跳頻通信技術研究與仿真

眭楊清，陳家福

(昆明理工大學信息工程與自動化學院，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”對通信質(zhì)量的影響。

2 跳頻通信技術

2.1 跳頻技術基本理論

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的解調(diào)即可恢復數(shù)據(jù)。

跳頻的同步是跳頻通信的關鍵技術，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 跳頻技術數(shù)學模型

在跳頻通信的發(fā)射端［3］，串行比特流轉換為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 序列是目前廣泛應用的一種偽隨機序列，由線性移位寄存器來構造。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系是式完全確定。反過來，線性移位寄存器的遞推關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 語言中的一個科學性工具包，提供通信領域中計算、研究模擬發(fā)展、系統(tǒng)設計和分析的功能，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)研究和設計的需要擴展仿真模型，實現(xiàn)以跳頻通信為基礎的現(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)、相關統(tǒng)計等處理后，會有延遲，在誤碼儀模塊的對話框中要設置一個合適的延遲。

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)，采樣時間設為0.01s;M－FSK 模塊完成FSK調(diào)制，調(diào)制元數(shù)設為2，頻率間隔設為100Hz，每個符號采樣點數(shù)設為40，調(diào)制輸出的采樣率為4000次/s的復信號。PN 序列轉換得到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置為1/250s，并設置為幀格式輸出，每幀5個碼片，然后將其轉化為每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)仿真結果，信源信宿相同，誤碼率為0。

5 結束語

在對跳頻通信原理深入理解的基礎上，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的發(fā)展以及軍事通信特別是現(xiàn)有跳頻電臺的應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，要達到好的效果，應該選取合適的擴頻序列，達到更好的同步效果。以后的研究應該基于序列的選取，一種更好的自適應同步，這樣跳頻通信才能發(fā)揮它的最佳通信效果。

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