基于Simulink的跳頻通信系統同步過程建模與仿真＊

趙龍華 王振華

（1.空軍預警學院研究生管理大隊 武漢 430019）（2.空軍預警學院五系 武漢 430019）（3.95112部隊 佛山 528000）

1 引言

跳頻通信以其強抗干擾性、低截獲概率、易實現多址等特點，已成為當今戰術通信的主要方式［1］。對于較寬頻段工作的跳頻通信，傳統的方法采用阻塞方式進行干擾，需要大量的干擾資源。如何有效干擾跳頻通信仍然是通信對抗急待解決的難題［2］。對于戰術電臺中使用較多的PTT通信方式，同步是實現跳頻通信的關鍵［3］，是實施高效干擾的突破口。為了對跳頻同步過程進行深入研究，文中根據跳頻通信的工作原理和跳頻電臺的同步原理，借助 Matlab／Simulink仿真工具建立具有同步的跳頻通信系統模型，著重對模型的同步過程進行了分析。

2 跳頻通信系統

跳頻通信載頻受偽隨機碼控制而跳變，由于跳頻同步過程較復雜，目前對跳頻系統的建模分析都假設收發雙方共用同一個跳頻產生器，忽略了同步過程［4～8］。然而，實際的跳頻通信系統必須考慮同步過程，如圖1所示。需要發射的數據經數據調制后，與載波混頻。載波由偽隨機序列（跳頻序列）控制頻率合成器產生，頻率隨跳頻序列偽隨機地跳變，混頻后的信號經寬帶濾波后，由天線發射出去。在接收端，利用同步電路控制偽隨機序列，使頻率合成器產生的跳變頻率與發射端跳變頻率同步，接收到的跳頻信號經混頻后變成一固定的中頻信號，經數據解調，恢復出需要傳輸的數據。

圖1 跳頻通信系統

3 跳頻同步過程建模

3.1 跳頻同步信息和數據發送格式

跳頻同步是跳頻系統中的關鍵。由于跳頻系統的載頻在跳頻序列控制下偽隨機跳變，接收機要能正確地進行相關解跳，從接收到的有用信號中恢復受信息調制的中頻信號并解調出有用信號，必須實現收發雙方的跳頻同步。跳頻同步的方法［9～10，12］很多，包括精確時鐘法、同步字頭法、獨立信道法、匹配濾波器法和自同步法。本文采用跳頻通信中實際常用的同步頭和時間信息（TOD）相結合的方法，進行跳頻同步的建模。

跳頻系統發送的同步信息主要分兩種：同步幀信息和勤務幀信息。前者完成系統在初始階段的同步；后者完成遲入網階段的同步和在取得初始同步后的同步保持。一次完整的數據發送格式如圖2所示。跳頻系統首先發送同步幀信息，供系統完成初始同步，然后發送數據幀信息，并在發送數據幀中間插入勤務幀信息，供系統完成遲入網同步和同步保持。

圖2 數據發送格式

圖3 TOD信息格式

在發射機和接收機的內部都有一個TOD時鐘，它表示跳頻電臺的系統時間信息，一般采用一種非線性的表示方式，將時間信息TOD分成兩部分表示：TOD高段（年、月、日、時、分）和 TOD低段（分、秒、跳），分別記為TODh和TODl。TOD格式如圖3所示。

3.2 跳頻同步的Matlab／Simulink建模

在Matlab／Simulink環境中建立的完整跳頻通信系統模型如圖4所示。系統由按鍵控制模塊PTT、發射機模塊Transmitter、信道、接收機模塊Receiver以及用于評估的誤碼率測試模塊BER組成。假設信道為高斯白噪聲（AWGN）信道與加性干擾Jamming的和。更復雜的信道可通過更換模型來實現。為有效評估本仿真系統，對其性能進行分析，模型中包含了誤碼率測試模塊。其基本原理是在接收端將接收碼元與發送碼元逐個比較，并對錯誤碼元個數進行累加統計，并提供觀察波形的能力。

圖4 跳頻通信系統的Matlab／Simulink建模

發射機模塊Transmitter的工作狀態受PTT模塊控制，當PTT輸出為1時，跳頻系統進入工作狀態；反之，跳頻系統進入靜默狀態。其內部組成如圖5所示，包括發射控制模塊Tx＿Contr＿subsys、發射模塊 Tx＿message＿subsys和跳頻產生器模塊Frequency Hopping Generator。

