跳频

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跳频(Frequency-hopping spread spectrum, FHSS)是扩频(Spread spectrum)技术的一种;经由载波快速在不同频率中切换,并在接收与发射端使用一种虚拟随机(PseudoRandom)的过程。

分类

跳频可分为慢跳频快跳频

慢跳频是指跳频速率低于信息比特率,即每跳可传输连续几个信息比特。

快跳频是指跳频速率高于信息比特率,即一个信息比特需要多跳来传输。跳频还可分为单通道跳频和双通道跳频。

原理

发送端在时钟控制下,伪码发生器产生伪随机序列去控制频率合成至生成跳频载波系列,称做跳频图案。跳频通信系统的原理框图见上图。图中接收端的预调制滤波器是一种中心频率随信号跳频式样而同步跳变的窄带滤波器(通频带允许所需信号通过),目的在于增加接收机的时间选择性,减少强干扰对接收机可能引起的阻塞现象。

接收的跳频载波序列若与本地产生的跳频序列图案一致,则经混频后可得到一个固定的中频信号,再经解调获得输出。若外来跳频图案与本地图案不一致,则得不到一个固定的中频信号,解调后只是一些噪声而得不到有用的输出。因此时间同步是跳频通信的关键技术。

调制方式可根据跳频信号的特征进行选择。在跳频系统中不宜采用对相位要求严格的调制方式。因为在跳频通信系统中,接收机的本地载波要做到与外来信号的载波在相位上保持相干是很困难的。因此,宜用非相干检测方式。频率合成器是跳频通信系统的重要组成部分。频率合成器的性能将制约跳频速率。对频率合成器的要求是跳频速率快、杂散电平低和功耗小。频率合成器进行频率跳变时,一般有2个阶段:一个是过渡期(暂态时间),一个是滞留期(稳态时间)。要求过渡期尽量的要短,以实现高速转换。

军方的使用

如果频道序列的变换对于潜在对手是未知的,跳频信号可以非常有效抵御蓄意的干扰(interference)。军用无线电使用加密技术,在共享于发送端与接收断之间的传输密钥(Transmission Security Key,TRANSEC)的控制下变更频道序列。但对于它自身,跳频通讯仅提供对窃听的有限防护,所以军用跳频通讯经常使用独立的加密设备,诸如KY-57. U.S。军用无线电使用的跳频方式包括HAVE QUICK和SINCGARS。

技术考量

跳频所需要的总带宽比使用单一载频传输同样信息所需的带宽要大得多。但是,因为在给定得时间内,传输仅使用一小部分带宽,所以实际有效占用的带宽是一样的。香农理论(Shannon Theorem)显示,当传输带宽变大时,载波于背景噪声的信噪比将会有所降低。我们甚至可以构建一个拥有负信噪比(-dBs)的系统,在这个系统中,不管位于任何频率,期望信号的电平都比噪声低。
跳频系统所面临的挑战之一是发送方与接收方的同步。一个可行的方法是确保发送方要在固定的时间段内用到所有的信道,这样一来,接收方可以随机地选择一个信道并从中读取有效信息。

一个影星的发明

跳频的观念是在1942年二战期间由女明星Hedy Lamarr与作曲家George Antheil共同发明。他们的美国专利名为‘秘密通讯系统’。

变种

适应性跳频与扩频(Adaptive Frequency-hopping spread spectrum (AFH)) 应用在蓝牙系统中。

功能

(1) 改善衰落。  
(2) 处于多径环境中的漫速移动的移动台通过采用跳频技术,大大改善移动台的通信质量,相当于频率分集。


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