跳頻通信系統仿真
2012-04-12 00:00:00高寶華張濤趙遠方安文
現代電子技術 2012年5期
摘 要：主要介紹了快跳頻通信系統的工作原理，采用m序列作為偽隨機序列，并用它來控制頻率合成器產生跳頻頻率，在此基礎上完成了一個完整的快跳頻通信系統的設計方案，并采用Matlab中的Simulink軟件對這個快跳頻通信系統進行了仿真和分析。
關鍵詞：快跳頻通信； m序列； 擴頻通信； 同步
中圖分類號：
TN914.434； TP391
文獻標識碼：A
文章編號：1004373X(2012)05
0022
03
Simulation of frequency hopping communication system
GAOBaohua， ZHANG Tao， ZHAO Yuangfang， AN Wen
(PLA Unit of 61618， Beijing 102102， China)
Abstract：
The principle of frequency hopping communication system is introduced. In the thesis， m sequence was adopted to control frequency synthesis to produce frequency， on this basis， an integrated scheme of fast frequency hopping system was designed， and Simulink in Matlab was adopted to simulate and analyze the progress of the FFH system.
Keywords：
fast frequency hopping communication； m sequence； spread spectrum communication； synchronization
收稿日期：20111021
0 引 言
跳頻擴頻的原理是使偽隨機序列控制被數據調制的載波中心頻率以一定的速率和順序在一組頻率中隨機地跳動，接收端則以相應的速度和順序接收并解調。在跳頻系統中，跳頻頻率的選擇是用偽隨機碼來實現的，且跳頻通信的幾十個甚至上千個頻率由所傳信息與偽隨機碼的組合進行控制。由于系統的工作頻率在不停的跳變，在每個頻點上停留的時間僅為毫秒或微秒級。
跳頻通信系統的頻率跳變速度反映了系統的性能，好的跳頻系統每秒的跳頻次數可以達到上萬跳［1］。根據跳頻速率的快慢，可把跳頻系統分為快跳頻和慢跳頻。快跳頻是指一次發射信號期間有不止一個頻率跳變，即跳頻速率大于信息速率；反之稱為慢跳頻。慢跳頻系統成本低，易實現，常用于各類民用系統，以提高通信質量和信道利用率［2］。快跳頻系統與慢跳頻系統相比，具有更強的抗干擾、抗截獲和人為阻塞能力，在軍事通信上具有極大的優越性。
1 跳頻通信的工作原理
如圖1所示，快跳頻通信系統(FFH)是一個用戶的載波頻率按某種跳頻圖案(偽隨機調頻序列)在很寬的頻帶范圍內跳變的通信系統。
信息信號經過波形調制(信息調制)后，送入載波調制。載波由跳變序列(偽隨機序列)控制跳變頻率合成器來產生，其頻率隨跳頻序列的值的改變而改變，因此，載波首先被跳變序列調制，稱作跳頻調制。頻率合成器受跳頻序列控制，當跳頻序列值改變一次時，載波頻率跳變一次。信號經過載波調制后形成跳頻信號［3］。
在發送端，跳頻調制采用偽隨機碼序列和多進制頻移鍵控相結合的方式，即在發送端采用一個偽隨機發生器產生一個偽隨機序列，用它去控制頻率合成器的輸出頻率，使之按偽隨機方式從2n－1個頻率的集合中選取發送頻率，這樣得到的信號就是跳頻信號。
在接收端，為了解調出跳頻信號，需要一組與發送端相同的本地偽隨機序列發生器，去控制本地頻率合成器，產生一列與發射信號差一個中頻頻率的跳頻信號，且速率相同、起止一致。這樣，跳頻信號在混頻器中與接收信號差頻出一個不跳變的中頻解跳信號，在經中頻窄帶濾波器后，把不需要的干擾抑制掉，再由信息解調器恢復出有用的原始數據，從而實現了快跳頻通信。
2 快速跳頻通信系統的Simulink仿真
