跳频及其自适应技术.ppt

1、,西安电子科技大学 综合业务网理论及关键技术国家重点实验室,刘乃安,跳频及其自适应技术,摘 要1、跳频概述2、跳频系统原理3、跳频系统的伪随机码4、跳频系统的频率合成器5、跳频系统的同步6、跳频组网7、跳频系统的应用8、跳频自适应技术,扩展频谱,历史1、开始于19世纪20年代雷达的发明，为了提高分辨率，注重扩频思想。二次世界大战（WWII）中，军队对抗干扰也有此思想。但真正有关扩频通信技术的观点是在1941年由好莱坞女演员Hedy Lamarr 和钢琴家George Antheil提出的。基于对鱼雷控制的安全无线通信的思路，他们申请了美国专利#2.292.387。不幸的是，当时该技术并没有引起

2、美国军方的重视。2、世界上第一个直接序列扩频系统是在美国的联邦通信实验室(FTL)于1949年由Derosa和Rogoff完成的，成功的工作在New Jersey和California之间的通信线路上。,扩频通信，即扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)，它与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。,历史3、理论研究紧跟其上，1950年Basore首先提出把这种扩频系统称作NOMACS（Noise Modulation And Correlation Detection System）这个名称被使用相当长的时间。4、1951年后，

3、美国的ASC(Army Signal Corps-陆军通信兵)要求进一步研究NOMACS，想把它应用于高频无线电传通信线路，以对抗敌人的干扰。1952年由Lincoln Laboratory研制出P9D型NOMACS 系统，并进行了试验。以后在1953-1955年Lincoln Lab研制出了F9C型无线电传机系统。5、很快，美国海军和空军也开始研究他们自己的扩频系统，空军使用名称为“Phatom”（鬼怪，幻影）和“Hush-Up”（遮掩），海军使用名称为“Blades”（浆叶）。那时设备庞大，是用电子管装的，设备要装几间屋子，使应用受到限制。在晶体管出现后，特别是集成电路出现后，才使扩频系统

4、得到广泛使用。,历史6、第一本有关扩频系统的专著是R.C.Dixon于1976年出版，是一本IEEE专利，1977年出版。1978年在日本京都召开国际无线通信咨询委员会公布研究成果。1982年在美国召开第一次军事通信会议，两次报告在军事中的应用。1985年美国提出CDMA(码分多址)的概念同年美国联邦通信委员会(FCC)制定扩频通信的标准和规范，逐步转入民用的商业化研究。20世纪90年代，美国国家航空和航天管理局提出CDMA方式的频谱利用率高于FDMA方式，对扩频通信的研究产生深远影响，其后各公司逐步生产商业产品。7、最近的二十几年扩频技术得到越来越广泛的使用。比如美国的全球定位系统(GPS)

5、设备简单，定位精度高，全球使用。通信数据转发卫星系统(TDESS),码分多址(CDMA)卫星通信系统，特别是NASA和军用卫星通信系统几乎都使用扩频技术，码分多址移动通信系统，这些都是DS系统。FH系统如多种跳频电台，如SINCGARS（30-80Mhz）。跳时-跳频混合型如JTIDS系统（Joint Tactical Information Distribution System)。我国正式把扩频技术作为国家主要项目进行研究是在70年代。8、以后在卫星通信，数据传输，定位，授时系统中都有使用。今后，在卫星通信，移动通信系统，定位系统等领域将会得到进一步广泛使用。SC-CDMA、MC-CDMA

6、，单天线系统，多天线系统。,历史总结,产生与发展基于两方面：信息战信息对抗电子对抗通信对抗提高频带利用率,信息战的内容电子对抗。如：电磁波的侦测与隐蔽、通信干扰与抗干扰、雷达干扰与抗干扰等。网络对抗。如：计算机病毒、软件攻击等。消息对抗。如：加密与解密、消息的收集与欺骗等。,特点高度的对抗性极端的机密性应用的综合性对实战环境的依赖性采用新技术的超前性,信息战的内容及特点,通信侦察：使用通信侦察设备来探测、搜索、截获敌方的无线通信信号，对信号进行测量、分析、识别、监视以及测向和定位，以获取信号频率、电平、调制方式等技术参数以及电台位置、通信方式、通信特点、网络结构和属性等情报。通信干扰：使用通信

