跳频通信自适应技术研究

李雨，程永茂，张润萍

(海军航空大学，山东 烟台 264000)

0 引言

常规跳频规避干扰的方法是不停地变换跳频频率，然而由于跳变频率表是事先安排好的，不能根据环境变化进行实时调整，这种通信方式已经满足不了当代战场电磁干扰剧烈、频谱竞争激烈的环境下对抗干扰的要求，这种通信方式也被称为“盲跳频”[1]。很多专家提出将自适应技术与跳频通信相结合，即跳频自适应技术。自适应跳频通信收发双方可以根据信道被干扰的实时情况判断是否更换信道，使通信数据始终保持在没有被干扰或干扰很少的信道上传输，增加了通信的灵活性、可靠性；根据信道质量评估准则，在保证通信质量的前提下，使发射功率尽可能低，提高通信隐蔽性[2]。

1 跳频通信概述

跳频通信频率按照一定的频率变换规律跳变，采用“打一枪换一炮”的方式，使干扰信号难以侦察截获。跳频通信时，由通信网内的主控制台发出跳变指令，所有通信台站根据预先设定好的跳变图案同步使发射信号在一个宽频带内进行频率跳变，并在每个频率上驻留一段很短的时间，接收端经过解跳解调后恢复出原始信号。

1.1 跳频通信工作原理

跳频通信的原理框图如图1所示，其主要工作过程如下：

1.1.1 信号调制

发射机中的信息调制器对信号源产生的基带信号进行调制，将原始信号转换成适合在信道中传输的高频已调信号。

1.1.2 跳频调制

PN序列发生器产生伪随机序列，通过频率选择器从具有伪随机序列变化规律的跳频频率中选择出频率控制码，使频率合成器输出跳频本振信号作为跳频载波，已调信号与跳频载波经过调制后，实现频率扩展，发射机将该扩频调制信号发送出去。

1.1.3 跳频解跳

接收机中，通过伪码同步得到与发送端伪随机码变化规律相同的本地伪随机码，本地频率合成器在此伪码控制下产生一个频率变化规律与发射端相同的本振跳频信号，与接收的跳频信号之间相差一个中频，两个跳频信号经混频后产生固定的中频信号，实现跳频解跳。

1.1.4 信号解调

解跳后输出的中频信号经解调器后，恢复出发射端基带信号。

图1 跳频通信原理框

1.2 跳频通信的军事应用与局限

20世纪40年代，Hedy K.Markey最先提出用跳频通信来对抗电子干扰，从20世纪60年代开始西方国家首先对跳频技术进行了理论研究，20世纪70年代后各国引起重视，加大对跳频战术研究力度，加紧投入生产研制，跳频技术逐步成熟。

1.2.1 跳频通信在军事上的应用

跳频通信技术面世之后，在实战中应用表现出色。1982年马岛战争中，英军使用了跳频技术，保障了通信畅通。1989年巴拿马战争，美军装备了SINCGARS跳频通信系统，作战中几乎未受干扰影响，对敌方通信网络施加干扰，而巴军通信装备落后，因受到强大干扰，基本失去战场控制能力，被迫投降。20世纪90年代开始，越来越多的西方国家研制了各式军用跳频电台，包括CHESS，ALCATEL-Ⅲ，SOTRIN等。1991年海湾战争中，法军使用TRC.950跳频电台，英军使用Jaguar-V跳频电台，美军使用Sincgars.V跳频电台，跳频的抗干扰能力保证了北约盟军之间通信的可靠性。1999年科索沃战争跳频电台应用更加广泛。美研制的JITIDS跳频系统跳速可达每秒几万跳，我国虽然起步较晚，但国内目前研制的跳频系统已经可以达到每秒上万跳的跳速。

1.2.2 跳频通信局限

传统的常规跳频虽然具有抗干扰能力强、不易被截获等优点，但由于通信频率按照规定的跳频规律跳变，抗多频段干扰以及抗跟踪干扰能力差。提高频率跳变速率是对抗跟踪干扰的一个重要途径，局限于目前技术现状，产生跳速快、带宽大、稳定性强的跳频信号还存在很大的难度。因此多功能、多频段通信的自适应跳频成为目前跳频通信的重点研究方向。

2 自适应跳频技术

1995年，Zander J博士最先对自适应跳频通信系统及其干扰模式建立了仿真模型，并分析了该系统性能。自适应跳频模式一经提出，就吸引了国内外很多专家的关注。自20世纪末开始，美国、法国、英国、以色列等国家就已经将自适应技术应用于军事通信[3-4]。表1是几个主要国家的典型自适应跳频电台及其简要介绍。

