【自适应跳频通信系统研究】 自适应跳频

　　摘 要： 自适应跳频技术能够使跳频系统自适应地躲避干扰载频，从而在复杂的干扰环境下正常工作。本文重点阐述了自适应跳频通信系统的原理、结构和通信过程。　　关键词： 跳频通信 自适应 抗干扰 频率控制
　　随着通信技术的发展日新月异，无线通信由于具有建立迅速、灵活机动等优点，在军事通信中一直占有重要地位，广泛应用于地面、航空、航海等各种平台的通信中，是保障现代作战指挥的主要通信手段。由于无线通信在发射和接收信号时具有开放性，因此无线电信号易被敌人截获和干扰，为避开敌人对无线通信信号的侦察和干扰，必须采用有效的抗干扰措施，而跳频通信是保密通信和抗干扰通信中最有效的手段之一。
　　1.跳频通信
　　跳频通信的基本工作原理是［１］：在发射机中，输入的信息对频率为fs的载波进行调制，得到带宽为R的调制信号。独立产生的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。用它对调制信号进行变频，使变频后的射频信号频率按照跳频序列跳变，即为跳频信号。跳频信号以跳变方式躲避某些频点上的人为干扰或者自然干扰。在接收机中，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，将频率变回fs，实现解跳。解跳后的调制信号，在本地载波的作用下，经解调后恢复出信息。其原理框图如图1所示。
　　2.自适应跳频通信
　　2.1跳频技术与自适应技术相结合
　　目前，跳频通信技术作为一种有效的抗干扰通信技术，在现代无线抗干扰通信中应用广泛。常规跳频通信通过采用扩展频谱技术，利用与信息无关的伪随机序列控制信号的频率在较宽的频率范围跳变。由于该伪随机序列确定的跳频表是事先确定的，不能根据电磁环境状态实时调整，自动选择可通频率，通常将这种跳频称为“盲跳频”［２］。
　　对于采用“盲跳频”的常规跳频通信系统，由于其跳频频率集是固定的，遇到自然条件的变化或者是人为的干扰，某些频点会处于比较恶劣的状态，这样系统的性能将受到严重的影响。将自适应技术与跳频技术结合起来，通过对信道的实时评估，可以将通信质量恶劣的信道及时地从跳频频率集中剔除，从而避开干扰，提高通信的质量，使系统的性能得到较大的改善。
　　2.2自适应跳频通信系统原理
　　自适应跳频技术首先是由J.Zander等于1995年提出的［３］。自适应跳频技术能够使跳频系统自适应地躲避干扰载频，从而在复杂的干扰环境下正常工作。无线通信中，自适应技术包括频率、功率、速率自适应以及自适应调零天线等。而对于自适应跳频通信技术，从广义上讲，它除了常规跳频通信所具备的功能，还应具有上述的各种自适应功能。为了在自适应跳频系统中实现诸如自适应调制、自适应频率控制和自适应功率控制的功能，一个必需的前提是自适应跳频通信网中的成员必须具有信号质量评估器和信令通信链路，以对信道的质量进行评估，得到信道状态信息，并通过可靠的信令协议，及时地通知通信成员，使得发信机根据得到的信道质量状态信息改变其传输特性。与常规跳频技术相比，自适应跳频技术具有以下特点：
　　（1）智能化程度高；
　　（2）和宽带跳频结合起来，可较大地提高抗干扰性能；
　　（3）由于需要搜索较多的信道，因此所需时间较长；
　　（4）组网时操作过程复杂，确定可用频率的时间较长。
　　2.3自适应跳频系统的结构
　　自适应跳频通信系统的原理示意图如图2所示。与常规跳频通信相比，自适应跳频通信系统接收端多了一个实时信道连接质量分析器LQA（link quality analysis），并以自适应的跳频图案发生器代替常规的跳频图案发生器。在发送端，伪随机序列发生器产生的伪随机序列控制跳频图样选择器选择跳频图样，通过工作信道发送；在接收端接收数据的同时，使用LQA对工作信道各个跳频信道的通信质量进行监测，如果发现某个或某些载频受到干扰而达到需要置换的程度，它将产生一个新的跳频图样并通过反馈信道通知发送端的跳频图样选择器。
