跳頻通信技術(shù)研究與仿真

眭楊清，陳家福

(昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院，昆明 650500)

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(tǒng)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(tǒng)無線電通信的弊端，使原先固定不變的無線電發(fā)信頻率按一定的規(guī)律和速度來回跳變，而讓約定對方也按此規(guī)律同步跟蹤接收。由于敵方不了解我方無線電信號的跳變規(guī)律，很難將信息截獲。盡管它亦可以采用“跟蹤干擾”的方式來干擾我方電臺，但由于跳頻頻譜變化無常，往往是敵方剛搜索到某發(fā)送頻率，它立即又變了，很難做到同步破解。可能有人會提出全面實行干擾(即“寬帶阻塞干擾”)的方法，但這樣做不僅會耗費巨大功率，而且還可能因此而暴露自己和對己方通信造成嚴重干擾。跳頻通信不僅是抗御外來干擾的能手，而且對于抑制遠距離無線電通信本身所造成的“多徑干擾”也十分有效。因為多徑干擾是由于短波無線電信號在傳輸過程中所經(jīng)過的路徑不盡相同，有的是經(jīng)電離層一次反射到達對方的，有的則經(jīng)多次反射后到達對方，而且上述情況還很不穩(wěn)定，因而造成信號的時強時弱以致失真［2］。采用跳頻通信后，由于在主波波束已被接收，而其它徑向波束尚未到達接收機時，發(fā)送和接收載頻早已跳到別的頻率點上去了，這樣就避免了“多徑效應(yīng)”對通信質(zhì)量的影響。

2 跳頻通信技術(shù)

2.1 跳頻技術(shù)基本理論

跳頻是擴頻的一種方式，系統(tǒng)采用偽隨機碼序列構(gòu)成跳頻指令來控制頻率合成器，可以看出載波頻率不斷變化的多頻頻移鍵控。相比于直接擴頻序列，跳頻通信系統(tǒng)的偽隨機序列不用來直接傳輸，而用來選擇信道。跳頻通信基本原理圖見圖1。根據(jù)跳頻速率與傳輸信息速率之間的關(guān)系，調(diào)頻系統(tǒng)有快跳頻(Fast frequency hopping)系統(tǒng)和慢跳頻(Slow frequency hopping)系統(tǒng)2種。

調(diào)頻系統(tǒng)是一種瞬時在帶系統(tǒng)［6］。在接收機端，本地恢復(fù)載波也受偽隨機碼的控制，并保持與發(fā)送的跳頻一致的變化規(guī)律，這樣，以頻率跳變的本地恢復(fù)載波對接收信號進行變頻后，就能得到解調(diào)頻信號，然后對解擴信號再進行相應(yīng)的解調(diào)即可恢復(fù)數(shù)據(jù)。

跳頻的同步是跳頻通信的關(guān)鍵技術(shù)，只有實現(xiàn)了快速精確的同步，才能正確接收跳頻信號。跳頻同步的好壞，直接影響到跳頻系統(tǒng)的性能。同時跳頻同步也是跳頻通信系統(tǒng)開發(fā)的難點，特別是在高跳速工作時需要精心設(shè)計方案才能實現(xiàn)同步的捕獲和跟蹤。由于跳頻系統(tǒng)中頻率不斷變化，在接收機中跟蹤載波相位較為困難，所以調(diào)頻系統(tǒng)中不采用需要相干方式解調(diào)的調(diào)制方式，而采用相干解調(diào)的調(diào)制方式，這里將采用FSK(頻移鍵控)調(diào)制。

圖1 跳頻通信原理圖

2.2 跳頻技術(shù)數(shù)學(xué)模型

在跳頻通信的發(fā)射端［3］，串行比特流轉(zhuǎn)換為M進制碼元送入邏輯電路，邏輯電路根據(jù)碼元的值選擇不同的頻率進行調(diào)制，形成MFSK 信號輸出。代表M 進制碼元符號的M個發(fā)送波形di(t)(i=1，2，3，...，N)表示為:

各波形彼此正交，且具有相等能量。在采用最佳非相干解調(diào)的情況下，一般選擇頻率間隔Δf=rs(rs=1/Ts)。調(diào)頻系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，可以這樣建立:

其中，n=1，2，3，...，N/2;cos［2i(f0±nfΔ)t +Nn］為輸出的跳頻信號(幅度設(shè)為1);fΔ為跳頻頻率合成器的頻率跳變間隔;d(t)為基帶傳輸?shù)男畔?f0為跳變頻率合成器的中心頻率;Nn為初始相位。

s(t)在信道中與本系統(tǒng)的其它擴頻信號sk(t)、噪聲n(t)以及J(t)組合后進入接收機的信號r(t)為:

其中，s(t)為發(fā)射端的有用信號;sk(t)是本系統(tǒng)中其它地址的擴頻信號。

r(t)進入接收機與本地信號cos［2i(fr±nfΔ)t+Nr］相乘后得到:

式中，fr為本地頻率合成器的中心頻率，與f0差一個中頻，fIF=fr－f0，Nr是本地調(diào)頻的初始相位［8］。如果收發(fā)端跳頻信息同步則必有:

在nT≤t≤(n +1)T的每次跳變使混頻器輸出一個固定中頻［5］，經(jīng)過中頻濾波濾除其和頻分量就得到有用信號分量為:

將中頻信號rIF(t)送入解調(diào)器中，就可解調(diào)出信息信號d(t)。而其它地址的跳頻信號、干擾信號和噪聲不可能在每次跳頻時隙內(nèi)都與本地頻率合成器輸出的信號混頻成固定中頻。這樣，在解調(diào)后其它地址的跳頻信號、干擾信號和噪聲就落在中頻帶通濾波器的通帶之外，不會對有用信號解調(diào)產(chǎn)生影響。

