1、6.3 6.3 跳頻跳頻(FH)(FH)通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)主講：朱丹丹Contents1.跳頻通信的基本概念2.跳頻及其頻率合成器3.跳頻通信系統(tǒng)的性能4.跳頻通信系統(tǒng)的抗噪性能 5. 跳頻通信系統(tǒng)的技術(shù)特點6.3.1 跳頻通信的基本概念跳頻通信的基本概念v 跳頻通信是指傳輸信號的載波頻率按照預(yù)定規(guī)律進行離散 變化的通信方式。 v從實現(xiàn)通信技術(shù)來說，“跳頻”是一種用碼序列進行多頻、 選碼、頻移鍵控的通信方式，即用為碼序列構(gòu)成跳頻指令 來控制頻率合成器，并在多個頻率中進行選擇的頻移鍵， 是一種碼控載頻跳變的通信系統(tǒng)。跳頻通信的基本原理跳頻通信的基本原理v跳頻系統(tǒng)簡單原理如下圖所示。跳頻系統(tǒng)簡單原理

2、如下圖所示。偽 噪 聲發(fā) 生 器頻 率合 成 器信 源頻 率合 成 器偽 噪 聲發(fā) 生 器混 頻 器中 頻 帶 通濾 波 器到 解 調(diào) 器53421d(u, t)1.跳 頻 指 令2.頻 移 載 波f1f2f3f4f4 1Ff3 1Ff2 1Ff1 1F3.參 考 碼4.參 考 的 頻 移 載 波5.送 到 解 調(diào) 器 的 相 干 中 頻發(fā)送端接受端v 從時頻域來看,多頻率的移頻鍵控信號由時頻矩陣組成,每個 頻率持續(xù)時間為T,并按跳頻指令的規(guī)定在時頻矩陣內(nèi)跳變, 如圖6-22(b)所示。跳頻通信的基本原理跳頻通信的基本原理v為了盡可能減少鄰近干擾,頻率間隔應(yīng)選擇為1T,這樣頻率 fi的譜狀零值

3、正好處于fi +1T的峰值處,即為fi +(1T),構(gòu)成 了頻率的正交關(guān)系,如圖6-22(c)所示。v 因此,若取跳頻頻率數(shù)為N, 則跳頻信號帶寬為 BRF=N(1T)。跳頻通信的基本原理跳頻通信的基本原理跳頻通信的數(shù)學(xué)模型跳頻通信的數(shù)學(xué)模型設(shè)s1(t)為發(fā)送的跳頻信號，有 (6-79)其中, n=0,1,2,N-1； 為輸出的FH信號(令振幅A=1)； 為FH合成器跳變間隔,每跳持續(xù)時間為T,一般取 ; m(t)是待傳數(shù)字信息流； 為初相。 )cos()()(01nTtntmts)cos(0nTtnTTT/2n跳頻通信的數(shù)學(xué)模型跳頻通信的數(shù)學(xué)模型v 跳頻系統(tǒng)模型圖跳頻系統(tǒng)模型圖 解調(diào)m(t)

4、s1(t)s2(t)sk(t)s1(t)sP(t)s12(t)Im(t)噪聲 n(t)干擾 J(t)帶通cos(0 nT)tncos(r nT)tr發(fā)端收端)()()()()(21tJtntststsjkjiiIttmts)cos()(21)(12)cos()()()()2cos()cos(21)cos()()()()()(2021rTrjkjnnTrjIrTrjkjptmtJtntstnttmtmtJtntststs跳頻系統(tǒng)的處理增益跳頻系統(tǒng)的處理增益v 若基帶濾波器的帶寬為B,使TB,并假設(shè)使一個受干擾信號 “碼片” 在某個頻道上允許落入基帶濾波器,而在下一個相鄰頻 道上將不能通過基帶濾波

