浅谈伪随机序列在跳频通信中的应用

樊雯等

摘 要：跳频通信是扩频通信的一个分支，其突出优点是抗干扰性强，在军事和民用通信领域均受到广泛关注。本文通过分析伪随机序列的特性，总结出伪随机序列在提高跳频通信质量和改善跳频通信系统性能上发挥的重要作用。

关键词：伪随机序列；随机性；相关性；跳频通信

1 伪随机序列的含义

序列的各元素为相互独立且具有相同分布的随机变量时，称为随机序列。实际中应用的主要是伪随机序列。伪随机序列[1]是有某种随机特性的确定的序列，具有良好的随机性和接近于白噪声的相关函数，并且具有预先的可确定性和可重复性。这些特性使得伪随机序列得到了广泛的应用，尤其是在扩频通信[2]中。

扩频通信[3]与常规的窄带通信相比，关键是多了一项扩频调制技术。扩频调制主要是利用扩频序列对用户数据信息进行频谱扩展的一种技术。因此，扩频序列的特性直接决定了扩频通信的特性。跳频通信[4] [5]作为扩频通信的一种实现方式，在抗干扰和保密性方面有着其独特的优势。本文重点研究伪随机序列在跳频通信中的具体应用。

2伪随机序列在跳频通信中的应用

跳频是指收发双方传输信息的载波频率按照预定的规律进行离散变化的一种通信方式。跳频通信系统的工作原理如下。

（a）发送部分

（b）接收部分

图1 跳频通信系统工作原理框图

如图1所示，跳频通信系统是在窄带通信系统的基础上增加了一个“跳频器”，跳频器由频率合成器和跳频指令发生器构成。频率合成器输出什么频率的载波信号受跳频指令的控制。在时钟的作用下，跳频指令发生器不断地发出控制指令，从而频率合成器输出的载波频率随着跳频指令的变化而变化。通常采用伪随机序列发生器来产生跳频指令。而伪随机序列良好的随机性与相关性，对跳频通信起着举足轻重的作用。

采用跳频通信时，通信双方使用相同的扩频序列控制本地频率合成器产生的频率，从而实现载波频率不断地、随机地跳变。因此，跳频信号在每一个跳频驻留时间所占的信道带宽是窄带频谱，由于载波频率随高速伪随机序列而变化，使得这些瞬时窄带频谱在一个很宽的频带内跳变，实现了宏观上的频谱扩展，如图2所示。

2.1 具有扩展频谱的抗干扰能力

图2 跳频扩频示意图

这样，双方进行通信时，若某个频率受到干扰，整个系统仍可选择其余未被干扰的频率进行正常通信。正是由于跳频通信系统采用了这种主动躲避干扰的方法来对抗干扰，因此，只有当干扰信号的频率与跳频信号的频率相同时，才能形成干扰，从而提高了跳频通信系统的抗干扰能力。并且，跳频频率数越大，跳频速率越快，系统的抗干扰能力就越强。

2.2 良好的保密性

伪随机序列具有近似随机序列的性质，而又能按照一定的规律产生和复制，所以称之为“伪”的随机序列。

一方面，伪随机序列的可确定性和可复制性首先为双方之间建立跳频通信提供了可能。如果单纯为了不被敌方所识破而使载波频率随机地跳变，以至完全无规律可循，那么，通信的双方也就因無法建立通信而失去联系了。

另一方面，伪随机序列良好的随机特性，使得跳频通信中载波频率的变化规律只有通信双方知道，对于敌方而言是绝对机密的，而且不易被识破，也就难以截获和干扰通信的内容。因此，伪随机序列赋予了信号在跳变过程中无规律的特性，即在他人跟踪时不易被发现，又在截获时不易暴露，从而提高了通信的可靠性与保密性。

2.3 提高频谱利用率

跳频通信中载波频率改变的规律叫做跳频图案。跳频图案的伪随机性质是由伪随机序列所决定的。所以选择合适的伪随机序列是获得好的跳频图案的关键所在。由图3可以看出，实现跳频通信的核心是跳频同步，即收发双方在同一时间跳变到同一频率上。由于频率合成器输出载波信号的频率由伪随机序列来控制，所以跳频同步实际是收发双方伪随机序列之间的同步[6]。

图3 跳频通信示意图

由于伪随机序列互相关性弱，跳频通信可以利用不同的跳频图案或时钟，在一定带宽内容纳多个跳频通信系统同时工作，从而达到频谱资源共享的目的，大大提高频谱利用率。

3 总结

跳频通信中，用伪随机序列进行多频率频移键控调制，使载波频率不断地跳变，扩展了信号频谱，提高了通信系统的抗干扰能力。伪随机序列良好的随机性，保证了通信可靠、保密。而其互相关性弱的特征，使得跳频通信系统具有频带资源共享的组网通信能力，提高了频谱利用率。

参考文献

[1]杨睿.论伪随机序列及其应用[J].沈阳工程学院学报（自然科学版），2009（2）

[2]眭杨清.扩频通信中的跳频序列研究[D].昆明：昆明理工大学硕士学位论文，2012.

[3]白木，周洁.扩频通信的原理、工作方式、特点和应用[J].电力系统通信，2002（4）

[4]朱永松，张海勇，汲万峰.跳频通信抗干扰性能分析[J].现代防御技术，2005（5）

[5]Naser Hossein Motlagh. Performance Improvement of Wireless Communications Using Frequency Hopping Spread Spectrum [J]. Intl J. of Communications， Network and System Sciences， 2010， Vol. 03（10）， pp.805-810.

[6]张鹏.跳频通信中跳频图案与跳频同步的研究[D].西安：西安电子科技大学硕士学位论文，2007.