跳频系统(1)

  6.1 跳频系统概述
  
  6.1.1 为什么要跳频
  
  通常我们所接触到的无线通信系统都是载波频率固定的通信系统,如无线
  对讲机,汽车移动电话等,都是在指定的频率上进行通信,所以也称作定频通信。这种定频通信系统,一旦受到干扰就将使通信质量下降,严重时甚至使通信中断。
  
  例如:电台的广播节目,一般是一个发射频率发送一套节目,不同的节目占用不同的发射频率。有时为了让听众能很好地收听一套节目,电台同时用几个发射频率发送同一套节目。这样,如果在某个频率上受到了严重干扰,听众还可以选择最清晰的频道来收听节目,从而起到了抗干扰的效果。但是这样做的代价是需要很多额谱资源才能传送一套节目。如果在不断变换的几个载波频率上传送一套广播节目,而听众的收音机也跟随着不断地在这几个频率上调谐接收,这样,即使某个频率上受到了干扰,也能很好地收听到这套节目。这就变成了一个跳频系统。
  
  另外在敌我双方的通信对抗中,敌方企图发现我方的通信频率,以便于截获所传送的信息内容,或者发现我方通信机所在的方位,以便于引导炮火摧毁。定频通信系统容易暴露目标且易于被截获,这时,采用跳频通信就比较隐蔽也难以被截获。因为跳频通信是“打一枪换一个地方”的游击通信策略、使敌方不易发现通信使用的频率,一旦被敌方发现,通信的频率也已经“转移”到另外一个频率上了。当敌方摸不清“转移规律”时,就很难截获我方的通信内容。
  
  因此,跳频通信具有抗干扰、抗截获的能力,并能作到频谱资源共享。所以在当前现代化的电子战中跳频通信已显示出巨大的优越性。另外,跳频通信也应用到民用通信中以抗衰落、抗多径、抗网间干扰和提高频谱利用率。
  6.1.2 什么是跳频图案?
  
  为了不让敌方知道我们通信使用的频率,需要经常改变载波频率,即“打一枪换一个地方”似地对载波频率进行跳变,跳频通信中载波频率改变的规律,叫作跳频图案。
  
  通常我们希望频率跳变的规律不被敌方所识破,所以需要随机地改变以至无规律可循才好。但是若真的无规律可循的话,通信的双方(或友军)也将失去联系而不能建立通信。因此,常采用伪随机改变的跳频图案。
  
  只有通信的双方才知道此跳频图案,而对敌方则是绝对的机密。所谓“伪随机”,就是“假”的随机,其实是有规律性可循的,但当敌方不知跳频图案时,就很难猜出其跳频的规律来。
  
  图6-1所示为一个跳频图案。图中横轴为时间,纵轴为频率。这个时间与频率的平面叫作时频域。也可将这个时频域看作一个棋盘,横轴上的时间段与纵 
  
  轴上的频率段构成了棋盘格子。阴影线代表所布棋子的方案,就是跳频图案;它表明什么时间采用什么频率进行通信,时间不同频率也不同。
   
  图6-1
  图6-1(a)中所示为一快跳频图案,它是在一个时间段内传送一个码位(比
  
  特)的信息。通常称此时间段叫跳频的驻留时间,称频率段为信道带宽。
  
  图6-1(b)所示则是一慢跳频图案,它是在一个跳频驻留时间内传送多个(此处3个)码位(比特)的信息。 
  
  在时频域这个“模盘”上的一种布子方案就是一个跳频图案。当通信收发双方的跳频图案完全一致时,就可以建立跳频通信了。图6-2所示就是建立跳频通信的示意图。
   
  图6-2
  
  其中t表示时间,s表示空间,f表示频率。当收、发双方在空间上相距一定距离时,只要时频域上的跳额图案完全相重合,就表示收、发双方同步跳频地进行通信。
  6.1.3 跳频是怎样抗干扰的?
  
  通信收、发双方的跳频图案是事先约定好的,或者是由发方通知收方的。这个跳频图案是敌方所不知道的。敌方若想于扰跳频通信,有几种策略可供选择:
  
   干扰方式1,在某一个频率上施放长时间的大功率的干扰,即单频干扰。  
  
   干扰方式2,在某几个频率上施放长时间大功率的干扰,即多频干扰。
  
    干扰方式3;在连续的几个频带上施放长时间大功率的干扰,称作部分频带来扰。
  
    干扰方式4,在不同时间内在不同的频率上施放大功率的干扰。
  
   干扰方式5,依照跳频图案的规律跟踪施放大功率的干扰。 
  
  这些干扰方式和跳频通信的关系正像二人对奕时相互“出子”一样,当双方的“布子”落在时一频域棋盘内的同一小格时,则干扰有效。因此,跟踪跳频图案施放的干扰策略就是最佳的干扰跳频通信的策略了。
  
