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FHSS


目录·FHSS概述
·FHSS原理
·技术发展史
·FHSS优点
·跳频信道评估
·技术意义



FHSS概述

FHSS跳频技术,英文全称“Frequency-Hopping Spread Spectrum”,缩写为FHSS,是无线通讯最常用的扩频方式之一。跳频技术是通过收发双方设备无线传输信号的载波频率按照预定算法或者规律进行离散变化的通信方式,也就是说,无线通信中使用的载波频率受伪随机变化码的控制而随机跳变。 从通信技术的实现方式来说,“跳频技术”是一种用码序列进行多频频移键控的通信方式,也是一种码控载频跳变的通信系统。从时域上来看,跳频信号是一个多频率的频移键控信号;从频域上来看,跳频信号的频谱是一个在很宽频带上以不等间隔随机跳变的。其中:跳频控制器为核心部件,包括跳频图案产生、同步、自适应控制等功能;频合器在跳频控制器的控制下合成所需频率;数据终端包含对数据进行差错控制。
与定频通信相比,跳频通信比较隐蔽也难以被截获。只要对方不清楚载频跳变的规律,就很难截获我方的通信内容。同时,跳频通信也具有良好的抗干扰能力,即使有部分频点被干扰,仍能在其他未被干扰的频点上进行正常的通信。由于跳频通信系统是瞬时窄带系统,它易于与其他的窄带通信系统兼容,也就是说,跳频电台可以与常规的窄带电台互通,有利于设备的更新。因为这些优点,跳频技术 被广泛适用于对通讯安全或者通讯干扰具有较高要求的无线领域,低端的应用产品包括无声电话、蓝牙设备、数字宝护神、婴儿监视器、无线摄像枪、移动电话等,中高端应用产品例如手军用电台、卫星电话等

FHSS原理

FHSS在同步、且同时的情况下,接受两端以特定型式的窄频载波来传送讯号,对于一个非特定的接受器,FHSS所产生的跳动讯号对它而言,也只算是脉冲噪声。FHSS所展开的讯号可依特别设计来规避噪声或One-to-Many的非重复的频道,并且这些跳频讯号必须遵守FCC的要求,使用75个以上的跳频讯号、且跳频至下一个频率的最大时间间隔(Dwell Time)为400ms。

  跳频扩频就是用扩频的码序列去进行移频键控(FSK)调制,使载波的频率不断地跳变。跳频系统的跳变频率有多个,多达几十各甚至上千个。传送的信息与这些扩频码的组合进行选择控制,在传送中不断跳变。在接收端,由于有与发送端完全相同的本地发生器发生完全相同的扩频码进行解扩,然后通过解调才能正确地恢复原有的信息。

  所谓跳频,比较确切的意思是:用一定码序列进行选择的多频率频移键控。也就是说,用扩频码序列去进行频移键控调制,使载波频率不断地跳变,所以称为跳频。

  简单的频移键控如2FSK,只有两个频率,分别代表传号和空号。而跳频系统则有几个、几十个、甚至上千个频率、由所传信息与扩频码的组合去进行选择控制,不断跳变。

  下图为跳频的原理示意图。发端信息码序列与扩频码序列组合以后按照不同的码字去控制频率合成器。

  总之,跳频系统占用了比信息带宽要宽得多的频带。

技术发展史


  在90 年代初,出现了基于模糊(Fuzzy)规则的跳频图案产生器。在这种系统中,由模糊规则、初始条件以及采样模式共同来决定系统的输出序列。只要窃听者不知道模糊规则、初始条件、采样模式三者的任何一个,就无法预测到系统的输出频率,由此就提高了系统的抗窃听能力和抗干扰能力。模糊跳频给出的跳频码序列与传统的跳频码序列相比更加均匀,也更难预测。
90年代末有人提出了混沌(chaotic)跳频序列。其基本思想是通过混沌系统的符号序列来生成跳频序列。在这个混沌系统中要确定一个非线性的映射关系、初始条件和混沌规则,三者唯一确定一个输出序列。由此确定的混沌跳频序列体现了良好的均匀性,低截获概率,良好的汉明相关特性以及具有理想的线性范围。

FHSS优点


  跳频图案的伪随机性和跳频图案的密钥量使跳频系统具有保密性。即使是模拟话音的跳频通信,只要敌方不知道所使用的跳频图案就具有一定的保密的能力。当跳频图案的密钥足够大时,具有抗截获的能力。

  由于载波频率是跳变的,具有抗单频及部分带宽干扰的能力。当跳变的频率数目足够多时,跳频带宽足够宽时,其抗干扰能力是很强。这也是它能在WLAN系统中得到广泛使用的原因。

