跳频

信息科学术语

所谓跳频技术 (Frequency-Hopping Spread Spectrum；FHSS)，是指用伪随机码序列进行频移键控，使载波频率不断跳变而扩展频谱的一种方法。

特点

跳频技术在同步、且同时的情况下，接收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，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。

运用

跳频技术是国内国际上比较成熟的一种技术。主要用于军用通信中，它可以有效的避开干扰，发挥通信效能。

跳频技术与直序扩频技术完全不同，是另外一种意义上的扩频。跳频的载频受一个伪随机码的控制，在其工作带宽范围内，其频率合成器按伪随机码（PN码）的随机规律不断改变频率。在接收端，接收机的频率合成器受伪随机码的控制，并保持与发射端的变化规律一致。

跳频是载波频率在一定范围内不断跳变意义上的扩频，而不是对被传送信息进行扩谱，不会得到直序扩频的处理增益。跳频相当于瞬时的窄带通信系统，基本等同于常规通信系统，由于无抗多径能力，同时发射效率低，同样发射功率的跳频系统在有效传输距离内小于直扩系统。跳频的优点是抗干扰，定频干扰只会干扰部分频点。用于语音信息的传输，当定频干扰只占一小部分时不会对语音通信造成很大的影响。

跳频速率的高低直接反映跳频系统的性能，跳频速率越高抗干扰的性能越好，军用的跳频系统可以达到每秒上万跳。实际上移动通信GSM系统也是跳频系统，其规定的跳频速率为每秒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。由于慢跳速跳频系统实现简单，因此低速无线局域网产品常常采用这种技术。

一种利用载波跳变实现频谱展宽的扩频技术。广泛应用于抗干扰的通信系统中。其方法是把一个宽频段分成若干个频率间隔（称为频道，或频隙），由一个伪随机序列控制发射机在某一特定的驻留时间所发送信号的载波频率。

当接收机的本地振荡信号频率与接收机输入信号的频率按同一规律同步跳变，那么，经过变频以后，将得到一个固定的中频信号即把原来的频率跳变解除，这一过程称解跳或去跳。

分类

从技术实现的角度而言，GSM中的跳频的实现分为基带跳频、射频跳频两种。华为基站BTS同时支持两种方式，在基站系统设计中充分考虑到跳频在频率分集和干扰分集的作用，可以同时支持基带跳频和射频跳频这两种实现方式，并在网上获得了规模应用。从实际应用的情况来看，华为自主开发的跳频技术能够提高GSM系统的抗干扰、抗衰落性能，大大提高通话质量，增强紧密复用的组网能力，增加系统容量，具有很强的技术特色。

射频跳频实现的技术难点主要表现如何实现宽频带内的快速变频和在快速变频的同时如何保证信号的高质量。快速变频与信号的高质量是相互矛盾的。在GSM系统中各个时隙之间的间隙只有二十几微秒，要实现射频跳频，系统必须在时隙之间二十几微秒的保护时间内快速地从一个频点切换到另一个频点。按照以前的技术，在实现快速跳频的同时必然会带来调制精度下降、接收灵敏度恶化、杂散增加以及阻塞性能下降等一系列负作用。华为的基站是怎样解决这个问题的呢？下面我们从对射频锁相环的分析入手加以说明。

锁相环的锁定时间主要由环路带宽决定，带宽越宽锁定时间越短。本振信号的质量主要由参考时钟（鉴相频率）、压控振荡器、环路带宽等因素决定，在环路带宽以内本振的相位噪声取决于参考时钟，在环路带宽以外主要取决于压控振荡器。要将最佳环路带宽变宽只有两条途径，一是降低压控振荡器的性能，这显然不可取；二是提高参考性能。由于GSM系统采用的是200kHz带宽，鉴相频率不可能太高，尤其对于DCS1800系统N不可能太小，因此在GSM系统中很难提高环路带宽，即降低频率锁定时间。为了克服以上两个难点，华为公司通过采用一套特有的动态环路带宽及乒乓切换技术，可以很好地解决快速变频与信号质量之间的矛盾。

动态环路带宽技术：工作中环路带宽不是固定的，而是随着系统的需要而变，但系统处于不工作状态时，环路带宽保证变回最佳带宽，使输出信号最佳，保证系统的最佳性能。

乒乓切换技术：在电路上设计了两个完全相同的振荡器，通过开关对两个本振进行选择，当一个本振工作时，另外一个本振快速锁定到下一个需要的频点上，在两个时隙的中间通过开关切换到另一个本振电路。这样，避免了在时隙的开头和最后出现瞬时的系统性能恶化。

