第五章 跳频扩频通信技术
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跳频通信和扩频通信跳频通信是扩频通信的一个分支,它的突出优点是抗干扰性强,因而很适用于军事领域。
当70年代末第一部跳频电台问世以后,就预示着其发展势头锐不可挡。
到了80年代,世界各国军队普遍装备跳频电台。
这十年是跳频电台发展速度最快的十年。
广泛使用跳频电台曾被誉为80年代VHF频段无线电通信发展的主要特征。
90年代,跳频通信如虎添翼,在军用跳频通信领域已相当成熟的同时,跳频通信的应用又拓宽到民用领域。
业内人士指出,跳频通信是对抗无线电干扰的有效手段,称其为无线电通信的“杀手锏”。
跳频通信是如此的神奇,以致于自其问世至今的短短30年间,倍受世界各国,特别是几大军事强国的青睐。
2 跳频通信的基本概念2.1 定义我们在用收音机收听某电台,当电台在中波和短波两个波段上播放同一个节目时,有这样的体会:若中波波段信号不好,则随即换到短波波段收听;当短波波段信号不好,则又换回到中波波段收听。
这种以更换波段的手段来改善收听效果的方法,就是跳频的通俗含义。
只不过这种跳频仅在接收端发生,而且是由人工干预来实施跳频的。
我们假设,当广播电台发送的频段也能“紧跟”收音机用户更换的话,那么,这种通信方式就是跳频通信。
因此,跳频通信可这样描述:通信收发双方同步地改变频率的通信方式称为跳频通信。
2.2 同步条件(通信条件)与定频通信相比,跳频通信的载波频率一直在跳变。
工作中,发方以相当快的速率(跳速)改变频率,收方必须与发方同步地改变频率,双方才能保持通信。
也就是说,跳频通信时,收发双方必须采用同一种跳频图案。
跳频电台之间要成功地进行跳频通信,收发双方必须同时满足三个条件:跳频频率相同;跳频序列相同;跳频的时钟相同(允许存在一定的误差)。
三个条件缺一不可,否则无法实现跳频通信。
3 跳频通信的主要特点3.1 抗干扰性强跳频通信抗干扰的机理是“打一枪换一个地方”的游击策略,敌方搞不清跳频规律,因而具有较强的抗干扰能力。
一方面,我方的跳频指令是个伪随机码,其周期可长达十年甚至更长的时间。
3.1.3自适应跳频adaptive frequency hopping在WIA-PA超帧簇通信阶段的每个时隙,根据实际的信道状况更换通信信道。
3.1.20跳频frequency hopping收发信道切换方法,目的为抗干扰和减少信号衰落。
3.1.40时隙跳频timeslot hopping为了避免干扰和衰减,按照一定规律,在每个时隙改变收发频率。
AFH Adaptive Frequency Hopping 自适应跳频AFS Adaptive Frequency Switch 自适应频率切换FH Frequency Hopping 跳频TH Timeslot Hopping 时隙跳频WIA-PA 数据链路层支持基于时隙的跳频机制、重传机制、时分多路访问(TDMA)和载波侦听多路访问CSMA)混合信道访问机制,保证传输的可靠性和实时性。
---------------------------------------8.4.3 时隙通信8.4.5 信道跳频WIA-PA 支持跳频通信方式,跳频序列由网络管理者指定。
WIA-PA 支持以下3 种跳频机制:——自适应频率切换(AFS):在WIA-PA 超帧中,信标Beacon、CAP 和CFP 段在同一个超帧周期使用相同的信道,在不同的超帧周期根据信道状况切换信道。
信道质量差时,即丢包率高于“PLRThreshold”时设备改变通信信道。
参数“PLRThreshold”的容详见6.9.1.2.1;——自适应跳频(AFH):在WIA-PA 超帧的每个时隙,根据信道状况更换通信信道。
信道状况通过重传次数进行评价。
信道质量差时,如果发送端统计的重传次数达到了“ChannelThreshold”,则从可用信道“IntraChanel[ ]”中按顺序选择下一信道,同时在下一重传时隙利用主信道通知所在簇的接收端(通知过程详见图43)。
如果接收端没有接收到信道切换通知,继续统计接收端的重传次数,达到“ChannelThreshold”时从可用信道“IntraChanel[ ] ”中按顺序选择下一信道在第(ChannelThreshold+2)个重传时隙进行通信。
