跳频通信系统

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1、6.3 6.3 跳频跳频(FH)(FH)通信系统通信系统主讲：朱丹丹Contents1.跳频通信的基本概念2.跳频及其频率合成器3.跳频通信系统的性能4.跳频通信系统的抗噪性能 5. 跳频通信系统的技术特点6.3.1 跳频通信的基本概念跳频通信的基本概念v 跳频通信是指传输信号的载波频率按照预定规律进行离散 变化的通信方式。 v从实现通信技术来说，“跳频”是一种用码序列进行多频、 选码、频移键控的通信方式，即用为码序列构成跳频指令 来控制频率合成器，并在多个频率中进行选择的频移键， 是一种码控载频跳变的通信系统。跳频通信的基本原理跳频通信的基本原理v跳频系统简单原理如下图所示。跳频系统简单原理

2、如下图所示。伪 噪 声发 生 器频 率合 成 器信 源频 率合 成 器伪 噪 声发 生 器混 频 器中 频 带 通滤 波 器到 解 调 器53421d(u, t)1.跳 频 指 令2.频 移 载 波f1f2f3f4f4 1Ff3 1Ff2 1Ff1 1F3.参 考 码4.参 考 的 频 移 载 波5.送 到 解 调 器 的 相 干 中 频发送端接受端v 从时频域来看,多频率的移频键控信号由时频矩阵组成,每个 频率持续时间为T,并按跳频指令的规定在时频矩阵内跳变, 如图6-22(b)所示。跳频通信的基本原理跳频通信的基本原理v为了尽可能减少邻近干扰,频率间隔应选择为1T,这样频率 fi的谱状零值

3、正好处于fi +1T的峰值处,即为fi +(1T),构成 了频率的正交关系,如图6-22(c)所示。v 因此,若取跳频频率数为N, 则跳频信号带宽为 BRF=N(1T)。跳频通信的基本原理跳频通信的基本原理跳频通信的数学模型跳频通信的数学模型设s1(t)为发送的跳频信号，有 (6-79)其中, n=0,1,2,N-1； 为输出的FH信号(令振幅A=1)； 为FH合成器跳变间隔,每跳持续时间为T,一般取 ; m(t)是待传数字信息流； 为初相。 )cos()()(01nTtntmts)cos(0nTtnTTT/2n跳频通信的数学模型跳频通信的数学模型v 跳频系统模型图跳频系统模型图 解调m(t)

4、s1(t)s2(t)sk(t)s1(t)sP(t)s12(t)Im(t)噪声 n(t)干扰 J(t)带通cos(0 nT)tncos(r nT)tr发端收端)()()()()(21tJtntststsjkjiiIttmts)cos()(21)(12)cos()()()()2cos()cos(21)cos()()()()()(2021rTrjkjnnTrjIrTrjkjptmtJtntstnttmtmtJtntststs跳频系统的处理增益跳频系统的处理增益v 若基带滤波器的带宽为B,使TB,并假设使一个受干扰信号 “码片” 在某个频道上允许落入基带滤波器,而在下一个相邻频 道上将不能通过基带滤波

5、器,这样基带滤波器的输出最大干扰 信号功率为 (6-84)在一个码周期中输出的平均功率为 (6-85) 4jjoPP NPPjjo4跳频系统的处理增益跳频系统的处理增益v 干扰信号的输入功率可求得为，输入到解调器的有用信号功率 可用S1来表示。设本地跳频指令码与发射端同步，且解调器是 理想的，并能无损的让S1通过，则系统的处理增益为： 其中N是跳变频总数。NPSNPSGjjpFH)4/()4/(116.3.2 跳频器及其频率合成器跳频器及其频率合成器v 跳频系统中，由伪码发生器和频率合成器组成了跳频器， 它是跳频系统的核心。v 跳频用频率合成器分为直接式和间接式两种。v 跳频系统对伪码发生器没

