摘 要：主要介紹了快跳頻通信系統(tǒng)的工作原理，采用m序列作為偽隨機(jī)序列，并用它來控制頻率合成器產(chǎn)生跳頻頻率，在此基礎(chǔ)上完成了一個(gè)完整的快跳頻通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并采用Matlab中的Simulink軟件對這個(gè)快跳頻通信系統(tǒng)進(jìn)行了仿真和分析。

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關(guān)鍵詞：快跳頻通信； m序列； 擴(kuò)頻通信； 同步

中圖分類號(hào)：

TN914.434； TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004373X(2012)05

0022

03

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Simulation of frequency hopping communication system

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GAOBaohua， ZHANG Tao， ZHAO Yuangfang， AN Wen

(PLA Unit of 61618， Beijing 102102， China)

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Abstract：

The principle of frequency hopping communication system is introduced. In the thesis， m sequence was adopted to control frequency synthesis to produce frequency， on this basis， an integrated scheme of fast frequency hopping system was designed， and Simulink in Matlab was adopted to simulate and analyze the progress of the FFH system.

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Keywords：

fast frequency hopping communication； m sequence； spread spectrum communication； synchronization

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收稿日期：20111021

0 引 言

跳頻擴(kuò)頻的原理是使偽隨機(jī)序列控制被數(shù)據(jù)調(diào)制的載波中心頻率以一定的速率和順序在一組頻率中隨機(jī)地跳動(dòng)，接收端則以相應(yīng)的速度和順序接收并解調(diào)。在跳頻系統(tǒng)中，跳頻頻率的選擇是用偽隨機(jī)碼來實(shí)現(xiàn)的，且跳頻通信的幾十個(gè)甚至上千個(gè)頻率由所傳信息與偽隨機(jī)碼的組合進(jìn)行控制。由于系統(tǒng)的工作頻率在不停的跳變，在每個(gè)頻點(diǎn)上停留的時(shí)間僅為毫秒或微秒級(jí)。

跳頻通信系統(tǒng)的頻率跳變速度反映了系統(tǒng)的性能，好的跳頻系統(tǒng)每秒的跳頻次數(shù)可以達(dá)到上萬跳［1］。根據(jù)跳頻速率的快慢，可把跳頻系統(tǒng)分為快跳頻和慢跳頻?？焯l是指一次發(fā)射信號(hào)期間有不止一個(gè)頻率跳變，即跳頻速率大于信息速率；反之稱為慢跳頻。慢跳頻系統(tǒng)成本低，易實(shí)現(xiàn)，常用于各類民用系統(tǒng)，以提高通信質(zhì)量和信道利用率［2］?？焯l系統(tǒng)與慢跳頻系統(tǒng)相比，具有更強(qiáng)的抗干擾、抗截獲和人為阻塞能力，在軍事通信上具有極大的優(yōu)越性。

1 跳頻通信的工作原理

如圖1所示，快跳頻通信系統(tǒng)(FFH)是一個(gè)用戶的載波頻率按某種跳頻圖案(偽隨機(jī)調(diào)頻序列)在很寬的頻帶范圍內(nèi)跳變的通信系統(tǒng)。

信息信號(hào)經(jīng)過波形調(diào)制(信息調(diào)制)后，送入載波調(diào)制。載波由跳變序列(偽隨機(jī)序列)控制跳變頻率合成器來產(chǎn)生，其頻率隨跳頻序列的值的改變而改變，因此，載波首先被跳變序列調(diào)制，稱作跳頻調(diào)制。頻率合成器受跳頻序列控制，當(dāng)跳頻序列值改變一次時(shí)，載波頻率跳變一次。信號(hào)經(jīng)過載波調(diào)制后形成跳頻信號(hào)［3］。

在發(fā)送端，跳頻調(diào)制采用偽隨機(jī)碼序列和多進(jìn)制頻移鍵控相結(jié)合的方式，即在發(fā)送端采用一個(gè)偽隨機(jī)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)偽隨機(jī)序列，用它去控制頻率合成器的輸出頻率，使之按偽隨機(jī)方式從2n－1個(gè)頻率的集合中選取發(fā)送頻率，這樣得到的信號(hào)就是跳頻信號(hào)。