5、器,這樣基帶濾波器的輸出最大干擾 信號功率為 (6-84)在一個碼周期中輸出的平均功率為 (6-85) 4jjoPP NPPjjo4跳頻系統(tǒng)的處理增益跳頻系統(tǒng)的處理增益v 干擾信號的輸入功率可求得為，輸入到解調(diào)器的有用信號功率 可用S1來表示。設(shè)本地跳頻指令碼與發(fā)射端同步，且解調(diào)器是 理想的，并能無損的讓S1通過，則系統(tǒng)的處理增益為： 其中N是跳變頻總數(shù)。NPSNPSGjjpFH)4/()4/(116.3.2 跳頻器及其頻率合成器跳頻器及其頻率合成器v 跳頻系統(tǒng)中，由偽碼發(fā)生器和頻率合成器組成了跳頻器， 它是跳頻系統(tǒng)的核心。v 跳頻用頻率合成器分為直接式和間接式兩種。v 跳頻系統(tǒng)對偽碼發(fā)生器沒

6、有直擴DS中那么高，但對頻率合成器的要求則比較苛刻，即要求頻率合成器輸出頻譜純，可供選用的頻率數(shù)N大，頻譜轉(zhuǎn)換時間短，頻率鎖定時間小，跳頻圖案轉(zhuǎn)換速度快等。直接式頻率合成器直接式頻率合成器v 直接式頻率合成器用混頻、分頻倍頻構(gòu)成,既能產(chǎn)生很多頻 率又能快速跳變頻率。v 一個可以產(chǎn)生4096個頻率的頻率合成器例子如圖6-24所示。200 M H z相 同 的組 件C3C4f1f2f3f4相 同 的組 件C9C1 0f1f2f3f44雙 邊平 衡混 頻 器帶 通濾 波 器門 開 關(guān)C1C2f1f2f3f44雙 邊平 衡混 頻 器帶 通濾 波 器門 開 關(guān)C1 1C12f1f2f3f4輸 出C1C1

7、 2到 門 開 關(guān)的 碼 輸 入30354045f1f2f3f4平 衡 混 頻 器5.0 M H z方 波37.5 M H z晶 體 濾 波 器這是一種“和頻”/“分頻”方案。 “和頻”/“分頻”式頻率合成器是由一些完全相同的“和頻”/“分頻”基本單元串接而成的。直接式頻率合成器直接式頻率合成器v 圖中分頻比為N,每增加一級,輸出跳頻頻率間隔就減少為前 一級的1N,所以輸出跳頻頻率間隔f則為參考頻率間隔 F與參考頻率數(shù)K的乘積除以頻率總數(shù)KA,即為v從上圖可以看出,“和頻”/“分頻”式頻率合成器能夠提供的頻 率總數(shù)與參考頻率的數(shù)目(K)及混頻的次數(shù)(A)有關(guān),即為KA 個頻率。1AAKFKKF

8、fv “和頻”/“分頻”基本單元如圖6-25所示。直接式頻率合成器直接式頻率合成器v 直接式頻率合成器用混頻、分頻倍頻構(gòu)成,既能產(chǎn)生很多頻 率又能快速跳變頻率。v 一個可以產(chǎn)生4096個頻率的頻率合成器例子如圖6-24所示。200 M H z相 同 的組 件C3C4f1f2f3f4相 同 的組 件C9C1 0f1f2f3f44雙 邊平 衡混 頻 器帶 通濾 波 器門 開 關(guān)C1C2f1f2f3f44雙 邊平 衡混 頻 器帶 通濾 波 器門 開 關(guān)C1 1C12f1f2f3f4輸 出C1C1 2到 門 開 關(guān)的 碼 輸 入30354045f1f2f3f4平 衡 混 頻 器5.0 M H z方 波

9、37.5 M H z晶 體 濾 波 器這是一種“和頻”/“分頻”方案。 “和頻”/“分頻”式頻率合成器是由一些完全相同的“和頻”/“分頻”基本單元串接而成的。間接式頻率合成器間接式頻率合成器v 間接式頻率合成器是用鎖相環(huán)法實現(xiàn)，它的原理如 下圖所示。1nf參考振蕩器nf(s)VCOnnf1頻率控制v 跳頻的兩個基本要求：跳變要快和輸出頻譜要純都與鎖相環(huán)路濾波器的基本性質(zhì)是矛盾的,濾波器頻帶愈窄,輸出相位噪聲就小,但是捕捉一個新頻率的時間就要增加。v 為了保證在低相位噪聲的情況下加快頻率跳變時間,一般可采 取下列各種措施： (1) 采用一個取樣環(huán)路濾波器。 (2) 利用頻率控制指令先將VCO預(yù)置

