跳頻擴頻技術

1、華北水利水電大學擴頻通信結課報告跳頻擴頻技術學院： 信息工程 專業(yè)： 通信工程 姓名： 劉建學號：2012157077跳頻擴頻系統(tǒng)的組成及工作原理1、跳頻系統(tǒng)的組成跳頻擴頻（FHSS通信是擴頻通信的一種，是以載波頻率的跳變進行通信的。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性是抗干擾的重要技術指標。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)律越接近隨機變化，就 越難以被外界干擾。跳頻擴頻（FHSS系統(tǒng)組成框圖如圖1所示凋制6高熄產(chǎn)中聯(lián)L fLL間步原顱麵-簞労應器|11 - ttpm 碼 AtaPN瑪產(chǎn)牛罵圖1跳頻擴

2、頻系統(tǒng)組成框圖跳頻系統(tǒng)的載頻受一個偽隨機碼控制，不斷地、隨機地跳變，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。與直擴系統(tǒng)不同，跳 頻系統(tǒng)中的偽隨機序列并不直接傳輸，而是用來選擇信道。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，快速響應的頻率合成器是頻率跳變系統(tǒng)的關 鍵部件。頻率跳變系統(tǒng)的發(fā)射機在一個預定的頻率集中，由PN碼序列控制頻率合成器，使發(fā)射頻率能隨機地由一個跳到另一個。 接收機中的頻率合成器也按相 同的順序跳變，產(chǎn)生一個與發(fā)射頻率只差一個中頻的本振頻率，經(jīng)混頻后得到固定的中頻信號，該中頻信號經(jīng)放大后送到解調(diào)器，恢復傳送的信息。此處，混頻 器實際上擔當了解

3、調(diào)器角色，只要收發(fā)雙方同步，就可將頻率跳變信號轉(zhuǎn)換為一 個固定頻率的信號。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)射機中的主振蕩器的振蕩頻率是固定設置的， 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，要求主振蕩 器的頻率應能遵照控制指令而改變。這種產(chǎn)生跳號的裝置叫跳頻器。通常，跳頻器是由頻率合成器和跳頻指令發(fā)生器構成的，如圖 2（a）所示。111111一丁!鳧鎖伯號發(fā)1 j生器時鐘（a）發(fā)送圖2跳頻信號的發(fā)送與接收圖2（a）中，如果將跳頻器看作是主振蕩器，則與傳統(tǒng)的發(fā)信機沒有區(qū)別。被傳送的信息可以是模擬的或數(shù)字的信號形式（圖5中標示的為信碼入），經(jīng)過調(diào) 制器的相應調(diào)制，

4、便獲得副載波頻率固定的已調(diào)波信號， 再與頻率合成器輸出的 主載波頻率信號進行混頻，其輸出的已調(diào)波信號的載波頻率達到射頻通帶的要 求，經(jīng)過高通濾波器反饋至天線發(fā)射出去。這就是定頻信號的發(fā)送過程。跳頻系統(tǒng)的頻率合成器輸出什么頻率的載波信號是受跳頻指令控制的。在 時鐘的作用下，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。通常，是利用偽隨機碼發(fā)生器來產(chǎn)生跳頻指令的，或者由軟件編程來產(chǎn)生跳頻指令。所以，跳頻系統(tǒng)的關鍵部件是跳頻器，更具體地，是能產(chǎn)生頻譜純度 好的快速切換

5、的頻率合成器和偽隨機性好的跳頻指令發(fā)生器。由跳頻信號產(chǎn)生的過程可以看出，不論是數(shù)字的或是模擬的定頻發(fā)送系統(tǒng)， 在原理上，只要加裝上一個跳頻器就可變成一個跳頻的發(fā)送系統(tǒng)。但是在實際系統(tǒng)中尚需考慮信道機的通帶寬度。定頻信號的接收設備中，一般都采用超外差式的接收方法，即接收機本地 振蕩器的頻率比所接收的外來信號的載波頻率相差一個中頻，經(jīng)過混頻后產(chǎn)生一個固定的中頻信號和混頻產(chǎn)生的組合波頻率成分。 經(jīng)過中頻帶通濾波器的濾波作 用，濾除組合波頻率成分，而使中頻信號進人解調(diào)器。解調(diào)器的輸出就是所要傳 送給接收端的信息。跳頻信號的接收，其過程與定頻的相似。為了保證混頻后獲得中頻信號，要求頻率合成器的輸出頻率要

6、比外來信號高出一個中頻。因為外來的信號載波頻率是跳變的，則要求本地頻率合成器輸出的頻率也隨著外來信號的跳變規(guī)律而跳 變，這樣才能通過混頻獲得一個固定的中頻信號。圖2(b)給出跳頻信號接收機的框圖。圖中的跳頻器產(chǎn)生的跳頻圖案應當與所要求高出一個中頻，并且要求收、發(fā)跳頻完全同步。所以，接收機中的跳頻器還需受同步指令的控制，以確定其跳頻的起、止時刻?？梢钥闯觯l器是跳頻系統(tǒng)的關鍵部件，而跳頻同步則是跳頻系統(tǒng)的核心 技術。跳頻系統(tǒng)要實現(xiàn)跳頻通信，正確接收跳頻信號的條件是跳頻系統(tǒng)的同步。系統(tǒng)的同步包括以下幾項內(nèi)容：(I)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。 收、發(fā)端的跳變頻率應保證在接收端