　　2.4自适应跳频通信过程
　　自适应跳频通信一般分为通信建立、扫频和通信保持三个阶段［４］。
　　在通信链路建立阶段，首先必须建立同步，在保证通信双方时钟同步、帧同步的基础上，确保双方跳频图案的同步。值得注意的是，对于自适应跳频通信来讲，为了保证同步的建立和通信的质量，在这阶段发射机的功率应能自动进行盲调整，一旦双方建立同步，立即结束盲功率调整，进入扫频阶段。
　　在扫频阶段，双方的实时信道质量评估单元对跳频频率集进行全集扫频，根据确定的信道评估标准确定被干扰的频点，给出可以使用的接收方的跳频频率集，并把被干扰的全部频率通知对方，使通信双方同时删除被干扰的全部频率，使得发送方的跳频频率集与接收方完全相同，并在确定的时刻同时进入自适应跳频通信阶段，同时建立功率自适应调整。
　　在通信保持阶段，由于信道条件的变化，LQA会将变化的检测结果通过通信协议，以信令方式通知对方，随时将跳频频率集中的被干扰频点去除，并保证双方跳频图案的同步，同时调整发射机功率，保证双方均以最小的发射功率进行通信。
　　3.自适应跳频通信的应用及发展状况
　　自适应跳频通信系统自从问世以来，在军事和民间都产生了广泛的运用。在军用领域，自适应跳频通信系统采用的通信方式能做到抗干扰，具有对非目标用户低的检测概率，及对敌对用户低的被截获概率。跳频通信信号载波频率不断地跳变，从而具有躲避干扰的功能，抗干扰性比较好。同时，在民用领域，自适应跳频通信系统由于其工作灵活性更大、可靠性更好、数据传输速率更高、保密性更强，特别是具有优良的抗电子干扰及低截获概率/低检测概率特性，不仅适合在各种条件下进行可靠的中、远程通信，而且可在其他视距通信手段失效或者频谱完全被堵塞时满足短程应急通信要求。并且，自适应跳频技术对于有效利用频谱资源、防止通信设备之间相互干扰起着十分重要的作用。
　　在国内，我国在1996年研制出第一台实用型跳频电台后，多类型的短波通信系统投入批量生产，部分达到国际先进水平。国内首创的“多合一”的自适应技术已经成功应用到新一代的短波战术跳频系统中。在国外，法国THOMSON-CSF/RGS公司的SYSTEM3000系列自适应跳频通信系统，是目前可用的较先进的短波战斗网无线电台，在UNIQUE TRC3500 SKYHOPPER 2FH方式下，作为网控中心的电台首先自动选择短波频谱内的可用频段（5个以内），然后再选择那些未受干扰的频率做跳频频率集。SKYHOPPER对战术通信来说是一次质的飞跃，它在海湾战争及柬埔寨、波黑维和行动中发挥的重要作用。
　　4.结语
　　笔者首先介绍了跳频通信的基本工作原理，接着详细阐述了自适应跳频通信系统的原理、结构和通信过程，最后简要介绍了自适应跳频通信的应用和发展状况。由于进入该领域的时间并不长，笔者对自适应频率选择的算法研究还不够深入，这将是下一步工作的重点所在。
　　参考文献：
　　［1］梅文华，王淑波，邱永红，杜兴民.跳频通信.国防工业出版社，2005.
　　［2］美国参谋长联席会议.2010年联合构想［R］.1996.
　　［3］Zander，J.；M aingre，G.A daptive Frequency Hopping in HF communications［J］.IEE，Proc-commucations，1995，142（2）：99-105.
　　［4］俞世荣，李渊渊.自适应跳频技术及实现.无线电工程，2001，1.