6、有直扩DS中那么高，但对频率合成器的要求则比较苛刻，即要求频率合成器输出频谱纯，可供选用的频率数N大，频谱转换时间短，频率锁定时间小，跳频图案转换速度快等。直接式频率合成器直接式频率合成器v 直接式频率合成器用混频、分频倍频构成,既能产生很多频 率又能快速跳变频率。v 一个可以产生4096个频率的频率合成器例子如图6-24所示。200 M H z相 同 的组 件C3C4f1f2f3f4相 同 的组 件C9C1 0f1f2f3f44双 边平 衡混 频 器带 通滤 波 器门 开 关C1C2f1f2f3f44双 边平 衡混 频 器带 通滤 波 器门 开 关C1 1C12f1f2f3f4输 出C1C1

7、 2到 门 开 关的 码 输 入30354045f1f2f3f4平 衡 混 频 器5.0 M H z方 波37.5 M H z晶 体 滤 波 器这是一种“和频”/“分频”方案。 “和频”/“分频”式频率合成器是由一些完全相同的“和频”/“分频”基本单元串接而成的。直接式频率合成器直接式频率合成器v 图中分频比为N,每增加一级,输出跳频频率间隔就减少为前 一级的1N,所以输出跳频频率间隔f则为参考频率间隔 F与参考频率数K的乘积除以频率总数KA,即为v从上图可以看出,“和频”/“分频”式频率合成器能够提供的频 率总数与参考频率的数目(K)及混频的次数(A)有关,即为KA 个频率。1AAKFKKF

8、fv “和频”/“分频”基本单元如图6-25所示。直接式频率合成器直接式频率合成器v 直接式频率合成器用混频、分频倍频构成,既能产生很多频 率又能快速跳变频率。v 一个可以产生4096个频率的频率合成器例子如图6-24所示。200 M H z相 同 的组 件C3C4f1f2f3f4相 同 的组 件C9C1 0f1f2f3f44双 边平 衡混 频 器带 通滤 波 器门 开 关C1C2f1f2f3f44双 边平 衡混 频 器带 通滤 波 器门 开 关C1 1C12f1f2f3f4输 出C1C1 2到 门 开 关的 码 输 入30354045f1f2f3f4平 衡 混 频 器5.0 M H z方 波

9、37.5 M H z晶 体 滤 波 器这是一种“和频”/“分频”方案。 “和频”/“分频”式频率合成器是由一些完全相同的“和频”/“分频”基本单元串接而成的。间接式频率合成器间接式频率合成器v 间接式频率合成器是用锁相环法实现，它的原理如 下图所示。1nf参考振荡器nf(s)VCOnnf1频率控制v 跳频的两个基本要求：跳变要快和输出频谱要纯都与锁相环路滤波器的基本性质是矛盾的,滤波器频带愈窄,输出相位噪声就小,但是捕捉一个新频率的时间就要增加。v 为了保证在低相位噪声的情况下加快频率跳变时间,一般可采 取下列各种措施： (1) 采用一个取样环路滤波器。 (2) 利用频率控制指令先将VCO预置

10、在输出频率附近。 (3) 用n个锁相环路进行顺序输出。 (4) 在锁相环路内运用小数分频、 自适应相位补偿等技 术来加快入锁。间接式频率合成器间接式频率合成器 跳频速率和跳频数的确定跳频速率和跳频数的确定v频率跳变系统： 慢频率跳变系统和快频率跳变系统两种。跳频通信系统的性能跳频通信系统的性能 慢跳频：若在每个跳频间隔内存在多个调制码元，系统中 最短的不间断波形是数据码元。 快跳频：每个调制码元间隔内存在多次频率跳变，系统中 最短的不间断波形是跳频波形。跳频速率和跳频数的确定跳频速率和跳频数的确定v 图中描绘了一个码元间隔(130 s)内的信号波形s(t),波形中部的变化正是由一次新的频率跳变

11、所致。 因为此例中跳频间隔比数据码元间隔短,所以,一个码元对应于一跳,每个码片长度为码元的一半。 v 图6-27（a）是一个快跳频的例子： 数据码元速率为30波特,而频率跳变速率为60跳秒。跳频速率和跳频数的确定跳频速率和跳频数的确定v图中画出的3个码元时间(01s)上的信号波形s(t),并且跳频的边沿时刻恰处于每3个码元的连接处。 此处的码元间隔小于跳频间隔,在一个跳频间隔内波形的变化取决于调制状态的变化，因此,本例的一个码片对应于一个数据码元。 v 图6-27（a）是一个慢跳频的例子： 数据码元速率仍是30波特,而频率跳变速率变为10跳秒。v图6-28（a）是一个采用2PSK调制的快跳频系