7、產(chǎn)生固定的中頻信號，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中頻。（3）頻率跳變的起止時刻在時間上同步，即同步跳變，或相位一致。（4）在傳送數(shù)字信息時，還應做到幀同步和位同步。3、跳頻信號的波形與定頻連續(xù)信號波形不同，跳頻信號的波形是不連續(xù)的，這是因為跳頻器 產(chǎn)生的跳變載波信號之間是不連續(xù)的。頻率合成器從接受跳頻指令開始到完成頻 率的跳變需要一定的切換時間。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)射機末級工作的。頻率合成器從接受指令開始建立振蕩到達穩(wěn)定狀態(tài)的時間叫做建立時間；穩(wěn)定狀態(tài)持續(xù)的時間叫駐留時間；從穩(wěn)定狀態(tài)到達振蕩消失的時間叫消退時間。 從建立到消

8、退的整個時間叫做一個跳周期，記作Th。建立時間加上消退時間叫做 換頻時間。只有在駐留時間（記作Td）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間越短越好。通常，換頻時間約為跳周期 Th的1/8 1/10。比如跳頻速率每秒500跳的系 統(tǒng)，跳周期Th=2ms其換頻時間為0.2ms左右;跳頻速率每秒20跳的系統(tǒng)，跳周 期是50ms其換頻時間約為5ms4、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。這個簡單的跳頻控制器由三個部分組成：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

9、（嵌有信息的）控制頻率合成器輸出系 統(tǒng)所要求的N個頻率，由調(diào)制器（碼型變換器）并行給出的信息比特數(shù)n,如果系 統(tǒng)輸出N個頻率，則信息比特數(shù)為n = log2 N如果偽碼發(fā)生器能輸N種不同的非零狀態(tài)，則有n 二 log2（N 1）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級組成，其中每一級都饋送一條輸出線，每條輸出線與輸入的數(shù)字信息共同送到一個模 2加法器，再用其輸出去控制頻率合成器。5、跳頻信號的解跳與解調(diào)由于跳頻信號的頻率是不斷變化的，而且在頻率跳變過程中，相位不能做 到連續(xù)，信號可能要針對傳號和空號進行抽樣產(chǎn)生脈沖，因此在跳頻接收中，采用非相干的包絡檢測器。5

10、.1跳頻信號的解跳跳頻信號的接收機應對發(fā)射信號進行相應的反變換。首先，將每個接收到 的切普（Chip）變換到窄帶濾波器的通帶內(nèi)。再將已解跳的信號送到基帶解調(diào)器， 即可恢復發(fā)射端的原始信息流。FH接收機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中提取有用的信號的能力。在二進制的FH發(fā)射機里，數(shù)據(jù)的傳輸采用FSK時，是用發(fā)射某個頻率（切 普）表示“傳號”，而發(fā)射另一個頻率表示“空號”來實現(xiàn)的。對每一個信息比特， 無論只發(fā)一個切普，還是發(fā)多個切普（每個切普都一定是兩個頻率中的一個） ， 接收機應能判斷兩個頻率中哪一個是有用信號。 因此，接收機必須能夠同時觀測 兩個交替信道，或者先對一個

11、取樣，然后緊接著對另一個取樣。5.2非相干跳頻解調(diào)器信號經(jīng)過無線信道傳輸，保持跳頻頻率合成器的同步和信號在跳變時的線 性相位是很困難的，因此通常采用非相干解調(diào)。其中有一個方案是可行的，即采用最大似然塊估計（MLBE算法,針對3個觀 測區(qū)間中所有可能的序列組合,計算加權相關值，然后進行包絡檢測，對中間比特 進行判決。當位于包絡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 于復雜切普判決過程的原因。使用兩個取樣保持電路和電平比較器的原因在于， 當干擾疊加在輸入信號上時，由于人為的干擾在互補頻道上造成隨機沖擊， 使兩 個半切普都包含兩個射頻脈沖串，在積分清洗電路加兩個取樣保持電路和電平比

12、較后，才能很好地判決哪個頻道含有最大的信號，而不是根據(jù)是否含有信號超過閾值來判斷。6跳頻系統(tǒng)的主要技術指標跳頻系統(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BFr，BFR0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。跳頻帶寬越寬，抗干擾能力越強。6.2信道間隔任意兩個相鄰信道之間的標稱頻率之差稱為信道間隔，記為UF。短波電臺的信道間隔是 1000Hz 100Hz 10Hz。超短波電臺的信道間隔通常為 25kHz、12.5kHz。6.3跳頻頻率數(shù)目跳頻電臺工作時跳變的

13、載波頻率點的數(shù)目稱為跳頻頻率數(shù)目， 記為N。跳頻 電臺工作時跳變的載波頻率點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。跳頻頻率越多，抗單頻、多頻以及梳狀干擾的能力越強。雖然在工作頻率范圍內(nèi)，可能有幾千個可用的信道，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，通常將頻率 集劃分為幾個相互正交的子集，供不同的子網(wǎng)使用6.4跳頻處理增益在跳頻通信中，某一時刻只出現(xiàn)一個瞬時頻譜，該瞬時頻譜即為原始信息 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的帶 寬，并且該瞬時頻譜的射頻是跳變的。跳頻處理增益定義為GpBfrBif其中，Bfr為射頻帶寬，Bif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載波跳變的速率，通常用每秒載波頻率跳變的次數(shù) 來表示，記為R。跳頻速率越高，抗跟蹤式干擾的能力越強。不過，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)的時間，用 Th來表示，它等于跳頻的駐留時間和 信道切換時間之和。跳頻駐留時間是指跳頻電臺在各信