跳频扩频的原理和应用1. 跳频扩频的原理跳频扩频(Frequency Hopping Spread Spectrum)是一种通过在通信中不断改变载波频率来实现抗干扰和安全性的技术。
它主要通过以下原理来实现:1.频率跳变:跳频扩频系统在通信过程中会周期性地改变使用的载波频率。
频率跳变可以将信号在不同频率上进行传输,以减少信号在特定频率上的干扰。
2.扩频技术:跳频扩频系统还会使用扩频技术,将原始信号进行扩频。
扩频技术会在发送端对原始信号进行调制,将其扩展到较宽的频带上。
接收端会利用和发送端相同的扩频码对信号进行解码,还原出原始信号。
3.码片序列:扩频技术中使用的扩频码片序列是跳频扩频系统中的核心要素。
这些码片序列在发送端与接收端之间必须保持同步。
扩频码片序列的特点是具有良好的相关性,使得接收端可以通过将收到的信号与预期的码片序列进行比较,从而检测出有效的信号。
跳频扩频技术的原理在一定程度上提高了系统的抗干扰能力和安全性,常用于无线通信、军事通信、无线局域网等领域。
2. 跳频扩频的应用跳频扩频技术在现代通信领域得到广泛应用,以下是几个常见的应用场景:2.1 无线局域网(WLAN)跳频扩频技术在无线局域网中使用,可以提供更可靠、稳定的数据传输。
由于跳频扩频技术能够在不同的频率上进行传输,可以避免单一频率上的干扰,从而提高无线网络的抗干扰能力和传输质量。
2.2 蓝牙技术蓝牙技术中的传输方式就是基于跳频扩频技术的。
蓝牙设备会在跳频序列中选择一段频率范围,然后进行频率跳变进行数据传输。
这种方式不仅提高了蓝牙设备之间的通信质量,也增强了蓝牙设备的抗干扰能力。
2.3 军事通信由于跳频扩频技术能够有效抵御敌人的频率干扰和窃听,因此在军事通信中得到广泛应用。
军方可以利用跳频扩频技术提供安全可靠的通信,保障敏感信息的传输。
2.4 移动通信跳频扩频技术在移动通信中也有广泛的应用,尤其是在CDMA(Code Division Multiple Access)系统中。
扩频通信的理论基础1.1扩频通信的基本概念通信理论和通信技术的研究,是围绕着通信系统的有效性和可靠性这两个基本问题展开的,所以有效性和可靠性是设计和评价一个通信系统的主要性能指标。
通信系统的有效性,是指通信系统传输信息效率的高低。
这个问题是讨论怎样以最合理、最经济的方法传输最大数量的信息。
在模拟通信系统中,多路复用技术可提高系统的有效性。
显然,信道复用程度越高,系统传输信息的有效性就越好。
在数字通信系统中,由于传输的是数字信号,因此传输的有效性是用传输速率来衡量的。
通信系统的可靠性,是指通信系统可靠地传输信息。
由于信息在传输过程中受到干扰,收到的信息与发出的信息并不完全相同。
可靠性就是用来衡量收到信息与发出信息的符合程度。
因此,可靠性决定于系统抵抗干扰的性能,也就是说,通信系统的可靠性决定于通信系统的抗干扰性能。
在模拟通信系统中,传输的可靠性是用整个系统的输出信噪比来衡量的。
在数字通信系统中,传输的可靠性是用信息传输的差错率来描述的。
扩展频谱通信由于具有很强的抗干扰能力,首先在军用通信系统中得到了应用。
近年来,扩展频谱通信技术的理论和应用发展非常迅速,在民用通信系统中也得到了广泛的应用。
扩频通信是扩展频谱通信的简称。
我们知道,频谱是电信号的频域描述。
承载各种信息(如语音、图象、数据等)的信号一般都是以时域来表示的,即信息信号可表示为一个时间的函数)(t f 。
信号的时域表示式)(t f 可以用傅立叶变换得到其频域表示式)(f F 。
频域和时域的关系由式(1-1)确定:⎰∞∞--=t e t f f F ft j d )()(π2⎰∞∞-=f e f F t f ft j d )()(π2 (1-1) 函数)(t f 的傅立叶变换存在的充分条件是)(t f 满足狄里赫莱(Dirichlet)条件,或在区间(-∞,+∞)内绝对可积,即t t f d )(⎰∞∞-必须为有限值。
扩展频谱通信系统是指待传输信息信号的频谱用某个特定的扩频函数(与待传输的信息信号)(t f 无关)扩展后成为宽频带信号,然后送入信道中传输;在接收端再利用相应的技术或手段将其扩展了的频谱压缩,恢复为原来待传输信息信号的带宽,从而到达传输信息目的的通信系统。
