跳频扩频通信技术具有优良的抗干扰性能和多址组网性能 , 不但在军事通信中得到了广泛套用 , 而且在G SM , Hom e RF(家庭射频 )、B lue too th(蓝牙 )等民用移动通信中得到了广泛的套用 。 跳频序列的性能对跳频通信系统的性能有着决定性的影响 。
基本介绍
- 中文名：跳频序列
- 外文名：frequency hoppingsequence
跳频技术是通过一组伪随机码控制载波跳变的工作方式 。通信双方使用相同的跳频码发生器 ,并使用非相干检测等方法实现收发双方跳频序列在时间上的同步 。跳频通信具有码分多址 、频带共享 、抗定频干扰和抗截获的能力 , 在军用无线通信及民用移动通信系统中得到了广泛的套用 。
实现跳频通信 , 需要在常规的定频通信技术的基础上 ,解决跳频序列设计 、跳频频率合成 、跳频同步和组网几个关键技术 。跳频序列的性能对跳频系统的性能有重大影响 ,直接影响到系统的抗截获 、抗干扰 、同步等性能及系统的组网能力 。
实现跳频通信 , 需要在常规的定频通信技术的基础上 ,解决跳频序列设计 、跳频频率合成 、跳频同步和组网几个关键技术 。跳频序列的性能对跳频系统的性能有重大影响 ,直接影响到系统的抗截获 、抗干扰 、同步等性能及系统的组网能力 。
理想的跳频序列要求 :(1)良好的汉明自相关和互相关性 。(2)较好的随机性和较大的线性複杂度 。(3 )频率在一个序列周期中的出现次数基本相同 ,即均匀性好 。(4)宽的跳频间隔 ,以躲避多径等干扰 。(5)序列数目儘可能多 ,以便有更多的跳频序列提供用户使用 。(6)每一个跳频序列都可以使用频率集合中的所有频率 ,以实现最大的处理增益 。
目前跳频序列的主要研究方向有 : 蓝牙跳频序列 、混沌序列 、差分跳频的 G 函式算法 、宽间隔跳频序列等 。此外 , 自适应跳频技术也是研究的热点 。本文将综述跳频序列的研究进展及最新成果 , 并指出今后的发展方向 。
跳频通信系统的原理
跳频通信系统的核心部分是跳频序列发生器 、频率合成器和跳频同步器 。跳频通信系统的主要工作原理是 : 在传送端 ,信息首先被调製到频率为 fs的载波上 ,得到频宽为 R 的调製信号 。跳频序列从跳频频率表中取出频率控制码 ,控制频率合成器在不同的时隙内输出频率跳变的本振信号 。 用它对调製信号进行变频处理 ,使变频后射频信号频率按照跳频序列跳变 , 即为跳频信号 。 跳频信号频宽 W 与调製信号频宽 R 的比值(W /R )就是跳频通信系统的处理增益 Gp 。在接收端 ,与发射机跳频序列一致的本地跳频序列从跳频频率表中取出频率控制码控制频率合成器 , 使输出的本振信号频率按照跳频序列相应地跳变 。跳变的本振信号 ,对接收到的跳频信号进行变频 ,将频率搬回到 fs ,实现解跳 。解跳后的调製信号 , 在本地载波作用下 ,经相干解调后 ,恢复出原基带信息 。
跳频系统以躲避干扰的方式抗干扰 , 可以认为是一种主动式抗干扰方式 。强的定频干扰只能干扰跳频系统的一个或几个频率 ,若跳频系统的频道数很大 ,则对系统性能的影响是不严重的 。跳频系统可採用快速跳频的方法对抗频率选择性衰落 , 使每一个频率的驻留时间非常短 , 平均衰落就非常低 。此外 , 还可以採用 1 比特信息用 m 个频率编码传输 , 也可较好地解决频率选择性衰落问题 ,这些都是以提高跳频速率为代价的 。跳频系统要抗多径干扰 , 也是要求每一跳的驻留时间很短 , 即要求快跳频 , 在多径信号没有到来之前接 收机已开始接收下一跳信号 。例如 , 多径时延为 1μ s, 则跳频速率大于1Mhop /s即可 。