  图6-3给出了方式1和方式4的干扰策略与跳频图案的关系。
   
  图6-3
  图中示出一种跳频图案,方式1干扰策略是在时间上连续的施放一个窄带干扰,即第l0个频率段以斜线表示的干扰带;方式4干扰策略是在第一个时间段用第一个频率段进行干扰,第二个时间段用第二个频率段进行干扰,依次下去,就形成了沿时频域模盘对角线上的于扰带。跳频图案中受到这两种干扰时就用全黑色方块来表示。由图中可以看出,干扰方式1只干扰了一个跳频驻留时间的通信,而干扰方式4则干扰了三个跳频驻留时间的通信。
  
  跳频图案的不同,其干扰的效果也不尽相同。当跳频图案的随机性越大时,跳频抗干扰的能力就越强;“棋盘”越大时,即频率和时间的乘积越大时,可容纳的随机图案也越多,跳频图案本身的随机性也越大,从而抗干扰能力也越强。 所谓抗于扰能力强,实际上是指碰到干扰的概率小。 
  
  现代电子战中,通信方采用跳频技术来分散干扰的影响,干扰方则想截获通信方的信号以减少于扰的盲目性,并尽量作到有的放矢,这就是跟踪式干扰策 略。跟踪式干扰的有效干扰是有条件的,这个条件除功率因素外,还应当满足干扰椭圆的要求,如图6-4所示。
   
  图6-4
  图中的通信方为收、发信机,干扰机用来对通信的信号进行侦听、处理,然后以同样的载波频率施放干扰。为了有效地干扰跳频系统,在通信频率跳到新的频率之前,干扰机必须完成从侦听到施放干扰的全过程。
  
  跳频系统更换载频的跳频间隔时间,就是跳频信号在空间驻留的时间。根据收、发信机的距离d1,干扰机与发、收信机的距离d2和d3,以及跳频驻留时间和干扰机施放干扰的处理时间,可以得到以发射机和接收机为两个焦点的椭圆。只有当干扰机设置在这个椭圆内时,才能使干扰有效,如果干扰机设置在椭圆之外时,则此跟踪式干扰策略无效。
  
  显然,为了对付跟踪式干扰,希望跳频信号的驻留时间越短越好,让干扰机来不及施放干扰。因此,希望跳频通信的跳速应当尽可能的快才好。这就是目前各国争先研究快速跳频通信装备的原因之一。
  6.1.4 跳频技术指标与抗干扰的关系
  
  考察一个系统的跳频技术性能,应注意下列各项指标:
  
   跳频带宽
  
   跳频频率的数目
  
   跳频的速率
  
   跳频码的长度(周期)
  
   跳频系统的同步时间
  一般说来,希望跳频带宽要宽,跳频的频率数目要多,跳频的速率要快,跳频码的周期要长,跳频系统的同步时间要短。
  
   跳频带宽的大小,与抗部分频带的干扰能力有关。
  
  跳频带宽越宽,抗宽带干扰的能力越强。所以希望能全频段跳频。例如,在短波段,从1.5MHz到3MHz全频段跳频;在甚高频段,从30MHz到80MHz全频段跳频。
   跳频频率的数目,与抗单频干扰及多频干扰的能力有关。
  跳变的频率数目越多,抗单频、多频以及梳状干扰的能力越强。在一般的跳频电台中,跳频的频率数目不超过100个。
   跳频的速率,是指每秒钟频率跳变的次数,它与抗跟踪式干扰的能力有关。
  跳速越快,抗跟踪式干扰的能力就越强。一般在短波跳频电台中,其跳速目前不超过100跳/秒。在甚高频电台中,一般跳速在500跳/秒。对某些更高频段的跳频系统可工作在每秒几万跳的水平。
  
   跳频码的长度,它将决定跳额图案延续时间的长度,这个指标与抗截获(破译)的能力有关。
  跳频图案延续时间越长,敌方破译越困难,抗截获的能力也越强。跳频码的周期可长达10年甚至更长的时间。
  
  跳频系统的同步时间,是指系统使收发双方的跳频图案完全同步并建立通信所需要的时间。系统同步时间的长短将影响该系统的顽存程度。因为同步过程 一旦被敌方破环,不能实现收、发跳频图案的完全同步,则将使通信系统瘫痪。因此,希望同步建立的过程越短越好,越隐蔽越好。根据使用的环境不同,目前跳频电台的同步时间可在秒或几百毫秒的量级。
  
  当然,一个跳频系统的各项技术指标应依照使用的目的、要求以及性能价格比等方面综合考虑才能作出最佳的选择。
  6.1.5 跳频系统的主要特点
  
  跳频系统的特点,在很大程度上取决于它的扩展频谱机理。跳频扩展频谱在机理上与直接序列扩展频谱大不相同。从图6-1的跳频图案上可以看出,每一跳频驻留时间的瞬时所占的信道带宽是窄带频谱,依照跳频图案随时间的变化,这些瞬时窄带频谱在一个很宽的频带内跳变,形成一个跳频带宽。由于跳频速率
  
  很快,从而在宏观上实现了频谱的扩展。图6-5所示是由频谱仪上观察到的跳频信号的频谱。
   
  图6-5
  图中箭头所标示的,是载波频率跳变的过程。载波频率之间的频率间隔就是信道带宽,跳频的载波数目乘上信道带宽就是跳频