近日，在2024年世界移動通信大會上，國內(nèi)某科技公司發(fā)布了一款新的光貓。該產(chǎn)品不僅支持最新Wi-Fi 7，還能連接起整個家庭的智能家居網(wǎng)絡(luò)，隨即在網(wǎng)上引發(fā)廣泛關(guān)注，被網(wǎng)友稱為“一只擁有三頭六臂的貓”。
近年來，智能家居網(wǎng)絡(luò)備受矚目。其憑借基于新型自適應(yīng)無線跳頻技術(shù)所構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，成功突破了多項技術(shù)難題。
跳頻技術(shù)的魅力還遠不止于此。不論是民用還是軍用，只要涉及現(xiàn)代信息通信領(lǐng)域，Wi-Fi、藍牙、CDMA、雷達、電臺……幾乎所有人們熟知的現(xiàn)代無線通信技術(shù)，都離不開“跳頻”二字。歷經(jīng)80多年的發(fā)展，跳頻技術(shù)給人類社會帶來哪些重要影響？又將怎樣掀起萬物互聯(lián)的浪潮？
無線通信是利用電磁波信號可以在自由空間中傳播的特性，進行信息交換的一種通信方式。早期的無線通信單次只能在一個頻道上傳輸，這就導(dǎo)致在日常使用無線通信的時候容易出現(xiàn)頻帶擁擠的現(xiàn)象。比如，自家車庫門遙控器有時會向鄰居家的車庫門發(fā)出信號，或者是自己的手機投屏到了鄰居家的電視上。在戰(zhàn)場上，單一頻道的信息傳輸也使得敵方很容易實施電磁噪聲干擾。因為無線通信有著種種不便之處，擴頻通信以及其衍生的無線電跳頻技術(shù)應(yīng)運而生。
擴頻通信，即擴展頻譜通信技術(shù)。顧名思義，指的是傳輸信息所用信號的帶寬遠大于信息本身的帶寬。跳頻技術(shù)則是擴頻通信的其中一種實現(xiàn)手段，使信號在收發(fā)過程中，收發(fā)兩端信號頻率必須不斷發(fā)生同步跳變才能夠保持通信。這項技術(shù)使得信號在傳遞過程中能夠提高頻譜利用率，較好地解決頻帶擁擠問題，同時實現(xiàn)抗干擾、防竊聽的目的。
海蒂拉瑪在大學(xué)時代主攻的是通信。在與她的軍火商丈夫的婚姻生活中，海蒂拉瑪掌握了大量無線電、擴頻通信、魚雷等相關(guān)技術(shù)知識，并由此萌生了研究基于無線電控制的魚雷抗干擾問題的想法。這為她后來發(fā)明跳頻技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。1940年，受到鋼琴同步自動演奏的啟發(fā)，海蒂拉瑪將這一原理創(chuàng)造性地應(yīng)用到控制魚雷電信號頻率上，最早的無線電跳頻技術(shù)就此誕生了。
海蒂拉瑪?shù)倪@項技術(shù)由兩個“姊妹系統(tǒng)”組成。一個系統(tǒng)上設(shè)置了88個隨機頻道，系統(tǒng)通過一定規(guī)律使得收發(fā)船舶和魚雷之間的同步可變波長無線個頻道上跳變，同時確保船舶上的發(fā)射機和魚雷上的接收機能夠同步實現(xiàn)跳頻，就像兩臺自動演奏的鋼琴同時按下同一個鍵從而發(fā)出相同的聲音一樣。另一個系統(tǒng)則用于控制跳變頻率的最小廣播時長裝置，依靠無線電靜默時段的短暫爆發(fā)來大幅縮短傳遞信號的時長，這使得基于這項技術(shù)操控的無線電信號難以被敵方截獲或干擾。
