章小梅，孫 倩，，危水根

(1．海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041;2．南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院，江西南昌330063)

0 引言

將直接序列擴(kuò)頻與跳頻技術(shù)相結(jié)合而構(gòu)成的混合擴(kuò)頻DS/FH(Direct Sequence＆Frequency Hopping)，是一種中心頻率在某一頻帶內(nèi)跳變的直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)。該系統(tǒng)的處理增益等于跳頻系統(tǒng)與直擴(kuò)系統(tǒng)處理增益的乘積，不僅具有低截獲、低檢測概率的特點，克服了單一擴(kuò)頻方式的不足，還能克服多徑效應(yīng)和遠(yuǎn)近效應(yīng)，并對工作在同頻段的系統(tǒng)干擾小，因此DS/FH混合擴(kuò)頻方式可大大提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力，是當(dāng)前軍事通信領(lǐng)域普遍采用的抗干擾體制。

超短波跳擴(kuò)頻電臺在我軍的裝備規(guī)模大、數(shù)量多，應(yīng)用廣泛，是海軍航空兵部隊的主戰(zhàn)通信裝備之一。因此，加強航空(對空)超短波通信系統(tǒng)抗干擾技術(shù)的研究，特別是在軍事通信領(lǐng)域的應(yīng)用研究就顯得尤為重要。文中重點研究了在掃頻干擾情況下，跳頻、擴(kuò)頻和跳擴(kuò)混合擴(kuò)頻的抗干擾性能，給出仿真結(jié)果并進(jìn)行比較，從而得出提高超短波電臺抗干擾能力的幾點結(jié)論，這對于發(fā)揮軍用超短波電臺的戰(zhàn)斗效能、提高其戰(zhàn)斗力具有重要意義。

1 模型建立及關(guān)鍵模塊

Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具?；贛ATLAB/Simulink所建立的跳擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真模型，能夠反映跳擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的動態(tài)工作過程，可進(jìn)行波形觀察、頻譜分析，尤其是對存在干擾情況下的抗干擾性能分析等，同時可根據(jù)相關(guān)研究和應(yīng)用設(shè)計的需要，進(jìn)一步擴(kuò)展仿真模型，為各類系統(tǒng)的研究和設(shè)計提供強有力的平臺［1］。

1．1 跳擴(kuò)頻模型建立

在航空(對空)通信中，一般采用基于擴(kuò)頻通信的超短波跳擴(kuò)頻電臺，它主要包括直擴(kuò)(DS)、跳頻(FH)和混合擴(kuò)頻(DS/FH)3種通信方式，每種工作方式具有各自的特點，依據(jù)電臺的工作機(jī)理，系統(tǒng)在建模時主要有以下幾點考慮:一是盡量模擬實際系統(tǒng)的特性和各種參數(shù)的變化規(guī)律;二是解決好各子系統(tǒng)之間的相互聯(lián)系和影響，使模型的結(jié)構(gòu)盡量清晰，同時保證各種工作方式下的參數(shù)設(shè)置靈活;三是模型具有良好的伸縮性，便于功能的擴(kuò)展。

基于上述考慮而搭建的基于Simulink的DS/FH混合擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真模型如圖1所示［2］。

圖1 DS/FH混合擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真模型Fig．1 Simulition model of DS－FH mixed spread spectrum communication system

對圖1中關(guān)鍵模塊的說明如下:

1)隨機(jī)整數(shù)發(fā)生器(Random Integer Generator):仿真系統(tǒng)的信源，隨機(jī)整數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生二進(jìn)制的隨機(jī)信號，采樣時間、初始狀態(tài)可自由設(shè)置，從而滿足跳擴(kuò)頻通信系統(tǒng)所需信源的要求。

2)PN序列生成器模塊(PN Sequence Generator):實質(zhì)就是一個偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器，擴(kuò)頻過程通過信源產(chǎn)生的信息碼與PN碼進(jìn)行雙極性變換后相乘加以實現(xiàn)。而解擴(kuò)過程與擴(kuò)頻過程相同，即將接收的信號用PN碼進(jìn)行第二次擴(kuò)頻處理后便實現(xiàn)解擴(kuò)。

3)通帶M－PSK調(diào)制器及通帶M－PSK解調(diào)器(M－PSK Modulator Passband＆ M－PSK Demodulator Passband):使用二相相移鍵控BPSK方式進(jìn)行調(diào)制、解調(diào)。調(diào)制由正弦載波與雙極性擴(kuò)頻碼直接相乘實現(xiàn)，采用相干解調(diào)法進(jìn)行解調(diào)。

4)跳頻信號產(chǎn)生模塊(Hopping):此模塊是根據(jù)跳頻信號產(chǎn)生的工作機(jī)理封裝的子模塊，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 跳頻子系統(tǒng)仿真模型Fig．2 Simulition model of FH subsystem

從圖2中可見，該模塊先將本地PN碼轉(zhuǎn)換成跳頻序列，然后由VCO生成本地跳頻信號。跳頻過程則通過本地跳頻信號與擴(kuò)頻后的信號相乘加以實現(xiàn)［3］。這里解跳的過程與跳頻過程相同。

