无线通信抗干扰新法———实时跳速自适应跳频技术

第24卷　第16期2008年8月

甘肃科技

Gansu Science and Technol ogy

V ol.24　N o.16

A ug.　2008

无线通信抗干扰新法———实时跳速自适应跳频技术

於时才1,闫文芝1,高大鹏1,纪冬军2,张树祥1

(1兰州理工大学计算机与通信学院,甘肃兰州730050;2大连理工大学通信与信息系统,辽宁大连116024)

摘　要:跳频通信技术是扩频通信的一个重要组成部分,也是通信抗干扰的重要手段之一。自适应跳频技术是近年来发展的一项新技术,此项通信技术在抗干扰应用领域是个新的发展方向,其主要包括数据速率自适应跳频、频率自适应跳频、功率自适应跳频、跳速自适应跳频等。本文研究实时跳速自适应跳频技术。

关键词:跳速;自适应;抗干扰

中图分类号:TP391

1　引言

1.1　常规跳频通信技术的基本原理及其发展现状

常规跳频通信主要指通信双方或多方在相同同步算法和伪随机跳频图案算法的控制下,射频在约定的频率表内以离散频率增量为随机且同步地跳变,射频在跳变过程中所能覆盖的射频带宽远远大于原信息带宽,因而对频谱进行了扩展。

到目前为止,跳频抗干扰技术及其装备的发展方向可以归结为三代产品。第一代以较低跳速的模拟跳频电台为代表,第二代以较高跳速、数字语音、数据通信为特征;目前正在发展第三代,以多频段、多模式、多功能自适应数字跳频技术以及有关的技术体制为特征。

1.2　常规跳频通信的优缺点

利用伪随机序列指令码对系统的载波频率进行控制的跳频系统也具有其独特之处和局限性:其优点是:

①当跳频图案的密钥足够大时,具有抗截获的能力;

②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;

③当跳变的频率间隔大于相关带宽时,系统具有抗多径衰落的能力;

④跳频系统为瞬时窄带系统,能与现有的窄带系统兼容通信;

⑤跳频系统无明显的无近效应。

局限性:

①信号的隐蔽性差。特别是在慢速跳频时,信号容易被敌方侦察、识别与截获;

②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;

③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;

2　实时跳速自适应跳频技术的含义及其抗干扰原理

2.1　跳速

跳频速率(简称跳速)是指每秒钟射频频率跳变的次数。每跳的持续时间称为跳周期,主要包含两个部分:换频时间和频率驻留时间。换频时间是指信道机频率切换暂态过程所需要的时间,主要有频率合成器的切换时间和功放的上升时间及下降时间等因素引起。为了保证有效的跳频通信,一般要求换频时间小于跳周期的10%～20%,在换频时间内频率合成器输出频率处于不可控状态,不能传递信息。频率驻留时间是指有效频率的持续时间,在此时间内完成信息的传递,跳频速率与跳周期互为倒数,如:跳频速率为400跳/秒,则跳周期为2.5毫秒。

跳速的高低直接反映跳频系统的性能,跳速越高抗干扰性能越好,军用的跳频系统可以达到每秒上万跳。实际上移动通信GS M系统也是跳频系统,其规定的跳速为每秒217跳。出于成本的考虑,商用跳频系统跳速都较慢,一般在50跳/秒以下。2.2　跳速自适应跳频

自从跳频通信概念出现以来,为了提高跳频通信的抗阻塞干扰能力,人们在采取一些增效措施的同时,主要追求跳频处理增益(任何一个处理单元或系统的输出与输入信噪比之间的比值称),即增加可

用频率数。然而,由于跳频通信抗干扰的门限效应,使得仅靠提高跳频处理增益不能从根本上解决抗干扰问题。需要采取更为有效的措施,以追求跳频通信的实际系统增益,而实现这一目标的重要途径就是自适应跳频技术。

跳速自适应跳频是指根据跟踪干扰的情况,自适应改变跳频系统的跳速,以抵抗敌方的跟踪干扰。实际上,与自适应跳频有关的内容很多,比如还包括跳频频率表自动扫描建立、数据速率自适应跳频、频率自适应跳频、功率自适应跳频等,各自有不同的功能。我们在这里将重点讨论实时跳速自适应跳频技术。

2.3　抗干扰原理

跳频通信的“天敌”就是跟踪式干扰。跟踪式干扰的干扰步骤是:侦听、处理、施放干扰。在通信过程中,当敌方截获到并完成分析我方的跳频图案后,迅速地以同样的跳频图案施放干扰,由于两个跳频图案的矢量迭加必然会导致我方接收的一片盲然,致使我方无法达成正常的跳频通信,就意味着我方的信息系统不能有效地运行,即有可能导致通信失败。如果我方能在侦察到有敌方施放干扰的情况下,迅速改变跳频速率,即变换新的跳频图案,这样敌方很难锁定我方的信号,使其干扰失败。因此可以判定,通过跳速自适应跳频技术就能提高防窃听、抗干扰的能力。

3　跳频速率选取技术的关键

我们所讲的实时跳速自适应跳频技术的关键所在就是关于跳速问题:跳速选取的限制因素、跳速选择的高低问题、跳速的扩展方法等都是我们待于研究的问题。

3.1　选择的限制因素

在选择跳频速率进行之前,我们首先应明确电台最终的工作频段。因为在不同频段内工作的电台,对跳速的选取是不同的。对于短波跳频电台,跳频速率的提高受到多方面的限制:除了邻道干扰、跳频同步实现等技术难题和成本诸多因素外,一个重要的限制因素就是由于短波频率范围窄,天线的阻抗变化大,不易采用较宽频率范围内的宽带调谐技术,限制了其跳频速率的提高。目前,实用的短波电台的跳速多在100跳/秒。

