摘 要：基于当前短波差分跳频研究的现状及其基本原理，较全面地讨论了短波差分跳频中有关系统及技术问题，分析了差分跳频的优势和不足及其与传统跳频的不同点，得出了一些有益的结论。
关键词：短波通信；差分跳频；跳频通信；数据传输；CHESS电台
一、前言
短波通信作为一种抗毁性较强且成本低廉的通信方式，在多种领域得到了广泛的应用。十几年来，随着跳频和自适应等新技术的引入，短波通信系统的性能得到了进一步提高。但由于短波空中信道特点和传统短波通信体制等原因，其传输可靠性仍不尽人意，使得短波数据传输速率一直限制在2.4kbps以下。美国Sanders公司于1995年推出了一种相关跳频增强型扩谱电台(Correlated Hopping Enhanced Spread Spectrum)，简称CHESS电台，它从高速差分跳频新体制出发，较好地解决了提高数据速率和抗跟踪干扰等问题［1～8］，这在传统的短波通信系统中是很难实现的。CHESS电台采用了多项先进技术，比如：差分跳频、异步跳频、DSP、宽带接收等，其中差分跳频（DFH）是CHESS电台的核心技术，集跳频图案、信息调制与解调于一体，决定了该电台的基本技术体制，是一个全面基于数字信号处理的全新概念的通信系统，其技术体制和原理与常规跳频完全不同。尽管目前还不太成熟，离实际应用还有一段距离，但它代表了当前短波通信的一个重要发展方向。然而，任何一种体制都有其优势和不足，加上我国对该体制和技术的研究还处于初始阶段，国内早期有关的文献主要基于翻译和局部技术研究的层面上，对系统及体制的有些问题认识还不够深入或不尽一致，甚至存在一些概念上的差异，有必要对其进行深入研究和必要的总结，理清一些概念，以求统一思想，正确认识这一新体制，避免研究和应用中的盲目性。
二、差分跳频基本原理
在发送端，当前时刻的频率值fn由上一跳的频率值fn-1和当前时刻的数据符号Xn决定，可用一个隐式差分方程表式为
式中G(·)表示一种函数变换关系，简称G函数［4］。其频率、数据正变换关系可表示成图1的形式。
在收端，通过数字化宽带接收，经FFT分析跳频带宽内的所有信号特征，确定fn-1和fn，由G函数的逆变换即可恢复出发送端的数据信息，即
式中G-1(·)表示G函数的逆变换，即要求G函数必须具有可逆性。其逆变换关系可表示成图2的形式。
三、CHESS系统基本指标
CHESS系统基本指标如表1所示。
四、CHESS系统基本特点
由差分跳频的基本原理，可总结出差分跳频具有的几个基本特点，这也是CHESS跳频体制与常规跳频跳频体制的主要差别。
(1)差分跳频体制是一种相关跳频体制
差分跳频通过G函数变换［4］，使相邻或多跳频率之间具有了相关性，其相关性携带了待发送的数据信息，收端也是根据其相关性还原数据信息，所以也将这种跳频体制称之为相关跳频。在常规跳频体制中，时间上相邻的频率与其传输的数据信息是无关的。
(2)差分跳频体制是一种异步跳频体制
差分跳频的收端无法预先知道每个时刻的发端频率，只能在工作带宽内进行宽带数字化接收，也就是说不可能实现收发跳频图案同步，收端也没有频率合成器，从这个意义上说，差分跳频又是异步跳频。在传统跳频体制中，需要实现收发跳频图案的同步。
(3)G函数具备了数据的调制解调功能
差分跳频不需要传统定频或跳频体制中的基带和中频调制，发端经G函数变换，实现数据与频率之间的“数－频”编码，收端先对接收到的直接携带信息的射频频率进行有效检测，再经过G函数的逆变换即可恢复出数据信息，实际上这也是一种调制解调过程。
(4)G函数具备了产生跳频图案的功能
