跳频扩频(Frequency-Hopping Spread Spectrum，简称FHSS)是一种无线通信技术，通过在多个预设频率之间快速切换载波频率来实现信号传输。这种技术的核心在于使用伪随机码序列控制载波频率的跳变，从而达到扩展频谱的目的。
一、 FHSS跳频扩频技术介绍
1. 工作原理
FHSS的工作原理是将一个宽频带分割成多个窄带信道，通信设备按照预定的跳频序列在这些信道之间进行切换。发送端和接收端必须同步跳频序列，以确保数据能够正确传输和接收。每个频率的停留时间通常很短，例如大约100毫秒，这样可以减少频率选择性衰落的影响。
2. 特点
- 抗干扰能力：由于信号在多个频率上快速跳变，FHSS对窄带干扰、音调干扰和频率跟踪干扰具有较强的抗干扰能力。
- 隐私保护：跳频模式的伪随机性质使得敌方难以拦截传输信号，因此具有较高的低概率截获(LPI)特性。
- 实现简单：相比直接序列扩频(DSSS)，FHSS的实现更为简单，通常只需要一个微控制器来管理频率跳变。
- 频谱利用率低：由于每次只使用一小部分频谱，FHSS的频谱利用率较低。
3. 应用
FHSS技术广泛应用于无线局域网(WLAN)、蓝牙等无线通信标准中。例如，在IEEE 802.11b标准中，FHSS被用于2.4 GHz ISM频段上，提供每秒1至2 Mbps的数据速率。此外，FHSS也被用于军事通信中，以防止无线电监听和电子战攻击。
4. 缺点
尽管FHSS具有许多优点，但也存在一些缺点：
- 鲁棒性较差：相比于DSSS，FHSS的鲁棒性稍逊一筹，容易受到多径衰落的影响。
- 检测方式简单：由于其简单的检测方式，FHSS可能不如DSSS那样能够有效应对复杂的干扰环境。
跳频扩频技术通过在多个频率之间快速切换载波频率，有效提高了无线通信的抗干扰能力和隐私保护能力。尽管存在一些局限性，但其在多种无线通信系统中的应用展示了其强大的实用性和灵活性。
二、 跳频扩频技术(FHSS)与直接序列扩频(DSSS)性能对比
跳频扩频技术(FHSS)与直接序列扩频(DSSS)在性能上的具体比较主要体现在以下几个方面：
- 抗干扰能力：FHSS通过在多个频率上快速切换，避免长时间在单一频率上传输，从而减少反馈问题并保持峰值幅度不变。相比之下，DSSS通过在更宽的频段上对信号进行扩频并添加伪随机噪声，然后在另一端减去，具有较高的抗噪声能力。
- 实现难度：FHSS比DSSS更难实现，因为DSSS需要高速率的数字乘法运算，对昂贵的数字电路和功率放大器有较高要求。
- 成本与功耗：从成本角度看，DSSS由于需要高速率的数字乘法运算，对昂贵的数字电路和功率放大器有较高要求，而FHSS则因成本较低而成为主流选择。在功耗方面，FHSS供应商声称其系统能耗更低，对移动用户电池寿命有直接影响。
- 扩展频谱：DSSS在扩展频谱方面具有优势，因为它将频谱划分为几个子频段，再将原始信号扩展到其中一个子频段，因此DSSS系统的扩展范围较小，具有更高的扩展增益。
- 适用环境：DSSS技术适用于固定环境中，或对传输品质要求较高的应用，如无线厂房、无线医院、网络社区等。而FHSS则大都使用于需快速移动的端点，如行动设备。
- 距离测量性能：在多接入环境下，FHSS方法在平均距离测量上比DSSS更稳健，尤其是在远距离测量时。然而，DSSS方法的整体准确性和精度通常优于FHSS。
三、 FHSS技术在抗干扰能力方面的机制
FHSS(频率跳跃扩频)技术在抗干扰能力方面的具体机制主要通过以下方式实现：
- 避免干扰：FHSS系统通过定期改变传输信号的载波频率来避免干扰。这种机制使得干扰源难以锁定特定的频率，从而减少了干扰对通信的影响。
- 快速频率切换：FHSS技术依赖于载波频率的快速切换，这使得信号能够在多个频率之间跳跃。传统上使用相位锁定环路(PLL)电路进行跳跃载波，但现代技术中也使用直接数字合成器(DDS)以提高切换速度。这种快速切换减少了干扰信号与通信信号重叠的机会。
- 多频率使用：当跳变的频率数目足够多且跳频带宽足够宽时，FHSS的抗干扰能力会显著增强。这是因为干扰通常只集中在有限的频率范围内，而FHSS通过在多个频率上分散信号，使得干扰难以同时影响所有频率。
- 抗多径干扰：FHSS还具有抗多径干扰的能力，因为其随机的频率跳变可以减少多径传播带来的信号衰减和失真。
- 优化参数调整：通过优化FHSS技术的参数，如跳变的频率和持续时间，可以进一步提高抗干扰性能。例如，在高信噪比条件下，FHSS表现更优，而在低信噪比条件下则需要更精细的调整来维持性能。
