跳频通信系统

∆F ⋅ K ∆F 率总数与参考频率的数目(K)及混频的次数(A)有关,即为KA ∆f = =
个频率。
KA
K A−1
直接式频率合成器
直接式频率合成器用混频、分频倍频构成,既能产生很多频 这是一种“和频”/“分频”方案。 “和频”/“分频”式频率合成器是由 率又能快速跳变频率。 一些完全相同的“和频”/“分频”基本单元串接而成的。 一个可以产生4096个频率的频率合成器例子如图6-24所示。
c
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。

跳频速率和跳频数的确定
(J／N)与Pe的关系曲线如图6-29所示。
10－0
10－1
10－2
10－3
3中中2 5中中3 7中中4
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
跳频系统简单原理如下图所示。 跳频系统简单原理如下图所示。 接受端
1 2 混中触 4 5 到解解触
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：每一信息比特(可能是“0”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”。
2 + [∑ s j (t ) + n(t ) + J (t )]cos[( r mωT )t + ϕr ]] ω
j =2 k
跳频系统的处理增益
若基带滤波器的带宽为B,使ωT＞B,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器,这样基带滤波器的输出最大干扰 信号功率为
输输
门门自
f1 f2 f3 f4 晶晶自自触 30 f1 f2 f3 f4
35 40 37.5 MHz 45
直接式频率合成器
“和频”/“分频”基本单元如图6-25所示。
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 从上图可以看出,“和频”/“分频”式频率合成器能够提供的 一级的1／N,所以输出跳频频率间隔∆f则为参考频率间隔 A 频∆F与参考频率数K的乘积除以频率总数K ,即为
跳频通信系统的性能
跳频速率和跳频数的确定 频率跳变系统： 慢频率跳变系统和快频率跳变系统两种。
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
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。
S1 /( P j / 4 N ) S1 /( P j / 4)
=N
其中N是跳变频总数。
6.3.2 跳频器及其频率合成器
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。
跳频系统对伪码发生器没有直扩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。
跳频速率和跳频数的确定
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。
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。
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多,故没有多大影响。
跳频速率和跳频数的确定
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。
Td 跳 中 触发发 Ti Tr T r＝T i＋T T 跳 中 接收发
干干发
跳频速率和跳频数的确定
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)。 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
设s1(t)为发送的跳频信号，有
s1 (t ) = m(t ) cos[(ω0 + nωT )t + ϕn ]
其中, n=0,1,2,…,N-1；
(6-79)
cos[(ω 0 + nωT )t + ϕ n ] 为输出的FH信号(令振幅A=1)；
ωT 为FH合成器跳变间隔,每跳持续时间为T,一般取 ωT = 2π / T ;
200 MHz
÷4
双双 电平 混中触
ห้องสมุดไป่ตู้
带带 自自触 C3 C4
÷4
C1 C2
门门自 f1 f2 f3 f4 f1 f2 f3 f4 f1 f2 f3 f4
C1
到门门自 输解输输
C12 5.0 MHz方自 电平混中触
…
…
自相输 组组
C9 C10
自相输 组组 C11 C1 2
双双 电平 混中触
带带 自自触
跳频用频率合成器分为直接式和间接式两种。
直接式频率合成器
直接式频率合成器用混频、分频倍频构成,既能产生很多频 这是一种“和频”/“分频”方案。 “和频”/“分频”式频率合成器是由 率又能快速跳变频率。 一些完全相同的“和频”/“分频”基本单元串接而成的。 一个可以产生4096个频率的频率合成器例子如图6-24所示。
RFH 1 3 × 105 = = = 2 ×10 4 Tτ − Td 45 − 30
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。
跳频速率和跳频数的确定
跳频频道数的确定
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。
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。
跳频速率和跳频数的确定
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：
c x c− x Pe = ∑ p q r x=r
跳频通信的基本原理 跳频通信的基本原理
为了尽可能减少邻近干扰,频率间隔应选择为1／T,这样频率 fi的谱状零值正好处于fi +1／T的峰值处,即为fi +(1／T),构成 了频率的正交关系,如图6-22(c)所示。
因此,若取跳频频率数为N, 则跳频信号带宽为 BRF=N(1／T)。
跳频通信的数学模型 跳频通信的数学模型
Pjo = Pj 4
(6-84)
在一个码周期中输出的平均功率为
Pj 4N

Pjo =
(6-85)
跳频系统的处理增益
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：
G pFH =
10－4 9中中5 10－5 1.0
0.5
0.1
0.05 0.01 0.005
跳频速率和跳频数的确定
两种判决的比较
判决准 误码率为 10-3，J/N的 则 值 3中取2 5中取3 0.019 0.047
N
每个频率的 瞬时带宽
射频带宽
5260 2130
6kHz 10kHz
31.5kHz 21.3kHz
带带 m(t) s1(t) sP(t) s12 (t) 解解
ω
I
ω s p (t ) = [s1 (t ) + ∑ s j (t ) + n(t ) + J (t )]cos[( r mωT )t + ϕr ]
cos[(ω r＋nω T)t＋ϕr]
收发
1 = m ( t ) cos( ω I t )ϕ i s12 ( t ) 1 = m(t ){cos( I t + ϕ j ) + cos[(ω0 + ωr + 2nωT )t + ϕnϕ2]} ω n
图中画出的3个码元时间(0．1s)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。
跳频速率和跳频数的确定
数数 1 0 中频
图6-28（a）是一个采用2PSK调 制的快跳频系统,分集数N=4,即每 比特含有4个码片,码片持续时间即
图中描绘了一个码元间隔(1／30 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。
跳频速率和跳频数的确定
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。
m(t)是待传数字信息流；
ϕ n 为初相。
跳频通信的数学模型 跳频通信的数学模型
跳频系统模型图
噪噪n(t) sk(t) … m(t) s2(t) s1(t) cos[(ω 0＋nω T)t＋ϕn] k 触发
j =2
s i ( t ) = s1 ( t ) +
干干J(t)
∑
k
j=2
s j (t ) + n (t ) + J (t )
输输
门门自
f1 f2 f3 f4 晶晶自自触 30 f1 f2 f3 f4
35 40 37.5 MHz 45
间接式频率合成器
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。
参考振荡器
f(s)
VCO
nf 1 + ∆Φ
÷n
nf1 + ∆Φ 频率控制 n
间接式频率合成器
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。 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。
时码
为跳频持续时间。
数数 100 101
解码抽 续时码
(a)
011 110 000 101 011 110
中频
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。
时码 解码抽 续时码
(b)
跳频速率和跳频数的确定
FH必须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。
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。
200 MHz
÷4
双双 电平 混中触
带带 自自触 C3 C4
÷4
C1 C2
门门自 f1 f2 f3 f4 f1 f2 f3 f4 f1 f2 f3 f4
C1
到门门自 输解输输
C12 5.0 MHz方自 电平混中触
…
…
自相输 组组
C9 C10
自相输 组组 C11 C1 2
双双 电平 混中触
带带 自自触
跳频(FH) (FH)通信系统 6.3 跳频(FH)通信系统
主讲：朱丹丹
Contents
1.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
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。
伪噪噪 触码触 d(u, t)
中 频 频频触
中中带带 自自触
发送端
来信 中 频 频频触
3
伪噪噪 触码触
1.跳中跳跳 2.中频频自 f1 f2 f3 f4 f1＋1F f2＋1F f3＋1F f4＋1F
3.参参解 4.参参输中频频自
5.送到解解触输自干中中
跳频通信的基本原理 跳频通信的基本原理
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。