2.3 跳頻通信M 序列

跳頻序列與直接擴頻系統(tǒng)對擴頻碼的使用方式不同。跳頻系統(tǒng)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(xiàn)擴頻;二是在使用跳頻組網(wǎng)時可用作地址碼。跳頻擴頻采用M 序列，一種線性移位寄存器序列作為擴頻序列。M 序列是目前廣泛應(yīng)用的一種偽隨機序列，由線性移位寄存器來構(gòu)造。圖2 就是一個p 元n 級線性移位寄存器的框圖。

圖2 n 級線性移位寄存器

圖2 中的n個小框代表n個寄存器，從左至右依序稱為第1 級、第2 級、…第n 級寄存器。每個寄存器可以取［0，1，2，p－1］種狀態(tài)之一，這p個狀態(tài)可分別看作有限域中p個元素。移位寄存器在時鐘脈沖的推動下，將把每級的內(nèi)容送給下一級，最末一級移出的內(nèi)容就是輸出。為便于說明，這里引用p元n 級線性移位寄存器的連接多項式［7］。在圖2 中移位寄存器多項式是:

顯然，線性移位寄存器的連接多項式由線性移位寄存器的遞推關(guān)系是式完全確定。反過來，線性移位寄存器的遞推關(guān)系式也由線性移位寄存器的連接多項式完全確定。因此，p 元n 級線性移位寄存器序列也可由前n 項和連接多項式完全確定。本文仿真采用2 元9 級多項式，序列仿真長度為512。

3 建立系統(tǒng)仿真模型

3.1 simulink 簡介

Matlab 具有強大的Simulink 動態(tài)仿真環(huán)境，可以實現(xiàn)可視化建模和多工作環(huán)境間文件互用和數(shù)據(jù)交換。Simulink 支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)，也支持多種采樣速率的多速率系統(tǒng);Simulink為用戶提供了用方框圖進行建模的圖形接口，它與傳統(tǒng)的仿真軟件包用差分方程和微分方程建模相比，更直觀、方便和靈活［4］。用戶可以在Matlab 和Simulink 兩種環(huán)境下對自己的模型進行仿真、分析和修改。用于實現(xiàn)通信仿真的通信工具包(Communication Toolbox)是Matlab 語言中的一個科學(xué)性工具包，提供通信領(lǐng)域中計算、研究模擬發(fā)展、系統(tǒng)設(shè)計和分析的功能，可以在Matlab 環(huán)境下獨立使用，也可以配合Simulink 使用。

3.2 系統(tǒng)模型建立及主要模塊設(shè)計

基于simulink 建立了跳頻通信的仿真模型［1］，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(shè)計的需要擴展仿真模型，實現(xiàn)以跳頻通信為基礎(chǔ)的現(xiàn)代通信的模擬仿真，為系統(tǒng)研究與建立提供強有力平臺。在跳頻通信中擴頻與解擴使用的PN 碼以及調(diào)制與解調(diào)使用的載波必須保持一致，在誤碼率計算時，接收到的信號，但經(jīng)過擴頻解擴、調(diào)制解調(diào)、相關(guān)統(tǒng)計等處理后，會有延遲，在誤碼儀模塊的對話框中要設(shè)置一個合適的延遲。

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設(shè)置，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(wù)是評估傳輸系統(tǒng)的誤碼率，它具有兩個輸入端口:第1個端口(Tx)接收發(fā)送方的輸入信號，第2個端口(Rx)接收接收方的輸入信號。圖3為基于simulink的跳頻通信系統(tǒng)仿真模型，圖4為隨機序列發(fā)生模塊。

4 仿真結(jié)果分析

Bernoulli Binary Generator 模塊產(chǎn)生二進制信源數(shù)據(jù)，采樣時間設(shè)為0.01s;M－FSK 模塊完成FSK調(diào)制，調(diào)制元數(shù)設(shè)為2，頻率間隔設(shè)為100Hz，每個符號采樣點數(shù)設(shè)為40，調(diào)制輸出的采樣率為4000次/s的復(fù)信號。PN 序列轉(zhuǎn)換得到0－31 隨機整數(shù)由子系統(tǒng)PN Sequence Generator 產(chǎn)生，子系統(tǒng)中，PN序列模塊采樣時間間隔設(shè)置為1/250s，并設(shè)置為幀格式輸出，每幀5個碼片，然后將其轉(zhuǎn)化為每5個碼片為一個隨機數(shù)輸出，作為調(diào)頻載波控制信號。圖5為跳頻系統(tǒng)仿真結(jié)果，信源信宿相同，誤碼率為0。

5 結(jié)束語

在對跳頻通信原理深入理解的基礎(chǔ)上，利用MATLAB 提供的可視化工具箱Simulink 建立了擴頻通信系統(tǒng)仿真模型，詳細講述了各模塊的設(shè)計，并給出了仿真建模中需注意的問題。為后面的仿真工作做好理論鋪墊。隨后在仿真軟件Simulink的基礎(chǔ)上，給出了跳頻通信系統(tǒng)的仿真模型，同時 給出了一定干擾情況下的的性能，對前文理論分析的結(jié)論進行了驗證。所作的研究對于現(xiàn)代戰(zhàn)爭中通信干擾與抗干擾技術(shù)的發(fā)展以及軍事通信特別是現(xiàn)有跳頻電臺的應(yīng)用和研究具有一定的實際意義，跳頻作為第三代移動通信的核心技術(shù)，要達到好的效果，應(yīng)該選取合適的擴頻序列，達到更好的同步效果。以后的研究應(yīng)該基于序列的選取，一種更好的自適應(yīng)同步，這樣跳頻通信才能發(fā)揮它的最佳通信效果。

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