潘中彬，李 利

（1.海軍大連艦艇學(xué)院 二大隊(duì)學(xué)員八隊(duì)，遼寧 大連 116018；2.海軍大連艦艇學(xué)院 信息系統(tǒng)系，遼寧 大連 116018）

超短波跳頻通信綜合了超短波通信與跳頻通信的優(yōu)點(diǎn)，是具有抗干擾能力的一種視距通信方式。論文將介紹其基本原理并進(jìn)行仿真，分析其抗干擾能力，并提出改進(jìn)建議。

1 超短波跳頻通信的理論基礎(chǔ)

超短波通信是利用在米波波段的信號(hào)進(jìn)行通信的，又被稱為甚高頻通信[1-2]。它具有通信頻帶寬、通信容量大、可以復(fù)用頻率、傳播距離近、易受地形影響的特點(diǎn)。跳頻通信是用偽隨機(jī)碼來控制通信頻率使其進(jìn)行近似隨機(jī)的跳變的通信過程，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

1.1 跳頻通信系統(tǒng)模型

跳頻通信系統(tǒng)一般由時(shí)鐘信號(hào)、偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器、頻率合成器、跳頻解調(diào)器和信息解調(diào)器等部件組成[3]，如圖1所示。

圖1 典型跳頻通信系統(tǒng)組成

時(shí)鐘信號(hào)主要用來使系統(tǒng)同步；偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器用來根據(jù)時(shí)鐘變化產(chǎn)生偽隨機(jī)碼信號(hào)；信息調(diào)制器、跳頻解調(diào)器、信息解調(diào)器主要用來實(shí)現(xiàn)信息的調(diào)制與解調(diào)；頻率合成器對(duì)產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼轉(zhuǎn)換生成特定頻率的信號(hào)。由于跳頻通信對(duì)時(shí)鐘同步的要求比較高，因此，在跳頻通信系統(tǒng)中，一般采用FSK、ASK調(diào)制方式。

1.2 典型跳頻序列

m序列、M序列、Gold序列是典型的3種跳頻序列。

m序列是非常重要的一種偽隨機(jī)碼序列。它是基于移位寄存器和線性反饋方式產(chǎn)生的具有周期的偽隨機(jī)序列。在n級(jí)二進(jìn)制位移寄存器中，理論上可以產(chǎn)生最大長度為2n-1的偽隨機(jī)碼。

M序列與m序列類似，它也是由移位寄存器和反饋組成的，只是反饋?zhàn)優(yōu)榱朔蔷€性反饋。由于它的反饋邏輯是非線性的，其中有更加復(fù)雜的運(yùn)算邏輯，所以它最大的優(yōu)勢(shì)就是產(chǎn)生的序列數(shù)量大[4]。

Gold序列是從m序列中改進(jìn)而來的，它是由一對(duì)特定的m序列（優(yōu)選m序列）進(jìn)行模二相加得到的。它的產(chǎn)生結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，也是非常常見的一種偽隨機(jī)碼，并且具備優(yōu)異的自相關(guān)和互相關(guān)特性。

2 典型干擾方式

跳頻通信的主要目的是抗干擾，跳頻通信系統(tǒng)遭受的典型干擾主要有噪聲干擾、音調(diào)干擾等。

2.1 噪聲干擾

噪聲干擾從頻域范圍內(nèi)能夠劃分為3種：全頻帶噪聲干擾、部分頻帶噪聲干擾和窄帶噪聲干擾。

全頻帶噪聲干擾是指使用寬帶噪聲，對(duì)通信信號(hào)覆蓋的所有頻帶范圍進(jìn)行干擾，它又被叫作阻攔式干擾。這種干擾方式對(duì)整個(gè)通信頻率范圍都能夠產(chǎn)生較好效果。

部分頻帶噪聲干擾是針對(duì)接收機(jī)的多個(gè)頻率范圍施加的噪聲干擾，它可以對(duì)通信系統(tǒng)中的部分頻段進(jìn)行干擾，這種干擾方式會(huì)遺漏部分頻率范圍，通信方可以利用未被干擾的頻率進(jìn)行通信來減小影響[4]。

窄帶噪聲干擾是針對(duì)特定頻率進(jìn)行的噪聲干擾，它只能干擾單一頻率及該頻率附近的頻帶上的信號(hào)，因此干擾效果一般。

2.2 音調(diào)干擾

音調(diào)干擾可以從干擾頻率的數(shù)量上劃分，主要有單音干擾、多音干擾和線性掃頻干擾[5]。

單音干擾是使用單頻信號(hào)對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行干擾的方式，它只能干擾特定頻率。它的干擾信號(hào)是頻率固定的連續(xù)波s（t）：

