引言

    短波通信作为一种远程、机动的通信方式,在各个领域都得到了广泛的应用。特别是在军事上,短波通信是军事指挥的重要手段之一。然而,短波通信也有其固有的弱点,由于短波信道是一个典型的变参信道,它的传输可靠性较差,可用的工作频率经常需要更换,存在严重的多径衰落。传统的短波跳频通信电台,跳速低,跳频带宽窄,其抗干扰性能和高速率数据传输能力不尽人意。研究表明,以数字信号处理技术为基础,采用先进的相关快速跳频技术,可以在短波波段实现宽频带、高速率的跳频,极大地提高了短波电台的抗干扰、抗多径的能力,同时能提供可靠的高速数据传输。美国 Sanders 公司推出了名为CHESS的新型短波跳频系统,跳频速率更是高达 5000跳/S,这种新型短波跳频系统将成为短波通信技术领域今后发展方向之一。

    2 CHESS 系统简介

    CHESS 系统是Correlated Hopping Enhanced Spread Spectrum(增强型相关跳扩频通信系统)的简称,它可以提供4800~19200bps的数据速率,是一个全面基于DSP的通信系统,其系统结构如图1所示。

    整个通信装置包括两个部分:射频前端和信号处理单元。射频前端直接与天线相连,包括发射部分的 D/A转换和功率放大以及接收部分的下变频接收机与A/D转换;信号处理单元由数字接收单元(DRX)数字激励单元、中央处理单元组成。数字接收单元对A/D变换后的字长14bit 的数字信号进行FFT处理,然后使用特定的信号检测算法对各个频点进行监测并负责帧同步,处理结果交由c Pu 做进一步的处理;数字激励单元负责发射频率的合成。 信号处理 单元通过 RS一2咒C 接口与终端相接。

    3 DFH 编码的实现 

    数据编码采用差分跳频技术 (DFH)来实现相关跳频, 通过这样一种相关跳频技术所得到 的频率序列 F应该有下面一些特性:①F中的相邻两个频率之间应具有相关性(由数据序列控 制) , 即相邻频率的相关性携带了待发送的数据信息; ② F 中的每一个频率应该是频率集中的 某一项;③ F 中依次出现的频率在时间上应呈现出一种随机性和均匀性。

    这样, 只要接收端能够完成起始相关,即可根据收到的频率信息,通过 DFH 编码图样恢复 出所要的数据信息。  

    每一个频率节点在时间上应该呈现出一种随机性和均匀性, 每个频率出现的概率应该相 这样就要求 DFH 编码的跳频频点具有完备性,即每一频率节点的扇人数 = 扇出数,则所需 的频点数应满足下列关系:

    其中,SET(F)表示频率集合，NUM代表频点的数目。这样当BPH=1时,频点数应为2,4,8,16,32,64……;当BPH=2时,频点数应为 4,1664,256……;当BPH=3时,频点数应为8,64,……;当BPH=4时,频点数应为16,256……可以看出,当要求一定的数据传输率(比特传输率)和数据安全性时,频率集中的频率数不能太少,所以一般 DFH 编码的标准频率集为64或256。以频率集为64来说,在2.56MHz 的跳频带宽内,共被划分为512个5kHz带宽的子信道,收发双方共同约定其中64个质量较好的信道构成当前跳频的频率集。频率集的实际大小根据收发双方的需要和要求来配置。

    这里以频率集为 64 , BPH = 2 为例对编码 方案加以讨论。

    对于64个频点的频率集来说，若要求编码图样在三个频点乃至四个频点之间具有唯一路径，则从当前频率节点出发，经过三跳之后，64条路径所到达的频率节点不能相同，即必须遍历 64 个频率(图2)。如果在第四跳时,只用到了63个或更少的频率,这样,必然有一个或更多的频率将重复使用，这就造成了如图3所示的情况,这在解码时是无法纠正的。能否使得更多频点之间的路径唯一呢?在一个频点经过三跳之后，已经将频率集合中的64个频率值全部用完，在第四跳时，再从这64个频率点发出64*4=256条路径，所用的频点的频率值必然发生重复，这样出现路径不唯一的情况是不可避免的。

    在此基础上,提出了如下的一种编码方案,笔者称之为分组编码方案。

    将频率集中的64个频率随机分为4组,每组16个频率。为说明方便起见,在下面的例子中,以0~63来表示频率的序号,并不代表实际的频率值的大小。如表1所示。

    表 1 分组编码方案频率分组表

    然后在每一组中, 又将16 个频率随机分为 4 组, 每组4个频率。 这样就产生了以下的编码方 案。 每一组中每一小组中的4个频率值分别在数据信息{0 , 01 , 10 , 11}的控制下对应某一组中 的 4 组频率,这样,每一组中的 16 个频率值必然就覆盖了整个频率集的64 个频率。 以第一组 为例,对应关系如下。

