丁 凱（海軍92785部隊(duì)，綏中　125208）

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基于Simulink的高速跳頻通信系統(tǒng)仿真

丁 凱
（海軍92785部隊(duì)，綏中125208）

摘 要：跳頻技術(shù)具有較強(qiáng)的抗干擾、抗噪聲，抗頻率選擇性衰減的能力和較低的誤碼率。在闡述跳頻通信基本原理和實(shí)現(xiàn)方法的基礎(chǔ)上，利用Matlab提供的可視化工具Simulink建立了跳頻通信系統(tǒng)仿真模型，詳細(xì)闡述了各模塊設(shè)計(jì)。仿真平臺可以通過提供的可視化界面設(shè)置參數(shù)，同時(shí)可以直觀地顯示收發(fā)雙發(fā)頻率的跳變、誤碼率等重要指標(biāo)。仿真結(jié)果表明，該跳頻通信系統(tǒng)工作正常，達(dá)到了預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞：跳頻通信；m序列；2FSK調(diào)制；仿真；模塊；誤碼率

1 引 言

無線電通信由于它的靈活性，常常被用作軍用通信。但傳統(tǒng)的無線電通信都是在某一固定頻率下工作的，很容易被敵方截獲或施加電子干擾，從而使這種通信方式失去“靈驗(yàn)”。跳頻通信就是針對上述傳統(tǒng)無線電通信的弊端，使原先固定不變的無線電發(fā)信頻率按一定的規(guī)律和速度來回跳變，而讓約定對方也按此規(guī)律同步跟蹤接收。

基于Matlab/Simulink所建立的跳頻擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真模型，能夠反映跳頻擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的動態(tài)工作過程，可進(jìn)行波形觀察、頻譜分析和性能分析等，同時(shí)能根據(jù)研究和設(shè)計(jì)的需要擴(kuò)展仿真模型。在完成跳頻通信干擾系統(tǒng)模型仿真的基礎(chǔ)上，對試驗(yàn)中各類干擾信號的干擾效能進(jìn)行分析，選擇適合于干擾跳頻通信的最佳干擾模式［1］。

2 跳頻通信技術(shù)

2.1跳頻系統(tǒng)的組成及原理

跳頻通信的工作原理是收發(fā)雙方傳輸信號的載波頻率按照預(yù)定規(guī)律進(jìn)行離散變化的通信方式，也就是說通信中使用的載波頻率受偽隨機(jī)變化碼的控制而隨機(jī)跳變［2］。從時(shí)域上來看，跳頻信號是一個(gè)多頻頻移鍵控信號；從頻域上來看，跳頻信號的頻譜在寬頻帶上隨機(jī)跳變［3］。與定頻通信相比，跳頻通信比較隱蔽，只要對方不清楚載頻跳變的規(guī)律，就很難截獲通信內(nèi)容。同時(shí)，跳頻通信具有良好的抗干擾能力，即使有部分頻點(diǎn)被干擾，仍能在其他頻點(diǎn)上進(jìn)行通信［4］。由于跳頻通信系統(tǒng)是瞬時(shí)窄帶系統(tǒng)，因而易于與其他的窄帶通信系統(tǒng)兼容。圖1，圖2是跳頻通信系統(tǒng)的原理圖。

圖2 跳頻通信系統(tǒng)原理圖（接收端）

發(fā)送端首先對輸入信息進(jìn)行調(diào)制，在跳頻通信系統(tǒng)中，每一次頻率跳變都會引入一個(gè)不確定的附加相移，因此選擇的調(diào)制方式必須支持非相干解調(diào)，選用2FSK調(diào)制方式。跳頻序列控制跳頻頻率表進(jìn)而控制頻率合成器產(chǎn)生頻率跳變的本振信號，已調(diào)信號對該跳頻信號進(jìn)行跳頻調(diào)制，其頻率不斷跳變，因此其抗干擾性與抗截獲性獲得極大提高。

在接收端，系統(tǒng)首先根據(jù)接收信號進(jìn)行跳頻通信系統(tǒng)的同步，同步完成之后，本地頻率合成器輸出信號的載頻與接收信號的載頻同步跳變，從而可利用該信號對接收到的跳頻信號進(jìn)行解跳，最后再對其進(jìn)行解調(diào)，便可得到發(fā)送端發(fā)送的原始信息。