從單音干擾中發(fā)展而來的多音干擾，是由多個(gè)單音干擾信號(hào)合成的干擾模式，具有同時(shí)對(duì)多個(gè)頻率進(jìn)行單音干擾的能力。它的干擾信號(hào)s（t）表達(dá)式為：

干擾信號(hào)的干擾頻率隨時(shí)間不斷線性變化的就稱為線性掃頻干擾，它的瞬時(shí)干擾與單音干擾類似，掃頻干擾利用一個(gè)相對(duì)較窄的窄帶信號(hào)在一定周期內(nèi)重復(fù)掃描某個(gè)干擾頻帶，信號(hào)s（t）表達(dá)式為[6]：

3 仿真模型及抗干擾性能分析

3.1 跳頻通信系統(tǒng)仿真模型

由于Simulink仿真中，跳頻的同步可以嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)，所以，此次仿真采用2FSK調(diào)制方式和相關(guān)解調(diào)的解調(diào)方式。仿真主要由信號(hào)產(chǎn)生部分、信號(hào)調(diào)制部分、跳頻部分、信號(hào)傳輸部分、信號(hào)接收部分、信號(hào)解調(diào)部分和誤碼率計(jì)算部分組成，并包含了3個(gè)子系統(tǒng)[7]，如圖2所示。

圖2 基于Simulink的跳頻通信系統(tǒng)仿真圖

2FSK調(diào)制子系統(tǒng)是用來完成數(shù)字信號(hào)的2FSK調(diào)制，主要由兩個(gè)信號(hào)源和一個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)組成。若輸入信號(hào)為1，轉(zhuǎn)換開關(guān)接通上支路，輸出頻率為f1的信號(hào)；反之，輸出頻率f2的信號(hào)。這樣就完成了該模型中信號(hào)的2FSK調(diào)制。

跳頻子系統(tǒng)是本模型的關(guān)鍵，該模塊由偽隨機(jī)序列產(chǎn)生器、緩存器、整數(shù)變換器、解緩存器、零階采樣保持電路和壓控振蕩器組成，如圖3所示。

圖3 跳頻子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2FSK解調(diào)子系統(tǒng)是由兩個(gè)帶通濾波器、兩個(gè)低通濾波器、兩個(gè)信號(hào)發(fā)生器、一個(gè)減法器以及一個(gè)判決模塊組成，如圖4所示。兩個(gè)帶通濾波器分別將頻率為f1、f2的信號(hào)濾出，然后讓其分別與調(diào)制時(shí)的原始信號(hào)相乘，進(jìn)行相干解調(diào)，隨后將基帶信號(hào)用低通濾波器濾出，判別器采用大小對(duì)比法，當(dāng)上支路信號(hào)幅度大于下支路信號(hào)幅度時(shí)，判別為1，反之，判別為0。

圖4 2FSK解調(diào)模塊結(jié)構(gòu)圖

3.2 仿真結(jié)果及分析

隨機(jī)整數(shù)發(fā)生器的模設(shè)為2、采樣周期設(shè)為0.1 s，即可每0.1 s產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)的二進(jìn)制信號(hào)，調(diào)制子系統(tǒng)中上支路信號(hào)的頻率設(shè)置為20 Hz，幅度為3，下支路信號(hào)的頻率設(shè)置為40 Hz，幅度為3，用以完成2FSK調(diào)制。

在跳頻子系統(tǒng)中，偽隨機(jī)碼持續(xù)時(shí)間設(shè)為0.05 s，寄存器設(shè)置為5位，即每5位隨機(jī)碼整合為一個(gè)整數(shù)，就產(chǎn)生了范圍在0~31之間的隨機(jī)整數(shù)，即本次仿真采用的跳頻速率為4跳/s。由于常用的超短波通信頻段在100 MHz以下，設(shè)置壓控振蕩器的中心頻率為40 MHz，靈敏度為1 MHz，幅度為3，這樣產(chǎn)生的跳頻載波頻率在40~72 MHz之間，頻帶間隔1 MHz，用以仿真超短波跳頻通信。