5)加性高斯白噪聲信道(AWGN Channel):傳輸信道設(shè)為加性高斯白噪聲信道。在加性高斯自噪聲信道模塊中，可進(jìn)行信號功率和信噪比的設(shè)置。

6)誤碼儀(Error Rate Calculation)和BER統(tǒng)計模塊(Display):誤碼儀在通信系統(tǒng)中主要任務(wù)是評估傳輸系統(tǒng)的誤碼率，它具有兩個輸入端口和一個輸出端口:第一個輸入端口(Tx)接收發(fā)送方的輸入信號，第二個輸入端口(Rx)接收接收方的輸出信號;其輸出加到BER統(tǒng)計模塊，在該模塊上第一行表示BER(誤碼率)，第二行表示錯誤個數(shù)，第三行是仿真總位數(shù)。誤碼率反映了系統(tǒng)的抗干擾性能。

1．2 掃頻干擾模型建立

掃頻干擾［4］，即利用一個相對窄帶的信號在一定時間段內(nèi)掃描特定的較寬頻段而形成的干擾。它在掃頻時間段的某一時刻，干擾信號的頻率是固定的、且?guī)捠禽^窄的，但同時由于掃頻干擾可以在很短時間內(nèi)快速掃描一定范圍頻寬，那么在一個相對長的時間段上來看，掃頻干擾是可以等效為一個寬帶干擾。

根據(jù)掃頻干擾的定義及要達(dá)到的效果，這里采用由鋸齒波控制壓控振蕩器VCO與一定帶寬的窄帶調(diào)頻干擾相乘來實現(xiàn)，具體結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示。

圖3中，鋸齒波使得VCO的頻率f隨其幅度A而變化，而其周期T決定了VCO的頻率f變化的周期，即掃描的周期ΔT，最大頻偏Δf=f2－f1決定了干擾的頻譜寬度ΔB。

建立的仿真模型如圖3(b)所示。其中主要采用了壓控振蕩器(Continuous Time VCO)、高斯噪聲產(chǎn)生器(Gaussian Noise Generator)和三角波發(fā)生器(Repeating Sequence)等模塊，并通過設(shè)置參數(shù)使三角波發(fā)生器輸出為鋸齒波。

圖3 掃頻干擾產(chǎn)生結(jié)構(gòu)及仿真模型Fig．3 Frequency－sweeping jamming structure and simulition model

2 系統(tǒng)仿真運行

在掃頻干擾下分別對三種擴(kuò)頻系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，對直擴(kuò)最優(yōu)頻譜擴(kuò)展倍數(shù)、跳頻最優(yōu)跳速和跳擴(kuò)最佳頻譜擴(kuò)展倍數(shù)與跳速的結(jié)合進(jìn)行了選擇，并進(jìn)一步選取適當(dāng)參數(shù)對三種擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗掃頻干擾性能進(jìn)行了比較。

2．1 仿真條件說明

為了減少仿真的計算數(shù)據(jù)量，提高仿真的效率，本仿真模型的性能分析基于中頻進(jìn)行，在發(fā)送端，信號源都采用二進(jìn)制隨機(jī)數(shù)，發(fā)送速率為100 b/s;擴(kuò)頻碼長為255 bit。而在接收端，解擴(kuò)和解調(diào)的參數(shù)設(shè)置與發(fā)送端相應(yīng)模塊相同。另外，將仿真時間設(shè)置為10 s，掃頻周期設(shè)置為1 s，掃頻頻率設(shè)置為0～10 kHz。

2．2 仿真結(jié)果與比較

2．2．1 直擴(kuò)系統(tǒng)不同擴(kuò)頻增益的比較

對直擴(kuò)系統(tǒng)在不同頻譜擴(kuò)展倍數(shù)(即擴(kuò)頻增益)下的誤碼率進(jìn)行比較，其仿真結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，當(dāng)信噪比小于5 dB時，三種情況下的誤碼率曲線基本重合;而當(dāng)信噪比大于5 dB時，頻譜擴(kuò)展倍數(shù)越大，曲線下降速度越快。

圖4 直擴(kuò)系統(tǒng)不同頻擴(kuò)頻增益下的誤碼率比較Fig．4 Comparison of BER with different spreading gains for DS system

2．2．2 跳頻系統(tǒng)不同跳速比較

對跳頻系統(tǒng)在不同跳速下的誤碼率進(jìn)行比較并繪出誤碼率曲線，如圖5所示。由圖5可以看出，跳速為400 h/s與800 h/s的誤碼率曲線基本重合;跳速為600 h/s時的誤碼率曲線下降速度最快。

圖5 跳頻系統(tǒng)不同跳速下的誤碼率比較Fig．5 Comparison of BER with different hop rates for FH system