10、在輸出頻率附近。 (3) 用n個鎖相環(huán)路進行順序輸出。 (4) 在鎖相環(huán)路內(nèi)運用小數(shù)分頻、 自適應(yīng)相位補償?shù)燃?術(shù)來加快入鎖。間接式頻率合成器間接式頻率合成器 跳頻速率和跳頻數(shù)的確定跳頻速率和跳頻數(shù)的確定v頻率跳變系統(tǒng)： 慢頻率跳變系統(tǒng)和快頻率跳變系統(tǒng)兩種。跳頻通信系統(tǒng)的性能跳頻通信系統(tǒng)的性能 慢跳頻：若在每個跳頻間隔內(nèi)存在多個調(diào)制碼元，系統(tǒng)中 最短的不間斷波形是數(shù)據(jù)碼元。 快跳頻：每個調(diào)制碼元間隔內(nèi)存在多次頻率跳變，系統(tǒng)中 最短的不間斷波形是跳頻波形。跳頻速率和跳頻數(shù)的確定跳頻速率和跳頻數(shù)的確定v 圖中描繪了一個碼元間隔(130 s)內(nèi)的信號波形s(t),波形中部的變化正是由一次新的頻率跳變

11、所致。 因為此例中跳頻間隔比數(shù)據(jù)碼元間隔短,所以,一個碼元對應(yīng)于一跳,每個碼片長度為碼元的一半。 v 圖6-27（a）是一個快跳頻的例子： 數(shù)據(jù)碼元速率為30波特,而頻率跳變速率為60跳秒。跳頻速率和跳頻數(shù)的確定跳頻速率和跳頻數(shù)的確定v圖中畫出的3個碼元時間(01s)上的信號波形s(t),并且跳頻的邊沿時刻恰處于每3個碼元的連接處。 此處的碼元間隔小于跳頻間隔,在一個跳頻間隔內(nèi)波形的變化取決于調(diào)制狀態(tài)的變化，因此,本例的一個碼片對應(yīng)于一個數(shù)據(jù)碼元。 v 圖6-27（a）是一個慢跳頻的例子： 數(shù)據(jù)碼元速率仍是30波特,而頻率跳變速率變?yōu)?0跳秒。v圖6-28（a）是一個采用2PSK調(diào)制的快跳頻系

12、統(tǒng),分集數(shù)N=4,即每比特含有4個碼片,碼片持續(xù)時間即為跳頻持續(xù)時間。10比 特頻 率碼 片 持續(xù) 時 間時 間100101011110000101011110比 特頻 率碼 片 持續(xù) 時 間時 間(a)(b)v圖6-28（b）是一個2FSK調(diào)制的慢跳頻系統(tǒng)。在此,對于SFH,碼片持續(xù)時間即為比特持續(xù)時間。跳頻速率和跳頻數(shù)的確定跳頻速率和跳頻數(shù)的確定跳頻速率和跳頻數(shù)的確定跳頻速率和跳頻數(shù)的確定v增加冗余度：用若干個頻率(一般是取奇數(shù)個)傳輸一個比特 的信息,接收機按多數(shù)準(zhǔn)則判決。這樣,即使某 一瞬間某些頻率受到干擾,發(fā)生了錯誤,但只要 大多數(shù)頻率正確,通過多數(shù)判決,就能減少差錯率。v FH必須