2.2跳頻通信2FSK調(diào)制方式

跳頻系統(tǒng)一般采用FSK、ASK等非相干解調(diào)的調(diào)制方式，尤其以2FSK方式最為常用。圖3所示是用數(shù)字鍵控法產(chǎn)生二進(jìn)制頻移鍵控的原理圖，圖中兩個(gè)振蕩器的輸出載波受輸入的二進(jìn)制基帶信號控制，在一個(gè)碼元期間輸出f1或f2兩個(gè)載波。該方法由于使用兩個(gè)獨(dú)立振蕩器，使得信號波形的相位存在不連續(xù)現(xiàn)象，但它具有轉(zhuǎn)換速度快、波形好、穩(wěn)定度高且易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。

二進(jìn)制頻移鍵控載波的頻率受調(diào)制信號的控制，而幅度和相位保持不變。設(shè)二進(jìn)制數(shù)字信號的“1”對應(yīng)載波頻率f1，“0”對應(yīng)載波頻率f2，信息碼元的寬度記為Td，2FSK調(diào)制信號的表達(dá)式為：

s（t）=Acosω1t，0≤t≤Td（二進(jìn)制1）

Acosω2t，0≤t≤Td（二進(jìn)制0）

圖3 二進(jìn)制頻移鍵控原理圖

如對二元序列10110010，載波頻率ω1=ω2= 2Rb的波形如圖4所示。

2.3 跳頻序列的產(chǎn)生

圖4 波形對比圖

跳頻系統(tǒng)中，擴(kuò)頻碼主要用作頻率跳變的控制，其主要作用有兩點(diǎn)：一是控制頻率跳變以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻；二是在使用跳頻組網(wǎng)時(shí)可用作地址碼。

m序列是最長線性移位寄存序列，是由移位寄存器加上反饋后產(chǎn)生的，如圖5所示。

圖5 n級線性移位寄存器

a0，a1，…，an-1為移位寄存器的狀態(tài)，c0，c1，…，cn為對應(yīng)級移位移存器的反饋系數(shù)，ci為1表示連接，為0表示斷開，加法器用模2加法。線性移位寄存器的連接多項(xiàng)式為：

｛an｝=c1an-1+ c2an-2+......cna0

移位寄存器每次生成的狀態(tài)值經(jīng)過二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制，送往頻率發(fā)生器，頻率發(fā)生器根據(jù)送入數(shù)值以及電壓/頻率參數(shù)轉(zhuǎn)換成需要的頻率值。

3 建立系統(tǒng)仿真模型

3.1模型建立

快跳頻通信系統(tǒng)的Simulink仿真模型如圖6所示，包含跳頻子系統(tǒng)模塊、調(diào)制子系統(tǒng)模塊和解調(diào)子系統(tǒng)模塊。該快跳頻通信系統(tǒng)按功能可以分為六個(gè)部分：信號產(chǎn)生部分、發(fā)送部分、跳頻擴(kuò)頻調(diào)制部分、信道部分、接收部分和判決分析部分。

圖6 快調(diào)頻通信系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)模型

3.2主要模塊設(shè)計(jì)

（1）跳頻子系統(tǒng)模塊

跳頻子系統(tǒng)模塊如圖7所示。跳頻子系統(tǒng)模塊需要完成快跳頻通信系統(tǒng)的跳頻信號產(chǎn)生，并且要求設(shè)計(jì)的跳頻子系統(tǒng)模塊跳變速率要大于信息的傳輸速率。設(shè)信息傳輸速率為1bit/s，頻率的跳變速度為2h/s。跳頻子系統(tǒng)中，偽隨機(jī)碼采用偽隨機(jī)序列發(fā)生器產(chǎn)生的周期為15的m序列。m序列的設(shè)置為：生成多項(xiàng)式［1 1 0 0 1］，初始狀態(tài)［0 0 0 1］，采樣時(shí)間設(shè)為0.5，即1s產(chǎn)生兩個(gè)碼元，去控制頻率合成器每秒產(chǎn)生兩個(gè)頻率，以實(shí)現(xiàn)快跳頻通信。

圖7 跳頻子系統(tǒng)模塊仿真模型

（2）調(diào)制與解調(diào)模塊

以BPSK調(diào)制和解調(diào)為基礎(chǔ)，BFSK調(diào)制子系統(tǒng)模塊，BFSK解調(diào)子系統(tǒng)模塊分別如圖8、圖9所示。