2.1 自适应跳频基本原理

与常规跳频通信相比，自适应跳频系统增加的模块是频点实时质量评估LQA[2]。自适应跳频系统原理框图，如图2所示，其工作过程主要分为以下三个部分。

图2 自适应跳频系统原理框

(1)建立正向通信。通信双方实现同步收发数据。

(2)全信道扫描。对跳频系统所有信道进行扫描。

(3)通信反馈调整。信道质量评估单元在接收端对工作信道中每个信道传输的数据信息进行质量检测，将判决为被干扰的信道以信令的形式通过反馈信道返回给发送端，通信收发双方根据预先约定的协议调整通信方式，增强通信系统数据传输可靠性。

常用的频点质量评估方法主要是基于误码率、信噪比等参数。将信道传输中实际统计得到的数据与设定的门限值比较，低于门限值说明该频点通信质量好，达到门限值则说明该频点通信质量差。对于慢速跳频系统而言，误码率是接收端解调后收到的错误比特数与总比特之比，而对于快速跳频系统，由于每个频点的误码率难以统计，因此，一般采用基于信噪比的频点质量评估法则。

表1 几个主要国家的典型自适应跳频电台

自适应跳频目前主要分为两类，即频率跳频自适应和功率跳频自适应。

2.2 频率自适应跳频

通信收发双方建立同步之后，接收端对频点质量进行判断，将判定为被干扰的频点作为信令传输给发送方，收发双方利用频点更新算法更新频点集，更新后的频点集不仅要满足各频点频率均匀分布，跳频图案具有伪随机性，且要使信号在未受电磁干扰或受干扰影响较小的频道内传输，其原理框图如图3所示[8]。频率自适应跳频的工作过程一般分为五个部分：建立频点集、频点质量评估、频点信息反馈、频点集调整、建立新的跳频图案[9]。

图3 频率自适应

近年来，频率自适应跳频技术得到了广泛关注和深入研究，取得了许多有价值的研究成果。经过实验或仿真验证，许多新技术新算法都能在一定程度上提高跳频通信的反侦察和抗干扰性能。自适应频率跳频通信中，被干扰频点越多，平均处理时间就越长，但在提高系统抗阻塞干扰能力方面效果明显[7]。在短波跳频通信中，将载波频点信噪比概率分布情况返回至发送方，发送方自动调整频点跳频策略，按照受干扰程度小的频点概率分布广、受干扰程度大的频点概率分布少的原则，进行自适应跳频通信，可以明显提高短波跳频通信的误码性能[8]。然而，这种方法由于不使用所有信道，系统安全性低，为此提出了基于一维混沌图的自适应跳频算法(ACFH)，单一的混沌跳频均匀使用所有频点，虽然能提升系统安全性，但系统误码率高，ACFH将混沌序列作为自适应跳频的伪随机序列，可以结合混沌跳频和自适应跳频两种算法的优点，既提高了系统安全性，又保证了系统误码性能。针对Wi-Fi网络受干扰的问题，提出一种基于蓝牙且可感知干扰的跳频(IAFH)自适应算法。与传统自适应频率跳频方法的相同之处在于，根据预定的阈值，将频点分为质量好的和质量不好的两类，而不同之处在于，IAFH算法频点质量评估是动态的，根据信道的干扰程度自动调整频点分类，使用质量好的频点概率更大，通过仿真证明，IAFH抗干扰能力更强[9]。基于干扰统计的跳频算法，通过统计信道内干扰出现的概率，分析获得受干扰影响少的信道，以此调整可用频点的概率分布，也具有较好的抗干扰效果。

可以看出，频率跳频自适应算法分为“剔除法”和“概率法”两种。“剔除法”指的是根据信道质量判决原则在频率集中剔除质量不好的频点，仅使用质量好的频点。“概率法”指的是对质量不好的频点不是完全不使用，而是使用的概率小。

2.3 功率自适应跳频

跳频通信系统的每条信道内都有信号，且信道存在衰落，每条信道衰落程度不同。在信道平均衰落程度很小的时候，每条信道内只要比较小的发射功率就可以保证系统对误码率的要求；在信道平均衰落程度很大的时候，系统误码率迅速上升，个别衰落程度特别大的信道甚至无法正常传输信号。给每条信道分配相同的发射功率是不合理的，且有的时候会造成很大的浪费，因此功率自适应跳频得到研究者们的关注。

在跳频系统通信质量得到保证的前期下，根据信道衰落程度和系统误码率情况，使系统每条信道的发射功率尽量低，增强通信隐蔽性。功率自适应跳频系统信道质量评估单元一般是基于信噪比，通过设定信噪比阈值，将实际信噪比检测值与阈值比较，产生功率控制命令，通过反馈信道传送给发送方，发送方对各信道发射功率进行调整，形成一个闭环反馈系统，其原理框图如图4所示。

