[科普中國]-跳頻

跳頻技術(shù) (Frequency-Hopping Spread Spectrum；FHSS)在同步、且同時的情況下，接收兩端以特定型式的窄頻載波來傳送訊號，對于一個非特定的接受器，F(xiàn)HSS所產(chǎn)生的跳動訊號對它而言，只算是脈沖噪聲。FHSS所展開的訊號可依特別設計來規(guī)避噪聲或One-to-Many的非重復的頻道，并且這些跳頻訊號必須遵守FCC的要求，使用75個以上的跳頻訊號、且跳頻至下一個頻率的最大時間間隔 (Dwell Time)為400ms。

移動通信信道環(huán)境惡劣，各種干擾會不約而至。為了抵御出現(xiàn)的某些頻率的干擾，采用跳頻技術(shù)是有效的方法之一。1

定義所謂跳頻技術(shù)，是指用偽隨機碼序列進行頻移鍵控，使載波頻率不斷跳變而擴展頻譜的一種方法。

運用跳頻技術(shù)是國內(nèi)國際上比較成熟的一種技術(shù)。主要用于軍用通信中，它可以有效的避開干擾，發(fā)揮通信效能。

跳頻技術(shù)與直序擴頻技術(shù)完全不同，是另外一種意義上的擴頻。跳頻的載頻受一個偽隨機碼的控制，在其工作帶寬范圍內(nèi)，其頻率合成器按偽隨機碼（PN碼）的隨機規(guī)律不斷改變頻率。在接收端，接收機的頻率合成器受偽隨機碼的控制，并保持與發(fā)射端的變化規(guī)律一致。

跳頻是載波頻率在一定范圍內(nèi)不斷跳變意義上的擴頻，而不是對被傳送信息進行擴譜，不會得到直序擴頻的處理增益。跳頻相當于瞬時的窄帶通信系統(tǒng)，基本等同于常規(guī)通信系統(tǒng)，由于無抗多徑能力，同時發(fā)射效率低，同樣發(fā)射功率的跳頻系統(tǒng)在有效傳輸距離內(nèi)小于直擴系統(tǒng)。跳頻的優(yōu)點是抗干擾，定頻干擾只會干擾部分頻點。用于語音信息的傳輸，當定頻干擾只占一小部分時不會對語音通信造成很大的影響。

跳頻速率的高低直接反映跳頻系統(tǒng)的性能，跳頻速率越高抗干擾的性能越好，軍用的跳頻系統(tǒng)可以達到每秒上萬跳。實際上移動通信GSM系統(tǒng)也是跳頻系統(tǒng)，其規(guī)定的跳頻速率為每秒217跳。出于成本的考慮，商用跳頻系統(tǒng)跳速都較慢，一般在50跳/秒以下。由于慢跳速跳頻系統(tǒng)實現(xiàn)簡單，因此低速無線局域網(wǎng)產(chǎn)品常常采用這種技術(shù)。

一種利用載波跳變實現(xiàn)頻譜展寬的擴頻技術(shù)。廣泛應用于抗干擾的通信系統(tǒng)中。其方法是把一個寬頻段分成若干個頻率間隔（稱為頻道，或頻隙），由一個偽隨機序列控制發(fā)射機在某一特定的駐留時間所發(fā)送信號的載波頻率。

當接收機的本地振蕩信號頻率與接收機輸入信號的頻率按同一規(guī)律同步跳變，那么，經(jīng)過變頻以后，將得到一個固定的中頻信號即把原來的頻率跳變解除，這一過程稱解跳或去跳。2

分類從技術(shù)實現(xiàn)的角度而言，GSM中的跳頻的實現(xiàn)分為基帶跳頻、射頻跳頻兩種。華為基站BTS同時支持兩種方式，在基站系統(tǒng)設計中充分考慮到跳頻在頻率分集和干擾分集的作用，可以同時支持基帶跳頻和射頻跳頻這兩種實現(xiàn)方式，并在網(wǎng)上獲得了規(guī)模應用。從實際應用的情況來看，華為自主開發(fā)的跳頻技術(shù)能夠提高GSM系統(tǒng)的抗干擾、抗衰落性能，大大提高通話質(zhì)量，增強緊密復用的組網(wǎng)能力，增加系統(tǒng)容量，具有很強的技術(shù)特色。

射頻跳頻實現(xiàn)的技術(shù)難點主要表現(xiàn)如何實現(xiàn)寬頻帶內(nèi)的快速變頻和在快速變頻的同時如何保證信號的高質(zhì)量?？焖僮冾l與信號的高質(zhì)量是相互矛盾的。在GSM系統(tǒng)中各個時隙之間的間隙只有二十幾微秒，要實現(xiàn)射頻跳頻，系統(tǒng)必須在時隙之間二十幾微秒的保護時間內(nèi)快速地從一個頻點切換到另一個頻點。按照以前的技術(shù)，在實現(xiàn)快速跳頻的同時必然會帶來調(diào)制精度下降、接收靈敏度惡化、雜散增加以及阻塞性能下降等一系列負作用。華為的基站是怎樣解決這個問題的呢？下面我們從對射頻鎖相環(huán)的分析入手加以說明。