差分跳频体制不需要设置专门的跳频图案产生器，而在跳频控制和数传过程中经G函数变换后，自动产生了跳频图案，跳频图案直接受发端数据流和G函数的控制。由于数据流是无法控制的，要提高差分跳频图案的性能，需要对G函数算法进行深入研究［6,7］。
(5)差分跳频具备了高速数据传输能力
在每跳携带的比特数一定的情况下，跳速越高，数据传输速率越高；在跳速一定的情况下，每跳携带的比特数越多，数据传输速率也越高。但是，由于短波空中信道群时延、色散等因素的影响，跳速并不能无限制地提高，其最高跳速为5 000跳每秒数量级［8］。
(6)差分跳频系统存在误码传播的问题
正是由于差分跳频系统的频率跳变具有相关性，数据信息不仅与当前跳的频率有关，还与前一跳或前几跳的频率有关，使得在收端某频率检测出现错误时，即使后续跳的频率检测正确，仍然出现误码，导致误码传播。为此，需要采取其它相应的技术措施［9］。
(7)差分跳频的出发点是提高数传速率
CHESS系统的基本出发点是提高短波数据传输速率，而不是抗跟踪干扰和多径干扰，因为目前国际上短波实用跟踪干扰机的水平是几十跳/秒，且短波多径时延在毫秒数量级［10］，抵抗大部分短波多径信号的跳速在1 000跳每秒左右即可。这一点应予以澄清。
(8)差分跳频的宽带频率选择十分困难［11］
CHESS系统的跳频带宽大于2 MHz［1～3］，占用频带太宽，即使采用频谱监测系统，但在短波频段同时找出64或256个干净的频率点并不容易，尤其是在夜间更为困难。并且频谱监测系统只能监测本地干扰情况，不能代表接收端干扰情况，远程通信难以交互。
五、差分跳频图案的基本性能
前已述及，在差分跳频通信过程中，随时间变化的数据经G函数变换后产生了随时间随机变化的频率，即跳频图案。由于差分跳频图案产生的机理与传统跳频图案产生的机理完全不同，使得差分跳频图案的基本性能与传统跳频图案也存在重大差别。
实际上，随着时间的变化，由频率和数据经G函数形成的跳频图案的结构为一棵随机的倒立树［4,5］(称为G函数倒立树)，树根即为最初的起始频率。比如：当频率个数N=32，每跳携带的比特数BPH=1 时的G函数倒立树如图3所示；设起始频率fi=f6，一组数据与频率的关系如表2所示；当N=32，BPH=2时的G函数倒立树如图4所示；设起始频率fi=f6，一组数据与频率的关系如表3所示。
由以上分析，可得出关于差分跳频图案的几点初步结论。
(1)时间相邻的频率相同的概率为零
无论每跳携带几比特信息，差分跳频图案从当前频率向下一个频率转移时，必将选择另一个频率子集中的一个频率，不会转移到相同的频率上，即不会出现相邻频率相同的情况，这是差分跳频图案产生的机理决定的，在传统跳频图案中不能保证这一点。
(2)跳频图案与起始频率和数据有关
在G函数变换关系确定的条件下，差分跳频图案不仅与发端数据流有关，还与最初的起始频率有关。必须确保起始频率的一次性相关同步，即收端必须获得起始频率的信息，否则收端不能正确恢复发端数据信息。因此，起始频率信息获取不能出现错误。
(3)跳频图案的周期理论上为无穷大
G函数倒立树的路径数，即跳频图案个数为：HG=ml，其中m=2BPH为每个频率转移的分支数，l=n/BPH，n为数据码元数，l为数据符号的个数。可见：m为一常数，当n→+∞时，HG→+∞，倒立树是发散的，永远不会闭合，所以跳频图案的周期TG→+∞。
(4)跳频图案没有实时时间参与运算
在传统跳频图案产生过程中，除了跳频时序控制以外，原始跳频密钥Pk和时间参数TOD参与跳频图案运算［12，13］。而在差分跳频图案产生过程中，数据流参与跳频图案的运算，相当于跳频密钥，与实时时间TOD无关。数据流对于跳频通信的接收端是未知的。
