跳頻通信自適應(yīng)技術(shù)研究

申超群

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

通常意義上跳頻規(guī)避干擾的方式是不斷更改跳頻頻率進(jìn)而規(guī)避干擾，但由于變換的跳頻頻率是提前設(shè)計(jì)好的，難以根據(jù)環(huán)境的改變而做出及時(shí)調(diào)整，因此該方式已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代化的要求。許多專家認(rèn)為，應(yīng)該將通信模式中的自適應(yīng)技術(shù)與跳頻通信相融合進(jìn)行改進(jìn)，即實(shí)現(xiàn)跳頻自適應(yīng)技術(shù)[1]。自適應(yīng)跳頻通信信號(hào)收發(fā)的雙方均可以依據(jù)信道所受干擾的實(shí)際情況選擇是否更換信道，這在一定程度上大大提升了信息通信的安全性。結(jié)合信道質(zhì)量評(píng)估與發(fā)展?fàn)顩r，在確保通信質(zhì)量的前提下盡可能地降低功率，可有效提升通信的安全性。

1 跳頻系統(tǒng)原理

跳頻通信技術(shù)是通過(guò)使用擴(kuò)頻函數(shù)與原始調(diào)制信號(hào)進(jìn)行時(shí)域相乘，將系統(tǒng)所需要的信息頻譜拓寬到寬頻帶上進(jìn)行發(fā)送，進(jìn)而完成頻譜擴(kuò)展。接收端將信號(hào)恢復(fù)成原始信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的還原[2]。跳頻系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 跳頻系統(tǒng)原理

在跳頻系統(tǒng)中，除了偽隨機(jī)碼發(fā)生器和頻率合成器等基本設(shè)備外，還需要跳頻同步等技術(shù)支持。其中，偽隨機(jī)碼發(fā)生器能夠產(chǎn)生頻率控制字，然后能夠控制頻率合成器產(chǎn)生合適的隨機(jī)跳變頻率。頻率合成器產(chǎn)生隨機(jī)跳變頻率之后，將跳變頻率和已調(diào)信號(hào)進(jìn)行混頻，從而實(shí)現(xiàn)頻譜的擴(kuò)展或搬遷[3]。在跳頻同步技術(shù)的支持下，雙方的跳頻圖案能夠保持一致，這也是調(diào)頻信號(hào)的有效傳輸和解擴(kuò)的基礎(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)原始已調(diào)信號(hào)的恢復(fù)。

2 自適應(yīng)跳頻通信及其特點(diǎn)

2.1 自適應(yīng)跳頻通信

在軍事通信發(fā)展和完善的過(guò)程中，采用跳頻技術(shù)和自適應(yīng)技術(shù)相結(jié)合來(lái)保證高跳頻通信的靈活性。跳頻技術(shù)和自適應(yīng)技術(shù)的有效結(jié)合能夠?qū)π诺肋M(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估，通過(guò)評(píng)估選擇出惡劣的信道，并將其剔除出去，有效減少干擾，提高通信的效率和質(zhì)量。

和傳統(tǒng)的跳頻通信技術(shù)相比較，自適應(yīng)跳頻通信技術(shù)在系統(tǒng)的接收端加裝了實(shí)時(shí)信道質(zhì)量分析器。自適應(yīng)跳頻通信系統(tǒng)的接收方首先會(huì)借助偽隨機(jī)序列發(fā)生器產(chǎn)生偽隨機(jī)序列，然后通過(guò)序列來(lái)控制跳頻選擇器選擇出需要的跳頻圖樣[4]。將選出的跳頻圖樣通過(guò)工作信道發(fā)送到接收端，接收端需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行通信質(zhì)量檢測(cè)，該過(guò)程主要通過(guò)LQA完成。如果在監(jiān)測(cè)過(guò)程中監(jiān)測(cè)到載頻收到干擾或運(yùn)行不正常時(shí)，就需要通過(guò)LQA對(duì)載頻進(jìn)行置換。此時(shí)，LQA將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)全新的跳頻圖樣，然后經(jīng)過(guò)反饋信道傳輸給發(fā)送終端。

2.2 自適應(yīng)跳頻通信及其特點(diǎn)

