跳頻系統(tǒng)中，一般要采用碼型變換的方法，在碼型變換器（調(diào)制器）中控制頻率合成器產(chǎn)生跳頻指令。這個(gè)簡(jiǎn)單的跳頻控制器由三個(gè)部分組成：偽碼發(fā)生器、碼型變換器、受控頻率合成器。碼型變換器輸出的跳頻指令（嵌有信息的）控制頻率合成器輸出系統(tǒng)所要求的 N個(gè)頻率，由調(diào)制器(碼型變換器)并行給出的信息比特?cái)?shù)n,如果系統(tǒng)輸出N個(gè)頻率，則信息比特?cái)?shù)為如果偽碼發(fā)生器能輸N種不同的非零狀態(tài)，則有式中， n為偽碼發(fā)生器并行輸出線的數(shù)目，N為跳頻數(shù)目。偽碼發(fā)生器的本身由n級(jí)組成，其中每一級(jí)都饋送一條輸出線，每條輸出線與輸入的數(shù)字信息共同送到一個(gè)模2加法器，再用其輸出去控制頻率合成器。5、 跳頻信號(hào)的解跳與解調(diào)由于跳頻信號(hào)的頻率是不斷變化的，而且在頻率跳變過(guò)程中，相位不能做到連續(xù)，信號(hào)可能要針對(duì)傳號(hào)和空號(hào)進(jìn)行抽樣產(chǎn)生脈沖，因此在跳頻接收中，采用非相干的包絡(luò)檢測(cè)器。5.1 跳頻信號(hào)的解跳跳頻信號(hào)的接收機(jī)應(yīng)對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的反變換。首先，將每個(gè)接收到的切普（Chip）變換到窄帶濾波器的通帶內(nèi)。再將已解跳的信號(hào)送到基帶解調(diào)器，即可恢復(fù)發(fā)射端的原始信息流。 FH接收機(jī)的性能取決于解跳乘法器及其后的帶通濾波器能否從接收信號(hào)中提取有用的信號(hào)的能力。在二進(jìn)制的FH發(fā)射機(jī)里，數(shù)據(jù)的傳輸采用FSK時(shí)，是用發(fā)射某個(gè)頻率(切普)表示“傳號(hào)”，而發(fā)射另一個(gè)頻率表示“空號(hào)”來(lái)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)每一個(gè)信息比特，無(wú)論只發(fā)一個(gè)切普，還是發(fā)多個(gè)切普（每個(gè)切普都一定是兩個(gè)頻率中的一個(gè)），接收機(jī)應(yīng)能判斷兩個(gè)頻率中哪一個(gè)是有用信號(hào)。因此，接收機(jī)必須能夠同時(shí)觀測(cè)兩個(gè)交替信道，或者先對(duì)一個(gè)取樣，然后緊接著對(duì)另一個(gè)取樣。5.2 非相干跳頻解調(diào)器信號(hào)經(jīng)過(guò)無(wú)線信道傳輸,保持跳頻頻率合成器的同步和信號(hào)在跳變時(shí)的線性相位是很困難的,因此通常采用非相干解調(diào)。其中有一個(gè)方案是可行的，即采用最大似然塊估計(jì)(MLBE)算法,針對(duì)3個(gè)觀測(cè)區(qū)間中所有可能的序列組合,計(jì)算加權(quán)相關(guān)值,然后進(jìn)行包絡(luò)檢測(cè),對(duì)中間比特進(jìn)行判決。當(dāng)位于包絡(luò)檢波器輸出端的施密特觸發(fā)器能夠給出同樣的信息，還要用過(guò)于復(fù)雜切普判決過(guò)程的原因。使用兩個(gè)取樣保持電路和電平比較器的原因在于，當(dāng)干擾疊加在輸入信號(hào)上時(shí)，由于人為的干擾在互補(bǔ)頻道上造成隨機(jī)沖擊，使兩個(gè)半切普都包含兩個(gè)射頻脈沖串，在積分清洗電路加兩個(gè)取樣保持電路和電平比較后，才能很好地判決哪個(gè)頻道含有最大的信號(hào)，而不是根據(jù)是否含有信號(hào)超過(guò)閾值來(lái)判斷。6、 跳頻系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)跳頻系統(tǒng)的主要參數(shù)有：跳頻帶寬、信道間隔、跳頻頻率數(shù)、處理增益、跳頻速率、跳頻周期等。6.1 跳頻帶寬跳頻系統(tǒng)工作時(shí)的最高頻率與最低頻率之間所占的頻帶寬度，稱為跳頻帶寬。記為，。跳頻帶寬的大小與抗寬帶或部分頻帶噪聲干擾的能力有關(guān)。跳頻帶寬越寬，抗干擾能力越強(qiáng)。6.2 信道間隔任意兩個(gè)相鄰信道之間的標(biāo)稱頻率之差稱為信道間隔，記為。短波電臺(tái)的信道間隔是1000Hz、100Hz、 10Hz。超短波電臺(tái)的信道間隔通常為25kHz、12.5kHz。6.3 跳頻頻率數(shù)目跳頻電臺(tái)工作時(shí)跳變的載波頻率點(diǎn)的數(shù)目稱為跳頻頻率數(shù)目，記為N。跳頻電臺(tái)工作時(shí)跳變的載波頻率點(diǎn)的集合稱為跳頻頻率集，也稱跳頻頻率表。跳頻頻率數(shù)目與抗單頻干擾和多頻連續(xù)干擾的能力有關(guān)。跳頻頻率越多，抗單頻、多頻以及梳狀干擾的能力越強(qiáng)。雖然在工作頻率范圍內(nèi)，可能有幾千個(gè)可用的信道，但是，在一次通信中只使用其中的一部分。在跳頻系統(tǒng)正交組網(wǎng)時(shí)，通常將頻率集劃分為幾個(gè)相互正交的子集，供不同的子網(wǎng)使用。6.4 跳頻處理增益在跳頻通信中，某一時(shí)刻只出現(xiàn)一個(gè)瞬時(shí)頻譜，該瞬時(shí)頻譜即為原始信息經(jīng)跳頻處理和中頻調(diào)制后的頻譜，其帶寬稍大于原始信息速率在定頻通信時(shí)的帶寬，并且該瞬時(shí)頻譜的射頻是跳變的。跳頻處理增益定義為其中，為射頻帶寬，為跳頻后的中頻帶寬。6.5 跳頻速率跳頻速率是指跳頻電臺(tái)載波跳變的速率，通常用每秒載波頻率跳變的次數(shù)來(lái)表示，記為。跳頻速率越高，抗跟蹤式干擾的能力越強(qiáng)。不過(guò)，跳頻速率受到通信信道和元器件水平的限制。在短波波段，跳頻速率一般在50Hop/s。6.6 跳頻周期跳頻周期是指每一跳占據(jù)的時(shí)間，用來(lái)表示，它等于跳頻的駐留時(shí)間和信道切換時(shí)間之和。跳頻駐留時(shí)間是指跳頻電臺(tái)在各信道頻率上發(fā)送或接收信息的時(shí)間，信道切換時(shí)間是跳頻系統(tǒng)由一個(gè)信道頻率轉(zhuǎn)換到另一個(gè)信道頻率并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所