在接收端，為了解調(diào)出跳頻信號(hào)，需要一組與發(fā)送端相同的本地偽隨機(jī)序列發(fā)生器，去控制本地頻率合成器，產(chǎn)生一列與發(fā)射信號(hào)差一個(gè)中頻頻率的跳頻信號(hào)，且速率相同、起止一致。這樣，跳頻信號(hào)在混頻器中與接收信號(hào)差頻出一個(gè)不跳變的中頻解跳信號(hào)，在經(jīng)中頻窄帶濾波器后，把不需要的干擾抑制掉，再由信息解調(diào)器恢復(fù)出有用的原始數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)了快跳頻通信。

2 快速跳頻通信系統(tǒng)的Simulink仿真

Simulink是Matlab中的一個(gè)建立系統(tǒng)方框圖和基于方框圖級(jí)的系統(tǒng)仿真環(huán)境，使用Simulink可以更加方便地對系統(tǒng)進(jìn)行可視化建模，并進(jìn)行基于時(shí)間流的系統(tǒng)級(jí)仿真，并且仿真結(jié)果可以近乎“實(shí)時(shí)”地通過可視化模塊，如示波器模塊等顯示出來，使得系統(tǒng)仿真工作大為方便［2］，同時(shí)，Simulink使得用戶可以用鼠標(biāo)操作將一系列可視化模塊連接起來，避免了編寫Matlab仿真程序，簡化了仿真建模過程。

仿真設(shè)計(jì)中，在首先設(shè)計(jì)好的2FSK的調(diào)制與解調(diào)基礎(chǔ)上，再把設(shè)計(jì)的快跳頻子系統(tǒng)模塊添加上去，經(jīng)過進(jìn)一步的調(diào)試，最終確定。快跳頻通信系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)圖如圖2，圖3所示。

在圖2中可以看到，該快跳頻通信系統(tǒng)按功能可以劃分為五個(gè)部分：信號(hào)生成部分、發(fā)送部分、跳頻調(diào)制部分、接收部分和判決部分。

信號(hào)生成部分是利用隨機(jī)整數(shù)信號(hào)發(fā)生器(Randominteger Generator)來產(chǎn)生，該模塊的作用是產(chǎn)生二進(jìn)制隨機(jī)序列信號(hào)，采樣時(shí)間設(shè)為1，即1 s產(chǎn)生一個(gè)碼元。它產(chǎn)生的是頻率為1 Hz的二進(jìn)制隨機(jī)信號(hào)［45］。

由信源產(chǎn)生的二進(jìn)制隨機(jī)信號(hào)先通過頻率鍵控來產(chǎn)生一個(gè)2FSK信號(hào)(發(fā)送“1” 所用的載波頻率為f1=1 Hz；發(fā)送“0”所用的載波頻率為f2=3 Hz)，在進(jìn)行跳頻調(diào)制時(shí)，如圖4的跳頻子系統(tǒng)，把跳頻子系統(tǒng)模塊產(chǎn)生的信號(hào)與產(chǎn)生的2FSK信號(hào)進(jìn)行相乘(即跳頻調(diào)制)，然后把跳頻調(diào)制信號(hào)經(jīng)過信道發(fā)送出去。為了仿真的真實(shí)性，信道是疊加有加性高斯白噪聲的信道。

在接收端首先進(jìn)行解跳，即用跳頻子系統(tǒng)模塊產(chǎn)生的跳頻信號(hào)與經(jīng)過信道后接收的跳頻調(diào)制信號(hào)進(jìn)行乘法運(yùn)算，得到的是跳頻解調(diào)信號(hào)。接著進(jìn)行2FSK的相干解調(diào)，仿真結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。圖中的兩個(gè)帶通濾波器分別濾出頻率為f1及f2的信號(hào)，它們的輸出分別與相應(yīng)的相干載波相乘，再分別經(jīng)過低通濾波器提取出含有基帶數(shù)字信息的低頻信號(hào)。

對解調(diào)信號(hào)的判決，是通過對上下兩支路的低頻信號(hào)進(jìn)行比較來作出判決的。該判決部分由常數(shù)發(fā)生器、一個(gè)比較器以及誤碼率計(jì)算部分構(gòu)成。比較器將碼元的相關(guān)峰值與門限值比較，若相關(guān)峰大于門限則該碼元判為“1”，其余的均判為“0”。設(shè)上支路信號(hào)為X1(t)，下支路信號(hào)為X2(t)，當(dāng)X1(t)大于X2(t)時(shí)，判為“1”；當(dāng)X1(t)小于X2(t)時(shí)，則判為“0”。