对于超短波电台,跳频速率的选择也是一个有争议的问题。一方面,从理论而言,跳频速率越高,抗跟踪式干扰的能力也就越强,对该电台定位的困难性也就越大。但是,跳频速率过高存在许多技术问题:

①接收频率改变时,接收机中频滤波器会产生瞬时扰动,使电磁兼容性能严重下降,且这种扰动需较长时间才能衰减;

②需要一定的时间来控制发射机功率输出和功率截止所产生的过渡过程,从而减少了信息传输的时间;

③随着跳频速率的增加,会引起发射机带宽增加;

④给频率合成器的频率切换带来困难,使频率合成器的设计困难,屏蔽复杂,成本上升;

⑤快速跳频传输信号,形成高速突发脉冲,这样信息分布在甚高频段,犹如一宽带干扰机会造成对邻道的干扰,因此必须采用较宽的信道间隔以防对邻道的干扰;

⑥每次快速跳频只能传输少量信息,同步序列不得不分布在许多跳上,难以同步。复杂的同步系统也使再入网同步变得更加复杂。

3.2　适当提高跳速

根据跳速选择的限制因素选取好跳速,根据抗干扰的实际情况在适当的范围内提高跳频速率,以增强系统的抗干扰能力。

随着高速数字信号处理技术在通信对抗领域的广泛应用,在超短波频段普遍采用的跳频抗干扰手段受到了严重威胁。目前已有能干扰500跳/秒跳速的跟踪干扰机投入使用,提高跳频速率是对抗跟踪干扰的有效手段,但由于跳频换频及功率上升下降在时间上总有一定的开销,提高跳速,减小跳周期就相应减小了驻留时间。为保证对业务的支持,空间传输的信息速率就必须提高,导致占用更多的频谱资源。所以,一味地提高跳速,会导致频谱资源紧张,降低通信的效率。另外,当跳频通信在达到一定跳频速率后,如1000跳/秒跟踪干扰的效率将会极大降低。

3.3　跳速扩展方案

然而,提高跳速并不能有效地对抗梳状干扰。在固定跳频速率的通信中,由于跳沿有周期规律,干扰侦收技术很容易按跳沿为主要依据分辨出预干扰链路所处网系,并分选形成梳状干扰。频率集变速跳频技术,也称时变跳频,不但实现了伪随机变化的频率跳变规律,而且将跳沿的规律隐藏起来,实现了驻留时间的伪随机变化,从而使干扰侦收设备只能扫描到无时间规律的跳频信号,而无法有效地判断

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出干扰目标工作的网系。该技术的实现方法有如下考虑:

①某种固定跳速为基准,通过改变基带信号的空中速率,形成多种跳速。该方法的优点是:跳频信号的时序产生非常简单,与固定跳速时一样只需更改基准时钟即可;缺点是:换频时间与驻留时间的比例是常数,跳速较低时,换频时间过长,跳速较高时,又可能不够,另外,变化的基带信号速率会导致位同步及时域均衡难以实现。

②保持固定的换频开销。只改变驻留时间,相应的跳频周期就产生了变化,将一定数量的跳频周期形成与频率集类似的跳速表。根据伪随机序列,形成以帧为单位的跳速变化规律,即帧的周期可以是常数,但每帧内跳速变化的规律是伪随机的,而且不重复。比较上述两种方法,第二方案合理可行,设计可变跳速跳频通信信号的结构应从如下方面着手,设换频开销为B bits,平均驻留时间为C bits,周期即为B+C bits,以此为基准跳,向上向下扩展出2N种跳信号,上下对称的任意两种跳周期的和等于2倍基准跳周期随后的帧结构,跳频基带信号速率等参数可按跳周期为B+C的常规跳频体制来计算。

4　实时跳速自适应跳频技术的实现4.1　处理过程

当通信的双发完成了跳频同步后,伴随着跳频通信,系统进入实时跳速自适应处理过程。在此过程中,不间断的对受干扰频率进行检测和估计,然后再可通频率上重复进行通知和应答,这样做的目的是确认频率是否受到干扰,只要跳频频率没有全部被压制干扰,这一过程就可以实现,如果干扰得到确认后,通信双发同时改变调频速率。

4.2　实现方案

与传统的跳频通信系统相比,跳速自适应跳频系统在接收端多了一个连接质量分析器(LQA,L ink2 ing Quality Analyzer),在发送端,伪随机序列发生器产生的伪随机序列控制跳频图样选择器选择跳频图样,通过工作信道发送。在接收端接收数据的同时,使用LQA对工作信道各个跳频信道的通信质量进行监测,如果发现某个或某些载频受到干扰而影响了正常的通信的时候,它将改变跳频速率,产生一个新的跳频图样并通过反馈信道通知发送端的跳频图样选择器

。

图1　自适应跳频系统原理结构图

5　结束语

自适应跳频技术是一种具有高抗干扰性、高抗截获能力的扩频技术。随着微电子与数字信号处理技术的飞速发展,原先存在的频率合成器和跳频同步等难题已经解决。现在它不仅已经在军事通信中大展身手,较好地满足了现代战争提出的电子对抗与反对抗要求,而且在民用通信中也展示出良好的应用前景。与自适应技术的结合进一步提高了跳频系统的性能,其中信道质量评估方法是关键,如何针对不同的信道更好的进行信道质量评估还值得进一步研究。可以相信,跳频技术仍将继续向高跳频速率、高数据传输速率发展。各种新颖的跳频实现方法也不断地提出,软件无线电概念的提出为跳频技术的发展开辟了一个新领域。

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