圖5 發射機模塊

發射控制模塊用于產生發射模塊和跳頻產生器模塊所需要的時鐘和控制信號。

發射模塊數據形成、調制及跳頻的功能。其中信息發送模塊Tx＿message內部如圖6所示，其功能是在TOD時鐘的驅動下，由狀態控制輸入通過Multiport Switch模塊選擇發送同步幀sync＿Info、數據幀Data＿info、勤務幀Serv＿info和靜默狀態時的0輸出。StateContr輸入為發射模塊工作狀態控制輸出同步幀、數據幀、勤務幀和靜默狀態時的0輸出。MessClk輸入為TOD時鐘，分別進入到同步幀和勤務幀模塊供提取TODl信息。Data＿Info模塊采用嵌入式Matlab函數編寫，便于提取數據幀信息用于對系統誤碼率的統計；Txmess輸出到數據調制模塊，進行2FSK調制。

圖6 信息發送模塊

其中的同步幀模塊仿真如圖7所示，它包含前導序列、幀同步、網號、TODl和空跳模塊，在TOD時鐘的作用下依次輸出，組成同步幀。TODL Info模塊在內部完成對系統時鐘低位TODl信息的提取和發送。

勤務同步信息的格式與同步幀信息的格式大致相同，只是傳送前導序列的跳數較少。同時為區分初始同步信息和勤務同步信息的接收，勤務同步信息的相關碼采用Walsh6－Walsh11，與同步幀（Walsh0－Walsh5）不同，這樣通過對前導序列的相關峰的捕獲就可以區分出初始同步和遲入網同步。

圖7 同步幀模塊

發射機內部的跳頻產生器模塊根據系統時鐘，形成如圖3所示的TOD格式的數據，選擇TODh和TOD值作為偽隨機碼生成器的初始值，分別產生相應的同步頻率和數傳頻率值，控制圖8所示的DDS模塊形成載頻。

圖8 DDS模塊

接收機模塊主要包括信息接收模塊、接收控制模塊和本地跳頻產生器模塊。信息接收模塊對經過信道和干擾的發射信號進行解跳和解調；接收控制模塊完成對同步信息的捕獲，并控制本地跳頻發生器產生本地跳頻信號；本地跳頻產生器模塊在接收控制模塊的作用下產生本地跳頻信號。

圖9 接收時同步過程

跳頻系統發送數據幀之前，首先發送同步幀信息，由接收機完成初始同步過程。在初始同步過程中，發射機在根據TODh確定的i個同步頻率上循環發送相關序列。接收機則在根據自己TODh計算出來的i個同步頻率上慢掃描，其掃描速率為發送方的1／（i＋1），以保證在接收的一跳內，能夠完整地收到發送方的數據。跳頻系統的初始同步過程如圖9所示，接收方在慢掃描的狀態下，完成對同步信息的捕獲，根據捕獲到的相關碼與本方相關碼位置的比較，校正自己的TODh值，同步確認后開始接收幀同步、網號和TODl信息，最終校正自己的TODl，使雙方的TOD信息完全一致，達到跳頻同步。因此其主要過程包括同步捕獲、TODh校正、同步確認和TODl校正。

接收控制模塊如圖10所示，包含同步控制模塊Syn－Contr和本地系統時鐘模塊local＿TODclk，完成對同步信息的捕獲和跟蹤，通過從解調的信息中提取出同步幀信息，調整本地的時鐘，使收發雙方的系統時鐘一致。

圖10 接收控制模塊

跳頻產生器產生頻率號，進入DDS生成相應的頻率，頻率號相同則生成的頻率相同，否則生成的頻率不同。當接收機捕獲到同步信息，本地跳頻轉入跟跳狀態后，接收方調整自己的TODh值使雙方的同步頻率變化一致，可以持續接收到同步幀信息，接收機根據接收到的TODl信息，調整自己的時鐘，此時雙方的系統時鐘達到一致，初始同步完成后，系統進入數傳狀態，使收發雙方的跳頻頻率達到一致，接收到數據幀。

