無線跳頻技術(shù)的工作原理及其應(yīng)用
跳頻是最常用的擴(kuò)頻方式之一,其工作原理是指收發(fā)雙方傳輸信號的載波頻率按照預(yù)定規(guī)律進(jìn)行離散變化的通信方式,也就是說,通信中使用的載波頻率受偽隨機(jī)變化碼的控制而隨機(jī)跳變。從通信技術(shù)的實現(xiàn)方式來說,“跳頻” ..
信道質(zhì)量評估的另一個作用是進(jìn)行自適應(yīng)功率控制。功率控制就是要把有限的發(fā)送功率最好地分配給各個跳頻信道,使得各個信道都能夠以最小發(fā)射機(jī)功率實現(xiàn)正常通信,從而提高跳頻信號的隱蔽性和抗截獲能力。在自適應(yīng)跳頻系統(tǒng)中,系統(tǒng)檢測每個信道的通信狀況,并通過信道質(zhì)量評估單元中的功率控制算法對每個跳頻信道單獨進(jìn)行功率控制。
功率控制算法可以基于兩種原則:一是比特誤碼率最小原則,算法為各個跳頻信道選擇適當(dāng)?shù)墓β,使得接收方收到的?shù)據(jù)比特誤碼率達(dá)到預(yù)定的誤碼門限;二是等信干比原則,此算法調(diào)整各個跳頻信道的平均功率,使得各個跳頻信道上的信干比相同,這里的信干比是指各個跳頻信道上的信號功率/(對應(yīng)信道上的干擾功率 + 傳輸損耗功率)。這兩種算法的性能差不多。 隨著跳頻技術(shù)的不斷發(fā)展,其應(yīng)用也越來越廣泛。 戰(zhàn)術(shù)電臺中采用跳頻技術(shù)的主要目的是提高通信的抗干擾能力。早在70年代,就開始了對跳頻系統(tǒng)的研究,現(xiàn)已開發(fā)了跳頻在VHF波段(30—300MHz)的低端30—88MHz、UHF波段(300MHz以上)以及HF波段(1.5—30MHz)的應(yīng)用。隨著研究的不斷深入,跳頻速率和數(shù)據(jù)數(shù)率也越來越高,現(xiàn)在美國Sanders公司的CHESS高速短波跳頻電臺已經(jīng)實現(xiàn)了5000跳/秒的跳頻速率,最高數(shù)據(jù)數(shù)率可達(dá)到19200bps。此外,CHESS跳頻電臺與一般的跳頻電臺還有所不同,它以DSP為基礎(chǔ),采用了差動跳頻(DFH)技術(shù)。通過現(xiàn)代數(shù)字處理技術(shù),CHESS跳頻電臺較好解決了短波系統(tǒng)帶寬有限(導(dǎo)致數(shù)據(jù)速率低的原因)、信號間相互干擾、存在多徑衰落等的問題。同時,它的瞬時信號帶寬很窄,對其它信號的影響很小?梢钥吹,實現(xiàn)更高跳速、更高數(shù)據(jù)速率的跳頻電臺正是跳頻通信系統(tǒng)的未來發(fā)展方向,軟件無線電的概念也已逐漸應(yīng)用到新型的跳頻電臺中。 短波自適應(yīng)跳頻電臺已經(jīng)在當(dāng)前的軍事通信中占有了很重要的一部分。與VHF/UHF頻段不同,短波信道有許多固有特點,例如,受多徑時延、幅度衰落、天氣變化等因素的影響,信道條件變化莫測。但是隨著各種新技術(shù)的出現(xiàn),短波通信的可靠性得到了技術(shù)上的保證,而自適應(yīng)跳頻技術(shù)就是這些新技術(shù)中的一種。它通過分析波段上的頻率占用率,自動搜索無干擾或未被占用的跳頻信道進(jìn)行跳頻,不僅避免了自然干擾,也不會受到短波頻譜大量占用的影響。它會根據(jù)需要自動地改變跳頻序列,有效的適應(yīng)惡劣環(huán)境。它在海灣戰(zhàn)爭中體現(xiàn)出的優(yōu)越性引起了各國的高度重視。 在現(xiàn)有的DS/CDMA系統(tǒng)中,遠(yuǎn)近效應(yīng)是一個很大的問題。由于大功率信號只在某個頻率上產(chǎn)生遠(yuǎn)近效應(yīng),當(dāng)載波頻率跳變到另一個頻率時則不受影響,因此跳頻系統(tǒng)沒有明顯的遠(yuǎn)近效應(yīng),這使得它在移動通信中易于得到應(yīng)用和發(fā)展。