图4 功率自适应

为了提高功率自适应跳频系统的通信可靠性，使之更具实用价值，近年来研究者们在许多方面提出了大量改进方案。为了改进RS编码跳频扩频多址(FH/SSMA)通信性能，还可以利用一种混合的功率/频率自适应算法，对于信道流量和信道衰落，其传输功率和频率同时自适应，得到在给定误差且所需信噪比最小时的最优传输策略。针对数字化短波功率自适应系统，通过在发射端产生反向功率，并实时控制，防止反向功率过大。同时在DSP中，通过BDPC算法分析接收端的误码率、信噪比等信息，控制发射端的发射功率，在反向功率保护下实现功率自适应[10]。一种基于再生中继的正交频分复用(OFDM)接入系统，作为功率自适应跳频系统的资源分配方案，其基站和中继器之间属于第一跳链路，中继器之间属于第二跳链路，通过比例公平调度算法分配子信道，保证了各用户数据传输速率的公平性，并通过降低传输功率节约能源。通过研究正交频分复用通信系统受总功率约束的自适应功率分配算法，将传统的两跳系统模型推广到三跳结构中，用对偶法实现功率自适应跳频，使传输速率达到最大，且信道功率得到最优分配。在放大转发链路的正交频分复用选频信道基础上，运用子载波两步功率分配算法，一方面，引入虚拟直连实现次优子载波匹配，降低了功率分配的维数；另一方面，将中继网络的分配问题简化为传统蜂窝网络的分配问题。通过一维搜索得到虚拟直接链路的最优功率分配，提高了能量效率。

可见，功率自适应跳频技术的研究和应用，目前主要集中于对各传输信道进行最优功率分配，在节约能源的前提下，使资源尽可能合理配置。

2.4 自适应跳频特点

频率自适应和功率自适应技术使跳频通信的性能得到扩展和提高。目前，自适应跳频系统的作用和特点主要表现在以下三个方面。

(1)抗衰落能力强。信号在信道内传输受自然电磁干扰影响会有衰落现象，影响通信质量，自适应跳频可以选择在质量好的信道内传输，使信号传输更加稳定。

(2)抗干扰能力强。自适应跳频系统可以通过自适应选择合适的频点，避开敌方电磁干扰的频点；自适应调整发射功率，保证通信免遭干扰压制，提高通信可靠性。

(3)抗截获能力强。自适应跳频系统不仅具有跳频图案不可预测、频率停留时间短等跳频通信固有特点，还可以根据信道质量灵活的变换信道，使敌方干扰信号侦察跟踪截获难度大大增加。

3 自适应跳频技术发展趋势

当前，跳频通信正朝着高跳速、宽频谱、多频点的方向发展，为了在未来信息化战场复杂电磁环境下激烈的电子战中取得主动权，必须充分发挥自适应跳频技术的作用和优势，并不断改进和提高技术水平。未来自适应跳频技术的研究和发展趋势主要体现在以下几个方面。

(1)随着5g网络的发展，未来战场信息指挥体系将实现网络化、一体化、实时化。通信系统中数据传输流量大，流量密度和节点密度大幅提高，成本更低的反馈机制是未来自适应技术的热点问题。

(2)未来战场通信终端将会朝高速移动方向发展，高速移动通信中，信道变性问题对自适应跳频系统的影响将会进一步加大，设计高速移动下的自适应算法，将是一个无法回避的研究重点。

(3)在通信对抗中，干扰敌方通信系统，使之通信网络陷入瘫痪，对己方赢得战场主动权至关重要，对于慢速自适应跳频系统，采用跟踪干扰和阻塞干扰可以达到很好的效果，而对于快速自适应跳频系统，其有效干扰样式还有待进一步研究。

(4)自适应跳频通信中，如何剔除“坏频点”，产生“好频点”，是一个十分重要的关键技术。因此，研究频率集改良算法，也是当前及未来提高自适应跳频通信性能的重要方向。

(5)自适应技术兼容性强，可以与其他抗干扰技术组合，融合出抗干扰能力更强的集成抗干扰技术，实现信号传输可靠性，提高通信质量。因此，有必要开展自适应技术与多种其他技术相结合的研究，以大大扩展跳频通信技术的威力。

(6)日益增长的通信需求使通信网络的能耗不断增加。为了减少发射功率，节约能源，应充分发挥功率自适应跳频技术的优势，保证通信有效性前提下，实现系统资源最优配置。因此，对功率自适应跳频技术的研究将会有广阔的发展空间。

4 结语

自适应技术与跳频技术结合，不仅是提高通信系统抗干扰性、抗截获性的重要手段，而且顺应了未来战场无人化、智能化作战的发展趋势。因此，自适应跳频通信在军事通信中地位不容小觑。随着进一步研究与改进，自适应跳频技术在军用通信、无线通信和移动通信等领域，将会体现出重要的应用价值，得到长远的推动和发展。