4 對同步過程的仿真實驗

在仿真運行環境為Windows XP Professional SP3下Matlab R2009a中，利用所建立的模型模擬了跳頻系統的初始同步、數傳過程和同步保持時的勤務同步過程。

發射模塊輸出的信號時頻分析部分截圖如圖11所示。其中發射機的跳頻取值范圍為2.5～12MHz。圖中在發送同步幀信息的時間（0～0.15s）內同步頻率在六個頻率上循環跳變，同步幀信息發送完后發送數據幀信息，數傳頻率開始偽隨機地變化。

圖11 發射信號的時頻圖

當收發雙方的頻率達到同步時，接收信號經過解跳后的信號頻譜如圖12（b）所示。圖12（a）中也給出了發射機中2FSK調制信號頻譜。圖13為發送和接收碼元信息的波形。

圖12 發射模塊2FSK調制信號與接收模塊解跳后信號的頻譜

圖13 發送和接收碼元信息的波形

利用系統模型得到的收發雙方在初始同步、數傳過程和同步保持時勤務同步過程的頻率與工作狀態變化如圖14所示。為便于觀察，頻率采用控制頻率集序號的頻率號描述。狀態0表示未同步狀態，狀態1表示初始同步狀態，狀態2表示數傳狀態，狀態3表示勤務跳跟蹤狀態。圖中接收模塊在初始同步過程中，其頻率號與發射機的頻率號由不一致到一致，初始同步完成后，系統進入數傳狀態雙方頻率號變化一致，當發射模塊開始發送勤務幀信息時，接收模塊內的跳頻產生器處于勤務跳跟蹤狀態，由于雙方系統時鐘一致，同步得到保持，勤務跳結束時，同步轉入數傳狀態，從而可以接收數據幀信息。

5 結語

實際的跳頻系統具有復雜的同步過程，利用數學方式很難完全描述系統的性能。Simulink／Matlab是可視化建模仿真平臺，采用方框圖建模的形式更貼近于工程習慣。實驗表明，利用該模型能完整地模擬跳頻系統的初始同步和勤務同步的過程，較好地仿真了具有同步過程的跳頻系統，為進一步深入分析跳頻通信系統的性能以及對其各種干擾的效果提供了一種較好的實驗平臺。

圖14 系統在初始同步，數傳和勤務同步時收發雙方頻率號的變化

［1］梅文華.跳頻通信［M］.北京：國防工業出版社，2005.

［2］朱永松，張海勇，汲萬峰.跳頻通信抗干擾性能分析［J］.現代防御技術，2005，33（5）：37－41.

［3］陳永軍，吳杰，許華，等.快速跳頻通信系統同步技術研究［J］.電子設計工程，2010，18（11）：58－61.

［4］R.C.Robertson and J.F.Sheltry，“Multiple tone interference of frequency－hopped noncoherent MFSK signals transmitted over Rician fading channel，”IEEE Trans.Commun.，1996，44：867－877.

［5］王向鴻，趙海濤，關曉東.跳頻擴頻系統的Matlab模擬仿真實現［J］.軍事通信，2010，10：74－75.

［6］劉克飛，楊東凱，吳江.跳頻通信系統的Simulink仿真實現［J］.系統仿真學報，2009，21（24）：7969－7973.

［7］聶偉，郭梅花，張永杰.跳頻通信系統的研究與 Matlab仿真［J］.軍事通信，2010，10：74－75.

［8］閆云斌，全厚德，崔佩璋.GMSK跳頻通信干擾模式分析及仿真［J］.計算機測量與控制，2011，19（12）：3082－3088.

［9］程郁凡，韓瑋，李少謙.基于FFT的快速跳頻同步信號存在性監測［J］.電子科技大學學報，2003，23（5）：535－540.

［10］楊土安.基于頻率估計的短波跳頻同步捕獲技術的研究［D］.武漢大學，2004.

［11］李正民，陳京育，姬曉陽.基于ARM的多功能無線通信模塊設計［J］.計算機與數字工程，2010（3）.

［12］A.K.Elhakeem，GS.Takhar，S.C.Gupt.A New code acquisition techniques in spread－spectrum communiactions，IEEE Trans.Commun，1980：249－257.