在數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)中,如果鏈路間采用相互正交的跳頻圖案同步跳頻,或者采用低互相關(guān)的跳頻圖案異步跳頻,可以使得鏈路間的干擾完全消除或基本消除,對提高系統(tǒng)的容量具有重要意義。此外,跳頻是瞬時窄帶系統(tǒng),其頻率分配具有很大的靈活性,在現(xiàn)有頻率資源十分擁擠的條件下,這一點具有重要意義。 跳頻的多址性能對于組網(wǎng)有很重要的意義。加拿大Laval大學(xué)提出了在光纖網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用快跳頻技術(shù)。該系統(tǒng)利用Bragg光柵替代傳統(tǒng)跳頻系統(tǒng)中的頻率合成器,跳速達(dá)到10G數(shù)量級。系統(tǒng)在30個用戶,比特誤碼率為10-9的條件下,數(shù)據(jù)速率為500Mb/s。與采用非相干DS/CDMA技術(shù)的光纖網(wǎng)絡(luò)相比,同時有相同數(shù)量的用戶使用時,F(xiàn)FH/CDMA系統(tǒng)的比特誤碼率明顯優(yōu)于DS/CDMA系統(tǒng)。 此外,跳頻技術(shù)在GSM、無線局域網(wǎng)、室內(nèi)無線通信、衛(wèi)星通信、水下通信、雷達(dá)、微波等多個領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。 由于跳頻系統(tǒng)本身也存在著一些缺點和局限,如信號隱蔽性差,抗多頻干擾以及跟蹤式干擾能力有限等,而擴(kuò)頻的另一種方式直接序列擴(kuò)頻卻有較好的隱蔽性和抗多頻干擾的能力。把這兩種擴(kuò)頻技術(shù)結(jié)合起來,就構(gòu)成了直接序列/跳頻擴(kuò)展頻譜技術(shù)。它在直接序列擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加載波頻率跳變的功能,直擴(kuò)系統(tǒng)所用的偽隨機(jī)序列和跳頻系統(tǒng)用的偽隨機(jī)跳頻圖案由同一個偽隨機(jī)碼發(fā)生器生成,所以它們在時間上是相互關(guān)聯(lián)的,使用同一個時鐘進(jìn)行時序控制。意大利Telettra公司的Hydra V電臺是采用了直接序列/跳頻混合擴(kuò)頻技術(shù)的第一代戰(zhàn)術(shù)電臺。由于采用了直接序列擴(kuò)頻DBPSK調(diào)制方式,比單獨采用跳頻技術(shù)多獲得9dB的處理增益,從而提高了電臺的抗干擾性能。 跳頻技術(shù)是一種具有高抗干擾性、高抗截獲能力的擴(kuò)頻技術(shù)。隨著微電子與數(shù)字信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展,原先存在的頻率合成器和跳頻同步等難題已經(jīng)解決,F(xiàn)在它不僅已經(jīng)在軍事通信中大展身手,較好地滿足了現(xiàn)代戰(zhàn)爭提出的電子對抗與反對抗要求,而且在民用通信中也展示出良好的應(yīng)用前景。與自適應(yīng)技術(shù)的結(jié)合進(jìn)一步提高了跳頻系統(tǒng)的性能,其中信道質(zhì)量評估方法是關(guān)鍵,如何針對不同的信道更好的進(jìn)行信道質(zhì)量評估還值得進(jìn)一步研究。可以相信,跳頻技術(shù)仍將繼續(xù)向高跳頻速率、高數(shù)據(jù)傳輸速率發(fā)展。各種新穎的跳頻實現(xiàn)方法也不斷地提出,軟件無線電概念的提出為跳頻技術(shù)的發(fā)展開辟了一個新領(lǐng)域。 |
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