数字通信中跳频参数的测试

杜亮

(中航工业空空导弹研究院计量测试中心，河南洛阳471009)

0 引言

跳频通信是接收和发送双方传输信号的载波频率按照某种预先确定的规律同时跳变的通信方式，这种预定的规律就是跳频图案。就是接收和发送双方按预定跳频图案，同时同步改变频率，使双方保持通信的一种技术手段。它利用伪随机码序列使发射信号的频率随伪随机码的变化而跳变。抗干扰性强是其最突出的优点，因此，被大量应用于军事领域。

本文主要对跳频发射/接收机的关键参数的测量方法及所用的测量设备进行介绍。本文将跳频发射机在不同环境下的各个参数的模拟和采集分析，用实时信号分析仪完成各个参数的测量，而发射机和接收机是可逆的，因此只须熟悉对发射机或接收机的参数进行测量即可。

1 跳频发射机的工作原理

跳频发射机主要四部分组成:跳频频率源，波形成形，I/Q调制，功率放大，如图1所示。

图1 跳频发射机原理图

波形成形主要完成数据差分编码、数字调制、内插滤波，比如这里的调制方式使用GMSK，那么这里就要完成GMSK调制。调制信号产生时的位数、窗口的长短、D/A位数等直接影响到调制质量。需要对I/Q信号进行EVM测试，在A点进行测试分析。

I/Q调制器主要完成基带到射频的搬移，I/Q调制器的相位误差和幅度误差直接调制信号的EVM，因此需要对调制后的信号质量进行分析，在C点进行测试。

跳频频率源主要完成跳频载频的产生，需要测量分析跳频频率源的切换、驻留时间、相噪、杂散是否满足设计要求，在B点进行测试。

功率放大器的非线性也将使调制质量变差，需要在D点进行测试。D点作为整个发射机的输出点，可以在此处进行整机性能测试，包括跳频频率、跳频图案、信号质量、杂散、输出功率、邻道功率比等参数测试。

跳频图案也可以在D点进行测量和分析。研制跳频电台的目的，就是使自己电台的频率跳变规律，达到随机地改变甚至无规律可循，这样才能不被敌方所识破。但若真的无规律可循，自己的通信双方也将失去联系。因此，伪随机改变的跳频图案常被采用。当对不知跳频图案时，很难猜出其跳频的规律来。所以，研制跳频电台的工程师需要经常测试跳频图案，来验证自己的电台的设计是否满足要求。

在跳频情况下，由于频率跳变，需要测量频率跳变到稳定的时间、每一跳的调制质量、频率是否按照设计的图案进行跳变等指标。由于频率的快速跳变，有时达到几百到几千跳/秒，常规的仪器无法进行分析，需要测试设备能够具有频率触发、具有长时间存储信号、能够改变分析长度等功能。

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2 跳频发射机的参数测试

2.1 基带信号的波形成形质量的测试

从图1上的A点对基带信号进行测量，可以帮助设计人员发现跳频电台中由于数字电路涉及的许多问题，对跳频电台所带来的影响，像FPGA中存在的设计问题。

实时信号分析仪具有14 bit的模数变换能力，保证了对EVM测量的精度。由于实时信号分析仪具有单独的I和Q输入端，可以直接将基带的差分I和Q信号输入到实时信号分析仪中进行EVM分析。实时信号分析仪具有四路平衡输入，可以直接连接进行测试。由于具有可变分析长度，因此可以直接对跳频实际输出的I/Q信号进行测试，对不同的跳频点进行分析，可以通过减小分析长度和改变分析位置来实现，实时得到换频处数据的EVM值。

从图2我们看到实时信号分析仪既可以观测频谱，同时又可以进行时间相关的多域观测，左上图为时间域，右下图为星座图。传统的频谱仪仅一个窗口，即只能进行频域观测，而对于时域、解调域等参数是无法直接测量的。

图2 实时信号分析仪RSA5106A测试的EVM、通道功率、占用带宽

2.2 基带信号的功率指标的测试

如图2所示，通过实时信号分析仪的单键测量功能，可以在A点对如信噪比、通道功率、邻道功率比、占用带宽等其他的常规指标进行测量。

2.3 换频时间的测试

在图1所示的B点可以对换频时间进行测试，如图3所示，对跳频系统来说，换频时间越短越好。换频时间通常被用来验证频率合成器的性能。对于换频时间的测量，使用示波器是过去进行换频时间的测量。现在的实时信号分析仪可以在观测频谱的同时测量出换频时间，而且可以对换频时间进行自动测试。克服过去手动测量的人为误差。实时信号分析仪在目前已成为测试换频时间的专业测试仪器，这使得实时信号分析仪在在这个项目上大大优于示波器或调制域分析仪的测试能力。

图3 实时信号分析仪测试频率稳定时间图

实时信号分析仪RSA5106A对换频时间进行的自动测量如图4所示，自动测量的时间为269 μs。

图4 换频时间的自动测量，并进行时间相关的多域观测

2.4 频率合成器的相位噪声的测试

传统测量相位噪声的仪器是频谱仪和噪声仪，这些仪器对稳定频率的信号进行测量还可以，但对于跳变的信号的确无能为力，这是以往测试的难点，实时信号分析仪不但可以对跳变的信号进行测量，而且具有自动测量相位噪声的功能。在图1所示的B点主要是对频率合成器的相位噪声进行测试。