13、有大量按指令碼可供選用的頻率,所需的頻率數(shù)取決 于系統(tǒng)差錯率。v 采用如前提出的增加冗余度的方法時跳頻系統(tǒng)的誤碼率,可由 積累二項分布的表達式給出： p=J/N 是只用一個頻率傳送時的誤碼率； q是傳送一個頻率的正確接收概率, q=1-p； c是傳送1比特信息所用的頻率數(shù)； r為使一個比特信息錯判必須的錯判頻率數(shù)。 xcxcrxqprcPe跳頻速率和跳頻數(shù)的確定跳頻速率和跳頻數(shù)的確定v (JN)與Pe的關(guān)系曲線如圖6-29所示。跳頻速率和跳頻數(shù)的確定跳頻速率和跳頻數(shù)的確定1001011021031041051.00.50.10.050.010.0059中取53中取25中取37中取4跳頻速率和跳

14、頻數(shù)的確定跳頻速率和跳頻數(shù)的確定判決準(zhǔn)則誤碼率為10-3，J/N的值N每個頻率的瞬時帶寬射頻帶寬3中取20.01952606kHz31.5kHz5中取30.047213010kHz21.3kHzv 兩種判決的比較v 由上述可知,在信碼率已給定和“冗余度”已選定之后,系統(tǒng)的 跳頻速率也隨之而定了。跳頻速率和跳頻數(shù)的確定跳頻速率和跳頻數(shù)的確定v 不過尚有一個因素也影響跳變速率的選定,即與有用信號同 頻但不同相的無用信號的影響。v 這種同頻不同相的信號,一方面來自傳播過程中有用信號本 身的多徑時延;另一方面來自人為的轉(zhuǎn)發(fā)性干擾(即敵方設(shè)置 的)或稱中繼轉(zhuǎn)發(fā)干擾。 在一般情況下,多徑信號比有用信號小得

15、多,故沒有多大影響。 跳 頻發(fā) 射 機跳 頻接 收 機干 擾 機TdTiTrTrTiTT跳頻速率和跳頻數(shù)的確定跳頻速率和跳頻數(shù)的確定v 將接收到的本系統(tǒng)的FH信號加以放大并用噪聲污染之后再 發(fā)射出來,稱為轉(zhuǎn)發(fā)性干擾,如圖6-34所示。跳頻速率和跳頻數(shù)的確定跳頻速率和跳頻數(shù)的確定v FH中收、 發(fā)設(shè)備間的直接傳輸路徑時延為Td,從發(fā)射機到干擾機再由干擾機到接收機的時延之和為Tr=Ti+TT, 于是希望跳頻速率應(yīng)該大于1/(Tr-Td)。 v設(shè)發(fā)射機和接收機設(shè)備之間距離是30km，發(fā)射機和干擾機相距30 km,接收機距干擾機15 km。 若不考慮回答式干擾機延遲時間,最小跳頻速率為45102304

16、51031dFHTTR跳/秒 這一跳變速率在工程上是可以實現(xiàn)的。 美國的JTIDS系統(tǒng)跳變率已做到38 000跳秒。v 跳頻頻道數(shù)的確定跳頻頻道數(shù)的確定跳頻速率和跳頻數(shù)的確定跳頻速率和跳頻數(shù)的確定 從抗干擾角度來看,跳頻數(shù)N越大越好,因跳頻系統(tǒng)的處理增 益Gp=N,但N大了則系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就比較復(fù)雜。 另外也要考慮系統(tǒng)的預(yù)期的誤碼率。 如跳頻數(shù)太多,會增加頻帶寬度,使頻譜利用率不高,如果縮小頻道間隔, 則會由于振蕩器的漂移,以及收發(fā)信機間相對位置不定性,易產(chǎn)生多個 用戶同時跳到一個頻率上去的擊中現(xiàn)象,擊中會造成干擾,導(dǎo)致產(chǎn)生誤碼。雙通道跳頻系統(tǒng)雙通道跳頻系統(tǒng)v 雙通道跳頻：每一信息比特(可能是“0”