2．2．3 混合擴(kuò)頻的比較

對于DS/FH混合擴(kuò)頻系統(tǒng)，仿真了在相同跳速、不同頻譜擴(kuò)展倍數(shù)下的誤碼率并做比較，具體如圖6所示。在圖6中可見，頻譜擴(kuò)展10倍時的誤碼率曲線下降速度最快，且當(dāng)信噪比接近10 dB時，誤碼率達(dá)到0;其次是頻譜擴(kuò)展50倍時的誤碼率曲線，且當(dāng)信噪比大于10 dB時，下降速度進(jìn)一步加快;頻譜擴(kuò)展100倍時的誤碼率曲線下降速度最慢。

圖6 DS/FH系統(tǒng)相同跳速、不同擴(kuò)頻增益的誤碼率比較Fig．6 Comparison of BER with same spreading gain and different hop rates for DS/FH system

同時，對于DS/FH混合擴(kuò)頻系統(tǒng)，還仿真了在不同跳速、相同頻譜擴(kuò)展倍數(shù)下的誤碼率，比較后的誤碼率曲線如圖7所示。從圖7可以看出，跳速400 h/s與800 h/s的誤碼率曲線下降速度緩慢，誤碼率較高;跳速600 h/s的誤碼率曲線在信噪比為10 dB時下降速度加快，當(dāng)信噪比接近20 dB時，誤碼率達(dá)到0。

圖7 DS/FH系統(tǒng)相同擴(kuò)頻增益、不同跳速的誤碼率比較Fig．7 Comparison of BER with same hop rate and different spreading gains for DS/FH system

2．2．4 三種擴(kuò)頻方式抗掃頻干擾性能

為進(jìn)一步比較不同工作方式下，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)抗掃頻干擾的能力，選擇系統(tǒng)分別工作在DS、FH和DS/FH方式下誤碼率較小的三種情況，進(jìn)行比較后如圖8所示。從圖8中可以看出，三條誤碼率曲線的下降速度基本相同，但在相同的信噪比之下，跳擴(kuò)頻方式下的誤碼率明顯小于其他兩種方式。

圖8 三種擴(kuò)頻方式抗掃頻干擾的誤碼率比較Fig．8 Comparison of BER with frequency sweeping jamming for three spread spectrum forms

對于跳擴(kuò)頻通信方式抗掃頻干擾的性能還通過變化掃頻干擾的參數(shù)，計算反映擴(kuò)頻系統(tǒng)抗干擾能力的另一個重要指標(biāo)——干擾容限［6］進(jìn)行研究。干擾容限MJ是指擴(kuò)頻通信系統(tǒng)能夠在多大干擾環(huán)境下進(jìn)行正常工作的能力，定義為:

式中，Gp為擴(kuò)頻增益，(S/N)0為擴(kuò)頻通信能穩(wěn)定運行情況下信噪比輸出的最小值，Ls為接收機(jī)的自身的干擾和消耗。

我們知道，影響掃頻干擾性能的主要參數(shù)有掃頻周期ΔT，掃頻帶寬ΔB以及掃描頻率f。假設(shè)接收機(jī)自身的干擾和消耗為3 dB，現(xiàn)要求系統(tǒng)誤碼率小于0．2。在保證系統(tǒng)誤碼率為0．2的情況下，分別改變掃頻干擾的三個主要參數(shù)，那么通過式(1)計算可得在三個參數(shù)下，不同擴(kuò)頻方式的干擾容限MJ，如表1所示。

表1 三種擴(kuò)頻方式干擾容限對比Table 1 Comparison of interferenc tolerances for three spread spectrum forms

在表1中，干擾容限數(shù)值的單位為 dB。觀察表1可以發(fā)現(xiàn)，無論掃頻干擾的哪一個參數(shù)變化，跳擴(kuò)頻混合方式的干擾容限均是三種擴(kuò)頻方式中最大的，也就是說抗掃頻干擾的能力最強;同時也反映出擴(kuò)頻方式抗掃頻干擾的能力最弱。

3 結(jié)語

文中利用Matlab/Simulink平臺搭建了DS/FH混合擴(kuò)頻系統(tǒng)仿真模型及掃頻干擾模型，討論了在掃頻干擾下三種擴(kuò)頻系統(tǒng)最佳參數(shù)的選取，并進(jìn)一步比較了三種擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗掃頻干擾性能。

仿真發(fā)現(xiàn)，在大信噪比條件下，直擴(kuò)系統(tǒng)頻譜擴(kuò)展倍數(shù)越高，抗掃頻干擾能力越強;在其它參數(shù)一定的情況下，跳頻系統(tǒng)并不是跳速越高，抗掃頻干擾性能越好，故在電臺實際使用中，應(yīng)該根據(jù)干擾形式合理選擇跳速;對于跳擴(kuò)頻系統(tǒng)，并不是擴(kuò)頻頻譜擴(kuò)展倍數(shù)越大、跳頻的跳速越高，抗掃頻干擾能力越強，故在跳擴(kuò)頻電臺的使用中，應(yīng)該合理選擇頻譜擴(kuò)展倍數(shù)與跳速，尋求二者的最佳結(jié)合點;另外，在相同的信噪比之下，跳擴(kuò)頻的抗掃頻干擾性能最優(yōu);通過三種擴(kuò)頻方式干擾容限的對比，進(jìn)一步說明了跳擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗掃頻干擾性能最好。

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