基于Simulink的高速跳頻通信系統仿真

丁 凱（海軍92785部隊，綏中　125208）

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基于Simulink的高速跳頻通信系統仿真

丁 凱
（海軍92785部隊，綏中125208）

摘 要：跳頻技術具有較強的抗干擾、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現方法的基礎上，利用Matlab提供的可視化工具Simulink建立了跳頻通信系統仿真模型，詳細闡述了各模塊設計。仿真平臺可以通過提供的可視化界面設置參數，同時可以直觀地顯示收發雙發頻率的跳變、誤碼率等重要指標。仿真結果表明，該跳頻通信系統工作正常，達到了預期效果。

關鍵詞：跳頻通信；m序列；2FSK調制；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”。跳頻通信就是針對上述傳統無線電通信的弊端，使原先固定不變的無線電發信頻率按一定的規律和速度來回跳變，而讓約定對方也按此規律同步跟蹤接收。

基于Matlab/Simulink所建立的跳頻擴頻通信系統的仿真模型，能夠反映跳頻擴頻通信系統的動態工作過程，可進行波形觀察、頻譜分析和性能分析等，同時能根據研究和設計的需要擴展仿真模型。在完成跳頻通信干擾系統模型仿真的基礎上，對試驗中各類干擾信號的干擾效能進行分析，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

2.1跳頻系統的組成及原理

跳頻通信的工作原理是收發雙方傳輸信號的載波頻率按照預定規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，仍能在其他頻點上進行通信［4］。由于跳頻通信系統是瞬時窄帶系統，因而易于與其他的窄帶通信系統兼容。圖1，圖2是跳頻通信系統的原理圖。

圖2 跳頻通信系統原理圖（接收端）

發送端首先對輸入信息進行調制，在跳頻通信系統中，每一次頻率跳變都會引入一個不確定的附加相移，因此選擇的調制方式必須支持非相干解調，選用2FSK調制方式。跳頻序列控制跳頻頻率表進而控制頻率合成器產生頻率跳變的本振信號，已調信號對該跳頻信號進行跳頻調制，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，系統首先根據接收信號進行跳頻通信系統的同步，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行解跳，最后再對其進行解調，便可得到發送端發送的原始信息。

2.2跳頻通信2FSK調制方式

跳頻系統一般采用FSK、ASK等非相干解調的調制方式，尤其以2FSK方式最為常用。圖3所示是用數字鍵控法產生二進制頻移鍵控的原理圖，圖中兩個振蕩器的輸出載波受輸入的二進制基帶信號控制，在一個碼元期間輸出f1或f2兩個載波。該方法由于使用兩個獨立振蕩器，使得信號波形的相位存在不連續現象，但它具有轉換速度快、波形好、穩定度高且易于實現等優點。

二進制頻移鍵控載波的頻率受調制信號的控制，而幅度和相位保持不變。設二進制數字信號的“1”對應載波頻率f1，“0”對應載波頻率f2，信息碼元的寬度記為Td，2FSK調制信號的表達式為：

s（t）=Acosω1t，0≤t≤Td（二進制1）

Acosω2t，0≤t≤Td（二進制0）

圖3 二進制頻移鍵控原理圖

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

2.3 跳頻序列的產生

圖4 波形對比圖

跳頻系統中，擴頻碼主要用作頻率跳變的控制，其主要作用有兩點：一是控制頻率跳變以實現擴頻；二是在使用跳頻組網時可用作地址碼。

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，c0，c1，…，cn為對應級移位移存器的反饋系數，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式為：

｛an｝=c1an-1+ c2an-2+......cna0

移位寄存器每次生成的狀態值經過二進制轉換為十進制，送往頻率發生器，頻率發生器根據送入數值以及電壓/頻率參數轉換成需要的頻率值。

3 建立系統仿真模型

3.1模型建立

快跳頻通信系統的Simulink仿真模型如圖6所示，包含跳頻子系統模塊、調制子系統模塊和解調子系統模塊。該快跳頻通信系統按功能可以分為六個部分：信號產生部分、發送部分、跳頻擴頻調制部分、信道部分、接收部分和判決分析部分。

圖6 快調頻通信系統仿真結構模型

3.2主要模塊設計

（1）跳頻子系統模塊

跳頻子系統模塊如圖7所示。跳頻子系統模塊需要完成快跳頻通信系統的跳頻信號產生，并且要求設計的跳頻子系統模塊跳變速率要大于信息的傳輸速率。設信息傳輸速率為1bit/s，頻率的跳變速度為2h/s。跳頻子系統中，偽隨機碼采用偽隨機序列發生器產生的周期為15的m序列。m序列的設置為：生成多項式［1 1 0 0 1］，初始狀態［0 0 0 1］，采樣時間設為0.5，即1s產生兩個碼元，去控制頻率合成器每秒產生兩個頻率，以實現快跳頻通信。

圖7 跳頻子系統模塊仿真模型

（2）調制與解調模塊

以BPSK調制和解調為基礎，BFSK調制子系統模塊，BFSK解調子系統模塊分別如圖8、圖9所示。

圖8 BFSK調制子系統模塊仿真模型

圖9 BFSK解調子系統模塊仿真模型

圖9中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。

4 仿真實現

4.1信號生成部分

信號生成部分是利用隨機整數信號發生器（Random-integer Generator）來產生，該模塊的參數設置是產生二進制隨機序列信號，采樣時間設為1，即1s產生一個碼元。它產生的頻率為1Hz的二進制隨機信號，如圖10所示。

4.2信息發送部分

由信源產生的二進制隨機信號先通過頻移鍵控來產生一個BFSK信號，如圖10中BFSK已調信號波形所示。在進行跳頻調制時，把跳頻子系統模塊產生的信號與產生的BFSK信號進行相乘（即跳頻調制），產生的信號波形如圖10中跳頻調制信號波形所示，然后把跳頻調制信號經過信道發送出去。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，波形如圖10中跳頻解調信號波形所示。接著進行BFSK的相干解調。

4.4判決部分

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做出判決的。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”，其余判為“0”。發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，以及濾波器設計不理想等原因，使得接收信號中存在一些誤碼。

圖11 發送信號與接收信號對比圖

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6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，送入誤碼儀后完成比較，由圖可知，恢復的信號基本正確，誤碼率為0.15。

5 結束語

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。在闡述了跳頻擴頻通信的基本原理和實現方法基礎上，利用Matlab提供的可視化工具箱Simulink建立了跳頻擴頻通信系統仿真模型。將干擾子系統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、連續波等不同干擾下的抗干擾性能，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。

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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

文獻標識碼：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，學士，工程師，主研方向：通信仿真。

收稿日期：2015-07-02