12、统,分集数N=4,即每比特含有4个码片,码片持续时间即为跳频持续时间。10比 特频 率码 片 持续 时 间时 间100101011110000101011110比 特频 率码 片 持续 时 间时 间(a)(b)v图6-28（b）是一个2FSK调制的慢跳频系统。在此,对于SFH,码片持续时间即为比特持续时间。跳频速率和跳频数的确定跳频速率和跳频数的确定跳频速率和跳频数的确定跳频速率和跳频数的确定v增加冗余度：用若干个频率(一般是取奇数个)传输一个比特 的信息,接收机按多数准则判决。这样,即使某 一瞬间某些频率受到干扰,发生了错误,但只要 大多数频率正确,通过多数判决,就能减少差错率。v FH必须

13、有大量按指令码可供选用的频率,所需的频率数取决 于系统差错率。v 采用如前提出的增加冗余度的方法时跳频系统的误码率,可由 积累二项分布的表达式给出： p=J/N 是只用一个频率传送时的误码率； q是传送一个频率的正确接收概率, q=1-p； c是传送1比特信息所用的频率数； r为使一个比特信息错判必须的错判频率数。 xcxcrxqprcPe跳频速率和跳频数的确定跳频速率和跳频数的确定v (JN)与Pe的关系曲线如图6-29所示。跳频速率和跳频数的确定跳频速率和跳频数的确定1001011021031041051.00.50.10.050.010.0059中取53中取25中取37中取4跳频速率和跳

14、频数的确定跳频速率和跳频数的确定判决准则误码率为10-3，J/N的值N每个频率的瞬时带宽射频带宽3中取20.01952606kHz31.5kHz5中取30.047213010kHz21.3kHzv 两种判决的比较v 由上述可知,在信码率已给定和“冗余度”已选定之后,系统的 跳频速率也随之而定了。跳频速率和跳频数的确定跳频速率和跳频数的确定v 不过尚有一个因素也影响跳变速率的选定,即与有用信号同 频但不同相的无用信号的影响。v 这种同频不同相的信号,一方面来自传播过程中有用信号本 身的多径时延;另一方面来自人为的转发性干扰(即敌方设置 的)或称中继转发干扰。 在一般情况下,多径信号比有用信号小得

15、多,故没有多大影响。 跳 频发 射 机跳 频接 收 机干 扰 机TdTiTrTrTiTT跳频速率和跳频数的确定跳频速率和跳频数的确定v 将接收到的本系统的FH信号加以放大并用噪声污染之后再 发射出来,称为转发性干扰,如图6-34所示。跳频速率和跳频数的确定跳频速率和跳频数的确定v FH中收、 发设备间的直接传输路径时延为Td,从发射机到干扰机再由干扰机到接收机的时延之和为Tr=Ti+TT, 于是希望跳频速率应该大于1/(Tr-Td)。 v设发射机和接收机设备之间距离是30km，发射机和干扰机相距30 km,接收机距干扰机15 km。 若不考虑回答式干扰机延迟时间,最小跳频速率为45102304

16、51031dFHTTR跳/秒 这一跳变速率在工程上是可以实现的。 美国的JTIDS系统跳变率已做到38 000跳秒。v 跳频频道数的确定跳频频道数的确定跳频速率和跳频数的确定跳频速率和跳频数的确定 从抗干扰角度来看,跳频数N越大越好,因跳频系统的处理增 益Gp=N,但N大了则系统结构就比较复杂。 另外也要考虑系统的预期的误码率。 如跳频数太多,会增加频带宽度,使频谱利用率不高,如果缩小频道间隔, 则会由于振荡器的漂移,以及收发信机间相对位置不定性,易产生多个 用户同时跳到一个频率上去的击中现象,击中会造成干扰,导致产生误码。双通道跳频系统双通道跳频系统v 双通道跳频：每一信息比特(可能是“0”