17、或“1”)需用兩個頻率進 行發(fā)送,其中,一個頻率代表“1”,另一個頻率代表“0”。v傳輸中,占用的頻道稱為發(fā)送通道,未被占用的頻道稱為互補通道。 圖6-32是雙通道跳頻的示意圖。ThThOOfftt(a)(b)圖6-32 雙通道跳頻示意圖(a) 快跳； (b) 慢跳W是跳頻總頻段寬度, B是頻道寬度, Th是跳頻時間間隔。雙通道跳頻系統(tǒng)雙通道跳頻系統(tǒng)v 圖6-33是雙通道跳頻系統(tǒng)的原理框圖。 偽 碼產(chǎn) 生 器時 鐘邏 輯 控制 電 路頻 率合 成 器信 息 輸 入跳 頻 信 號跳 頻 信 號帶 通濾 波 器包 絡(luò)檢 波 器偽 碼產(chǎn) 生 器頻 率合 成 器帶 通濾 波 器包 絡(luò)檢 波 器選 擇最

18、 大信 息 輸 出時 鐘“0”頻 率“1”頻 率(a)(b)圖6-33 雙通道跳頻系統(tǒng)的原理框圖(a) 發(fā)送端； (b) 接收端雙通道跳頻系統(tǒng)雙通道跳頻系統(tǒng) 互補通道要占用一個額外的頻道,因而對通信系統(tǒng)的頻帶 利用率是不利的。 v 雙通道跳頻系統(tǒng)的缺點：雙通道跳頻系統(tǒng)的缺點： 因為接收機必須為兩個通道都提供通路,倘若外部干擾串 入了互補通道,它比干擾串入了發(fā)送通道對接收機的威協(xié) 性更大。跳頻信號的解調(diào)跳頻信號的解調(diào)v 跳頻信號的去跳變跳頻信號的去跳變 把接收的每一個頻率一個“碼片”一個“碼片”地去掉頻率跳變； 把它們變換進窄帶濾波器的通帶內(nèi)； 然后再把這個去跳變信號送到信息解調(diào)器中解調(diào)出發(fā)送信

19、息。跳頻信號的解調(diào)跳頻信號的解調(diào)v 在二進制FH系統(tǒng)中,若數(shù)據(jù)傳輸采用FSK調(diào)制,發(fā)射一個頻率表 示傳號,發(fā)射另一個頻率表示空號。 則接收機要求接收機或是 雙通道的，或是能先對一個信道采樣,然后緊接著對另一個信 道采樣。v 圖6-34是能夠同時觀測兩個信道的雙通道接收機。帶 通 濾 波 器傳 號 合 成 器空 號 合 成 器碼 發(fā) 生 器檢 測 器帶 通 濾 波 器檢 測 器0/1判 決接 收 的跳 頻 信 號數(shù) 據(jù) 輸 出s1(傳 號 )信 號 包 絡(luò)s2(空 號 )數(shù) 據(jù) 輸 出跳頻信號的解調(diào)跳頻信號的解調(diào)v 若以沒有中頻脈沖表示空號,就可以用一個單通道接收機代替 雙通道接收機,如圖6-3

20、5所示。 傳 號 合 成 器碼 發(fā) 生 器帶 通 濾 波 器檢 測 器0/1判 決s1數(shù) 據(jù) 輸 出s1信 號 包 絡(luò)數(shù) 據(jù) 輸 出圖6-35 單通道接收機框圖 跳頻信號的解調(diào)跳頻信號的解調(diào)v 如果接收機中的頻率合成器能比發(fā)射機中的頻率合成器跳變速度快一倍,先跳到傳號頻率,然后跳到空號頻率,或反之,接收機取樣電路就能對兩者同時取樣。 這種接收機的框圖和各點波形示于圖6-36。帶 通 濾 波 器檢 測 器0/1判 決頻 率 合 成 器碼 發(fā) 生 器傳 號 /空 號定 時s1數(shù) 據(jù) 輸 出s2(空 號 )數(shù) 據(jù) 輸 出s1(傳 號 )s3(組 合 )檢 測 器 輸 出跳頻信號的解調(diào)跳頻信號的解調(diào)v