通过采用特有的动态环路带宽及乒乓切换技术后，实现了900MHz的25MHz带宽、1800MHz的75MHz带宽内的任意跳频，所有跳频指标均超过GSM协议要求。

基带跳频的技术难点在于如何实现信息数据的高速交换，满足217跳/秒的跳频速度及271kbits/s的数据传输速率。

考虑以无线接口时隙为基础进行数据的交换，交换方法可以是空分、时分、数据包交换。华为基站在设计中采用了先进的总线技术，以时隙交换为基础实现基带跳频，其具体的实现方法为：

每个发射机(TRX)调谐在固定频率，有一个固定的ID号。收发信机的编码器将下行信号编码，形成突发格式数据，编码器根据跳频算法计算本突发应调制的频道（即TRX号），加上有关功率控制等附加信息形成特定的数据包格式，收发信机的编码器在固定的时间(子时隙)内发出数据包。调制器对每个子时隙的数据包的TRX号进行检查，如和本TRX的ID号不同，则收下一子时隙；如相同，则将本子时隙的数据包接收下来，延时一时隙再发射到空间接口，实现了基带跳频。基带跳频对TRX的ID识别实时性要求非常高，在这一点上华为是采用ASIC技术来解决的，可实现高速、可靠的TRX－ID识别功能。

原理

跳频通信是一种扩频通信。跳频是指载波频率在很宽频带范围内按某种图案(序列)进行跳变。信息数据经适当编码后成为带宽为Bd的基带信号，再对带宽为Bd的基带信号进行载波调制。载波频率受伪随机码发生器控制，在带宽为BSS(BSS远大于Bd)的频带内随机跳变，实现基带信号带宽Bd扩展到发射信号使用的带宽BSS的频谱扩展。产生跳变载波的可变频率合成器受伪随机序列(跳频序列)控制，使载波频率随跳频序列的序列值改变而改变。跳频序列的码元宽度为Tc，每间隔时间Tc，可变频率合成器的输出载波频率跳变一次。跳频信号经射频滤波器至天线发射后，被接收机接收。

接收机首先从发送来的跳频信号中提取跳频同步信号，使本机伪随机序列控制的频率跳变与接收到的跳频信号同步，得到被同步的本地载波，使载波解调即扩频解调获得携带有信息的中频信号，从而得到发射机送来的信息。

在跳频系统中，用狭窄的工作频带按某种顺序跳变，并均匀地使用全部宽频带的各个窄带。跳频系统最常用的是RS编码，它是多元BCH循环编码的一种，有最大的汉明距离，可选用的编码数目多。

跳频系统与IS-95中采用的直扩系统一样，最重要的参数是扩频增益G，对跳频系统来说又称跳频增益。跳频系统的可变频率合成器能提供N个不同频率，即跳频数为N。跳频系统的频带宽度BSS为N个最小跳频间隔Δf=Bd。跳频系统的扩频增益为

也就是说，跳频系统的扩频增益等于系统的最大频率跳变数。扩频增益G的大小直接反映了跳频抗衰落、抗干扰能力的大小。

对跳频系统的可变频率合成器有两点要求：一是受跳频序列控制；二是能足够快地跳变频率，使系统能很快地从一个频率跳变到另一个频率。快跳较慢跳具有更好的抗干扰和隐蔽性能。

跳频所用的频率合成器有直接式(只用混频、分频、倍频合成)和间接式(用锁相环)两种。前者的跳频速率高于后者，后者仅适用于慢速、中速跳频。

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。

特性

跳频系统仅在常规通信系统中增加载频跳变能力，使整个工作频带大大加宽，提高了通信系统抗干扰、抗衰落能力。跳频系统的抗干扰性是“躲避”式的，这与直扩系统不同，直扩系统是靠频谱的扩展和解扩处理来提高抗干扰能力的。跳频序列的码元速率小于或等于信息速率。在GSM系统中，每秒跳频217次(等于每秒传输的帧数，帧周期为120/26ms)。

带宽

跳频系统的总频带宽度，可以由互不衔接的几个频段组成，是跳频系统抗干扰性的重要指标。

频率

跳频频道数（跳频点数）既与跳频带宽度有关，又与跳频频道宽度有关，频道宽度取决于采用的调制方式。一般说，跳频点数越多越好。

处理增益

是跳频系统的跳频带宽与频道带宽之比。若跳频带宽为W，将W分成N个相等的频道，则跳频系统的处理增益为GP=N，它是综合跳频系统抗干扰能力的一个指标。

5.4抗衰落和抗干扰在TDMA数字蜂窝系统中采用跳频技术，可以在瑞利衰落信道中，不使一个码字的所有突发脉冲序列都被瑞利衰落所损害。这样，在接收端就可以利用纠错编码恢复出原始数据。

