Simulink的跳頻通信系統抗干擾設計分析

趙娟， 蘇龔軍

(1. 商洛職業技術學院， 職教中心， 陜西， 商洛 726000；2. 商洛市交通投資建設有限責任公司， 陜西， 商洛 726000)

0 引言

跳頻通信系統憑借自身較強的抗干擾作用，現階段被廣泛應用于軍隊以及人們的日常生活，在戰爭時期，若沒有較強的通信設備，有可能造成軍事系統出現重大危機，在該背景下，跳頻通信技術正處于不斷升級狀態，而跳頻通信系統的各項技術有利于軍事基地抵御敵方的干擾信號輸出。為保證該系統的功能，本文將針對該系統的抗干擾性能進行深入研究，通過理論分析以及仿真測試相結合的方式對本文進行闡述。在人們日常生活中，頻率資源具有一定的限制，而多種設備的頻率維持在2.4 GHz，該頻率下的各種設備之間將形成一定的干擾，因此 ，通過多種信道進行有效劃分可以避免該現象的發生，即使用跳頻通信技術對信號進行阻礙，為跳頻通信系統今后的發展帶來廣泛意義。

1 跳頻通信系統技術分析及發展現狀

1.1 通信抗干擾技術的發展現狀

通信干擾的存在實際上是為了阻止雙方進行有效溝通，通過破壞通信的方式攔截數據信息，防止接收方接收到通信信號，可針對噪聲以及干擾信號等信息有目的地進行篩選，將無用信息通過依附的方式附著在通信信道中，通過該方式有利于干擾通信方通過通信系統發送的無線通信電磁頻譜，從而實現抑制網絡節點、阻止敵方的接收機對通信方所發送的數據信息進行有效接收的目的，在敵方無法接收有效數據信息的情況下，將無法及時回復通信方，通過電子行動的方式有利于破壞信息傳輸。通信技術發展至今經歷了較強時間段的戰術抗干擾策略，隨著技術的不斷升級，最終通過抗干擾技術實現抗干擾通信效果。從技術分析的角度可將通信抗干擾系統分為時域、空域、頻域以及糾錯編碼技術，不同的抗干擾技術中共同的優點是抗干擾能力相對于其他跳頻系統更強，可通過不斷跳變的方式對信息進行干擾，阻止敵方截獲有效信息，除此之外，跳頻通信系統具有一定的正交特性，可以通過共享資源的方式，提高頻譜的使用率。隨著跳頻通信系統技術的不斷完善，跳頻系統的抗干擾手段漸漸成熟，具有一定的隱蔽性。

1.2 跳頻通信抗干擾系統的工作原理

跳頻通信系統指的是頻率跳變擴展頻譜通信系統，可通過二進制的方式產生偽隨機碼，并將偽隨機碼以序列的形式進行傳輸，通過該序列對載波頻率振蕩器進行有序控制，最終使其產生隨著偽隨機碼跳動而進行跳變的本振載波頻率，并將需要發送的信號通過本振載波頻率進行傳輸。跳頻通信系統在跳變過程中主要將頻譜擴展后的信息以信號的方式通過較寬的頻帶進行跳變，在一定范圍內進行跳變的方式可以得知跳頻系統的抗干擾方式是通過不斷跳變的載波頻率對干擾信號進行躲避實現的，頻率跳變系統簡化原理框圖如圖1所示。跳頻通信系統實現抗干擾功能的基本原理是通過發射端的調制器將數據上傳至中頻振蕩器，由振蕩器發射出載波調制，最終形成跳頻信號，通過偽碼發生器將跳頻信號以序列的方式上傳至譯碼器，與頻率合成器共同協作產生跳頻本振信號，最終由接收端將接收發射端的信號上傳至混頻器，由濾波作用形成中頻信號，并對其進行放大處理，最終進入基帶信號的解調階段[1]。