17、或“1”)需用两个频率进 行发送,其中,一个频率代表“1”,另一个频率代表“0”。v传输中,占用的频道称为发送通道,未被占用的频道称为互补通道。 图6-32是双通道跳频的示意图。ThThOOfftt(a)(b)图6-32 双通道跳频示意图(a) 快跳； (b) 慢跳W是跳频总频段宽度, B是频道宽度, Th是跳频时间间隔。双通道跳频系统双通道跳频系统v 图6-33是双通道跳频系统的原理框图。 伪 码产 生 器时 钟逻 辑 控制 电 路频 率合 成 器信 息 输 入跳 频 信 号跳 频 信 号带 通滤 波 器包 络检 波 器伪 码产 生 器频 率合 成 器带 通滤 波 器包 络检 波 器选 择最

18、 大信 息 输 出时 钟“0”频 率“1”频 率(a)(b)图6-33 双通道跳频系统的原理框图(a) 发送端； (b) 接收端双通道跳频系统双通道跳频系统 互补通道要占用一个额外的频道,因而对通信系统的频带 利用率是不利的。 v 双通道跳频系统的缺点：双通道跳频系统的缺点： 因为接收机必须为两个通道都提供通路,倘若外部干扰串 入了互补通道,它比干扰串入了发送通道对接收机的威协 性更大。跳频信号的解调跳频信号的解调v 跳频信号的去跳变跳频信号的去跳变 把接收的每一个频率一个“码片”一个“码片”地去掉频率跳变； 把它们变换进窄带滤波器的通带内； 然后再把这个去跳变信号送到信息解调器中解调出发送信

19、息。跳频信号的解调跳频信号的解调v 在二进制FH系统中,若数据传输采用FSK调制,发射一个频率表 示传号,发射另一个频率表示空号。 则接收机要求接收机或是 双通道的，或是能先对一个信道采样,然后紧接着对另一个信 道采样。v 图6-34是能够同时观测两个信道的双通道接收机。带 通 滤 波 器传 号 合 成 器空 号 合 成 器码 发 生 器检 测 器带 通 滤 波 器检 测 器0/1判 决接 收 的跳 频 信 号数 据 输 出s1(传 号 )信 号 包 络s2(空 号 )数 据 输 出跳频信号的解调跳频信号的解调v 若以没有中频脉冲表示空号,就可以用一个单通道接收机代替 双通道接收机,如图6-3

20、5所示。 传 号 合 成 器码 发 生 器带 通 滤 波 器检 测 器0/1判 决s1数 据 输 出s1信 号 包 络数 据 输 出图6-35 单通道接收机框图 跳频信号的解调跳频信号的解调v 如果接收机中的频率合成器能比发射机中的频率合成器跳变速度快一倍,先跳到传号频率,然后跳到空号频率,或反之,接收机取样电路就能对两者同时取样。 这种接收机的框图和各点波形示于图6-36。带 通 滤 波 器检 测 器0/1判 决频 率 合 成 器码 发 生 器传 号 /空 号定 时s1数 据 输 出s2(空 号 )数 据 输 出s1(传 号 )s3(组 合 )检 测 器 输 出跳频信号的解调跳频信号的解调v

21、 M进制频率跳变信号的解调进制频率跳变信号的解调图6-37是一个8FSK调制的跳频系统，由图可知： 输入二进制数据序列的速率Rb=150 bs, 因此码元速率Rs=Rb(lb8)=50码元秒。 每发送一个码元频率跳变一次, 且跳频与码元变化的边沿同步, 因此跳频速率为50跳秒。跳频信号的解调跳频信号的解调跳 频带 宽码 元 间 隔(20 ms)典 型 数 据R 150b/s单 音 3单 音 6单 音 1单 音 号单 音数 据码 元时 间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 图中横坐标表示时间,纵坐标表示跳频带宽Wss。右侧的图表列出了8FSK的码元-频率关系,此处的频率间隔为1T=50 Hz,对应于非相干FSK正交信号处理所需的最小频隙。 跳频信号的解调跳频信号的解调v M进制频率跳变被接收机去跳变后, 把信号送入由M个带通滤波器和FH解调器并联组成的检测器。M个解调器的输出送入最大值检测器作出判决。这种解调器图6-38所示。最 大 值比 较 器带 通 滤 波 器FH解 调 器带 通 滤 波 器FH解 调 器中 频 输 入6-38跳频信号的解调跳频信号的解调v 非相干频率跳变解调器