跳频系统以躲避干扰的方式抗干扰 , 可以认为是一种主动式抗干扰方式 。强的定频干扰只能干扰跳频系统的一个或几个频率 ,若跳频系统的频道数很大 ,则对系统性能的影响是不严重的 。跳频系统可採用快速跳频的方法对抗频率选择性衰落 , 使每一个频率的驻留时间非常短 , 平均衰落就非常低 。此外 , 还可以採用 1 比特信息用 m 个频率编码传输 , 也可较好地解决频率选择性衰落问题 ,这些都是以提高跳频速率为代价的 。跳频系统要抗多径干扰 , 也是要求每一跳的驻留时间很短 , 即要求快跳频 , 在多径信号没有到来之前接 收机已开始接收下一跳信号 。例如 , 多径时延为 1μ s, 则跳频速率大于1Mhop /s即可 。
跳频序列设计的研究现状
用于控制载波频率跳变的地址码序列称为跳频序列 ,或称为跳频码 。跳频序列的作用在于 : (1)控制频率跳变以实现频谱扩展 ; (2)跳频组网时 , 採用不同的跳频序列作为地址码 , 传送端根据要通信的对象选择相应的地址码 。当许多用户在同一频段同时跳频工作时 ,跳频序列是区分每个用户的唯一标誌 。
传统的跳频序列设计有以下方法：基于 m 序列构造跳频序列族列构造跳频序列族 ,基于 RS码构造跳频序列族 , 基于素数序列构造跳频序列族 , 基于 Bent序列构造跳频序列族,基于 GMW 序列构造跳频序列族, 基于 p元伪随机序列构造跳频序列族等 。近几年来 , 研究热点主要为如下几个方向 : 蓝牙跳频序列 、基于混沌序列构造跳频序列族 、差分跳频的 G 函式算法 。此外还提出了几种新的抗干扰技术。
1 蓝牙跳频序列
蓝牙基带标準定义了 10种类型的跳频序列,其中 79跳系统与 23跳系统各有如下 5种类型: 呼叫跳频序列、呼叫回响序列 、查询跳频序列、查询回响序列、信道跳频序列。跳频序列由本地时钟 (实时 TOD信息)和蓝牙设备地址 (48b, 其中 32b有效位)通过首次相加、异或运算、换位操作 、二次相加等处理方法产生。生成的跳频序列对暂存器组定址 ,从暂存器中取出跳频频率, 得到跳频图案。
基于计数式 TOD 的蓝牙信道跳频序列虽然性能比较优越 ,但若套用于短波跳频电台,还存在密钥量不是很大 、周期不够长、汉明相关特性有待改善等问题。国内的研究进展就是针对这些问题提出了一些改进方案 。 2004 年, 蔡金元 、梅文华和杜兴民提出了仿蓝牙序列的一类新的跳频序列, 新序列的周期更长、密钥量更大 、汉明互相关性能更好 。 2005年 ,郭岩、张树勇和刘志鹏构造了一种新的超长周期蓝牙跳频序列,密钥量从 227提高到 264, 平均跳频间隔从 26提高到 111,平均汉明相关从 0. 0127降低到 0. 0039,较好地满足了跳频序列的设计準则 ,适合在军事跳频通信上使用。此外, 2004年, 蔡金元 、梅文华和杜兴民还指出某些蓝牙跳频序列在时钟同步时会出现严重的碰撞 ,并提出了相应的解决办法 。良好的均匀性是跳频通信中提高信道利用率 ,减少临近设备干扰等良好性能的一个必要条件 。2005年 ,张申如 、宁中华和邓晓燕分析了蓝牙信道跳频序列的结构特徵 , 从理论上证明在一个远短于周期的时间间隔内 ,序列是均匀性的,给出了达到均匀的时钟条件 。
2 基于混沌序列构造跳频序列族
混沌跳频序列具有较大的线性複杂度, 各频率分布均匀,汉明相关性能略差于基于 m序列等构造的最佳跳频序列,具有实际套用前途 。国内对混沌序列的研究较多,也取得了较大的进展 。 2004年,刘向东和焉得军等人提出了一种具有较好独立性与随机性的中间多比特量化混沌跳频序列方案 ,不仅减少了序列生成的运算量,扩展了跳频序列的周期, 同时也具有较高的複杂度及良好的多址性能。 2005年,牛和李文臣把宽间隔跳频和混沌序列结合起来 ,提出了一种新的混沌宽间隔跳频序列的构造方法,其序列不仅简单 ,生成速度快 ,长度不受限制且跳频间隔性能远远优于其它各种序列。 