海蒂的跳頻方式在當時已經(jīng)能夠很好地滿足信息加密的需求。隨著時代發(fā)展，人們又陸續(xù)設(shè)計出更加復(fù)雜的跳頻方式，如混沌跳頻序列、自適應(yīng)跳頻甚至混合跳頻等。基于跳頻的思想，跳變的對象也從載波頻率拓展到數(shù)據(jù)的傳輸時隙……這些改變與發(fā)展進一步增加了信息的安全性，從而更好地滿足了信息保密需求。
跳頻技術(shù)最初并沒能像發(fā)明人設(shè)想的那樣，用到魚雷上，而是一直被用于制造防堵塞聲吶浮標以及伴隨飛機的跳頻無線年代末，跳頻技術(shù)被廣泛運用到軍隊計算機芯片中。后來，這項技術(shù)及其原理也啟發(fā)著科學(xué)家們將其擴展到其他領(lǐng)域，如無線電話、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議等。如今，從手機到衛(wèi)星定位系統(tǒng)，這些信息通信技術(shù)的背后，都有跳頻技術(shù)的影子。
跳頻技術(shù)為什么能夠成為大部分信息通信技術(shù)的基石呢？究其原因，有以下幾點。
瞬息萬變，來去無影。跳頻通信抗干擾的機理類似于“打一槍換一個地方”的策略。一方面，載波頻率在跳變時依循的是事先設(shè)定好的“偽隨機序列”。這種序列周期長、隨機性高，如果沒有掌握序列規(guī)律，就會顯得雜亂無章，讓人難以捉摸。另一方面，跳變的頻率成千上萬且切換速度快，即便在某一頻率上或某幾個頻率上施放長時間的干擾也無法對信號產(chǎn)生有效影響。由于頻率跳變速率高，調(diào)頻系統(tǒng)從宏觀的層面上看就像是一段拓寬了的頻譜帶，也就是寬帶。大帶寬換取的是更好的信噪比。在擴展了頻帶之后，信息不僅可以在較低信噪比下正常進行傳遞，還能借此隱匿于噪聲之中，就像披上了“隱身衣”一樣，不露痕跡地保持可靠的通信。
一帶千碼，擴洼成洋。隨著無線傳輸?shù)钠占?，頻譜資源變得愈發(fā)寶貴。在無線通信普及的初期，用戶常常會遇到網(wǎng)絡(luò)堵塞帶來的問題。比如在10多年前，我國每到除夕夜就會因短信在短時內(nèi)過量發(fā)送而導(dǎo)致信息擁堵。從本質(zhì)上看，這正是由頻帶擁擠所引起的。為了防止這類情況發(fā)生，提高頻譜利用率也就成了現(xiàn)代通信的基本要求之一。跳頻通信就像二維碼一樣，可以在載波頻率和傳輸時隙上應(yīng)用千變?nèi)f化的跳頻圖案，從而在一定帶寬內(nèi)允許多個跳頻通信系統(tǒng)同時運行，大大節(jié)省了頻譜資源空間。
當然，跳頻通信也并非“無解”，跟蹤式干擾乃是它的“頭號天敵”。以其戰(zhàn)場應(yīng)用為例，在作戰(zhàn)過程中，一方可以通過使用某種偵察接收機對另一方發(fā)出信號進行偵聽，破解其所使用的跳頻圖案后，就能夠迅速以相同的跳頻圖案進行跟蹤式干擾?，F(xiàn)有的偵察接收機對一定跳速下的跳頻圖案截獲概率目前已非常高。為了應(yīng)對這種情況，跳頻信號的駐留時間就應(yīng)當盡可能縮短，不讓偵察接收機有“可乘之機”。
自20世紀70年代末出現(xiàn)第一臺超短波跳頻電臺，到如今每秒幾千跳的高速跳頻系統(tǒng)，問世幾十年來，跳頻通信在軍事領(lǐng)域大放光彩。跳頻通信被視為制造軍事通信設(shè)備和進行信息戰(zhàn)、電子戰(zhàn)的一項不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。
