郭東軒++朱燕++王慶春

摘 要：跳頻通信技術(shù)具有較強(qiáng)的抗干擾性能和優(yōu)良的組網(wǎng)能力，是擴(kuò)頻通信中的重點(diǎn)技術(shù)，是戰(zhàn)術(shù)通信領(lǐng)域應(yīng)用最廣的抗干擾方法，提高軍事裝備的抗干擾能力。本文在闡述跳頻通信原理的基礎(chǔ)上，基于MATLAB的Simulink工具箱建立了跳頻通信系統(tǒng)的仿真模型，對(duì)跳頻通信系統(tǒng)在寬帶噪聲干擾環(huán)境下的工作機(jī)制進(jìn)行了仿真，得到了噪聲干擾下的誤碼率-信噪比曲線(xiàn)，并將其和傳統(tǒng)的定頻通信進(jìn)行比較，說(shuō)明跳頻通信系統(tǒng)的抗干擾性能優(yōu)于定頻通信。

關(guān)鍵詞：跳頻通信；抗干擾性能；誤碼率；信噪比

中圖分類(lèi)號(hào)：TN914.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）12-0026-02

跳頻通信技術(shù)（Frequency Hopping，F(xiàn)H）是擴(kuò)頻通信技術(shù)的一種重要方式，除此之外擴(kuò)頻通信還包括直接序列擴(kuò)頻（Direct Sequence，DS）、跳時(shí)（Time Hopping，TH）、線(xiàn)性調(diào)頻和混合擴(kuò)頻[1]。2016年6月16日藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟發(fā)布了藍(lán)牙5.0的藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)，它采用分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，能夠連接多臺(tái)設(shè)備，基于跳頻和短包技術(shù)，使其擁有強(qiáng)抗干擾能力。在戰(zhàn)術(shù)通信中，跳頻技術(shù)因其良好的抗干擾性能一直作為重要的通信技術(shù)被應(yīng)用于軍事裝備上[2]。因此，跳頻通信技術(shù)的研究對(duì)于無(wú)線(xiàn)傳輸領(lǐng)域和軍事通信方面都有著不可或缺的價(jià)值。

1 跳頻系統(tǒng)工作原理

跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)將傳輸帶寬分為很多互不重疊的頻率點(diǎn)，按照信號(hào)時(shí)間間隔在一個(gè)或多個(gè)頻率點(diǎn)上發(fā)送信號(hào)，傳輸信號(hào)根據(jù)偽隨機(jī)發(fā)生器的輸出來(lái)選擇相應(yīng)的頻率點(diǎn)。在發(fā)送端，信源產(chǎn)生的信息流與頻率合成器產(chǎn)生的載波進(jìn)行調(diào)制后，得到射頻信號(hào)。頻率合成器產(chǎn)生的載波頻率受PN碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼控制，偽隨機(jī)碼序列改變一次，載波頻率隨之改變一次。偽隨機(jī)碼的碼元寬度為，則每隔時(shí)間，載波頻率跳變一次。跳頻系統(tǒng)的解調(diào)多采用非相干或者差分解調(diào)，因此調(diào)制方式多采用FM和MFSK等可進(jìn)行非相干解調(diào)的調(diào)制方式[3]，本文仿真采用的是MFSK調(diào)制方式，其原理框圖如圖1所示。

在接收端，接收到的信號(hào)與干擾信號(hào)經(jīng)高放濾波后送至混頻器。接收機(jī)的本振信號(hào)也是一種頻率跳變信號(hào)，跳變的規(guī)律由接收端的偽隨機(jī)碼控制，該偽隨機(jī)碼序列與發(fā)送端的偽隨機(jī)碼相同。兩個(gè)頻率合成器產(chǎn)生的頻率相對(duì)應(yīng)且有一個(gè)頻差，為接收機(jī)的中頻[4]。只要收發(fā)雙方的偽隨機(jī)碼同步，就可以使收發(fā)雙方的頻率合成器產(chǎn)生的跳變頻率同步，經(jīng)過(guò)混頻器后，就可以得到一個(gè)不變的中頻信號(hào)，對(duì)此中頻信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，就可以恢復(fù)出發(fā)送的信息。此時(shí)混頻器擔(dān)當(dāng)解跳器的角色，只要收發(fā)雙方同步，就可將頻率跳變信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率為的中頻信號(hào)[5]。對(duì)于干擾信號(hào)而言，由于干擾信號(hào)頻率的變化與跳頻頻率的變化規(guī)律不同，與本地的頻率合成器產(chǎn)生的頻率不相關(guān)，因此，不能進(jìn)入混頻器后面的中頻通道，不能對(duì)跳頻系統(tǒng)形成干擾，達(dá)到了抗干擾的目的。

2 跳頻系統(tǒng)的仿真建立

根據(jù)圖1的跳頻系統(tǒng)原理框圖，在MATLAB中，利用Simulink仿真工具搭建跳頻通信系統(tǒng)仿真模型，可動(dòng)態(tài)模擬跳頻通信系統(tǒng)的工作過(guò)程，便于對(duì)跳頻系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析，搭建的跳頻系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。

圖2中使用的Simulink模塊設(shè)計(jì)如下：

（1）信源：用Bernoulli Binary Generator輸出一組獨(dú)立等概的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，從滿(mǎn)足跳頻通信系統(tǒng)對(duì)信源的要求，輸入的數(shù)據(jù)速率為100bps。