Simulink是Matlab中的一個建立系統方框圖和基于方框圖級的系統仿真環境，使用Simulink可以更加方便地對系統進行可視化建模，并進行基于時間流的系統級仿真，并且仿真結果可以近乎“實時”地通過可視化模塊，如示波器模塊等顯示出來，使得系統仿真工作大為方便［2］，同時，Simulink使得用戶可以用鼠標操作將一系列可視化模塊連接起來，避免了編寫Matlab仿真程序，簡化了仿真建模過程。
仿真設計中，在首先設計好的2FSK的調制與解調基礎上，再把設計的快跳頻子系統模塊添加上去，經過進一步的調試，最終確定。快跳頻通信系統的仿真結構圖如圖2，圖3所示。
在圖2中可以看到，該快跳頻通信系統按功能可以劃分為五個部分：信號生成部分、發送部分、跳頻調制部分、接收部分和判決部分。
信號生成部分是利用隨機整數信號發生器(Randominteger Generator)來產生，該模塊的作用是產生二進制隨機序列信號，采樣時間設為1，即1 s產生一個碼元。它產生的是頻率為1 Hz的二進制隨機信號［45］。
由信源產生的二進制隨機信號先通過頻率鍵控來產生一個2FSK信號(發送“1” 所用的載波頻率為f1=1 Hz；發送“0”所用的載波頻率為f2=3 Hz)，在進行跳頻調制時，如圖4的跳頻子系統，把跳頻子系統模塊產生的信號與產生的2FSK信號進行相乘(即跳頻調制)，然后把跳頻調制信號經過信道發送出去。為了仿真的真實性，信道是疊加有加性高斯白噪聲的信道。
在接收端首先進行解跳，即用跳頻子系統模塊產生的跳頻信號與經過信道后接收的跳頻調制信號進行乘法運算，得到的是跳頻解調信號。接著進行2FSK的相干解調，仿真結構框圖如圖5所示。圖中的兩個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的相干載波相乘，再分別經過低通濾波器提取出含有基帶數字信息的低頻信號。
對解調信號的判決，是通過對上下兩支路的低頻信號進行比較來作出判決的。該判決部分由常數發生器、一個比較器以及誤碼率計算部分構成。比較器將碼元的相關峰值與門限值比較，若相關峰大于門限則該碼元判為“1”，其余的均判為“0”。設上支路信號為X1(t)，下支路信號為X2(t)，當X1(t)大于X2(t)時，判為“1”；當X1(t)小于X2(t)時，則判為“0”。
誤碼率的計算過程是由一個誤碼儀來實現的。它將發送端的信息碼元經過一定延遲后與接收端恢復出的碼元進行比較，若兩者不同則認為碼元傳輸錯誤，最后將誤碼個數除以總的傳輸碼元個數，即得到誤碼率。在圖2中的誤碼率計算部分，上面的輸入信號是發送端的原始信息，下面的輸入信號是接收端恢復出的信號，送入誤碼儀以后完成比較、統計和圖形用戶界面的生成。從誤碼率計算的顯示模塊可以看到該快跳頻通信系統的誤碼率為0.05。
快跳頻通信是指頻率的跳變速度大于信息傳輸速率的通信系統。在本次設計中，為了便于觀察各點信號，特設信息的傳輸速率為1 b/s，頻率的跳變速度為2 h/s。在跳頻子系統中， 跳頻信號的產生過程：PN Sepuence Generator產生采樣周期為0.5，周期為15個碼元的m序列。通過Buffer將單列的二進制序列編排為2列二進制數，通過Bit to Integer Converter后變為整數。通過初值設為2的Unbuffer及ZeroOrder Hold(采樣時間設為0.1)后，偽隨機序列發生器產生的二進制序列變成了與之相應的整數，饋送到VCO的控制輸入端。
上面只是簡單地介紹了跳頻系統的各個仿真模塊，在實驗中各個模塊的信號良好，充分驗證了跳頻系統仿真模塊的正確性。因為篇幅等原因，這里沒有把各個節點處的信號圖貼出來，只是簡單地介紹了一下跳頻系統的Simulink仿真結構圖。
3 結 語
本文主要對快速跳頻通信進行了仿真研究，并對快速跳頻系統的基本模塊和關鍵模塊進行了分析和仿真，在接收端，經過解跳、相干解調后，進行判決恢復，試驗中恢復的信號基本正確。當然，由于系統中疊加有噪聲，各種濾波器的設計存在一定的缺陷使得濾波特性不理想，以及仿真圖中有些部件的參數設置存在誤差等原因，在最終的判決恢復時，使得恢復序列存在一些誤碼。這也是這次快跳頻通信系統仿真設計中需要進一步完善的地方。
參 考 文 獻
［1］ZIEMEN R E. Digital communications and spread spectrum \\[M\\]. \\[S.l.\\]: Macmillan Pub. Co.， 1988.
