卫星通信技术（随记1）

一. 跳频技术

        跳频是一种扩频技术，发送方伪随机地在多个频率之间快速切换，接收方也同步变换，而窃听或者干扰方难以追踪。通信双方必须共享一个秘密的跳频图案。这个图案规定在具体哪个时隙使用哪个频率。

        1. 发送方原理

        当发送方要传输信息时，流程如下：

        原始信息先被调制成一个带宽较窄的基带信号，跳频控制器根据预设的跳频图案和精确时钟，指挥频率合成器在特定时刻产生特定的载波频率。基带信号通过混频器与这个快速跳变的载波频率进行混频，生成一个频率在随时间跳变的射频信号。最终发射出去的信号，其载波在很宽的频带上跳动。

        2.接收方原理

        接收方要能听得懂这些跳频信号，关键在于“同步”。

        同步捕获：接收端先通过同步头或特定的同步算法，捕获到发送端的跳频节奏和当前所处的频率点。

        本地生成：一旦同步成功，接收端的本地跳频控制器会使用相同的跳频图案和同步后的时钟，控制本地频率合成器，产生与发送端完全相同且同步的载波频率序列。

        解跳：接收到的高速跳变信号与本地的同步载波进行混频，混频后还原出原始基带信号

        解调：最后对基带信号进行解调，还原出信号中的原始信息。

        3.关键参数

        3.1 跳频频率：指每秒频率跳变的次数，单位是Hops/s，可以看作是物理信道的切换速率。

                                慢跳频——跳速低于符号速率

                                快跳频——跳速高于符号速率

        3.2 跳频带宽：指所有可用频率覆盖的总宽度，带宽越宽，抗干扰能力越强。

        3.3 换频时间：指跳频系统从一个频率切换到另一个稳定工作的频率所需的时间，通常是微秒或者毫秒级，在此期间通信双方不发射数据，也不接收有效数据。换频时间过长会影响数据的吞吐量，同时会导致收发两端失步（不再同步）。

        在这里，“跳频”中的“频”，指的就是不断地切换通信所使用的“信道”，所以跳频的形象说法就是信号频繁地在不同“通道”切换传输。

二. 通信模式

        1.调制方式

        2.编码方式

        编码的目的，是为对抗信道中的噪声和干扰，同时用来防止信息被窃取或篡改。在通信系统中，编码类型主要分为两种

        2.1 信源编码：信源编码的作用对象是原始信息本身，它要做两件事：

            （1）压缩数据：去除信息中的冗余信息

            （2）数字化：将模拟信号变为数字信号。

        经过信源编码后，数据变成了最精简的、由0和1组成的数据流。

        2.2 信道编码：信号在无线信道中传输时，会遇到干扰、衰落和噪声，导致数据比特（0变1，1变0）出错。信道编码则可以通过增加可控的冗余信息，让接收端能够发现甚至纠正这些错误，被称为“前向纠错”。 

              常见的信道编码方式：

                ①基础纠错码

                ②经典纠错码    

                 ③现代高性能纠错码

                ④级联码

• 基本原理：将两个或多个编码串联使用，结合各自的优势。

• 经典组合：RS码（外码） + 卷积码（内码） + 交织器

  • 卷积码：先处理信道的随机错误

  • 交织器：将突发错误打散成随机错误

  • RS码：利用其强大的纠突发错误能力处理残留错误

• 典型应用：旅行者号深空探测、数字电视广播

3.扩频方式

        扩频，顾名思义就是让信号所占用的频率，远大于信息本身所需要的最小带宽，扩频技术是现代抗干扰和保密通信的基石。

        为什么要将信号频谱展宽：

        （1）抗干扰：信号带宽很宽，干扰信号很难覆盖所有频段，接收端通过特殊处理，可以有效抑制窄带干扰。

        （2）低截获概率：信号能量被分散在很宽的频带上，单位频带上的功率极低，让窃听者很那察觉。

        （3）抗多径衰落：宽带信号能更好的抵抗无线通信中因反射造成的信号衰落。

三种主要的扩频方式

        4.扩频码

        扩频码是一组看似随机，实则确定的二进制序列。他在发送端用于扩展信号频谱，在接收端用于压缩信号，恢复原状。

        扩频码的特点：

        （1）伪随机性：看起来像随机噪声，但实际上是确定性的序列。收发双方都知道这个序列，但第三方难以猜出。

       （2）良好的相关性：

        自相关性强：只有和自己完全对齐时，输出峰值才很高；稍微错开一点，输出就迅速衰减。这就像只有匹配的钥匙才能打开锁。

        互相关性弱：不同码序列之间互相干扰很小。这允许多个用户在同一频段同时通信而不互相干扰（这就是CDMA的基本原理）。

     （3）平衡性：序列中0和1的数量大致相等，确保频谱特性良好。

        5. 捕获时间

       信号捕获时间就是指接收机从开始加电搜索，到成功与发射机建立同步、开始稳定接收有用信息所需要的总时长。

        信号捕获的核心，在不确定性中寻找确定性：

        1.时间不确定：发送机什么时候发送信息，接收机不知道。

        2.频率不确定：跳频系统中，信号在哪个频率上跳不知道。

        3.相位不确定：信号的起点在哪里，接收机不知道。

        信号捕获的过程，实际上就是接收机通过一些列搜索算法，快速锁定发射机信号的精确时间和频率位置。

        ①在直接序列扩频（DSSS）系统中，信号被一个高速的扩频码扩展在宽带上，接收机的任务是将本地产生的扩频码与接收信号中的扩频码在时间上对齐（找到正确的相位）。

        滑动相关法：接收机让本地的扩频码在一个时间范围内滑动，每滑动一个步进，就计算一次相关值，只有当两个码序列完全咬合，才会输出一个很高的相关峰值，标志着捕获成功。

        捕获时间：取决于扩频码长度和滑动步进的步数。

        ②在跳频系统中，因为信号在时间轴和频率轴都在快速跳动，接收机需要完成频率同步和时间同步。