跳頻信號(hào)在經(jīng)過信道時(shí)被疊加上有限帶寬白噪聲，以模擬通信的時(shí)候信道中的噪聲，經(jīng)過2FSK解調(diào)，如圖5所示，可以看出，輸出的波形與原始波形比較吻合，信號(hào)誤碼率計(jì)算單元顯示出了此通信系統(tǒng)的誤碼率為0.0099，能夠達(dá)成可靠的通信。

圖5 原始信號(hào)（上）與解調(diào)信號(hào)（下）

3.3 噪聲干擾仿真分析

接下來利用Simulink仿真了前文提到的全頻帶噪聲干擾和單音干擾下的通信情況，用以論證跳頻通信系統(tǒng)對(duì)不同干擾模式的對(duì)抗性能。

全頻帶噪聲干擾可以直接利用AWGN Channel模塊產(chǎn)生寬帶高斯白噪聲，設(shè)置為信噪比模式，來表示對(duì)全頻帶高功率的壓制性干擾，將該模塊直接鏈接到跳頻通信系統(tǒng)仿真模型中，設(shè)置AWGN信噪比為-15 dB時(shí)，如圖6所示，得到全頻帶干擾下的跳頻通信波形與誤碼率[8]。

圖6 全頻帶干擾原始信號(hào)（上）與解調(diào)信號(hào)（下）波形

可以看到波形發(fā)生較多錯(cuò)誤，此時(shí)顯示器顯示，誤碼率達(dá)到了0.1089，明顯比普通白噪聲下的誤碼率提高。此時(shí)，這種干擾使整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生了較多錯(cuò)誤，甚至可以使通信中斷。

單音噪聲干擾可以直接利用信號(hào)發(fā)生器模塊產(chǎn)生單頻信號(hào)，將該模塊添加到跳頻通信系統(tǒng)仿真模型中的信道部分，設(shè)置為正弦波形，幅度為3，頻率50 MHz，如圖7所示，得到單音干擾下的跳頻通信波形與誤碼率。

圖7 單音干擾下原始信號(hào)（上）與解調(diào)信號(hào)（下）

可以看到波形并未發(fā)生明顯的變化，此時(shí)誤碼儀顯示，誤碼率為0.0297，與普通白噪聲下的誤碼率相比提高不明顯。此時(shí)，這種干擾并未使系統(tǒng)發(fā)生較多錯(cuò)誤，不會(huì)造成通信中斷。

以上的仿真進(jìn)一步驗(yàn)證了前文提到的跳頻通信抗干擾能力，且干擾信號(hào)的頻帶范圍越寬、功率越高時(shí)，對(duì)跳頻通信系統(tǒng)產(chǎn)生的影響越大。因此，應(yīng)對(duì)跳頻通信系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡可能提高干擾信號(hào)的頻帶范圍，盡量做到全頻帶高功率壓制性干擾。

3.4 模型分析與改進(jìn)

本模型基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)跳頻系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的模擬，和對(duì)相關(guān)性能指標(biāo)測(cè)算的過程，同時(shí)在仿真時(shí)添加了信道中的噪聲與干擾，具有一定的普適性；但忽視了現(xiàn)實(shí)條件下跳頻模塊難以同步的難點(diǎn)，使跳頻序列同步過于理想化，在考慮信道中的噪聲和干擾時(shí)，只考慮了最簡(jiǎn)單的情況，模型較理想化。

在接下來模型的改進(jìn)上，可以進(jìn)一步提高干擾信號(hào)的復(fù)雜性，也可以再添加時(shí)鐘模塊，模擬系統(tǒng)的同步過程；同時(shí)應(yīng)當(dāng)增加其他的衡量系統(tǒng)性能的方式，使結(jié)果更加嚴(yán)謹(jǐn)。

4 結(jié)束語

隨著技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，許多新興的跳頻通信改進(jìn)技術(shù)隨之出現(xiàn)了，如快速跳頻通信技術(shù)、跳頻通信組網(wǎng)技術(shù)、自適應(yīng)跳頻通信技術(shù)等。同時(shí)超短波跳頻通信技術(shù)在軍事應(yīng)用中逐漸發(fā)揮出巨大的效能，使得對(duì)于超短波跳頻技術(shù)的研究也逐步深入。

論文介紹了超短波跳頻通信的基本原理并進(jìn)行了模型仿真，簡(jiǎn)要分析了超短波跳頻通信系統(tǒng)的抗干擾能力，進(jìn)一步論證了其抗干擾性能，對(duì)超短波跳頻通信的應(yīng)用與發(fā)展具有參考價(jià)值。