跳频对处于静止或慢速移动的移动台能获得好的抗衰落效果，增益估计6.5dB。跳频在移动台高速移动时得益很小。因为移动台在高速移动时，对于同一信道的两个接连的突发脉冲序列(在GSM系统中，时间上至少相隔120ms/26=4.61ms)其位置差已足以使它们与瑞利衰落不相关。

跳频提供了传输路径上干扰的参差，改善了最坏情况下的干扰因素，均衡了通信质量。

原因

通常所接触到的无线通信系统都是载波频率固定的通信系统，如无线对讲机，汽车移动电话等，都是在指定的频率上进行通信，所以也称作定频通信。这种定频通信系统，一旦受到干扰就将使通信质量下降，严重时甚至使通信中断。例如：电台的广播节目，一般是一个发射频率发送一套节目，不同的节目占用不同的发射频率。有时为了让听众能很好地收听一套节目，电台同时用几个发射频率发送同一套节目。这样，如果在某个频率上受到了严重干扰，听众还可以选择最清晰的频道来收听节目，从而起到了抗干扰的效果。但是这样做的代价是需要很多额谱资源才能传送一套节目。如果在不断变换的几个载波频率上传送一套广播节目，而听众的收音机也跟随着不断地在这几个频率上调谐接收，这样，即使某个频率上受到了干扰，也能很好地收听到这套节目。这就变成了一个跳频系统。

另外在敌我双方的通信对抗中，敌方企图发现我方的通信频率，以便于截获所传送的信息内容，或者发现我方通信机所在的方位，以便于引导炮火摧毁。定频通信系统容易暴露目标且易于被截获，这时，采用跳频通信就比较隐蔽也难以被截获。因为跳频通信是“打一枪换一个地方”的游击通信策略、使敌方不易发现通信使用的频率，一旦被敌方发现，通信的频率也已经“转移”到另外一个频率上了。当敌方摸不清“转移规律”时，就很难截获我方的通信内容。

因此，跳频通信具有抗干扰、抗截获的能力，并能作到频谱资源共享。所以在当前现代化的电子战中跳频通信已显示出巨大的优越性。另外，跳频通信也应用到民用通信中以抗衰落、抗多径、抗网间干扰和提高频谱利用率。

如何产生

在传统的定频通信系统中，发射机中的主振荡器的振荡频率是固定设置的，因而它的载波频率是固定的。为了得到载波频率是跳变的跳频信号，要求主振荡器的频率应能遵照控制指令而改变。这种产生跳频信号的装置叫跳频器。通常，跳频器是由频率合成器和跳频指令发生器构成的。如果将跳频器看作是主振荡器，则与传统的发信机没有区别。被传送的信息可以是模拟的或数字的信号形式，经过调制器的相应调制，便获得副载波频率固定的已调波信号，再与频率合成器输出的主载波频率信号进行混频，其输出的已调波信号的载波频率达到射频通带的要求，经过高通滤波器后馈至天线发射出去。这就是定频信号的发送过程。

跳频系统的频率合成器输出什么频率的载波信号是受跳频指令控制的。在时钟的作用下，跳频指令发生器不断地发出控制指令，频率合成器不断地改变其输出载波的频率。因此，混频器输出的已调波的载波频率也将随着指令不断地跳变，从而经高通滤波器和天线发送出去的就是跳频信号。

如何接收

定频信号的接收设备中，一般都采用超外差式的接收方法，即接收机本地振荡器的频率比所接收的外来信号的载波频率相差一个中频，经过混频后产生一个固定的中频信号和混频产生的组合波频率成分。经过中频带通滤波器的滤波作用，滤除组合波频率成分，而使中频信号进入解调器。解调器的输出就是所要传送给收端的信息。跳频信号的接收，其过程与定频相似。为了保证混频后获得中频信号，要求频率合成器的输出频率要比外来信号高出一个中频。因为外来的信号载波频率是跳变的，则要求本地频率合成器输出的频率也随着外来信号的跳变规律而跳变，这样才能通过混频获得一个固定的中频信号。

跳频器是跳频系统的关键部件，而跳频同步则是跳频系统的核心技术。跳频系统的同步包括以下几项内容：

1.收端和发端产生的跳频图案相同，即有相同的跳频规律。

2.收、发端的跳变频率应保证在接收端产生固定的中频信号，即跳变的载波频率与收端产生的本地跳变频率相差一个中频。

3.频率跳变的起止时刻在时间上同步，即同步跳变，或相位一致。

4.在传送数字信息时，还应做到帧同步和位同步。

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