自適應(yīng)跳頻通信技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用有效提升了跳頻通信的性能，自適應(yīng)的作用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）抗衰落能力強(qiáng)。由于在信道內(nèi)傳輸，信號(hào)傳輸過(guò)程難以避免自然電磁干擾產(chǎn)生的影響，會(huì)使信號(hào)出現(xiàn)衰落現(xiàn)象，導(dǎo)致通信質(zhì)量變差。合理應(yīng)用自適應(yīng)跳頻通信技術(shù)能夠選擇出質(zhì)量較好的信道，保證信號(hào)可以在質(zhì)量較好的信道內(nèi)傳輸，確保信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

（2）抗干擾能力強(qiáng)。自適應(yīng)跳頻技術(shù)能夠自適應(yīng)地選擇合適的頻點(diǎn)，有效降低地方電磁對(duì)系統(tǒng)造成的干擾，提高通信的可靠性和安全性[5]。

（3）抗截獲能力強(qiáng)。在自適應(yīng)跳頻系統(tǒng)中，跳頻圖案是不確定的，能夠自適應(yīng)地靈活選擇和變換信道，防止地方干擾信號(hào)的干擾，防止地方信號(hào)的偵察和跟蹤截獲。

2.3 頻率自適應(yīng)策略

在跳頻通信系統(tǒng)中，需要設(shè)定跳頻頻帶和頻點(diǎn)數(shù)目。結(jié)合當(dāng)前選取的信道分析電磁環(huán)境和干擾特性，選擇跳頻可用的頻點(diǎn)集合形成跳頻頻率集。一旦配置完成跳頻的頻點(diǎn)集合，后續(xù)的整個(gè)通信過(guò)程都將不再改變。使用LQA，先進(jìn)行信道的質(zhì)量檢測(cè)，將檢測(cè)到的傳輸質(zhì)量差的頻點(diǎn)刪除或替換掉，確保跳頻通信中使用的頻點(diǎn)的質(zhì)量。合理應(yīng)用跳頻自適應(yīng)技術(shù)，通過(guò)頻率計(jì)分配、信道選擇、信息交換以及頻率集更新等步驟，實(shí)現(xiàn)跳頻集合的自適應(yīng)分配。通常，在系統(tǒng)正式工作完成之前，需要進(jìn)行跳頻頻率集合的自適應(yīng)分配，并確保分配完成后不再改變。

目前，常用的自適應(yīng)跳頻頻率分配方式主要有兩種。

（1）對(duì)完整頻率集進(jìn)行分組。一組是符合當(dāng)前跳頻圖像相對(duì)應(yīng)的頻率集，另一組是備用頻率集。如果檢測(cè)到工作頻率集中出現(xiàn)被干擾的頻點(diǎn)時(shí)，能夠通過(guò)一定的備用頻率集來(lái)替換掉受干擾頻點(diǎn)。合理使用該分配方式，能夠保證跳頻頻點(diǎn)的總數(shù)，確保跳頻頻譜的分布均勻，適用于頻點(diǎn)較多的場(chǎng)合。

（2）不適用分組。將可用的頻點(diǎn)集合確定為工作頻率集，如果檢測(cè)到其中存在受干擾頻點(diǎn)，直接將其剔除。該方式能夠提高頻點(diǎn)的利用率，適用于頻點(diǎn)較少的場(chǎng)合。

3 跳頻通信自適應(yīng)常見(jiàn)技術(shù)分析

目前，較為常用的自適應(yīng)跳頻技術(shù)主要有頻率自適應(yīng)跳頻技術(shù)和功率自適應(yīng)技術(shù)跳頻技術(shù)。

3.1 頻率自適應(yīng)跳頻

通信過(guò)程中，通信發(fā)送方和接收方需要建立同步，然后接收方的終端設(shè)備會(huì)針對(duì)頻點(diǎn)的質(zhì)量進(jìn)行判斷。一旦被判定為被干擾頻點(diǎn)，就會(huì)被傳輸給發(fā)送方，此時(shí)的收發(fā)雙方都能夠通過(guò)頻點(diǎn)來(lái)更新算法，然后更新頻點(diǎn)集[6]。更新后的頻點(diǎn)集既能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)頻點(diǎn)頻率的均勻分布，保證跳頻圖案的偽隨機(jī)性，又能夠保證信號(hào)在無(wú)電磁干擾或干擾較小的頻道內(nèi)進(jìn)行傳輸，其原理如圖2所示。頻率的自適應(yīng)跳頻主要包括5步，分別是建立頻點(diǎn)集、頻點(diǎn)質(zhì)量評(píng)估、頻點(diǎn)信息反饋、頻點(diǎn)集調(diào)整以及建立新的跳頻圖案。

