跳頻通信系統(tǒng)的研究與Matlab仿真

摘 要:跳頻通信技術具有較強的抗干擾能力，因此一直是擴頻通信技術研究中的一個重點。在闡述跳頻通信基本原理和實現(xiàn)方法的基礎上，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，詳細講述了各模塊的設計。在給定仿真條件下，對該跳頻通信系統(tǒng)在寬帶噪聲干擾工作機制下進行了仿真，得到了在寬帶噪聲干擾下的誤碼率-信噪比曲線。結果表明，跳頻通信系統(tǒng)的抗干擾能力優(yōu)于傳統(tǒng)的定頻通信，在戰(zhàn)術通信中有更高的可靠性。此外還提出了提高跳頻通信對抗寬帶噪聲干擾能力的改進方法，它對研究跳頻通信系統(tǒng)抗干擾的性能具有借鑒作用。

關鍵詞:跳頻通信; 抗干擾; 誤碼率; 信噪比

中圖分類號:TN911 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)13-0011-03

Research on Frequency Hopping Communication System Based on Matlab Simulation

NIE Wei， GUO Mei-hua， ZHANG Yong-jie

(Computer System and Communication Laboratory， Beijing University of Chemical Technology， Beijing 100029， China)

Abstract:Frequency-hopping communication technology is an emphasis in the research of the spread spectrum communication technology， which has good anti-jamming performance. The simulation model of frequency-hopping communication system is built by using SIMULINK provided by Matlab， based on the basic principle and realization methods of frequency-hopping communication. In addition， each module of the simulation model is introduced in detail. In light of full-band noise jamming system， the simulation program is run on the basis of the designed simulation conditions， BER-SNR curve figures are gained. The results show that the frequency-hopping communication system has better ability of anti-jamming than the traditional fixed frequency communication， and is of even higher reliability in tactical communication. An improved method for the enhancement of full-band noise anti-jamming capability of frequency-hopping communication is proposed.

Keywords: FH communication; anti-jamming; error rate; signal-to-noise rate

0 引 言

擴頻是一種經典的無線通信技術，包括跳頻(FH)、直接序列擴頻(DS)、跳時(TH)及其混合擴頻方式等。由于跳頻通信的抗截獲、抗干擾能力強，保密性能好，在軍事抗干擾通信中得到了廣泛應用，目前世界各國軍隊已普遍裝備各種跳頻電臺[1]。因此，分析跳頻通信系統(tǒng)，研究提高抗干擾能力的方法，對保障軍事通信的可靠性具有重要的應用價值。

計算機仿真技術由于其靈活高效及準確的特點在通信研究中得到了廣泛應用。本文借助計算機仿真工具Matlab/Simulink對典型干擾下的基于跳頻擴頻技術的仿真建模分析研究，為電子戰(zhàn)條件下抗干擾性能分析提供仿真評估條件。

1 跳頻擴頻系統(tǒng)的工作原理

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定規(guī)律進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變化碼的控制而隨機跳變[2]。從時域上來看，跳頻信號是一個多頻頻移鍵控信號;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，就很難截獲通信內容。同時，跳頻通信具有良好的抗干擾能力，即使有部分頻點被干擾，仍能在其他的頻點上進行通信[4]。由于跳頻通信系統(tǒng)是瞬時窄帶系統(tǒng)，它易于與其他的窄帶通信系統(tǒng)兼容，有利于設備的更新。圖1，圖2是跳頻通信系統(tǒng)的原理圖。

在發(fā)射端，被傳送的信息首先要經過數(shù)據(jù)調制器的相應調制，便獲得載波頻率固定的已調波信號，同時，受PN碼的控制，頻率合成器輸出一個頻率跳變的正弦波載波信號，該信號與經過數(shù)據(jù)調制后的信號進行混頻，其輸出的已調波信號的載波頻率達到射頻通帶的要求，經過高通濾波器后反饋至天線發(fā)射出去。從本質上講，發(fā)射的信號就是載波頻率不斷變化的常規(guī)已調波信號。

圖1 跳頻通信系統(tǒng)發(fā)送原理框圖

圖2 跳頻通信系統(tǒng)接收原理框圖

在接收端，收信機通常采用超外差接收機，使接收到的信號比接收端頻率合成器的輸出信號低一個中頻，然后該接收信號與頻率合成器的輸出信號進行混頻從而實現(xiàn)解擴，輸出一個固定中頻信號。之后經中頻帶通濾波器濾波后，把不需要的干擾抑制掉，經數(shù)據(jù)解調器把傳送的信息恢復出來，不同的是在接收端要進行跳頻同步信息的截獲、跟蹤和保持。

2 系統(tǒng)仿真模型的建立

2.1 Simulink簡介

Matlab最初是Mathworks公司推出的一種數(shù)學應用軟件，經過多年的發(fā)展，開發(fā)了包括通信系統(tǒng)在內的多個工具箱，從而成為目前科學研究和工程應用最流行的軟件包之一。Simulink是Matlab中的一種可視化仿真工具，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個集成環(huán)境，廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中[5]。它包括一個復雜的由接受器、信號源、線性和非線性組件以及連接件組成的模塊庫，用戶也可以根據(jù)需要定制或者創(chuàng)建自己的模塊。Simulink的主要特點在于使用戶可以通過簡單的鼠標操作和拷貝等命令建立起直觀的系統(tǒng)框圖模型，用戶可以很隨意地改變模型中的參數(shù)，并可以馬上看到改變參數(shù)后的結果，從而達到方便、快捷地建模和仿真的目的。