圖1 頻率跳變系統簡化原理框圖

2 跳頻通信系統的主要抗干擾模式

2.1 五種干擾的特點和產生方式

對于不同的干擾信號應通過不同的方式進行處理，當前常見的干擾形式主要分為5種，分別是寬帶阻塞式干擾、部分頻帶阻塞式干擾、梳狀阻塞式干擾、多頻連續波干擾以及跟蹤干擾，其中寬帶阻塞式干擾主要通過偵察的方式將需要干擾的頻段信息進行識別，并通過自身的干擾功能對跳頻通信中較大頻段的數據信息采用無縫銜接的方式進行固定或者輪流大功率壓制干擾，該方式在使用過程中操作簡單，具有較強的干擾效果，但在使用過程中將會干擾己方通信系統。部分頻帶阻塞式干擾的干擾方式在原理上與寬帶阻塞式干擾具有一定的類似性，二者之間最大的區別是部分頻帶阻塞式干擾方式主要通過對跳頻通信系統中的部分頻帶進行集中處理，最終通過自身功能將其進行干擾，在跳頻通信系統中的信號主要以寬帶信號而存在，因此，在寬帶信號遭受敵方攻擊時，通過部分頻帶阻塞式干擾方式可實際掌握該信號的分布方式，相對于寬帶阻塞式干擾，部分頻帶阻塞式干擾更具有集中性，可將頻段數據分成較小的頻段，并實施干擾。梳狀阻塞式干擾屬于上述兩種方式的折中產物，在應用上可避免寬頻帶的大功率消耗以及部分頻帶的覆蓋率低等問題，梳狀阻塞式干擾在干擾原理中需要頻段信息以及頻率間隔的加持，通過二者之間共同作用，最終針對干擾信號實施瞄準干擾，通過該方式有利于彌補其他干擾方式的漏洞，實現間斷式干擾，具有較高的抗干擾性能。多頻連續波干擾的作用原理是通過連續的方式對頻率進行干擾，針對重疊的干擾信號通過跳頻系統進行檢測，從中獲取該系統中最小的頻率間隔，將該信息通過連續波的最大干擾強度進行調制，但在該過程中不確定干擾信號是否可以覆蓋全部跳頻頻點。跟蹤干擾主要通過對干擾信號進行實時跟蹤的方式，實現對不斷跳變的信號進行干擾，跟蹤干擾在實現過程中可通過二次調制的方式對跳頻信號進行處理，提高通信頻帶的干擾強度，具有較強的干擾效果[2]。

2.2 干擾信道設計

本設計通過干擾類型控制器對干擾信道的選通進行控制，信道原理圖如圖2所示，從圖中可以看出本次設計的原理是將信號輸入至該系統中，并通過上述5種干擾方式模擬高斯噪聲信道遭受人為干擾過程中的狀態，在該系統中將加入干擾類型控制器，通過控制器對干擾方式進行控制，通過多向開關將數據信息進行輸出。

圖2 信道原理圖

2.3 抗干擾性能分析

為保證跳頻通信系統在接收過程中信號與干擾之間可以進行相互作用，將針對跳頻通信系統中的抗干擾性能進行分析，部分頻帶干擾機干擾跳頻通信信號如圖3所示。

圖3 部分頻帶干擾機干擾跳頻通信信號

(1)

在式(1)的基礎上定義一個隨機變量Z，隨機變量Z表達的含義為每個Tb時間段內的干擾狀態參數，并將隨機變量Z=1時的數據信號帶入干擾帶寬內，在該過程中，若隨機變量Z等于0，表示的含義為信號不在干擾帶寬內，通過上述信息最終將概率分布式定義為

P{Z=1}=ρ和P{Z=0}=1-ρ

為保證跳頻通信系統的正向抗干擾能力，將針對該系統進行誤碼率討論，該過程中只研究部分頻帶的干擾，將其他干擾定義為可忽略因素，假設在忽略其他因素干擾的情況下，且信號不在干擾寬帶內，該狀態下的系統將無誤碼產生時平均誤碼率為

(2)

在上述式子中可以得出FH/MFSK信號在傳輸過程中受到干擾的概率隨著ρ的減少而逐漸降低，但遭遇干擾的FH/MFSK信號誤碼率處于升高狀態，綜合考慮，FH/MFSK信號的性能處于下降狀態，針對ρ進行偏導數的計算，在計算過程中將ρ的數值定義為零，最終獲得的關系式為

(3)

其中,y=KρEb/NJ。

通過相關計算，將式(1)帶入至式(3)中可取得ρ的最大閾值將等于1，通過相關公式在無干擾狀態下計算出最壞情況下的比特差錯率為

(4)

對于部分頻帶噪聲對FH/MFSK信號進行干擾時，可將最壞情況下的平均比特差錯率為

(5)

3 跳頻通信系統抗干擾性能模型建立

3.1 跳頻通信系統模型

跳頻通信系統實際上指的是通過將頻率進行擴張方式實現通信聯系，在一定意義上通過跳頻系統可將工作頻點處于不斷變化的狀態，并通過偽隨機序列控制頻率合成器產生不同頻率的載波，為保證該系統可以正常輸出載波信號，將在該系統中加入PN偽隨機碼，該系統中的接收端將根據系統傳輸的載波信號等數據信息進行解跳程序，該過程需要利用同步技術進行加持，通過同步技術的引用有利于該系統有效避免誤碼率的發生。針對跳頻通信系統抗干擾性能進行測試，將通過模型建立的方式開展本次設計，在該設計中將利用Simulink對模型進行搭建，搭建完畢后，針對該模型將通過BPSK調制方式對隨機信號進行處理，并實施跳頻通信過程。初始步驟完成后，應針對跳頻信號序列所形成的頻譜進行擴展式的發送，在信息進行傳輸過程中，向該系統中加入高斯白噪聲，跳頻信號將通過該噪聲的數據大小產生誤碼，通過相關計算最終可得出誤碼率的數值，進而判斷出該通信系統中信道的傳輸性能[3]。