(5)跳频图案一维、二维及随机性能
跳频图案表现出随时间频率递增的关系，导致普通差分跳频图案的一维均匀性(每个频率平均出现的概率)较好。而二维连续性(某一频率出现后紧接着出现某一特定频率的概率)和随机性(由当前频率预知下一个频率的概率)较差。严格的检验证明了这一点［4，5］。
六、差分跳频抗干扰性能
与常规跳频抗干扰能力相对应，下面分别讨论差分跳频的抗跟踪干扰能力、抗阻塞干扰能力和抗多径干扰能力。
(1)抗跟踪干扰能力
短波差分跳频形成了抗跟踪干扰的绝对优势，主要由于两个方面的原因：一是短波差分跳频实现了高跳速，远远大于干扰机的跟踪跳速，使得干扰椭圆相当小［14］；二是由于完全随机的数据流控制跳频图案，且跳频图案不重复，使得干扰方难以预测跳频路径。
(2)抗阻塞干扰能力
短波差分跳频可以依靠较大的跳频带宽，相应提高抗阻塞干扰能力，但干扰的门限效应与常规跳频没有本质的变化［11,14］；在常规跳频中同频干扰形成威胁，在差分跳频中主要是异频干扰形成威胁，同频干扰只在与有用频率的相位相反时，才形成干扰威胁。
(3)抗多径干扰能力
尽管差分跳频频率驻留时间小于多径时延，但本跳信号经多径传输后会以较大的概率落入后续跳中，当本跳频率与后续跳的频率不相同时，会造成差分频率检测的误判。所以，差分跳频体制本身并不能完全解决抗多径干扰问题，其机理也不同于常规跳频。
七、差分跳频组网性能
主要分析差分同步跳频组网和差分异步跳频组网两种组网方式的基本性能［15］，其机理与常规跳频组网也有所不同。
(1)差分同步跳频组网性能
在差分跳频同步组网时，要求各网跳变频率采用相同的频率表、相同的跳频规律和任一时刻的各网瞬时频率正交［14］。至少由于以下两个方面的原因，差分跳频难以实现同步组网:一是频率的随机跳变受随机数据和G函数的约束，难以通过人为干预，以实现跳频规律相同和任一时刻的频率正交；二是由于差分跳频采用异步跳频接收，各网又采用同一张频率表和相同的G函数，即使做到了任一时刻的频率正交，在同一时刻会出现满足G函数的非正常异频接收，从而导致网间相互干扰。所以，差分跳频能否实现同步组网，值得进一步研究。
(2)差分异步跳频组网性能
在差分跳频异步组网时，各网的频率表、G函数和频率正交性没有约束关系［14］。主要分为两种情况。一是各异步网的频率表不相同，尽管差分跳频在异频接收时可能形成干扰，但由于此时各异步网G函数及其映射的频率表不同，各网当前频率只能在本张频率表中映射产生，当收到不同频率时，只要不在本频率表内，便不满足G函数正反变换的约束，因而不影响数据判决，也就不形成干扰。不过，这种方法需要占用大量的频率资源。二是用一张频率表组多个差分异步跳频网，会出现相同G函数的部分相同频率集，从而导致瞬间异频干扰。
八、结束语
差分跳频体制集调制、解调和跳频图案于一体，可以理解为是一种特殊的调制解调方式，具有数字化程度高、极易实现高跳速和高数据率、抗跟踪干扰能力强、跳频图案的一维均匀性好、跳频图案不重复以及流动密钥特性等优点，但存在跳频图案的二维连续性和随机性较差、宽带频率选择困难、误码传播以及组网困难等问题。因此，虽然差分跳频是一个全新的通信体制，具有众多的优势，但要进入实用化，还有不少系统、体制及技术问题需要突破。
参考文献
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作者：姚富强 总参第63研究所，江苏 南京210016 来源：电讯技术