2.2 模型建立

基于Matlab/Simulink所建立的跳頻擴頻通信系統(tǒng)的仿真模型，能夠反映跳頻擴頻通信系統(tǒng)的動態(tài)工作過程，可進行波形觀察、頻譜分析和性能分析等，同時能根據(jù)研究和設計的需要擴展仿真模型，實現(xiàn)以跳頻擴頻通信為基礎的現(xiàn)代通信的模擬仿真，為系統(tǒng)的研究和設計提供強有力的平臺。圖3為基于Matlab/Simulink的跳頻擴頻通信系統(tǒng)仿真模型。

圖3 跳頻通信系統(tǒng)仿真模型

2.3 主要模塊設計

(1) 信源:為了簡化仿真過程，假定信源產生的信號已經過了采樣、量化及編碼，輸出為一組獨立等概的二進制數(shù)字信號[6]，從而滿足跳頻擴頻通信系統(tǒng)所需信源的要求。

(2) 跳頻與解跳:PN序列產生器模塊作為偽隨機碼產生器，由m序列產生，具有相關性好，序列數(shù)目多，復雜性大的特點，適合作為跳頻序列使用[7]。信源產生的二進制信號經過調制以后與由偽隨機序列產生的跳頻載波相乘完成跳頻。在解跳模塊里，包含人為干擾分量的信號與來自跳頻信號發(fā)生器產生的跳頻信號的共軛相乘，完成解跳。

(3) 信道:傳輸信道為加性高斯白噪聲信道。在加性高斯白噪聲信道模塊中，可進行信號功率和信噪比的設置[8]。

(4) 調制與解調:使用二相相移鍵控PSK方式進行調制、解調。

(5)干擾產生器:對于跳頻通信系統(tǒng)典型的人為干擾有:寬帶噪聲干擾，部分頻帶噪聲干擾，多頻干擾，頻率跟蹤式干擾[9]。在干擾環(huán)境中，人為干擾JN0(信道噪聲)，故可忽略信道白噪聲的影響，本文主要對所設計跳頻通信仿真系統(tǒng)在寬帶噪聲干擾工作機制下進行仿真，Gaussian Noise Generator模塊用來產生寬帶干擾。

(6) 誤碼計算:誤碼計算由誤碼儀實現(xiàn)，誤碼儀在通信系統(tǒng)中的主要任務是評估傳輸系統(tǒng)的誤碼率，它具有兩個輸入端口:第一個端口(Tx)接收發(fā)送方的輸入信號，第二個端口(Rx)接收接收方的輸入信號。

3 系統(tǒng)仿真及結果的分析

應用計算機仿真工具Matlab/Simulink搭建跳頻通信系統(tǒng)仿真模型，仿真中跳頻通信系統(tǒng)采用2PSK調制方式，輸入信號幅度為1，跳頻頻點數(shù)為128個，跳頻速率為1 600跳/s，在高斯信道中加寬帶噪聲干擾時，可得到該系統(tǒng)在寬帶干擾下的誤碼性能，其仿真結果如圖4所示。

圖4 寬帶噪聲干擾下誤碼率-信噪比關系曲線

從圖4中可以看到，跳頻通信系統(tǒng)抗寬帶噪聲干擾的能力比常規(guī)的2PSK通信系統(tǒng)有了明顯的提高。要達到相同的干擾效果，即干擾所致的誤碼率相同，跳頻通信系統(tǒng)要求的信噪比比常規(guī)2PSK通信系統(tǒng)低大約16 dB。因此跳頻通信系統(tǒng)能夠很好地抑制人為干擾，相比之下，由于常規(guī)2PSK信號屬于定頻通信，一旦出現(xiàn)同頻率干擾，則整個通信無法進行[10]。

擴展跳頻帶寬是提高跳頻通信抗寬帶噪聲干擾的有效手段。跳頻帶寬展寬，敵方干擾頻帶要相應增加，同時在保持干擾功率譜密度不變的條件下總的干擾功率也要相應提高，而跳頻通信的功率并不需要增加。因此，跳頻通信擴展跳頻帶寬，能夠使干擾方的寬帶噪聲干擾設備付出展寬干擾頻帶、提高干擾功率的雙份代價，使干擾設備復雜化和體積、重量、能源供給的增加，使干擾方在技術、戰(zhàn)術使用上產生更大困難和限制。

還可以采用以下兩種方法來降低跳頻信號的被截獲概率，使干擾方無法及時找到干擾目標，從而有效提高跳頻通信的抗干擾能力。方法一是隨機變速跳頻，包括駐留時間的隨機變化和換頻時間在一定范圍內的隨機變化，變速跳頻使跳頻信號的時域、頻域特征近似于隨機噪聲，從而使干擾方無法及時截獲、識別和實施干擾;方法二是采用自適應功率控制技術，即在滿足正常通信的條件下，調整各頻率點的發(fā)射功率保持在最低水平上，使跳頻信號的頻域特征淹沒在噪聲內，從而使干擾方難以發(fā)現(xiàn)目標來實施干擾。

4 結 語

擴頻通信以其較強的抗干擾、抗衰落、抗多徑性能而成為第三代通信的核心技術，本文闡述了跳頻擴頻通信的基本原理和實現(xiàn)方法，利用Matlab提供的可視化工具箱Simulink建立了跳頻擴頻通信系統(tǒng)仿真模型，詳細講述了各模塊的設計。在給定仿真條件下，對該跳頻通信系統(tǒng)在寬帶噪聲干擾工作機制下進行了仿真，得到了在寬帶噪聲干擾下的誤碼率-信噪比曲線，對仿真結果進行了分析總結，并提出了提高跳頻通信對抗寬帶噪聲干擾能力的改進方法。本文分析結果可以為以后更進一步的抗干擾通信研究打下基礎。

參考文獻

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