3.2 建立干擾信道模型

經過數據分析可知，跳頻系統在實際操作過程中仍存在多種類型的干擾，因此，本文將根據不同類型的干擾建立干擾信道模型，其中寬帶阻塞式干擾在通信過程中屬于最常見，也是最簡單的干擾類型，通過強大的信號功率可實現阻塞性干擾。部分頻帶阻塞干擾在針對干擾信號進行工作過程中應使用多個發射機才可達到寬帶阻塞干擾的作用效果，但該干擾方式在作戰期間具有一定優勢，可保護自身不被暴露。梳狀阻塞干擾可在多個高斯噪聲發生器的作用下，將跳頻信號傳輸至帶通濾波器，在濾波器的作用下產生不同的噪聲干擾，在該系統中可加入放大器，通過放大器對噪聲大小進行調節，為保證該系統的良好性能，將在該系統中加入9個高斯噪聲發生器，實現梳狀干擾模型。在多頻連續波干擾中可通過多個頻率信號共同作用，并通過跳頻頻點的方式進行定頻干擾，而跟蹤干擾在通信系統中屬于最有效的干擾方式之一，跟蹤干擾模型如圖4所示。

圖4 跟蹤干擾模型

4 基于Simulink的跳頻通信系統抗干擾性能仿真分析

4.1 寬頻帶阻塞干擾

通過分析可知，寬頻帶阻塞干擾主要由均值為0，方差為1的高斯噪聲通過干擾而產生的，通過頻譜分析可知，寬頻帶阻塞干擾可分布于整個系統中，為保證該系統的抗干擾性能，將針對該系統進行仿真分析，在仿真分析過程中，將向該系統中加入不同類別的干擾信號，共分為兩類，分別是非人為干擾以及人為干擾信號，通過寬帶阻塞式干擾針對干擾信號進行工作的特點中可以分析出，隨著干擾強度的不斷增大，誤碼率出現明顯增大現象，可通過功率對抗方式克服干擾信號帶來的影響，除此之外，可通過擴展跳頻系統帶寬的方式對信號頻率的寬度進行擴展，該狀態下的跳頻通信系統為保證自身抗干擾性能，將通過擴大干擾信號功率的方式實現干擾性能，但擴大系統功率在一定程度上將暴露自己的存在，為改善該現象的發生，將通過部分干擾的方式進行處理，從而形成部分頻帶阻塞干擾[4]。

4.2 部分頻帶阻塞干擾

部分頻帶阻塞干擾主要通過高斯噪聲發生器與帶通濾波器共同作用下，對跳頻信號產生一定的干擾信號，因此，本次分析中將針對跳頻信號的傳輸過程對帶寬進行確定，該方法有利于濾波器參數的設置，促使干擾信號在跳頻通信系統的頻帶數據之內進行跳動，通過對部分頻帶阻塞干擾進行仿真分析可以看出，對于該類型的干擾應通過功率對抗的方式進行處理，除此之外，應針對帶寬進行有效擴展，或者通過對頻率數進行增加的方式實現部分頻帶阻塞干擾方式的抗干擾性能，介于上述抗干擾方式，還可針對部分頻帶阻塞干擾進行空閑信道搜索技術的引用，該技術可有效避免頻帶阻塞干擾的影響[5]。

4.3 多頻連續波干擾

通過該干擾的產生方式中可以看出多頻連續波干擾進行跳頻信號處理時，將產生一定的干擾信號，此類干擾信號在時域中處于相互重疊狀態，并且該干擾方式可通過連續波的作用下形成定頻干擾，應保持干擾頻點與跳頻頻點重合，實現抗干擾功能。通過分析可知，為保證該系統的干擾概率，應將干擾方的功率處于增大的狀態下方可實現，而針對被干擾的系統可以通過對跳頻頻點數進行提高，從而實現系統的有效干擾模式。

5 總結

跳頻通信實際上指的是擴頻通信中的一種通信方式，該系統主要通過本文主要通過二進制的方式產生偽隨機碼，并將偽隨機碼以序列的形式進行傳輸，通過該序列對載波頻率振蕩器進行有序控制，最終使其產生隨著偽隨機碼跳動而進行跳變的本振載波頻率，并將需要發送的信號通過本振載波頻率進行傳輸。在跳頻通信系統作用原理的基礎上進行抗干擾方式分析，并通過構建系統模型的方式計算誤碼率的性能，除此之外，本文將基于Simulink軟件的作用下對跳頻通信系統的抗干擾性能進行測試分析，通過不同程度的參數數據對干擾環境下的跳頻通信系統進行測試，最終得到抗干擾措施，在今后的研究過程中，將針對仿真系統進行不斷完善，具有重要意義。