鎖相環(huán)的鎖定時間主要由環(huán)路帶寬決定，帶寬越寬鎖定時間越短。本振信號的質(zhì)量主要由參考時鐘（鑒相頻率）、壓控振蕩器、環(huán)路帶寬等因素決定，在環(huán)路帶寬以內(nèi)本振的相位噪聲取決于參考時鐘，在環(huán)路帶寬以外主要取決于壓控振蕩器。要將最佳環(huán)路帶寬變寬只有兩條途徑，一是降低壓控振蕩器的性能，這顯然不可取；二是提高參考性能。由于GSM系統(tǒng)采用的是200kHz帶寬，鑒相頻率不可能太高，尤其對于DCS1800系統(tǒng)N不可能太小，因此在GSM系統(tǒng)中很難提高環(huán)路帶寬，即降低頻率鎖定時間。為了克服以上兩個難點，華為公司通過采用一套特有的動態(tài)環(huán)路帶寬及乒乓切換技術(shù)，可以很好地解決快速變頻與信號質(zhì)量之間的矛盾。

動態(tài)環(huán)路帶寬技術(shù)：工作中環(huán)路帶寬不是固定的，而是隨著系統(tǒng)的需要而變，但系統(tǒng)處于不工作狀態(tài)時，環(huán)路帶寬保證變回最佳帶寬，使輸出信號最佳，保證系統(tǒng)的最佳性能。

乒乓切換技術(shù)：在電路上設計了兩個完全相同的振蕩器，通過開關(guān)對兩個本振進行選擇，當一個本振工作時，另外一個本振快速鎖定到下一個需要的頻點上，在兩個時隙的中間通過開關(guān)切換到另一個本振電路。這樣，避免了在時隙的開頭和最后出現(xiàn)瞬時的系統(tǒng)性能惡化。

通過采用特有的動態(tài)環(huán)路帶寬及乒乓切換技術(shù)后，實現(xiàn)了900MHz的25MHz帶寬、1800MHz的75MHz帶寬內(nèi)的任意跳頻，所有跳頻指標均超過GSM協(xié)議要求。

基帶跳頻的技術(shù)難點在于如何實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的高速交換，滿足217跳/秒的跳頻速度及271kbits/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。

考慮以無線接口時隙為基礎進行數(shù)據(jù)的交換，交換方法可以是空分、時分、數(shù)據(jù)包交換。華為基站在設計中采用了先進的總線技術(shù)，以時隙交換為基礎實現(xiàn)基帶跳頻，其具體的實現(xiàn)方法為：

每個發(fā)射機(TRX)調(diào)諧在固定頻率，有一個固定的ID號。收發(fā)信機的編碼器將下行信號編碼，形成突發(fā)格式數(shù)據(jù)，編碼器根據(jù)跳頻算法計算本突發(fā)應調(diào)制的頻道（即TRX號），加上有關(guān)功率控制等附加信息形成特定的數(shù)據(jù)包格式，收發(fā)信機的編碼器在固定的時間(子時隙)內(nèi)發(fā)出數(shù)據(jù)包。調(diào)制器對每個子時隙的數(shù)據(jù)包的TRX號進行檢查，如和本TRX的ID號不同，則收下一子時隙；如相同，則將本子時隙的數(shù)據(jù)包接收下來，延時一時隙再發(fā)射到空間接口，實現(xiàn)了基帶跳頻?；鶐l對TRX的ID識別實時性要求非常高，在這一點上華為是采用ASIC技術(shù)來解決的，可實現(xiàn)高速、可靠的TRX－ID識別功能。

原理跳頻通信是一種擴頻通信。跳頻是指載波頻率在很寬頻帶范圍內(nèi)按某種圖案(序列)進行跳變。信息數(shù)據(jù)經(jīng)適當編碼后成為帶寬為Bd的基帶信號，再對帶寬為Bd的基帶信號進行載波調(diào)制。載波頻率受偽隨機碼發(fā)生器控制，在帶寬為BSS(BSS遠大于Bd)的頻帶內(nèi)隨機跳變，實現(xiàn)基帶信號帶寬Bd擴展到發(fā)射信號使用的帶寬BSS的頻譜擴展。產(chǎn)生跳變載波的可變頻率合成器受偽隨機序列(跳頻序列)控制，使載波頻率隨跳頻序列的序列值改變而改變。跳頻序列的碼元寬度為Tc，每間隔時間Tc，可變頻率合成器的輸出載波頻率跳變一次。跳頻信號經(jīng)射頻濾波器至天線發(fā)射后，被接收機接收。