誤碼率的計(jì)算過程是由一個(gè)誤碼儀來實(shí)現(xiàn)的。它將發(fā)送端的信息碼元經(jīng)過一定延遲后與接收端恢復(fù)出的碼元進(jìn)行比較，若兩者不同則認(rèn)為碼元傳輸錯(cuò)誤，最后將誤碼個(gè)數(shù)除以總的傳輸碼元個(gè)數(shù)，即得到誤碼率。在圖2中的誤碼率計(jì)算部分，上面的輸入信號(hào)是發(fā)送端的原始信息，下面的輸入信號(hào)是接收端恢復(fù)出的信號(hào)，送入誤碼儀以后完成比較、統(tǒng)計(jì)和圖形用戶界面的生成。從誤碼率計(jì)算的顯示模塊可以看到該快跳頻通信系統(tǒng)的誤碼率為0.05。

快跳頻通信是指頻率的跳變速度大于信息傳輸速率的通信系統(tǒng)。在本次設(shè)計(jì)中，為了便于觀察各點(diǎn)信號(hào)，特設(shè)信息的傳輸速率為1 b/s，頻率的跳變速度為2 h/s。在跳頻子系統(tǒng)中， 跳頻信號(hào)的產(chǎn)生過程：PN Sepuence Generator產(chǎn)生采樣周期為0.5，周期為15個(gè)碼元的m序列。通過Buffer將單列的二進(jìn)制序列編排為2列二進(jìn)制數(shù)，通過Bit to Integer Converter后變?yōu)檎麛?shù)。通過初值設(shè)為2的Unbuffer及ZeroOrder Hold(采樣時(shí)間設(shè)為0.1)后，偽隨機(jī)序列發(fā)生器產(chǎn)生的二進(jìn)制序列變成了與之相應(yīng)的整數(shù)，饋送到VCO的控制輸入端。

上面只是簡單地介紹了跳頻系統(tǒng)的各個(gè)仿真模塊，在實(shí)驗(yàn)中各個(gè)模塊的信號(hào)良好，充分驗(yàn)證了跳頻系統(tǒng)仿真模塊的正確性。因?yàn)槠仍?，這里沒有把各個(gè)節(jié)點(diǎn)處的信號(hào)圖貼出來，只是簡單地介紹了一下跳頻系統(tǒng)的Simulink仿真結(jié)構(gòu)圖。

3 結(jié) 語

本文主要對快速跳頻通信進(jìn)行了仿真研究，并對快速跳頻系統(tǒng)的基本模塊和關(guān)鍵模塊進(jìn)行了分析和仿真，在接收端，經(jīng)過解跳、相干解調(diào)后，進(jìn)行判決恢復(fù)，試驗(yàn)中恢復(fù)的信號(hào)基本正確。當(dāng)然，由于系統(tǒng)中疊加有噪聲，各種濾波器的設(shè)計(jì)存在一定的缺陷使得濾波特性不理想，以及仿真圖中有些部件的參數(shù)設(shè)置存在誤差等原因，在最終的判決恢復(fù)時(shí)，使得恢復(fù)序列存在一些誤碼。這也是這次快跳頻通信系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)中需要進(jìn)一步完善的地方。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡介：

高寶華 男，1986年出生，江蘇連云港人，工學(xué)碩士。主要研究方向?yàn)闇y試計(jì)量技術(shù)、信號(hào)處理。

(上接第21頁)

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡介：

胡曉晴 女，1987年出生，河南商丘人，碩士研究生。主要研究領(lǐng)域?yàn)轭l率選擇表面的設(shè)計(jì)、隱身天線罩的電氣性能研等。

夏同生 男，副教授，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)榧{米器件、微納米尺度下的量子輸運(yùn)研究、集成電路的設(shè)計(jì)等。

唐光明 男，博士研究生。主要研究方向?yàn)轭l率選擇表面的電磁計(jì)算等。

董金明 男，教授，博士生導(dǎo)師。長期從事隱身天線罩及頻率選擇表面的設(shè)計(jì)，同時(shí)對數(shù)字信號(hào)處理和硬件設(shè)計(jì)方面均有深入的研究。