圖8 BFSK調(diào)制子系統(tǒng)模塊仿真模型

圖9 BFSK解調(diào)子系統(tǒng)模塊仿真模型

圖9中兩個(gè)帶通濾波器分別濾出頻率為f1及f2的信號，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。

4 仿真實(shí)現(xiàn)

4.1信號生成部分

信號生成部分是利用隨機(jī)整數(shù)信號發(fā)生器（Random-integer Generator）來產(chǎn)生，該模塊的參數(shù)設(shè)置是產(chǎn)生二進(jìn)制隨機(jī)序列信號，采樣時(shí)間設(shè)為1，即1s產(chǎn)生一個(gè)碼元。它產(chǎn)生的頻率為1Hz的二進(jìn)制隨機(jī)信號，如圖10所示。

4.2信息發(fā)送部分

由信源產(chǎn)生的二進(jìn)制隨機(jī)信號先通過頻移鍵控來產(chǎn)生一個(gè)BFSK信號，如圖10中BFSK已調(diào)信號波形所示。在進(jìn)行跳頻調(diào)制時(shí)，把跳頻子系統(tǒng)模塊產(chǎn)生的信號與產(chǎn)生的BFSK信號進(jìn)行相乘（即跳頻調(diào)制），產(chǎn)生的信號波形如圖10中跳頻調(diào)制信號波形所示，然后把跳頻調(diào)制信號經(jīng)過信道發(fā)送出去。信道是疊加有加性高斯白噪聲的信道。

圖10 波形對比圖

4.3信息接收部分

在接收端首先進(jìn)行解跳，即用跳頻子系統(tǒng)模塊產(chǎn)生的跳頻信號與經(jīng)過信道后接收的跳頻調(diào)制信號進(jìn)行乘法運(yùn)算，得到的是跳頻解調(diào)信號，波形如圖10中跳頻解調(diào)信號波形所示。接著進(jìn)行BFSK的相干解調(diào)。

4.4判決部分

對解調(diào)信號的判決，是通過對上下兩支路的低頻信號進(jìn)行比較來做出判決的。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”，其余判為“0”。發(fā)送信號與最后接收信號對比如圖11所示，由于信道中疊加了噪聲，以及濾波器設(shè)計(jì)不理想等原因，使得接收信號中存在一些誤碼。

圖11 發(fā)送信號與接收信號對比圖

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6中的誤碼率計(jì)算部分，上面的輸入信號是發(fā)送端的原始信息，下面的輸入信號是接收端恢復(fù)出的信號，送入誤碼儀后完成比較，由圖可知，恢復(fù)的信號基本正確，誤碼率為0.15。

5 結(jié)束語

擴(kuò)頻通信以其較強(qiáng)的抗干擾、抗衰落、抗多徑性能而成為第三代通信的核心技術(shù)。在闡述了跳頻擴(kuò)頻通信的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法基礎(chǔ)上，利用Matlab提供的可視化工具箱Simulink建立了跳頻擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真模型。將干擾子系統(tǒng)模塊加入到該模型的信道上，可以研究跳頻通信在寬帶噪聲、連續(xù)波等不同干擾下的抗干擾性能，分析結(jié)果可以為以后更進(jìn)一步的抗干擾通信研究打下基礎(chǔ)。

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Simulation on High Speed Frequency Hopping Communication System based on Simulink

Ding Kai
（No.92785 Troops of Navy，Suizhong 125208，China）

Abstract：：Frequency-hopping technology has characteristics of anti-disturbance，anti-noise，anti-attenuation and lower bit error rate.The simulation model of frequency hopping communication system is built by means of Simulink，provided by Matlab，based on the basic principle and realization methods of frequency hopping communication.In addition，each simulation model is introduced in detail，and the parameters can be set by GUI platform parameters setting.Meanwhile，the platform can show the indexes such as transmitter and receiver frequency hopped intuitively and the bit error rate，etc.The result indicates the system can normally work and achieve the expected effect.

Key words：FH communication；M sequence；2FSK modulation；Simulation；Model；Bit error rate

DOI：10.3969/j.issn.1002-2279.2016.02.009

中圖分類號：TN941

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-2279（2016）02-0027-04

作者簡介：丁凱（1983-），男，江蘇省淮安市人，學(xué)士，工程師，主研方向：通信仿真。

收稿日期：2015-07-02