在軍事通信方面，跳頻技術(shù)保證了通信的機密性、穩(wěn)定性。如果把軍事通信系統(tǒng)比作戰(zhàn)場信息傳輸?shù)募~帶，那么跳頻技術(shù)就是將紐帶兩端牢牢握緊的手?？扑魑謶?zhàn)爭中，盡管北約使用了最先進的電子戰(zhàn)手段、最先進的隱形戰(zhàn)機和巡航導(dǎo)彈，但南斯拉夫聯(lián)盟的指揮中心仍然和武裝部隊保持著密切聯(lián)系，其中一個重要原因，就是南斯拉夫聯(lián)盟信息系統(tǒng)的跳頻通信技術(shù)發(fā)揮了重要作用。
縱觀軍事通信領(lǐng)域的光纖網(wǎng)絡(luò)、無線局域網(wǎng)、無線通信、衛(wèi)星通信、水下通信等技術(shù)手段，無不以跳頻技術(shù)為托底。當前美軍所使用的數(shù)據(jù)鏈終端——“MIDS”多功能信息分發(fā)系統(tǒng)就應(yīng)用了以快速跳頻技術(shù)為主的電子戰(zhàn)防護技術(shù)；而基于跳頻等技術(shù)所研發(fā)的AN/PRC系列便攜式通信設(shè)備，更是對傳統(tǒng)電臺的“降維打擊”。
在電子對抗方面，跳頻技術(shù)不僅可以用來抗干擾，更能基于其抗干擾的優(yōu)良特性為信息干擾系統(tǒng)保駕護航。憑借跳頻技術(shù)實現(xiàn)“隱身”的遠程對空搜索雷達，能夠?qū)Υ蠓秶鷥?nèi)的空中目標進行跟蹤與搜索；有了跳頻技術(shù)為屏障，電子戰(zhàn)飛機在執(zhí)行雷達干擾、通信干擾、摧毀敵防空、電子監(jiān)視和信號情報偵察等任務(wù)時更加如魚得水……在偵察和反偵察、干擾與抗干擾的角力之中，跳頻技術(shù)不僅是“固盾之材”，更是“利矛之鋼”。
跳頻技術(shù)在軍事領(lǐng)域中扮演著關(guān)鍵角色的同時，也在民用領(lǐng)域掀起了信息化巨浪。
20世紀八九十年代，“無線革命”興起。數(shù)字蜂窩、移動通信、藍牙系統(tǒng)、無線局域網(wǎng)等新興通信方式為了擴大用戶群、優(yōu)化通信體驗，亟須解決頻帶擁擠問題。于是，跳頻技術(shù)順理成章開始向民用通信領(lǐng)域進軍。據(jù)了解，在移動通信領(lǐng)域采用了跳頻及擴頻碼分多址技術(shù)后，其通信容量提高了20倍之多；在廣播領(lǐng)域，原先一個調(diào)頻電臺只能傳送一個單聲道和一個立體聲節(jié)目，在采用了跳頻技術(shù)后，同時傳送75個立體聲調(diào)頻節(jié)目變得輕而易舉……
跳頻技術(shù)對頻譜資源的極大拓寬，使得萬人乃至萬物互聯(lián)不再遙不可及。藍牙、Wi-Fi等這些需要被大量使用的信息技術(shù)，都是在擴展了頻譜資源、保證了通信不會頻繁紊亂的前提下開發(fā)使用的。可以預(yù)見的是，在未來，“無線辦公室”“無線城市”等基于跳頻技術(shù)的新興事物也將變?yōu)楝F(xiàn)實。
雖然當前跳頻技術(shù)的理論和應(yīng)用都已經(jīng)相當成熟，我們?nèi)钥筛Q見其巨大的進步空間和發(fā)展?jié)摿?。受到元器件、解編碼技術(shù)等多重因素的制約，跳頻在速率上和方法上仍然存在著發(fā)展瓶頸。為此，跳頻技術(shù)將瞄準高速化、融合化、智能化等方向持續(xù)深入發(fā)展。在未來，跳頻技術(shù)會隨著信息技術(shù)的進一步突破而常用常新。（宋可旸 許凌馨 楊龍霄）