四、 FHSS技术在无线局域网(WLAN)和蓝牙标准中的应用细节
在无线局域网(WLAN)和蓝牙标准中，跳频扩频(FHSS)技术的应用细节如下：
1. 蓝牙标准中的FHSS技术
- 频率跳跃速率：蓝牙使用频率跳跃扩频技术，通过伪随机序列控制载波的中心频率，使其不断跳跃改变。蓝牙信号每秒在79个信道之间跳跃1600次，每个信道间隔1 MHz，时间槽为625微秒。
- 自适应频率跳跃（AFH） ：在连接状态下，蓝牙设备会持续监控信道状况，识别并排除占用或低质量的信道(称为坏信道)，以确保通信质量。
- 信道划分：蓝牙将频段划分为较小的通道(例如低功耗蓝牙有40个通道)，并在传输数据包时快速跳转这些通道。
2. WLAN标准中的FHSS技术
- 工作频段：FHSS在WLAN中通常工作在2400 MHz到24835 MHz的范围内。
- 编码和调制：FHSS使用线性反馈移位寄存器(LFSR)和生成器多项式来编码和发送数据。它采用32/33的编码方式，将符号分为32个符号块，并在每个块中插入一个填充符号以实现发送器和接收器之间的同步。此外，FHSS还包括一个PLCP框架，用于同步发送器和接收器，并支持从1 MBit/s到0.5 MBit/s的数据速率。
- 跳频方式：FHSS通过伪随机码调制，使载波工作的中心频率不断跳跃改变，从而减少噪音和干扰信号的影响。
蓝牙和WLAN都利用了FHSS技术来提高通信的抗干扰能力和稳定性。
五、 FHSS技术在军事通信中的应用
跳频扩频(FHSS)技术在军事通信中的应用案例非常广泛，以下是几个具体的例子：
- 自愈式雷场系统：该系统采用FHSS扩频方式，中心频率为2.4GHz，带宽为83MHz。通过不断地更替载波频率来实现通信，从而提高通信的保密性和抗干扰能力。
- Racal的JAGUAR系列无线电：包括JAGUAR-H(2-30 MHz频段)、JAGUAR-V(6.4 MHz频段)和JAGUAR-U(225-400 MHz频段)，这些无线电设备采用FH-SS技术，实现伪随机跳频，跳频速率从10-20次/秒到150次/秒不等。
- Marconi Communication Systems的SCIMITAR系列无线电：包括SCIMITAR-H和SCIMITAR-V无线电，均采用了FH-SS技术，跳频速率为150次/秒。
- SINCGARS战斗网络无线电：这是美国和其他军事力量使用的战斗网络无线电，其SINCGARS-V型号支持FH-SS，跳频速率为150次/秒。
- Aselsan的9661 HF无线电和PRC/VRC 9661 863V/UHF软件定义无线电：这些设备也是军事无线电系统的一部分，采用了FH-SS技术。
- 无人机控制和数据信号传输：FH-SS技术在军事无线电利用中以模拟或数字格式传输消息，跳变速率从每秒几跳到每秒几百跳不等，能够抵抗各种形式的电子攻击，有效克服拦截、定向和干扰。
- 自组网技术：自组网技术来源于军事通信协同作战需求，并且随着世界各国军队网络中心战的转型，自组网技术被军队日渐重视，并应用于军事通信的各个方面。该系统也采用了FHSS扩频技术。
六、 FHSS技术的频谱利用率低的问题如何解决
解决或优化FHSS(频率跳跃扩频)技术的频谱利用率低的问题，可以采取以下几种方法：
- 自适应调制方案：通过周期性测量传输频段内的频谱能量密度，并根据能量含量对工作频段进行分类，识别出干扰源和/或干扰能量较低的区域。然后将理想的工作频段分配给这些区域，作为可能的频率跳跃候选区域。这种方法能够自动适应动态的干扰环境，提高频谱利用率。
- 结合OFDM系统：FHSS技术常与OFDM(正交频分复用)系统结合使用，以实现更高的频谱效率和抗干扰能力。虽然OFDM存在对多普勒偏移、载波频率和相位偏移敏感的问题，但通过这种组合可以在电池供电设备中实现最优功率利用。
- 智能优化设计：利用智能优化设计技术，如Ansys optiSLang，通过伴随求导等方法，实现对系统参数的快速调谐和优化。这种方法可以提高系统的整体性能和频谱利用率。
- 提高跳频速率：蓝牙技术采用高跳频速率的FHSS技术，能够在共用的2.4GHz频段内保证较高的通信服务质量，并提高频谱利用率。
- 远程跳频扩频（LR-FHSS） ：LR-FHSS具有强大的抗干扰和高容量特性，能够支持大量的终端节点。通过提高频谱效率来缓解数据包冲突，并拥有上行链路跳频调制功能，从而提升整体网络容量。
