跳频

定义

跳频是扩频通信的一种实现方式，指发送端在伪随机码序列控制下，使已调信号的载波频率在一个划分为若干频隙的宽频带上按预定规律离散跳变，从而把信号能量散布到整个跳频带宽上的通信技术^[1]。载波频率随时间变化的规律称为跳频图案，可以由时间与频率的二维图形表示，通常要求图案周期足够长、随机性好，频率集中各个频点出现的概率均等^[2]。

跳频在概念上常与直序扩频并列为两种代表性扩频方式，二者的区别在于跳频扩展的是瞬时占用的频点位置，而非直接把基带信号乘以高速码序列^[3]。因此跳频系统在每个时刻仍然表现为一个窄带系统，其瞬时带宽远小于跳频总带宽，处理增益大致等于跳频带宽与频道带宽之比^[4]。

原理

典型跳频系统由信息调制器、跳频调制器、频率合成器、伪随机码发生器与同步器构成，收发两端结构对称^[5]。基带数据先完成信息调制，再由频率合成器按跳频序列输出载波进行变频，载波频率随序列值逐跳改变，每一跳持续的时间称为驻留时间或跳频周期^[5]。

接收端用同一伪随机序列控制本机频率合成器，使本振频率与来波频率同步跳变，混频后即得到固定中频，这一过程称为解跳；若本地跳频图案与来波不一致，混频输出便不落在固定中频上，只能得到噪声^[6]。因此收发双方跳频图案的时间同步是系统能否工作的关键，也是工程实现中最困难的部分^[4]。

按跳频速率与信息速率的关系，跳频可分为慢跳频与快跳频：前者跳速低于信息比特率，每一跳可承载连续多个比特；后者跳速高于信息比特率，一个比特被分散到多跳上传输^[6]。若直接按跳速数值划分，通常把 10 至 100 跳每秒称为慢速跳频，100 至 500 跳每秒称为中速跳频，超过 500 跳每秒称为快速跳频^[7]。

决定跳频系统抗干扰能力的参数主要有 4 项：跳频带宽越宽，对抗宽带干扰的能力越强；跳频频率数目越多，对抗单频、多频与梳状干扰的能力越强；跳频速率越高，对抗跟踪式干扰的能力越强；跳频码周期越长，被破译的难度越大^[2]。此外，同步建立时间越短越有利，因为同步一旦被破坏，收发跳频图案无法对齐，通信就会中断^[2]。

发展历程

跳频的思想最早见于 1941 年的美国专利申请。好莱坞演员海蒂·拉玛提供以不断更换无线电频率躲避干扰与侦察的构想，作曲家乔治·安塞尔(George Antheil)借用自动演奏钢琴的同步机制解决收发频率对齐问题，两人于 1941 年 6 月 10 日提交申请，1942 年 8 月 11 日获得名为秘密通信系统的专利^[8]。该系统使用类似钢琴卷筒的机构协调 88 个频率的同步改变，这一数目与钢琴键数相同，原拟用于无线电制导鱼雷^[8]。

由于当时以机械方式实现体积庞大，美国海军未采纳该方案；直到晶体管问世后，跳频才在军事上获得实际应用^[3]。1955 年起，西尔维尼亚公司研制 BLADES 系统，1963 年安装在美海军一艘指挥舰上进行演示验证，以跳频方式对抗人为干扰^[9]。

此后跳频逐步由军事向民用扩散。20 世纪 80 年代以后，随着微电子、计算机与信号处理技术进步和成本下降，跳频被用于蜂窝移动通信、无线局域网与个人通信等民用领域^[9]。在基本跳频之外，后来又出现了混沌跳频序列、自适应跳频以及跳频与直序扩频混合等更复杂的方案，跳变对象也从载波频率扩展到传输时隙、基带调制方式^[10]。

应用

军事通信是跳频最早也最主要的用途。战术电台依靠跳频躲避敌方瞄准式干扰与侦察，同一网络内的电台必须在同一时间同步跳到同一频率才能互通，因此同步方案设计是跳频电台研制的核心环节^[11]。有资料指出，军用跳频系统的跳速可达每秒上万跳，而受成本限制的商用系统跳速多在 50 跳每秒以下^[1]。

在民用领域，蓝牙是跳频的典型应用：设备在 2.4 吉赫兹频段内划分出的 79 个 1 兆赫兹宽的信道上按伪随机规则跳变，每隔 625 微秒更换一次信道^[12]。蓝牙标准还引入自适应跳频(AFH)，通过检测信道质量把受干扰的频点从可用信道列表中剔除，从而与其他 2.4 吉赫兹系统共用频段^[13]。

GSM系统同样采用跳频，其标准规定的跳频速率为 217 跳每秒，实现方式分为基带跳频与射频跳频两类：前者发射机工作在固定频率上，通过基带信号切换实现跳变；后者收发均参与频率跳变^[1]。在 GSM 中引入跳频可带来频率分集与干扰分集，用于改善网络质量并提高频率复用能力^[14]。

局限

跳频虽然能规避窄带干扰，但对宽带干扰缺乏抵抗力。若干扰能量覆盖整个跳频带宽，所有突发都被破坏，纠错编码与交织也无从恢复原始数据，此时的干扰分集便不再带来增益^[15]。同理，跳频的保密性依赖跳频图案不被掌握，一旦序列规律被对手分析出来，剩余可依赖的只有信息源加密，因而军用跳频设备通常另配独立加密机^[6]。

与直序扩频相比，跳频在每个时刻只是窄带系统，不具备直接扩频的处理增益，抗多径能力较弱，在同等发射功率下有效传输距离小于直序扩频系统^[1]。跳频所需的瞬时总带宽也远大于以单一载频传输同样信息所需的带宽^[6]。

工程实现上的约束集中在频率合成器与同步两方面。跳速越高抗干扰性能越好，但快速变频与信号质量相互矛盾，在极短的保护时间内完成频点切换，容易带来调制精度下降、接收灵敏度恶化与杂散增加^[1]。射频跳频还需在射频频段完成同步，不利于数字集成，跳速受到限制；此外同步过程一旦被破坏，通信便无法维持^[16][4]。自适应跳频虽有改善，但在 2.4 吉赫兹频段拥挤、干扰动态变化时，剔除坏信道会使可用信道数减少，从而引起吞吐量下降或时延增大^[12]。

参见

• 直序扩频 —— 与跳频并列的另一类扩频方式，用高速码序列直接扩展信号频谱。

• 扩频通信 —— 跳频所属的更大技术类别，以带宽换取抗干扰与低截获率。

• 海蒂·拉玛 —— 跳频早期专利的共同发明人。

• 蓝牙 —— 采用跳频与自适应跳频的短距离无线通信标准。

• GSM —— 在蜂窝网络中引入跳频以获取频率分集的移动通信系统。

• 频率合成器 —— 跳频系统中决定跳速与频谱纯度的关键部件。