23、非相干频率跳变解调器频率跳变信号经去跳变处理后经包络检波器变成一系列视频脉冲,再根据最大值原则作出0/1判决。 由于噪声和干扰信号的存在,采用简单的阈值判决很容易产生错误,因此,在频率跳变扩谱系统中要采用较为复杂的解调电路。 图6-39就是一种典型的非相干跳频解调器。 跳频信号的解调跳频信号的解调包 络 检 测 器积 分 与 清 洗抽 样 保 持 触 发 器QQ电 平 比 较 器抽 样 保 持123450/1“切 普 ”数 据至 判 决 电 路“切 普 ”时 钟自 后 相 关 滤 波 器来 的 输 入 信 号12345脉 冲 式 输 入 信 号包 络 检 测 器 输 出积 分 与 清 洗 检

24、测 器 输 出“切 普 ”时 钟抽 样 与 保 持抽 样 时 钟抽 样 与 保 持1/0“切 普 ”数 据跳频信号的解调跳频信号的解调v 为了提高判决的可靠性,还可以采用多择判决 图6-40是 三中取二判决电路, 一个信息比特对应三个“码片”。两 个 或 三 个“1”？输 出 “1”输 出 “0”是否对 “1”计 数输 入 的 1/0“切 普 ”数 据(a)触 发 器DCQQ计 数 器 复 位“切 普 ”数 据“切 普 ”时 钟 2对 2或 3解 码数 据 输 出 比 特(b)“切 普 ”时 钟 6跳频通信系统的抗噪性能跳频通信系统的抗噪性能v 白噪声干扰白噪声干扰假定跳频系统的总频段宽度为W

25、,把W分成N个相等的频道,白噪声的功率谱均匀地分布在这些频道内。 可以看出： 跳频信号经过解跳后,落入中频频带内的噪声功率只是总噪声功率的一部分(1N倍)。跳频通信系统的抗噪性能跳频通信系统的抗噪性能v 单频干扰和窄带干扰单频干扰和窄带干扰在跳频扩频系统中,采用BPSK调制时几个用户相互独立地跳变载波频率。 如果两个用户不是使用相同的频带, 那么BFSK的误码率如下： )2exp(210NEPbe但是,两个用户在同一频带中同时发送信号,则将发生碰撞。在这种情况下, 那么BFSK的误码率如下： MKMKNEPbe121)11)(2exp(210跳频通信系统的抗噪性能跳频通信系统的抗噪性能110)

26、11 (11121)11 (11)2exp(21KbKbbeNMNMNEP以上的分析假定所有的用户同步地跳跃载波频率,这叫做分槽频率跳跃。在异步的情况下,一次碰撞的概率是将式(6-91)中代入上式，则异步跳频扩频系统的误码概率是: 11111KbhMNp跳频通信系统的抗噪性能跳频通信系统的抗噪性能v 多径干扰和多址干扰多径干扰和多址干扰 当跳频速率很快,多径信号的相对时延差大于跳频时间间隔时,跳频系统具有捕获效应,因而对多径干扰有抑制能力。 不过, 靠这种办法抑制多径干扰,必须提高跳频速率,这在实际中不容易实现。另外,跳频频段通常是受限制的, 因而在一个比较长的跳频图案内,常常要重复使用其中的

27、频道,这样,多径信号的时延差即使很大,也会在特定的时间间隔内,与所需信号发生频率碰撞,从而引起误码。 跳频通信系统的抗噪性能跳频通信系统的抗噪性能 第一类是多个发射台以相同的跳频图案向同一个接收机传输 信息而引起的。 第二类是接收机在接收所需信号时,使用不同跳频图案的其他 信号进入接收机而形成的干扰。还有一类多址干扰是来自相邻频道的干扰。v 多址干扰的类型跳频通信系统的技术特点跳频通信系统的技术特点(1) 抗干扰能力强。(2) 具有多址组网能力和高的频带利用率。(3) 具有抗衰落能力。(4) 易于与窄带通信系统兼容。(5) 具有一定的保密能力。部分资料从网络收集整理而来，供大家参考，感谢您的关注！