2.5 跳频信号的调制质量的测试

现在的跳频电台多数采用数字调制方式进行信息内容的传输，信号的调制质量决定通信性能的优劣。所以现代通信设备的一项主要评价技术指标就是它的矢量调制质量。

跳频状态下，频率的切换会带来相噪的变化，最后带来误差矢量幅度的恶化，如果恶化严重，将导致整机误码率变高，满足不了系统要求，所以需要测试跳频状态下的误差矢量幅度值，实时信号分析仪正好可以满足测试需求。

由于频率合成器的相噪和I/Q调制器的相位幅度误差会使信号质量恶化，对误差矢量幅度的测量，需要在C点进行信号质量和调制质量的测试。我们也可以从图1的D点进行测量，直接测量射频信号，同时设计人员也需要从A点进行测量，A点是整个系统的I/Q基带部分，很多时候调制质量的问题直接来自基带，如果只对D点测量可以评估整个系统的信号质量，但是设计人员无法知道系统是否在基带的时候就已经存在问题了，这对分离问题非常重要［1］。

因为矢量信号分析仪不具备对跳频信号解调分析的功能，也不具备载波跟踪的功能，所以即使跳频信号跳在矢量信号分析仪的带宽内，也无法对其进行解调分析。如果非用矢量信号分析仪来测量跳频信号，当采集到换频的地方或者偏离载频的地方的星座图将是乱的。

实时信号分析仪由于其实时特性，可以很简单地对跳频信号进行解调分析，图5是对一个全球移动通信系统(GSM)跳频信号进行的解调。

图5 多域显示

实时信号分析仪能直接对调制后的信号进行分析，其测试结果能真实反映实际现象。而且可以一次把信号捕获下来，随后进行多次分析，对有问题的信号进行细致复杂的后续分析，不必担心难以分析和难以复现故障。图6是用实时信号分析仪测试的跳频信号的调制质量。

图6 是用实时信号分析仪测试的跳频信号的调制质量

2.6 跳频信号的功率的测试

实时信号分析仪具有对信号实时采集捕获下来，回头再回放，可以对采集的信号逐点进行射频性能的测量，因此能满足对每一个跳频点功率测量的需求。并且在跳频时，通信距离的远近与接收的功率大小有相对应的关系，可以在图1中所示的D点进行测试。如图7所示。

图7 RSA6114A测试信道功率

2.7 跳频图案的测试

常规方法无法对跳频图案进行直接测试，实时信号分析仪可以通过频率触发进行实时捕获并存储分析，所以能准确捕获特定跳频起始前、后的图案。由于频率模板触发功能的使用，可以使得设计人员直接设定跳频的起始点来捕获跳频信号，观测跳频图案，这样就可以找到特定频率位置的跳频图案，这是实时信号分析仪实时捕获的优势所在［2］。如图8所示。

图8 通过触发捕获的跳频通信过程和跳频图案

2.8 跳频速率的测试

如图9，可以用三维频谱图或借助实时信号分析仪中调制域窗口，利用光标对跳频的速率进行测量。

图9 用调制域测量的跳频信号

2.9 跳频频率集的测试

借助实时信号分析仪中三维频谱图来直接观测跳频频率集和跳频频率数，简单快捷。或借助图10的调制域来看跳频的频率数。

2.10 跳频带宽的测试

新型实时信号分析仪的瞬时带宽可以达到110MHz，可以看到所有跳变的点，借助数字荧光显示技术可以在很短的几秒内得到测试结果，并长时间的存储下来，使用三维频谱图进行分析、观测，对于没有足够的分析带宽的常规的扫频频谱仪，很难保证在一次扫描过程中看到所有的点，需要长时间的最大保持，有时候需要几十分钟的时间，设计人员只能分段进行分析，既繁琐又浪费时间，即便这样也有可能会带来测量误差。

图10 利用调制域来观测跳频频率数

3 结束语

在未来的雷达、数据链通信中，需要极好的抗干扰性，跳频通信具有的较强的抗干扰能力，越来越受到人们的重视，应用领域也不断在扩大，特别是对跳频信号各个参数的计量测试。在现代及未来战争中，如果通信装备不采用跳频抗干扰措施，就不会有竞争力。因此，我们要不断重视跳频技术在现代通信中至关重要的作用，加强对跳频信号参数的测试方法的探索和研究，保障武器装备中跳频通信参数的量值准确性。

［1］梅文华，王淑波，邱永红，等.跳频通信［M］.北京:国防工业出版社，2005.

［2］申苹.数字通信测量仪器［M］.北京:人民邮电出版社，2007.

［3］王粒宾，崔琛.跳频信号参数盲估计技术综述［J］.通信对抗，2012(1):50-56.

［4］刘春胜.战术无线电台［M］.北京:军事科学出版社，2000.228-233.

［5］泰克.实时频谱仪原理及应用案例集汇编［EB/OL］.［2015-03-05］.http://cn.tek.com/document/principle-application-real-time-spectrum-instrument-case-set-assembly.

［6］都伊林，马强.蓝牙射频调变模式与测量［J］.现代电子技术，2008(15):53-56.