    注意频率位置的变化,频率的位置代表着上一跳的频率分别在数据{0 , 01 , 10 , 11 } 的控制 下到达的频率值。 即序号为 0的频率在数据信息为0 时跳至 16 号频率,在数据信息为 01 时 跳至 17 号频率,在数据信息为0 时跳至 18 号频率,在数据信息为0时跳至 19 号频率,其余 几组以此类推。 由此不难得到频率节点的扇出关系图。

    4跳频信号的处理

    对跳频信号的处理，首先是将数据从抽样信息变换到频率域。数据到达有限冲激响应(FIR)滤波器芯片,送到两个通道中处理,通道相当于一个高通滤波器,以去掉来自于 A/D的直流分量;而通道0对数据进行希尔伯特(Hilbert)变换以获得一个正交信号。FIR 的两个输出序列都进行“2中抽1”的操作，这样就把一个5.12MHz的实数采样信号转换为一个2.56MHz的复数采样信号。从这两个滤波器的中心抽头输出,以便达到时间上的匹配。

    文中抽取希尔伯特变换后得到的数据序列中编号为偶数的抽样信息作为1024点复数FFT变换的虚部，而从原数据序列经过延时后的数据序列中也抽取编号为偶数的抽样信息作为1024点复数 FFT变换的实部。所选窗函数的长度为400us,每隔100us窗口滑动一次,这样个窗口范围内至少包含一次完整的跳频信号(200us)。图4给出了窗口滑动示意图。

    这样,无论窗口的起点在何处,在FFT的结果中每一次跳频信号都会连续出现5~6次。在接收端可以根据子信道上信号持续的时间以及信号的强度来判决是否为有效的跳频信号。可以看到一个窗口实际上覆盖了2~3个跳频信号,这样在频谱图中在一次FFT 结果中也能看到幅度大小不等的2~3个信号。只有通过对连续几次 FFT的结果进行分析,才能判决出有效的跳频信号。在实际中,所采用的做法是在经过FFT后,保留其中编号为偶数的子信道(0,2.4..,1024),再分别对 512个子信道连续5次FFT的结果进行分析,取其中能量强度最大的子信道作为判决有效的跳频信号。这种加窗方式要求:应该在每两次FFT后判决出一个有效的跳频信号,因为每次 FFT的时间为100ms,而一次跳频信号持续的时间为200us。

    在得到的频谱图中，每个跳频信号持续了5个时间长度，而每经过两次 FFT 之后,就出现了一个新的跳频信号。而且5.12MHz的采样频率经过“2中抽1”后，得到的复数信号的采样频率为2.56MHz，即频谱图中最大频率信号为2.56MHz。又实际的频率信号只有0~1.28MHz,所以频谱信号只出现在整个频域的前半部分(0~1.28MHz的范围)

    5 结束语

    在现有文献的基础上,对CHESS 系统进行了计算机模拟。重点讨论了:

    (1)CHESS 系统的核心技术--差分跳频技术(DFH),提出了相关跳频编码方案;

    (2)DFH 跳频信号的解调、解码过程技术。

    CHESS短波跳频系统为高速率短波数据传输提供了一种新的方法。由于差分跳频技术的引入以及数字信号处理技术的使用,使得 CHESS系统可以克服短波通信中的各种难点，如带宽受限、干扰严重、多径衰落等。CHESS系统对于提高战术通信的性能具有很大的潜力,是新一代战术远程通信体制的发展方向之一。

    但是,也应该看到,由于采用了差分跳频技术,对编码方案提出了更高的要求。在频率集只有64个频率时，相关跳频解跳解调可以对连续两个或两个以下的频率出错提供完全无误的纠正,即提供一定的纠错能力。如果给CHESS系统增加纠错能力,其高速、可靠的传输性能必将大大发挥作用。

    李 明 戚仁华 朱红深 (信息产业部电子第 30 研究所,成都 610041）

    参考文献

1 Dr. Herick D l, Dr. Lee P K. CHESS - A New Reliable High Speed HF Radio.MILCOM '96,1996(0ctober): 684-690

2李玉生,王治元,姚窗强，相关跳频通信技术，现代军事通信,1999(3):7~8

3潘武,周世东,姚彦，CHESS:一种新型短波跳频通信系统，现代军事通信,1999(3):9~12

4徐泰林，一种值得深人探讨的FH方式-CHESS.现代军事通信,1999(3):13~15