跳频扩频原理跳频扩频技术(FHSS/DS)是一种广泛应用于近几十年来的人工无线通信中的数字信号传输技术。
它通过将信号转化为更宽带的带宽,并采用无线电频率跳跃技术来分散信号,从而达到抵御干扰和窃听攻击的目的。
跳频扩频技术被广泛应用于军事、民用、移动通信、工业自动化等领域,成为许多数字通信系统中最常见的技术之一。
跳频扩频技术有两种基本形式:扩频和跳频,其中扩频是将数据信息转换成一个更宽的频带,通过码序列进行编码分配的方式进行传输,达到了抗干扰和保密的目的。
而跳频技术则是将数据信息按照规定的频率顺序按照一定的规律进行跳变传输,从而使得频率难以被干扰和窃听攻击所感知。
由此可见,跳频扩频技术不仅具有高质量的信号传输能力,而且还具有防干扰和保密性的重要特点。
跳频扩频技术在数字通信系统中的原理,并不复杂,实现起来也相对简单。
跳频扩频技术的基本原理是,通过将数据信号在较短的时间内传输到较大的频带上,将其扩展成一个更宽的频带,在信号发送过程中将其随机和跳跃的变化频率进行传输,以达到正常通信数据传输的目的。
跳频扩频技术的系统中,数据经过多级编码和解码,最终被解码为原始数据信息。
在随机跳频频段的过程中,信号的转换和跳跃也对抗了干扰和窃听攻击。
1.在发送端,数据信号按照一定的规律通过加扰和功率控制经过扩频同步器,将原来窄带的信号转化为宽带信号。
2.在跳频序列生成器中,随机生成一个跳频序列,然后将其与数据信号进行按位异或运算,得到加密的数据信号。
3.通过根据规律时钟定时跳频,将加密后的信号发送出去。
4.当接收方收到加密的信号时,通过解密器进行解密,将加密的数据信号转化为原始数据信号。
跳频扩频技术是一种数字通信系统中重要的信号传输技术,具有高质量、高速率、防干扰和保密性等特点。
通过随机跳跃频率和扩频码的组合,可以实现防窃听、反干扰和无线电频率资源共享的目的。
在军用、民用和通信领域中,跳频扩频技术已成为基本的数字信号传输技术,发挥着越来越重要的作用,将随着科技的发展和技术的进步不断完善和逐步广泛应用。
3.1.3自适应跳频adaptive frequency hopping在WIA-PA超帧簇内通信阶段的每个时隙,根据实际的信道状况更换通信信道。
3.1.20跳频frequency hopping收发信道切换方法,目的为抗干扰和减少信号衰落。
3.1.40时隙跳频timeslot hopping为了避免干扰和衰减,按照一定规律,在每个时隙改变收发频率。
AFH Adaptive Frequency Hopping 自适应跳频AFS Adaptive Frequency Switch 自适应频率切换FH Frequency Hopping 跳频TH Timeslot Hopping 时隙跳频WIA-PA 数据链路层支持基于时隙的跳频机制、重传机制、时分多路访问(TDMA)和载波侦听多路访问CSMA)混合信道访问机制,保证传输的可靠性和实时性。
---------------------------------------8.4.3 时隙通信8.4.5 信道跳频WIA-PA 支持跳频通信方式,跳频序列由网络管理者指定。
WIA-PA 支持以下3 种跳频机制:——自适应频率切换(AFS):在WIA-PA 超帧中,信标Beacon、CAP 和CFP 段在同一个超帧周期内使用相同的信道,在不同的超帧周期内根据信道状况切换信道。
信道质量差时,即丢包率高于“PLRThreshold”时设备改变通信信道。
参数“PLRThreshold”的内容详见6.9.1.2.1;——自适应跳频(AFH):在WIA-PA 超帧的每个时隙,根据信道状况更换通信信道。
信道状况通过重传次数进行评价。
信道质量差时,如果发送端统计的重传次数达到了“ChannelThreshold”,则从可用信道“IntraChanel[ ]”中按顺序选择下一信道,同时在下一重传时隙利用主信道通知所在簇的接收端(通知过程详见图43)。
如果接收端没有接收到信道切换通知,继续统计接收端的重传次数,达到“ChannelThreshold”时从可用信道“IntraChanel[ ] ”中按顺序选择下一信道在第(ChannelThreshold+2)个重传时隙进行通信。