2005年,刘淮,李文臣等人实现了一种高速宽间隔混沌序列 ,用余弦映射法产生混沌序列,并用对偶的方法使其间隔变宽。针对混沌跳频通信中跳频序列的产生这一关键问题 , 文献 提出了对 Log istic映射的轨道点进行多值量化产生 q元跳频序列的方法 , 产生的混沌跳频序列具有良好的性能, 但其不足之处是在某些时延下存在较大的汉明相关值。为此, 文献给出了一种减小其汉明相关值的新方法 , 但其叠代次数较前一种方法增加了(log2 q -1)倍。 2003年 ,米良、朱中梁]对此提出了一种将混沌轨道多值量化与比特抽取相结合产生混沌跳频序列的新方法, 可以在保持与文献中序列性能基本不变的条件下, 使其所需的叠代次数大大减少 。 2004年 , 米良在文献的基础上 , 给出了该方法的理论分析 ,证明其构造的跳频序列是贝努利随机序列 , 并对该序列的均匀分布性 、汉明相关性和线性複杂度做了性能比较 。 2005年 , 米良和唐刚提出了无需进行门限量化 ,直接将混沌映射轨道点的实数值表示为二进制小数 ,然后利用比特抽取产生跳频序列的新方法 ,该跳频序列的平衡性 、跳频间隔和最大汉明相关值与其他方法产生的混沌跳频序列相当 , 但所需的叠代次数却可大大减少且可以极大地增强系统抗干扰 、抗截获的能力 。
3 差分跳频 G 函式算法
差分跳频 (DFH )是 CHESS 电台的 核心技术, 主要归结于一种 G 函式算法 。它集跳频图案 、信息调製与解调与一身 。 G 函式的核心内容即是利用跳频频率的相关性来携带待传送的数据信息 ,同时所产生的频率序列应具有良好的随机性和均匀性 。
近年的研究提出了一些新的方法来构造 G 函式 。 2003年 , 梁富林 、罗伟雄和张石磊基于可逆整型哈希函式的加密原理 ,构造出了一种新的 G 函式 。 2004年 , 朱秀林 、胡用时和于奇 将原有的差分跳频 G 函式表达式 Fn = G(Fn -1 , X n)扩展为 Fn =G(Fn - 1 , X n, m), 利用 Fn 和 Fn - 1的相关性来携带信息 ,用 m序列来控制跳频间隔 , 提高了 G 函式的随机性与複杂性 ,增加了信息的隐蔽程度 。同年 ,易大进与杨千里基于仿射密码原理构造了一种差分跳频的转移函式 ,盖函式具有构造简单 ,便于密钥管理和控制 , 且密钥量大的特点 。 2005年 ,裴小东等人将 Turbo码与差分跳频技术相结合 , 提出了一种新的 Turbo -DFH 编码调製方法 。 2006年 ,王芙蓉和宋小恆[ 19]提出了一种基于模糊原理与频率分组的 G 函式算法 ,其中频率转移函式採用了模糊算法 、选择算法和複杂的分组算法 , 保证了转移函式的複杂度 ,改善了跳频序列的随机性和均匀性 ,增强了系统的隐蔽性和抗跟蹤性 。
传统的跳频序列设计有以下方法：基于 m 序列构造跳频序列族列构造跳频序列族 ,基于 RS码构造跳频序列族 , 基于素数序列构造跳频序列族 , 基于 Bent序列构造跳频序列族,基于 GMW 序列构造跳频序列族, 基于 p元伪随机序列构造跳频序列族等 。近几年来 , 研究热点主要为如下几个方向 : 蓝牙跳频序列 、基于混沌序列构造跳频序列族 、差分跳频的 G 函式算法 。此外还提出了几种新的抗干扰技术。
1 蓝牙跳频序列
蓝牙基带标準定义了 10种类型的跳频序列,其中 79跳系统与 23跳系统各有如下 5种类型: 呼叫跳频序列、呼叫回响序列 、查询跳频序列、查询回响序列、信道跳频序列。跳频序列由本地时钟 (实时 TOD信息)和蓝牙设备地址 (48b, 其中 32b有效位)通过首次相加、异或运算、换位操作 、二次相加等处理方法产生。生成的跳频序列对暂存器组定址 ,从暂存器中取出跳频频率, 得到跳频图案。