7、干扰设备发射专门的干扰信号，破坏或扰乱敌方的无线通信，是通信对抗的进攻手段。通信抗干扰：在军事通信设备及系统中采用的通信反侦察、反干扰措施，是通信对抗的防御手段。本次讲座重点讨论有关通信抗干扰问题。,通信对抗的分类,通信中遇到的干扰 人为干扰和非人为干扰 军事通信中非敌意的人为干扰:多径干扰、多用户干扰、环境噪声干扰、其它电台的干扰等。军事通信中敌意的人为干扰:1单频干扰(固频干扰)、窄带干扰 2脉冲干扰、梳状干扰 3跟踪式干扰、瞄准式干扰 4转发式干扰 5宽带阻塞式干扰、压制干扰 6升空干扰、智能化干扰,提高全民的国防意识；了解通信高技术的一个主要领域；民用与军用的互相转换、互相借鉴、互相支

8、撑；为进入军事通信领域提供一些入门知识。,为什么要研究通信抗干扰？,信号隐蔽性无线信号的隐蔽性单位面积天线，在单位带宽中所能截获的信号功率信号方式的隐蔽性双工方式、调制方式、多路方式、编码方式、同步方式信号参数的隐蔽性特别是与抗干扰有关的参数，如：扩频序列、跳频序列、同步参数、信令参数等。,信号鲁棒性用干扰容限三个层次的条件，即：a、设备性能。如：比特差错率、语音质量、同步及信令性能、网络性能等，可以定一个门限，在此门限以下用户不能接受。b、工作环境。如：单台设备还是多台设备、有无天线抗干扰措施、干扰源是否升空等。c、干扰性质。如：干扰性质、干扰强度、干扰时间等。,通信抗干扰性能,通信中的抗干

9、扰技术 1扩展频谱技术（DS、FH）2开发强方向性的毫米波频段 3加密技术 4猝发通信技术 如流星余迹通信 5天线零相技术 6分集技术,通信中的抗干扰技术（另一种分类法）（1）频率域采用频率域处理，如：直扩、跳频、跳扩。（2）时间域采用时间域处理，如：瞬时、跳时等。（3）空间域采用空间域处理，如：自适应天线等。（4）其它数字处理如：干扰抵销、纠错编码等,无线频谱,提高无线电频谱资源的利用率,有线资源的带宽是无限的 无线资源的带宽是有限的,窄带系统（1）拓展高频段（2）压缩信息带宽（3）高性能的编码与调制技术,宽带系统 扩频技术或CDMA技术 复用与多址 单载波与多载波 单天线与多天线,基本概念

10、（扩频、扩谱、展频、展谱）扩展频谱技术是用比信号带宽宽得多的频带宽度来传输信息的技术。扩频通信是将待传送的信息数据用伪随机编码(扩频序列：Spread Sequence)调制，实现频谱扩展后再传输；接收端则采用相同的编码进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。是一种宽带的编码传输系统。扩频通信方式与常规的窄带通信方式的区别：（1）信息的频谱扩展后形成宽带传输；（2）用扩频码序列来展宽信号频谱；（3）相关处理后恢复成窄带信息数据。,基本过程,主要特点,1、抗干扰能力强，特别是抗窄带干扰能力强。宽带干扰可为阻塞干扰。,干扰由于不知道扩频伪随机码,主要特点,2、可检性低(LPI-Low Probabi

11、lity of Intercept)，不容易被侦破，对各种窄带通信系统的干扰很小。,3、抗多径衰落,多径分离与RAKE接收,主要特点,4、具有多址（SSMA）能力，易于实现码分多址（CDMA）技术5、可抗频率选择性衰落。6、频谱利用率高，容量大（可有效利用纠错技术、正交波形编码技术、话音激活技术等）。7、能精确地定时、测距与定位。8、数模兼容，可开展多种通信业务。,主要应用,1、军事通信（DS电台,FH电台，JTIDS），现在也开始民用和商用。2、卫星通信（多址，抗干扰，便于保密，降低平均功率谱密度）3、移动通信（多址，抗干扰，便于保密，抗多径，提高频谱利用率）4、雷达、导航 5、无线本地环路