  利用载波频率的快速跳变,具有频率分集的作用,从而使系统具有抗多径衰落的能力。条件是跳变的频率间隔具要大于相关带宽。

  利用跳频图案的的正交性可构成跳频码分多址系统,共享频谱资源,并具有承受过载的能力。

  跳频系统为瞬时窄带系统,能与现有的窄带系统兼容通信。即当跳频系统处于某一固定载频时,可与现有的定频窄带系统建立通信。另外,跳频系统对模拟信源和数字信源均适用。

  跳频系统无明显的无近效应。这是因为当大功率信号只在某个频率上产生远近效应,当载波频率跳变至另一个频率时则不再受其影响。这一点,使跳频系统在移动通信中易于得到应用与发展。 跳频系统也有其缺点和局限:

  信号的隐蔽性差。因为跳频系统的接收机除跳频器外与普通超外差式接收机没有什么差别,它要求接收机输入端的信号噪声功率比是正值,而且要求信号功率远大于噪声功率。所以在频谱仪上是能够明显地看到跳频信号的频谱。特别是在慢速跳频时,跳频信号容易被敌方侦察、识别与截获。

  跳频系统抗多频干扰及跟踪式干扰能力有限。当跳频的频率数目中有一半的频率被干扰时,对通信会产生严重影响,甚至中断通信。抗跟踪式干扰要求快速跳频,使干扰机跟踪不上而失效。

  快速跳频器的限制。产生宽的跳频带宽、快的跳频速率、伪随机性好的跳频图案的跳频器在制作上遇到很多困难,且有些指标是相互制约的。因此,使得跳频系统的各项优点也受到了局限。

  一种用RF载波在大量RF信道上跳频实现扩频的技术,它用随机或伪随机代码确定使用通道的序列。

  同DSSS一样,FHSS使用一个PN码。但是它不是将PN码调制到RF载波上,而是用这个PN码确定离散频率的次序。这些离散频率就成了RF载波。本质上,FHSS是一个RF系统,在这个系统中,RF载波不断跳变(这也是它名字的由来),从一个频点跳到另一人频点(在给定的频率范围内)。

跳频信道评估

  通过可靠的信道质量评估算法,发现了干扰频点后,应当在收发双方的频率表中将其删除,并以好的频点对它们进行替换,以维持频率表的固定大小。这种检测和替换是实时进行的。为增加跳频信号的隐蔽性和抗破译能力,跳频图案除具有很好的伪随机性、长周期外,各频率出现次数在长时间内应具有很好的均匀性。在引入自适应频率替换算法对频率表进行实时更新后,为保障系统性能,仍然要求跳频图案具有很好的均匀性,所以应当依次用不同的质量较好的频点来分别替换被干扰的频点。收端频率表的更新会导致收发频率表的不一致性。为了使收发频率表同步更新,必须通过反馈信道将收端的频率更新信息通知发方。这种信息的相互交换是一种闭环控制过程,需要制定相应的信息交换协议来保证频表可靠的同步更新。衡量协议有效性的另一个重要指标便是频点去除的速度。在检测出干扰频点后,干扰频点去除的速度越快,对通信的影响越小。
信道质量评估的另一个作用是进行自适应功率控制。功率控制就是要把有限的发送功率最好地分配给各个跳频信道,使得各个信道都能够以最小发射机功率实现正常通信,从而提高跳频信号的隐蔽性和抗截获能力。在自适应跳频系统中,系统检测每个信道的通信状况,并通过信道质量评估单元中的功率控制算法对每个跳频信道单独进行功率控制。

技术意义

  在现有的DS/CDMA 系统中,远近效应是一个很大的问题。由于大功率信号只在某个频率上产生远近效应,当载波频率跳变到另一个频率时则不受影响,因此跳频系统没有明显的远近效应,这使得它在移动通信中易于得到应用和发展。在数字蜂窝移动通信系统中,如果链路间采用相互正交的跳频图案同步跳频,或者采用低互相关的跳频图案异步跳频,可以使得链路间的干扰完全消除或基本消除,对提高系统的容量具有重要意义。此外,跳频是瞬时窄带系统,其频率分配具有很大的灵活性,在现有频率资源十分拥挤的条件下,这一点具有重要意义。
跳频的多址性能对于组网有很重要的意义。加拿大Laval 大学提出了在光纤网络中应用快跳频技术。该系统利用Bragg 光栅替代传统跳频系统中的频率合成器,跳速达到10G数量级。系统在30个用户,比特误码率为10-9的条件下,数据速率为500Mb/s。与采用非相干DS/CDMA 技术的光纤网络相比,同时有相同数量的用户使用时,FFH/CDMA系统的比特误码率明显优于DS/CDMA 系统。
此外,跳频技术在GSM、无线局域网、室内无线通信、卫星通信、水下通信、雷达、微波等多个领域也得到了广泛的应用。

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科学家作家学者
 
参考资料:
1.短距离无线数据通信入门与实战,李文仲等,北航
2.FHSS跳频技术 www.sz-bhs.com/blog/post/181.html
 
贡献者:
家园管理员无限路由rodericchen
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