21、 M進制頻率跳變信號的解調(diào)進制頻率跳變信號的解調(diào)圖6-37是一個8FSK調(diào)制的跳頻系統(tǒng)，由圖可知： 輸入二進制數(shù)據(jù)序列的速率Rb=150 bs, 因此碼元速率Rs=Rb(lb8)=50碼元秒。 每發(fā)送一個碼元頻率跳變一次, 且跳頻與碼元變化的邊沿同步, 因此跳頻速率為50跳秒。跳頻信號的解調(diào)跳頻信號的解調(diào)跳 頻帶 寬碼 元 間 隔(20 ms)典 型 數(shù) 據(jù)R 150b/s單 音 3單 音 6單 音 1單 音 號單 音數(shù) 據(jù)碼 元時 間f0 175 H zf0 125 H zf0 75 H zf0 25 H zf0 25 H zf0f0 75 H zf0 125 H zf0 175 H z00

22、000101001110010111011101234567011011001v 圖中橫坐標(biāo)表示時間,縱坐標(biāo)表示跳頻帶寬Wss。右側(cè)的圖表列出了8FSK的碼元-頻率關(guān)系,此處的頻率間隔為1T=50 Hz,對應(yīng)于非相干FSK正交信號處理所需的最小頻隙。 跳頻信號的解調(diào)跳頻信號的解調(diào)v M進制頻率跳變被接收機去跳變后, 把信號送入由M個帶通濾波器和FH解調(diào)器并聯(lián)組成的檢測器。M個解調(diào)器的輸出送入最大值檢測器作出判決。這種解調(diào)器圖6-38所示。最 大 值比 較 器帶 通 濾 波 器FH解 調(diào) 器帶 通 濾 波 器FH解 調(diào) 器中 頻 輸 入6-38跳頻信號的解調(diào)跳頻信號的解調(diào)v 非相干頻率跳變解調(diào)器

23、非相干頻率跳變解調(diào)器頻率跳變信號經(jīng)去跳變處理后經(jīng)包絡(luò)檢波器變成一系列視頻脈沖,再根據(jù)最大值原則作出0/1判決。 由于噪聲和干擾信號的存在,采用簡單的閾值判決很容易產(chǎn)生錯誤,因此,在頻率跳變擴譜系統(tǒng)中要采用較為復(fù)雜的解調(diào)電路。 圖6-39就是一種典型的非相干跳頻解調(diào)器。 跳頻信號的解調(diào)跳頻信號的解調(diào)包 絡(luò) 檢 測 器積 分 與 清 洗抽 樣 保 持 觸 發(fā) 器QQ電 平 比 較 器抽 樣 保 持123450/1“切 普 ”數(shù) 據(jù)至 判 決 電 路“切 普 ”時 鐘自 后 相 關(guān) 濾 波 器來 的 輸 入 信 號12345脈 沖 式 輸 入 信 號包 絡(luò) 檢 測 器 輸 出積 分 與 清 洗 檢

24、測 器 輸 出“切 普 ”時 鐘抽 樣 與 保 持抽 樣 時 鐘抽 樣 與 保 持1/0“切 普 ”數(shù) 據(jù)跳頻信號的解調(diào)跳頻信號的解調(diào)v 為了提高判決的可靠性,還可以采用多擇判決 圖6-40是 三中取二判決電路, 一個信息比特對應(yīng)三個“碼片”。兩 個 或 三 個“1”？輸 出 “1”輸 出 “0”是否對 “1”計 數(shù)輸 入 的 1/0“切 普 ”數(shù) 據(jù)(a)觸 發(fā) 器DCQQ計 數(shù) 器 復(fù) 位“切 普 ”數(shù) 據(jù)“切 普 ”時 鐘 2對 2或 3解 碼數(shù) 據(jù) 輸 出 比 特(b)“切 普 ”時 鐘 6跳頻通信系統(tǒng)的抗噪性能跳頻通信系統(tǒng)的抗噪性能v 白噪聲干擾白噪聲干擾假定跳頻系統(tǒng)的總頻段寬度為W,把W分成N個相等的頻道,白噪聲的功率譜均勻地分布在這些頻道內(nèi)。 可以看出： 跳頻信號經(jīng)過解跳后,落入中頻頻帶內(nèi)的噪聲功率只是總噪聲功率