接收機首先從發(fā)送來的跳頻信號中提取跳頻同步信號，使本機偽隨機序列控制的頻率跳變與接收到的跳頻信號同步，得到被同步的本地載波，使載波解調(diào)即擴頻解調(diào)獲得攜帶有信息的中頻信號，從而得到發(fā)射機送來的信息。

在跳頻系統(tǒng)中，用狹窄的工作頻帶按某種順序跳變，并均勻地使用全部寬頻帶的各個窄帶。跳頻系統(tǒng)最常用的是RS編碼，它是多元BCH循環(huán)編碼的一種，有最大的漢明距離，可選用的編碼數(shù)目多。

跳頻系統(tǒng)與IS-95中采用的直擴系統(tǒng)一樣，最重要的參數(shù)是擴頻增益G，對跳頻系統(tǒng)來說又稱跳頻增益。跳頻系統(tǒng)的可變頻率合成器能提供N個不同頻率，即跳頻數(shù)為N。跳頻系統(tǒng)的頻帶寬度BSS為N個最小跳頻間隔Δf=Bd。跳頻系統(tǒng)的擴頻增益為

也就是說，跳頻系統(tǒng)的擴頻增益等于系統(tǒng)的最大頻率跳變數(shù)。擴頻增益G的大小直接反映了跳頻抗衰落、抗干擾能力的大小。

對跳頻系統(tǒng)的可變頻率合成器有兩點要求：一是受跳頻序列控制；二是能足夠快地跳變頻率，使系統(tǒng)能很快地從一個頻率跳變到另一個頻率?？焯^慢跳具有更好的抗干擾和隱蔽性能。

跳頻所用的頻率合成器有直接式(只用混頻、分頻、倍頻合成)和間接式(用鎖相環(huán)〉兩種。前者的跳頻速率高于后者，后者僅適用于慢速、中速跳頻。

發(fā)送端在時鐘控制下，偽碼發(fā)生器產(chǎn)生偽隨機序列去控制頻率合成至生成跳頻載波系列，稱做跳頻圖案。跳頻通信系統(tǒng)的原理框圖見上圖。圖中接收端的預調(diào)制濾波器是一種中心頻率隨信號跳頻式樣而同步跳變的窄帶濾波器（通頻帶允許所需信號通過），目的在于增加接收機的時間選擇性，減少強干擾對接收機可能引起的阻塞現(xiàn)象。

接收的跳頻載波序列若與本地產(chǎn)生的跳頻序列圖案一致，則經(jīng)混頻后可得到一個固定的中頻信號，再經(jīng)解調(diào)獲得輸出。若外來跳頻圖案與本地圖案不一致，則得不到一個固定的中頻信號，解調(diào)后只是一些噪聲而得不到有用的輸出。因此時間同步是跳頻通信的關(guān)鍵技術(shù)。

調(diào)制方式可根據(jù)跳頻信號的特征進行選擇。在跳頻系統(tǒng)中不宜采用對相位要求嚴格的調(diào)制方式。因為在跳頻通信系統(tǒng)中，接收機的本地載波要做到與外來信號的載波在相位上保持相干是很困難的。因此，宜用非相干檢測方式。頻率合成器是跳頻通信系統(tǒng)的重要組成部分。頻率合成器的性能將制約跳頻速率。對頻率合成器的要求是跳頻速率快、雜散電平低和功耗小。頻率合成器進行頻率跳變時，一般有2個階段：一個是過渡期（暫態(tài)時間），一個是滯留期（穩(wěn)態(tài)時間）。要求過渡期盡量的要短，以實現(xiàn)高速轉(zhuǎn)換。3

特性跳頻系統(tǒng)僅在常規(guī)通信系統(tǒng)中增加載頻跳變能力，使整個工作頻帶大大加寬，提高了通信系統(tǒng)抗干擾、抗衰落能力。跳頻系統(tǒng)的抗干擾性是“躲避”式的，這與直擴系統(tǒng)不同，直擴系統(tǒng)是靠頻譜的擴展和解擴處理來提高抗干擾能力的。跳頻序列的碼元速率小于或等于信息速率。在GSM系統(tǒng)中，每秒跳頻217次(等于每秒傳輸?shù)膸瑪?shù)，幀周期為120/26ms)。

帶寬跳頻系統(tǒng)的總頻帶寬度，可以由互不銜接的幾個頻段組成，是跳頻系統(tǒng)抗干擾性的重要指標。

頻率跳頻頻道數(shù)（跳頻點數(shù)）既與跳頻帶寬度有關(guān)，又與跳頻頻道寬度有關(guān)，頻道寬度取決于采用的調(diào)制方式。一般說，跳頻點數(shù)越多越好。