跳频扩频通信技术资料整理跳频扩频(FHSS)和直接序列扩频(DSSS)是无线通信中的两种主要扩频技术。
这些技术被广泛应用于军事通信、卫星通信、蓝牙、Wi-Fi和无线局域网等领域。
该技术可提供更高的数据传输速率和更强的抗干扰性能。
接下来,本文将对跳频扩频技术进行资料整理。
跳频扩频(FHSS)是一种位于物理层的扩频技术,其原理是将信号频率在信号传输的过程中快速变化。
跳频通信利用一组由发送者和接收者共同协商的序列来决定在哪个频率上进行通信。
这些序列会在发送数据的过程中跳跃到不同的频率上,从而使信号分散,并且更难以被干扰或窃听。
不同的跳频序列可以使用不同的跳频速率,使得信号速率可以根据需求进行调整。
这一技术提供了更大的带宽,并使用户能够在具有多通道干扰的环境中进行通信。
跳频扩频通信系统具有良好的抗干扰性能,不易被干扰或窃听。
直接序列扩频(DSSS)是通过对数据流进行编码和调制来实现的扩频技术。
在DSSS中,发送数据的二进制编码在传输前被直接扩展为长码。
长码的位数比原二进制编码数高得多,因此可以用来扩展数据,使其在频域上占用更多带宽。
在接收端,需要使用相同的长码来解码接收信号。
DSSS技术可以在信号传输过程中伪装数据,从而提高传输数据的安全性。
DSSS可以减少其他通信设备对传输信号的干扰,并提供全双工通信功能。
这一技术在高速数据传输和较短距离的无线连接等应用中广泛应用。
为了实现跳频扩频技术,需要使用一些特定的硬件和软件组件,包括跳频序列产生器、频道扫描机和信号误差控制器。
这些设备和组件可以提供更高的数据传输速率、更好的抗干扰性能和更安全的通信环境。
一般来说,跳频扩频技术的应用需要进行一定的设备配置和技术支持,在实际应用中需要谨慎考虑。
需要注意的是,跳频扩频技术并不是万能的,对其的攻击方式也会随着技术的发展而不断升级。
例如,攻击者可以利用定向天线、模拟拦截器、信号干扰发生器等设备对跳频扩频通信进行攻击。
因此,在实际应用中应该密切关注技术的演进,并将需要进行相应的安全措施和设备防御。
跳频扩频技术跳频扩频(FHSS)的传输无线电信号,通过快速切换方法的载波频率在许多渠道,使用伪随机序列发射器和接收器。
它是利用作为多址接入方法在跳频码分多址接入(FH-CDMA)的计划。
扩频传输提供一个固定的频率传输的三个主要优点:1.扩频信号是高抗窄带干扰。
重新收集传播信号的过程中展开的干扰信号,使其回落到后台。
2.扩频信号是难以拦截。
一个跳频信号只出现在窄带接收机的背景噪声的增加。
窃听者只能够拦截传输,如果被称为伪随机序列。
3.扩频传输,可以与许多传统的传输类型的频带,以最小的干扰。
扩频信号加噪音极小狭窄的高频通信,反之亦然。
作为一个结果,可以更有效地利用带宽。
历史跳频的概念跳频首次提到在1903年美国专利723188 美国专利725605 特斯拉在1900年7月。
特斯拉来到展示了世界上第一个无线电遥控潜水船在1898年,当它成为明显的控制无线信号的船需要的是从安全“受到干扰,拦截,或以任何方式干预后的想法。
”他的专利涉及两个根本不同的技术实现的抗干扰能力,这两个的作用,通过改变载波的频率或其他专属特性。
首先有一个发射器,同时在两个或两个以上的不同频率和一个接收器,在每一个人的传播频率进行调整,为了控制电路响应,工作。
第二种方法使用可变频率的发射器,由一个编码轮,在预定的方式改变发射频率控制。
这些专利描述跳频频率的基本原则和频分复用,电子与门的逻辑电路。
跳频无线电先驱乔纳森Zenneck的书无线电报(德国,1908年,英文翻译McGraw Hill出版社,1915)也提到,虽然Zenneck自己指出,德律风根已经尝试过了几年前。
zenneck的书是一个时间领先的文本,它是可能的,许多后来的工程师们意识到这一点。
德国军队在第一次世界大战中,英国的力量,没有技术,按照顺序,以防止窃听有限使用固定指挥点之间的通信跳频。
一位波兰工程师,伦纳德Danilewicz ,来到了在1929年的想法。
在20世纪30年代被其他几个专利,包括一个由威廉Broertjes(德国1929年,美国专利1869695 ,1932年)。