基于计数式 TOD 的蓝牙信道跳频序列虽然性能比较优越 ,但若套用于短波跳频电台,还存在密钥量不是很大 、周期不够长、汉明相关特性有待改善等问题。国内的研究进展就是针对这些问题提出了一些改进方案 。 2004 年, 蔡金元 、梅文华和杜兴民提出了仿蓝牙序列的一类新的跳频序列, 新序列的周期更长、密钥量更大 、汉明互相关性能更好 。 2005年 ,郭岩、张树勇和刘志鹏构造了一种新的超长周期蓝牙跳频序列,密钥量从 227提高到 264, 平均跳频间隔从 26提高到 111,平均汉明相关从 0. 0127降低到 0. 0039,较好地满足了跳频序列的设计準则 ,适合在军事跳频通信上使用。此外, 2004年, 蔡金元 、梅文华和杜兴民还指出某些蓝牙跳频序列在时钟同步时会出现严重的碰撞 ,并提出了相应的解决办法 。良好的均匀性是跳频通信中提高信道利用率 ,减少临近设备干扰等良好性能的一个必要条件 。2005年 ,张申如 、宁中华和邓晓燕分析了蓝牙信道跳频序列的结构特徵 , 从理论上证明在一个远短于周期的时间间隔内 ,序列是均匀性的,给出了达到均匀的时钟条件 。
2 基于混沌序列构造跳频序列族
混沌跳频序列具有较大的线性複杂度, 各频率分布均匀,汉明相关性能略差于基于 m序列等构造的最佳跳频序列,具有实际套用前途 。国内对混沌序列的研究较多,也取得了较大的进展 。 2004年,刘向东和焉得军等人提出了一种具有较好独立性与随机性的中间多比特量化混沌跳频序列方案 ,不仅减少了序列生成的运算量,扩展了跳频序列的周期, 同时也具有较高的複杂度及良好的多址性能。 2005年,牛和李文臣把宽间隔跳频和混沌序列结合起来 ,提出了一种新的混沌宽间隔跳频序列的构造方法,其序列不仅简单 ,生成速度快 ,长度不受限制且跳频间隔性能远远优于其它各种序列。 2005年,刘淮,李文臣等人实现了一种高速宽间隔混沌序列 ,用余弦映射法产生混沌序列,并用对偶的方法使其间隔变宽。针对混沌跳频通信中跳频序列的产生这一关键问题 , 文献 提出了对 Log istic映射的轨道点进行多值量化产生 q元跳频序列的方法 , 产生的混沌跳频序列具有良好的性能, 但其不足之处是在某些时延下存在较大的汉明相关值。为此, 文献给出了一种减小其汉明相关值的新方法 , 但其叠代次数较前一种方法增加了(log2 q -1)倍。 2003年 ,米良、朱中梁]对此提出了一种将混沌轨道多值量化与比特抽取相结合产生混沌跳频序列的新方法, 可以在保持与文献中序列性能基本不变的条件下, 使其所需的叠代次数大大减少 。 2004年 , 米良在文献的基础上 , 给出了该方法的理论分析 ,证明其构造的跳频序列是贝努利随机序列 , 并对该序列的均匀分布性 、汉明相关性和线性複杂度做了性能比较 。 2005年 , 米良和唐刚提出了无需进行门限量化 ,直接将混沌映射轨道点的实数值表示为二进制小数 ,然后利用比特抽取产生跳频序列的新方法 ,该跳频序列的平衡性 、跳频间隔和最大汉明相关值与其他方法产生的混沌跳频序列相当 , 但所需的叠代次数却可大大减少且可以极大地增强系统抗干扰 、抗截获的能力 。
3 差分跳频 G 函式算法
差分跳频 (DFH )是 CHESS 电台的 核心技术, 主要归结于一种 G 函式算法 。它集跳频图案 、信息调製与解调与一身 。 G 函式的核心内容即是利用跳频频率的相关性来携带待传送的数据信息 ,同时所产生的频率序列应具有良好的随机性和均匀性 。
