跳頻擴(kuò)頻技術(shù).doc

精品文檔 華北水利水電大學(xué) 擴(kuò)頻通信結(jié)課報告 跳頻擴(kuò)頻技術(shù) 學(xué)院： 信息工程 專業(yè)： 通信工程 姓名： 劉 建 學(xué)號： 201215707 跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)的組成及工作原理1、 跳頻系統(tǒng)的組成跳頻擴(kuò)頻（FHSS）通信是擴(kuò)頻通信的一種，是以載波頻率的跳變進(jìn)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(jī)性是抗干擾的重要技術(shù)指標(biāo)。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(jī)變化，就越難以被外界干擾。跳頻擴(kuò)頻（FHSS）系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。 圖1 跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)組成框圖跳頻系統(tǒng)的載頻受一個偽隨機(jī)碼控制，不斷地、隨機(jī)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(kuò)系統(tǒng)不同，跳頻系統(tǒng)中的偽隨機(jī)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(yīng)的頻率合成器是頻率跳變系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。頻率跳變系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)在一個預(yù)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(jī)地由一個跳到另一個。接收機(jī)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(fù)傳送的信息。此處，混頻器實際上擔(dān)當(dāng)了解調(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(jī)中的主振蕩器的振蕩頻率是固定設(shè)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(yīng)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(gòu)成的，如圖2（a）所示。 (a) 發(fā)送 （b） 接收 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(jī)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(biāo)示的為信碼入)，經(jīng)過調(diào)制器的相應(yīng)調(diào)制，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(jìn)行混頻，其輸出的已調(diào)波信號的載波頻率達(dá)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(jī)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(guān)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的頻率合成器和偽隨機(jī)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(jī)的通帶寬度。定頻信號的接收設(shè)備中，一般都采用超外差式的接收方法，即接收機(jī)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(jìn)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(jī)的框圖。圖中的跳頻器產(chǎn)生的跳頻圖案應(yīng)當(dāng)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(jī)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。可以看出，跳頻器是跳頻系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，而跳頻同步則是跳頻系統(tǒng)的核心技術(shù)。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:(l)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。(2)收、發(fā)端的跳變頻率應(yīng)保證在接收端產(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(yīng)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(jī)末級工作的。頻率合成器從接受指令開始建立振蕩到達(dá)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(dá)振蕩消失的時間叫消退時間。從建立到消退的整個時間叫做一個跳周期，記作。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)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的l/8l/10。比如跳頻速率每秒500跳的系統(tǒng)，跳周期=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5ms。4、 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（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)為如果偽碼發(fā)生器能輸N種不同的非零狀態(tài)，則有式中， 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(jìn)行抽樣產(chǎn)生脈沖，因此在跳頻接收中，采用非相干的包絡(luò)檢測器。5.1 跳頻信號的解跳跳頻信號的接收機(jī)應(yīng)對發(fā)射信號進(jìn)行相應(yīng)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(fù)發(fā)射端的原始信息流。 FH接收機(jī)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(jìn)制的FH發(fā)射機(jī)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(jī)應(yīng)能判斷兩個頻率中哪一個是有用信號。因此，接收機(jī)必須能夠同時觀測兩個交替信道，或者先對一個取樣，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(quán)相關(guān)值,然后進(jìn)行包絡(luò)檢測,對中間比特進(jìn)行判決。當(dāng)位于包絡(luò)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(fù)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(dāng)干擾疊加在輸入信號上時，由于人為的干擾在互補(bǔ)頻道上造成隨機(jī)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(shù)指標(biāo)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，。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(guān)。跳頻帶寬越寬，抗干擾能力越強(qiáng)。6.2 信道間隔任意兩個相鄰信道之間的標(biāo)稱頻率之差稱為信道間隔，記為。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(guān)。跳頻頻率越多，抗單頻、多頻以及梳狀干擾的能力越強(qiáng)。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其中，為射頻帶寬，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。跳頻速率越高，抗跟蹤式干擾的能力越強(qiáng)。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道頻率上發(fā)送或接收信息的時間，信道切換時間是跳頻系統(tǒng)由一個信道頻率轉(zhuǎn)換到另一個信道頻率并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所