處理增益是跳頻系統(tǒng)的跳頻帶寬與頻道帶寬之比。若跳頻帶寬為W，將W分成N個相等的頻道，則跳頻系統(tǒng)的處理增益為GP=N，它是綜合跳頻系統(tǒng)抗干擾能力的一個指標。

5.4抗衰落和抗干擾在TDMA數(shù)字蜂窩系統(tǒng)中采用跳頻技術(shù)，可以在瑞利衰落信道中，不使一個碼字的所有突發(fā)脈沖序列都被瑞利衰落所損害。這樣，在接收端就可以利用糾錯編碼恢復出原始數(shù)據(jù)。

跳頻對處于靜止或慢速移動的移動臺能獲得好的抗衰落效果，增益估計6.5dB。跳頻在移動臺高速移動時得益很小。因為移動臺在高速移動時，對于同一信道的兩個接連的突發(fā)脈沖序列(在GSM系統(tǒng)中，時間上至少相隔120ms/26=4.61ms)其位置差已足以使它們與瑞利衰落不相關(guān)。

跳頻提供了傳輸路徑上干擾的參差，改善了最壞情況下的干擾因素，均衡了通信質(zhì)量。4

原因通常所接觸到的無線通信系統(tǒng)都是載波頻率固定的通信系統(tǒng)，如無線對講機，汽車移動電話等，都是在指定的頻率上進行通信，所以也稱作定頻通信。這種定頻通信系統(tǒng)，一旦受到干擾就將使通信質(zhì)量下降，嚴重時甚至使通信中斷。例如：電臺的廣播節(jié)目，一般是一個發(fā)射頻率發(fā)送一套節(jié)目，不同的節(jié)目占用不同的發(fā)射頻率。有時為了讓聽眾能很好地收聽一套節(jié)目，電臺同時用幾個發(fā)射頻率發(fā)送同一套節(jié)目。這樣，如果在某個頻率上受到了嚴重干擾，聽眾還可以選擇最清晰的頻道來收聽節(jié)目，從而起到了抗干擾的效果。但是這樣做的代價是需要很多額譜資源才能傳送一套節(jié)目。如果在不斷變換的幾個載波頻率上傳送一套廣播節(jié)目，而聽眾的收音機也跟隨著不斷地在這幾個頻率上調(diào)諧接收，這樣，即使某個頻率上受到了干擾，也能很好地收聽到這套節(jié)目。這就變成了一個跳頻系統(tǒng)。

另外在敵我雙方的通信對抗中，敵方企圖發(fā)現(xiàn)我方的通信頻率，以便于截獲所傳送的信息內(nèi)容，或者發(fā)現(xiàn)我方通信機所在的方位，以便于引導炮火摧毀。定頻通信系統(tǒng)容易暴露目標且易于被截獲，這時，采用跳頻通信就比較隱蔽也難以被截獲。因為跳頻通信是“打一槍換一個地方”的游擊通信策略、使敵方不易發(fā)現(xiàn)通信使用的頻率，一旦被敵方發(fā)現(xiàn)，通信的頻率也已經(jīng)“轉(zhuǎn)移”到另外一個頻率上了。當敵方摸不清“轉(zhuǎn)移規(guī)律”時，就很難截獲我方的通信內(nèi)容。

因此，跳頻通信具有抗干擾、抗截獲的能力，并能作到頻譜資源共享。所以在當前現(xiàn)代化的電子戰(zhàn)中跳頻通信已顯示出巨大的優(yōu)越性。另外，跳頻通信也應用到民用通信中以抗衰落、抗多徑、抗網(wǎng)間干擾和提高頻譜利用率。

如何產(chǎn)生在傳統(tǒng)的定頻通信系統(tǒng)中，發(fā)射機中的主振蕩器的振蕩頻率是固定設置的，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能遵照控制指令而改變。這種產(chǎn)生跳頻信號的裝置叫跳頻器。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。如果將跳頻器看作是主振蕩器，則與傳統(tǒng)的發(fā)信機沒有區(qū)別。被傳送的信息可以是模擬的或數(shù)字的信號形式(圖中標示的為信碼入)，經(jīng)過調(diào)制器的相應調(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行混頻，其輸出的已調(diào)波信號的載波頻率達到射頻通帶的要求，經(jīng)過高通濾波器后饋至天線發(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。

如何接收定頻信號的接收設備中，一般都采用超外差式的接收方法，即接收機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，而使中頻信號進入解調(diào)器。解調(diào)器的輸出就是所要傳送給收端的信息。跳頻信號的接收，其過程與定頻相似。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。

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)的同步包括以下幾項內(nèi)容：

1.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，還應做到幀同步和位同步。5

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

李嘉騫 - 博士 - 同濟大學