
跳頻通信系統原理圖
如果用更專業的術語來解釋,可以這樣來描述:
在發信機中,使用一定頻率的載波對輸入的信碼進行調制,得到帶寬一定的調制信號;獨立產生的跳頻序列控制頻率合成器,在不同的時隙內輸出頻率跳變的本振信號;再用本振信號對調制信號進行變頻,使變頻后的射頻信號頻率在跳頻序列的控制下偽隨機地跳變,以達到抗干擾的目的。
類似地,在收信機中,跳頻序列控制頻率合成器,使輸出的本振信號頻率隨發方頻率相應的跳變;跳變的本振信號,對接收到的跳頻信號進行變頻,將頻率搬回到原有頻率實現解跳;解跳后的調制信號在本地載波作用下,經解調后恢復出信碼,從而實現信息的可靠傳輸。
在實際復雜信道環境下,跳頻通信如何有效抗干擾?李贊舉例說,因為信號傳輸頻率是跳變的,固定式頻率干擾自然起不了作用;即便對方干擾了一個或幾個頻段,只要跳變的頻隙數目足夠多、跳變范圍足夠寬、跳變速率足夠高,也能夠有效的抵御干擾。與此同時,跳頻通信信號載波頻率在跳頻序列控制下隨機跳變,難以截獲、預測和干擾傳輸信息,因而還具有好的安全性。由此也可以看出,作為跳頻通信的三大關鍵技術之一,跳頻序列是決定跳頻通信系統安全可靠的關鍵。
從1998年跟隨導師金力軍教授攻讀碩士開始,李贊就在導師的點撥引領和悉心指導下,邁入了跳頻通信的研究領域。她以研究跳頻序列為起點,逐步開展了對于該領域的深入研究。
實現跳頻抗干擾新突破
在掌握跳頻通信基礎理論和工作原理的基礎上,李贊發現國內外系統所普遍采用的跳頻序列設計大都基于有限域理論。針對日益復雜的無線電磁環境導致跳頻通信性能逐步下降的現狀,是否存在更優秀的跳頻序列使得系統傳輸性能有效提升呢?
帶著對這個問題的深入思考,李贊帶領團隊開展了一系列創新性研究,在跳頻通信領域成果初現,相關技術和成果走在了同行前列,實現了三個方面的理論和技術突破。
李贊及其團隊的第一個重要突破,就是首次將密碼學的加密機制,引入到了跳頻序列族的設計之中,提出了密碼學加密和跳頻序列設計的等價性原理,創建了基于加密思想的智能跳頻序列族。“我們提出的基于加密原理的序列族產生方法,生成的序列具有優異的綜合性能指標。”
李贊介紹說,目前國內外所能查閱到的跳頻序列一般最多可以滿足均勻性、隨機性、周期性、線性復雜性等少數幾項性能,而且還經常“顧此失彼”,即一旦某一項性能指標受到破壞,其他的幾項性能也會被影響。同時,按照已有理論生成的跳頻序列部分性能存在一定局限,比如周期性,也就是說在高速跳頻通信時其周期性規律難以抵御跟蹤式干擾;或者在多用戶接入和組網時,由于序列碰撞會影響網絡傳輸能力等。
李贊團隊提出的算法,成功地將序列性能指標拓展到13項,包括多址接入特性、游程特性、敏感性、相關性、組網特性等新性能。“最為重要的是,還順利破解了各指標之間無法兼顧的難題,實現了13項性能指標全部同時優異。”李贊特別強調,“我們所提出的序列完全沒有周期,且對于該體制的破解,理論上只能采用窮盡攻擊法。”
基于高性能序列族理論的提出,針對新一代可靠通信系統需要適應無線信道高動態變化的迫切需求,李贊及其團隊在跳頻通信技術上的第二個重要突破,就是設計出系統參數隨信道特性實時變化的跳頻體制。
在研究中他們進一步發現,跳頻通信系統除了需要保證抗干擾性、抗截獲等綜合性能指標達到最優之外,同時還要求系統參數,比如跳頻頻隙數、跳頻間隔、跳頻用戶數、跳頻頻率集等,能夠隨著實際環境中的干擾、用戶等動態變化,實現高的通信可靠性和頻譜利用率。而現有的序列難以按照實際需求動態變化,因此系統參數的不可變也是亟需解決的重要問題。