当你戴着蓝牙耳机听着歌曲走进人山人海的商场，是不是会发现原先流畅播放的歌曲时断时续；这是为什么呢？答案就在于我们的蓝牙设备通信频段与WiFi通信频段有所重叠，因此在无线设备使用较多的环境中，可能会出现蓝牙连接或网络连接不稳定的情况。

图1 通信网络的日益复杂（图片来源于网络）

    随着通信频谱越来越拥挤、通信环境越来越复杂，用户间互相干扰、通信信息泄露的可能性越来越大，通信的稳定性和安全性面临日益严峻的挑战。扩频通信为提升通信的稳定性、安全性提供了可行的解决方案。 

跳频技术是最常用的扩频方式之一，其原理可以描述为通信收发双方的传输信号在一组预先约定的频率上按规定的顺序同步地跳变，从而实现通信。由于跳频通信的载波频率在一个很宽的频段范围内按照随机的、只有授权接收方已知的规律跳变，因此具有很高的抗截获能力、抗干扰能力，被广泛应用于保密通信、电台、数字蜂窝移动通信、无人机通信等众多领域。

    跳频通信的跳频范围越大、跳频速度越快，其抗截获和抗干扰能力越强，通信的稳定性和安全性越高。然而受制于电子瓶颈和系统调谐速度等因素，难以同时实现大的跳频范围和高的跳频速度，同时，跳频同步也面临挑战。

    为了提升跳频通信的抗干扰、抗截获性能，同时实现大频率范围、快速的跳频接收，上海交通大学吴龟灵教授课题组提出了基于微波光子一体化信号处理与数字化的快速、大范围跳频接收方法。该方法利用微波光子的大带宽和光开关的快速切换特性，通过光波形整形能够实现跳频范围达到调制器工作带宽、跳频切换速度达到光开关切换速度的跳频信号的数字化接收。

    实验演示了对跳频范围达33 GHz、频率切换速度为4 ms的跳频信号的数字化接收。实验装置如图2所示，通过高速光开关切换改变干涉臂的长度差，快速调整光脉冲的外形。随着光脉冲外形的变化，接收系统的频率响应也会随之改变。当光开关的不同状态对应的系统频率响应中心频率与输入的跳频信号的载波频率同步时，利用图2所示的系统即可实现快速、大范围的跳频接收。

图2 基于微波光子一体化信号处理与数字化系统的快速、大范围跳频接收装置示意图

    在实际的跳频应用中，收发双方事先仅仅约定好使用的跳频图案，但是通信开始的时间是随机的。因此为了实现实际跳频接收，还需要设计自动同步捕获方案，使得利用图2所示的跳频接收系统能够自动从接收的跳频信号中提取时间信息并调整本地的跳频时序，实现跳频同步与通信。

为了发挥基于一体化微波光子信号处理与数字化系统的快速、大范围跳频接收方案的特性，设计了基于直接功率探测-顺序搜索同步搜索算法，利用FPGA控制并调整本地接收跳频图案的时序，实验实现了切换速度约4 ms、跳频范围9-33 GHz的跳频信号的自动同步捕获与接收（如图3所示）。该工作解决了基于微波光子一体化信号处理与数字化的快速、大范围跳频接收方案的同步捕获问题，可有力促进系统向实际应用的发展。

图3 跳频接收实验结果。(a)在实现同步捕获的情况下，光开关的不同状态对应的一体化信号处理响应；(b)采样率250 MS/s，实现同步捕获的情况下，对每4 ms切换一次频率的33.17 GHz/9.45 GHz跳频信号的接收结果

      研究表明，基于一体化微波光子信号处理与数字化原理构造跳频接收机具备同时实现大频率跳变范围和快的跳频速度，显著提升跳频通信的抗干扰和抗截获性能，为更复杂条件下、安全性要求更高的通信提供有效解决途径。团队后续将结合微波光子等技术的研究进展，进一步研究提升所提跳频接收机的综合性能，开展快速、大范围跳频接收的应用研究，与信号发射、时钟同步、雷达探测等结合，探索和推动在相关领域的应用。