［2］鄧華．Matlab通信仿真及應用實例詳解［M］．北京:人民郵電出版社，2003．
［3］曾興雯，劉乃安．擴展頻譜通信及其多址技術［M］．西安：西安電子科技大學出版社，2004．
［4］沈振元，聶志泉，趙雪荷．通信系統原理［M］．西安：西安電子科技大學出版社，2001．
［5］丁玉美，高西全．數字信號處理［M］．西安：西安電子科技大學出版社，2001．
［6］DIXSON R C. Spread spectrum systems \\[M\\]. New York: John Wiley Sons Inc.，1984.
［7］KONDOZ A M. Digital speechcoding for low bit rate communications systems \\[M\\]. \\[S.l.\\]: Wiley， 1994.
［8］曾一凡，李暉．擴頻通信原理［M］．北京:機械工業出版社，2005．
作者簡介：
高寶華 男，1986年出生，江蘇連云港人，工學碩士。主要研究方向為測試計量技術、信號處理。
(上接第21頁)
參 考 文 獻
［1］MUNK B A， LUEBBERS R J， FULTON R D. Transmission through a twolayer array of loaded slots \\[J\\]. IEEE Transactions on Antennas Propagation， 1974， V22: 804809.
［2］董金明，林萍實，鄧暉.微波技術［M］.北京：機械工業出版社，2009.
［3］VARDAXOGLOU J C. Frequency selective surfaces analysis and design \\[M\\]. Taunton: Research Studies Press LTD.， 1997.
［4］CHEN C C. Transmission through a conducting screen perforated periodically with apertures \\[J\\]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1970， MIT18(9): 627632.
［5］LUEBBERS R J， MUNK B A. Some effects of dielectic loading on periodic slot arrays \\[J\\]. IEEE Transactions on Antennas Propagation， 1978， V26: 536542.
［6］MITTRA R. Techniques for analyzing frequency selective surfacesa review \\[C\\]// Proceedings of the IEEE. Houston: IEEE， 1998: 15931614.
［7］王煥青，祝明，武哲.頻率選擇表面簡介［J］.艦船電子工程，2004，24(z1):301304.
［8］候新宇，萬偉，佟明安，等.對稱雙層FSS的傳輸特性分析［J］.電子科學學刊，1999，21(4):569572.
［9］MUNK B A. Frequency selective surfaces theory and design \\[M\\].北京：科學出版社，2009.
［10］馬金平，陳國瑞，李春暉.十字環形縫隙陣頻率選擇表面的頻率特性研究［J］.電子學報，1997，25(4):125127.
［11］賈宏燕，高勁松.雙屏頻率選擇表面中間電介質層對傳輸特性的影響規律［J］.中國電子科學研究院學報，2007(2):593596.
作者簡介：
胡曉晴 女，1987年出生，河南商丘人，碩士研究生。主要研究領域為頻率選擇表面的設計、隱身天線罩的電氣性能研等。
夏同生 男，副教授，碩士生導師。主要研究方向為納米器件、微納米尺度下的量子輸運研究、集成電路的設計等。
唐光明 男，博士研究生。主要研究方向為頻率選擇表面的電磁計算等。
董金明 男，教授，博士生導師。長期從事隱身天線罩及頻率選擇表面的設計，同時對數字信號處理和硬件設計方面均有深入的研究。