12、，WLAN6、GPS（选址，抗干扰，保密，测距）7、测试仪，干扰仪测时延，无码测试仪8、其他,基本方式,根据伪随机码插入通信信道的位置不同,PA,基本方式,直序扩频（DSSS）,Modul-2Adder,EXOR充当Modul-2加法器,基本方式,直序扩频（DSSS）,基本方式,跳频扩频（FHSS）,基本方式,跳时扩频（THSS）,TDMA,能用时间的合理分配避开强干扰多个跳时信号可能重叠需用纠错编码或协调方式的TDMA抗干扰方法主要是减小占空比，干扰的方法是连续发射强干扰很少单独使用抗干扰，多混合方式,开关,基本方式,跳时扩频（THSS）,特点比较,跳频,跳频通信技术的历史与发展,跳频通信的

13、发展历程可概括为：40年代末理论先导，60年代研制攻关，70年代末产品问世，80年代逐步推广，90年代广泛应用，21世纪飞速发展。,70年代末第一部跳频电台问世80年代，世界各国军队普遍装备跳频电台。这十年是跳频电台发展速度最快的十年。广泛使用跳频电台曾被誉为80年代VHF频段无线电通信发展的主要特征。90年代，跳频通信如虎添翼，在军用跳频通信领域已相当成熟的同时，跳频通信的应用又拓宽到民用领域。业内人士指出，跳频通信是对抗无线电干扰的有效手段，称其为无线电通信的杀手锏。,跳频系统,跳频系统组成,跳频器由频率合成器和跳频指令发生器构成跳频器输出的跳变的频率序列，就是跳频图案利用伪随机发生器来产

14、生跳频指令的，或者由软件编程来产生跳频指令跳频单元称为载波保护单元CPA(Carrier Protect Assemble),跳频系统中的调制,跳频对调制方式并没有太多限制，所以模拟和数字移动通信均可采用跳频扩频技术。一般采用非相干解调的FSK调制,虽然恒包络的PSK调制比FSK的性能好，但是PSK在码元交替处的载波相位是不连续的，这在功率谱上会产生很强的旁瓣分量；PSK 调制通常采用相干解调，而跳频通信中,一般来说频率合成器在连续的跳变中不能维持相位的相干，或者说要保持用于跳频模式的频合中的相位相干很困难；当信号在一个宽的带宽上从一个频率跳到另一个频率时，在信道上信号的传播过程中保持相位相干

15、也很困难。一些为了压缩受调信号的频谱宽度和获得比较理想的误码率特性，采用部分响应技术的窄带调制方式，在跳频方式中也不宜采用。因为在频率跳变时要保持载波相位连续且平滑是很难的。（相干跳频通信中解决了相位不连续性问题）FSK 是它的一种常用工作方式，其相位是不连续的，可以看做是 M个振幅不同，载波不同，时间上互不相容的二进制ASK信号的叠加。但是正因为其相邻码元相位不连续，频率跳变将引起较大的功率谱旁瓣，频谱效率低，而只能应用于低速率传输系统中。,跳频系统中的调制,MFSK调制,对频差和相移不敏感恒包络调制，AGC的限幅作用对误码率影响不大峰平比低，对HPA的线性要求不高频谱效率低，频点少，为避免

16、碰撞，适宜慢跳频系统抗白噪声能力优于MASK，较MPSK差解调在一个周期内积分，抗脉冲干扰的能力强可用前向纠错的办法克服部分频带干扰抗多经方法：编码与交织结合、宏分集、增大调制阶数（通常不大于8）、提高跳速并用微分集。,MPSK调制,对频差和相移较敏感AGC的限幅作用对误码率影响较大对HPA的线性要求不高频谱效率较高，可用于快跳频系统抗白噪声和部分频带干扰的能力较强常用DQPSK或/4DQPSK方式,跳频系统中的调制,在系统带宽一定的情况下，采用高效的调制制度，可以增加频点数。MQAM 是一种频谱利用率较高的数字调制技术，可以看作是振幅调制和相位调制的结合。在单通道跳频系统中，可采用最小频移键控（MSK）或其它连续相位频移键控（CP-FSK）。MSK 和 CP-FSK 调制都是相位连续的调制方式，但因为它们的信号具有全响应性质，故实现起来相对容易。而且它们可以使用非相干检测对信号进行解调。MSK 是一种恒包络的连续相位调制。恒包络调制提供了下述优点:具有极低的旁瓣能量，可以使用功率效率高的 C 类放大器，电池利用率较高，容易恢复用于相干解调的载波，具有高的抗信号波动的特性。尽管它可以使