（2）調(diào)制與解調(diào)：利用M-FSK Modulator Baseband1和M-FSK Demodulator Baseband對(duì)信號(hào)進(jìn)行2FSK調(diào)制和解調(diào)，設(shè)為2進(jìn)制，頻率間隔為200KHz，每符號(hào)的采樣點(diǎn)為。

（3）偽隨機(jī)碼發(fā)生器：利用PN Sequence Generator作為偽隨機(jī)碼序列發(fā)生器，信源產(chǎn)生的二進(jìn)制信號(hào)經(jīng)過(guò)2FSK調(diào)制后與偽隨機(jī)序列產(chǎn)生的載波相乘完成跳頻，采樣時(shí)間間隔設(shè)置為1/250s，并設(shè)置按幀輸出，每幀5個(gè)樣值，幀格式轉(zhuǎn)化為基于采樣的信號(hào)后，用Bit to Integer Converter將每5個(gè)碼片轉(zhuǎn)化為一個(gè)隨機(jī)整數(shù)輸出作為控制跳頻載波頻率的信號(hào)，速率為250/5=50個(gè)/s。

（4）跳頻器：采用M-FSK Modulator Baseband2完成，調(diào)制元數(shù)為32，頻率間隔500KHz，每符號(hào)采樣個(gè)數(shù)為，這樣將輸出在32個(gè)頻點(diǎn)上跳頻速率為50次/s的偽隨機(jī)跳頻載波信號(hào)。

（5）信道及干擾：傳輸信道為加性高斯白噪聲信道，對(duì)跳頻系統(tǒng)的干擾主要分為：寬帶噪聲干擾、部分頻帶噪聲干擾、多頻干擾及跟蹤式干擾[6]。本文主要對(duì)跳頻系統(tǒng)在寬帶噪聲下的工作性能進(jìn)行分析。

（6）解跳：經(jīng)過(guò)噪聲干擾的信號(hào)與跳頻器輸出經(jīng)過(guò)同步后的偽隨機(jī)跳頻載波相乘來(lái)實(shí)現(xiàn)解跳[2]。

（7）誤碼率的計(jì)算：由Error Rate Calculation模塊完成，Tx端口接收發(fā)送端輸入信號(hào)，Rx端口接收接收方的輸入信號(hào)，用Delay模塊進(jìn)行延遲，設(shè)置為1。

為了更加直觀(guān)的對(duì)跳頻系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析，在保持各參數(shù)不變的情況下另搭建一未采用跳頻技術(shù)的常規(guī)BFSK系統(tǒng)，系統(tǒng)模型如圖3所示。

3 系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析

利用Simulink工具搭建的跳頻通信系統(tǒng)仿真模型采用2FSK調(diào)制方式，輸入信號(hào)幅度為1，跳頻點(diǎn)數(shù)為32個(gè)，跳頻速率為50跳/s，分別在2FSK跳頻系統(tǒng)和常規(guī)BFSK系統(tǒng)的高斯信道中加入寬帶噪聲干擾，可以得到跳頻系統(tǒng)和BFSK系統(tǒng)在寬帶噪聲干擾下的誤碼率，仿真結(jié)果如圖4所示。

在其它參數(shù)保持不變，改變信噪比大小，可得到如圖4所示的誤碼率-信噪比曲線(xiàn)，其中藍(lán)色的曲線(xiàn)為2FSK調(diào)制解調(diào)的跳頻系統(tǒng)模型的仿真結(jié)果，紅色虛線(xiàn)為未采用跳頻的普通BFSK系統(tǒng)在寬帶干擾下改變信噪比得到的誤碼率曲線(xiàn)。

通過(guò)比較圖4中的兩曲線(xiàn)可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)信噪比為-10dB時(shí)，跳頻系統(tǒng)的誤碼率為0.04，而B(niǎo)FSK系統(tǒng)的誤碼率在0.5左右，根本無(wú)法傳遞信息，當(dāng)信噪比高于-5dB時(shí)，跳頻系統(tǒng)的誤碼率趨近于0，BFSK系統(tǒng)的誤碼率緩慢開(kāi)始下降，在干擾所致的誤碼率相同時(shí)，跳頻系統(tǒng)所要求的信噪比比BFSK系統(tǒng)大約低16dB左右，說(shuō)明跳頻系統(tǒng)的抗干擾性能高于普通的BFSK系統(tǒng)，跳頻技術(shù)可以顯著提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

4 結(jié)語(yǔ)

本文闡述了跳頻擴(kuò)頻通信的基本原理和其實(shí)現(xiàn)方法，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，對(duì)該擴(kuò)頻系統(tǒng)在寬帶噪聲的干擾環(huán)境下進(jìn)行仿真，得出誤碼率-信噪比曲線(xiàn)并進(jìn)行分析，分析結(jié)果說(shuō)明跳頻技術(shù)可以顯著提高系統(tǒng)的抗干擾能力。隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，無(wú)論是基于直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的WIFI還是以跳頻擴(kuò)頻通信系統(tǒng)為基礎(chǔ)的藍(lán)牙，都在不斷的發(fā)展創(chuàng)新，在今后的科技發(fā)展中將越來(lái)越重要。

參考文獻(xiàn)

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