近年的研究提出了一些新的方法来构造 G 函式 。 2003年 , 梁富林 、罗伟雄和张石磊基于可逆整型哈希函式的加密原理 ,构造出了一种新的 G 函式 。 2004年 , 朱秀林 、胡用时和于奇 将原有的差分跳频 G 函式表达式 Fn = G(Fn -1 , X n)扩展为 Fn =G(Fn - 1 , X n, m), 利用 Fn 和 Fn - 1的相关性来携带信息 ,用 m序列来控制跳频间隔 , 提高了 G 函式的随机性与複杂性 ,增加了信息的隐蔽程度 。同年 ,易大进与杨千里基于仿射密码原理构造了一种差分跳频的转移函式 ,盖函式具有构造简单 ,便于密钥管理和控制 , 且密钥量大的特点 。 2005年 ,裴小东等人将 Turbo码与差分跳频技术相结合 , 提出了一种新的 Turbo -DFH 编码调製方法 。 2006年 ,王芙蓉和宋小恆[ 19]提出了一种基于模糊原理与频率分组的 G 函式算法 ,其中频率转移函式採用了模糊算法 、选择算法和複杂的分组算法 , 保证了转移函式的複杂度 ,改善了跳频序列的随机性和均匀性 ,增强了系统的隐蔽性和抗跟蹤性 。
短波跳频通信新的抗干扰措施
(1)变速跳频
当对抗快速 跟蹤干扰 时 , 除了採取硬 抗措施 —— —提高跳频速率和发射功率外 ,还可以採取一种 “跳速多变 ”的策略 , 以速率多变 , 不断打乱干扰方的侦察和跟蹤部署 , 即实现变速跳频 。这是一种在频率域採取对抗快速跟蹤干扰的有效措施 , 组网运用时效果更佳 。
(2)实时频率自适应跳频
实时频率自适应跳频是採用频谱分析处理技术与跳频信号处理技术相结合的方法 , 通过实时频率自适应算法 ,在跳频通信过程中自动探测和删除干扰频点 ,使其在无干扰和弱干扰频点上跳频 ,从而有效地对付阻塞干扰和点频干扰 ,改善通信质量 。可作为未来短波电台通信抗干扰的优选体制 。
(3)坏跳取代技术
当对抗快速 跟蹤干扰 时 , 除了採取硬 抗措施 —— —提高跳频速率和发射功率外 ,还可以採取一种 “跳速多变 ”的策略 , 以速率多变 , 不断打乱干扰方的侦察和跟蹤部署 , 即实现变速跳频 。这是一种在频率域採取对抗快速跟蹤干扰的有效措施 , 组网运用时效果更佳 。
(2)实时频率自适应跳频
实时频率自适应跳频是採用频谱分析处理技术与跳频信号处理技术相结合的方法 , 通过实时频率自适应算法 ,在跳频通信过程中自动探测和删除干扰频点 ,使其在无干扰和弱干扰频点上跳频 ,从而有效地对付阻塞干扰和点频干扰 ,改善通信质量 。可作为未来短波电台通信抗干扰的优选体制 。
(3)坏跳取代技术
军事跳频电台工作时 , 如果受到在整个跳频频段内实施的阻塞式干扰 ,不论跳频速率的高低 ,都会受到干扰 。採用坏跳取代技术 , 并增加交织法分散错码 ,即使 50%的信道受到干扰 , 仍还有较好的语言可懂性 。当跳频通信系统採用纠错编码识别出被干扰的频点 (称其为坏跳 ,图中用阴影部分表示 )时 , 可以利用前一个或后一个频率跳变所携带的信息取代被干扰信息 ,提高信号的可懂性 。
(4)多频率表随机变换跳频
如果给一个跳频电台在整个可用频段上设 3到5个频率表 , 使电台在工作时可随机地变换频率表 ,则不仅使干扰方在多网工作时分离跳频网更加困难 ,在单网工作时也会使干扰的效果大为降低 ,很难使电台的通信完全陷入瘫痪。使用多频率表随机变换技术带来的最大好处是大大降低了进行全频段较高速跳频时对天线调谐器的要求, 即在使用慢速天线调谐器时也可以进行全频段的中速跳频 , 从而获得全频段跳频的抗干扰能力。
如果给一个跳频电台在整个可用频段上设 3到5个频率表 , 使电台在工作时可随机地变换频率表 ,则不仅使干扰方在多网工作时分离跳频网更加困难 ,在单网工作时也会使干扰的效果大为降低 ,很难使电台的通信完全陷入瘫痪。使用多频率表随机变换技术带来的最大好处是大大降低了进行全频段较高速跳频时对天线调谐器的要求, 即在使用慢速天线调谐器时也可以进行全频段的中速跳频 , 从而获得全频段跳频的抗干扰能力。