圖2 頻率自適應(yīng)技術(shù)原理

在自適應(yīng)頻率跳頻通信中，存在的被干擾頻點(diǎn)數(shù)量與處理時(shí)間的長(zhǎng)短成正比，被干擾點(diǎn)越多則需要的處理時(shí)間越長(zhǎng)，這對(duì)提高系統(tǒng)的抗阻塞干擾能力具有重要作用。在短波跳頻通信中，將載波頻點(diǎn)信噪比概率分布情況返回至發(fā)送方，發(fā)送方會(huì)根據(jù)通信需要進(jìn)行頻點(diǎn)跳頻策略的調(diào)整。增多受干擾小的頻點(diǎn)，滿足自適應(yīng)跳頻通信需要，提高短波跳頻通信的誤碼性能。但是，由于系統(tǒng)的安全性能低，因此這種方法并不適用于所有的信道[7]?；诖?，可以使用一維混沌圖的自適應(yīng)跳頻算法。單一的混沌跳頻能夠均勻使用所有的頻點(diǎn)，極大地提高系統(tǒng)的安全性，但是在使用中系統(tǒng)的誤碼率卻較高。一維混沌圖的自適應(yīng)跳頻算法將混沌序列作為自適應(yīng)跳頻的偽隨機(jī)序列，能夠有效結(jié)合混沌調(diào)頻和自適應(yīng)跳頻兩種算法，在提高系統(tǒng)安全性的基礎(chǔ)上有效降低了系統(tǒng)的誤碼率。此外，基于干擾統(tǒng)計(jì)的跳頻算法通過(guò)綜合分析各個(gè)信道中干擾出現(xiàn)的概率來(lái)選擇出受干擾較少的信道，可以科學(xué)調(diào)整可用頻點(diǎn)的概率分布，提高其抗干擾能力。

3.2 功率自適應(yīng)跳頻技術(shù)

在跳頻通信系統(tǒng)中，每條信道內(nèi)都有信號(hào)存在，而且每個(gè)信道內(nèi)的信號(hào)都會(huì)發(fā)生衰落，不同信道內(nèi)信號(hào)的衰落程度也各不相同。當(dāng)信道內(nèi)的平均衰落程度不大時(shí)，只需較小的發(fā)射功率就能夠保證系統(tǒng)的誤碼率處于較低的水平。但是，當(dāng)信道內(nèi)的平均衰落程度較大時(shí)，系統(tǒng)的誤碼率會(huì)大大提高，甚至影響到信號(hào)的正常傳輸。因此，給每個(gè)信道分配同樣的發(fā)射功率是不合理的，將會(huì)產(chǎn)生較大的浪費(fèi)。基于此，要針對(duì)性地進(jìn)行選擇，降低發(fā)射功率，提升通信的隱蔽性[8]。功率自適應(yīng)跳頻系統(tǒng)信道質(zhì)量的評(píng)估是依賴評(píng)估單元實(shí)現(xiàn)的，其依據(jù)信噪比來(lái)設(shè)計(jì)合理的信噪比閾值。通過(guò)實(shí)際信噪比和閾值進(jìn)行對(duì)比，科學(xué)控制執(zhí)行，將相關(guān)信息反饋給發(fā)送方，發(fā)送方根據(jù)反饋信息進(jìn)行發(fā)射功率調(diào)整，從而形成一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)，其原理如圖3所示[9,10]。

圖3 功率自適應(yīng)

4 結(jié) 論

綜合運(yùn)用自適應(yīng)技術(shù)和跳頻技術(shù)，能夠有效提升通信系統(tǒng)的抗干擾性。在現(xiàn)代信息技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，人們對(duì)無(wú)人化、智能化的軍事通信技術(shù)提出了更高的要求。因此，對(duì)于自適應(yīng)跳頻通信在軍事通信中的應(yīng)用和探索仍要持續(xù)進(jìn)行。隨著進(jìn)一步優(yōu)化與改進(jìn)，自適應(yīng)跳頻技術(shù)在軍用通信領(lǐng)域?qū)?huì)體現(xiàn)出更好的應(yīng)用價(jià)值。