跳頻通信系統(tǒng)技術(shù)研究及MATLAB仿真

郭東軒++朱燕++王慶春

摘 要：跳頻通信技術(shù)具有較強的抗干擾性能和優(yōu)良的組網(wǎng)能力，是擴頻通信中的重點技術(shù)，是戰(zhàn)術(shù)通信領(lǐng)域應(yīng)用最廣的抗干擾方法，提高軍事裝備的抗干擾能力。本文在闡述跳頻通信原理的基礎(chǔ)上，基于MATLAB的Simulink工具箱建立了跳頻通信系統(tǒng)的仿真模型，對跳頻通信系統(tǒng)在寬帶噪聲干擾環(huán)境下的工作機制進行了仿真，得到了噪聲干擾下的誤碼率-信噪比曲線，并將其和傳統(tǒng)的定頻通信進行比較，說明跳頻通信系統(tǒng)的抗干擾性能優(yōu)于定頻通信。

關(guān)鍵詞：跳頻通信；抗干擾性能；誤碼率；信噪比

中圖分類號：TN914.41 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）12-0026-02

跳頻通信技術(shù)（Frequency Hopping，F(xiàn)H）是擴頻通信技術(shù)的一種重要方式，除此之外擴頻通信還包括直接序列擴頻（Direct Sequence，DS）、跳時（Time Hopping，TH）、線性調(diào)頻和混合擴頻[1]。2016年6月16日藍牙技術(shù)聯(lián)盟發(fā)布了藍牙5.0的藍牙標(biāo)準(zhǔn)，它采用分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，支持點對點及點對多點通信，能夠連接多臺設(shè)備，基于跳頻和短包技術(shù)，使其擁有強抗干擾能力。在戰(zhàn)術(shù)通信中，跳頻技術(shù)因其良好的抗干擾性能一直作為重要的通信技術(shù)被應(yīng)用于軍事裝備上[2]。因此，跳頻通信技術(shù)的研究對于無線傳輸領(lǐng)域和軍事通信方面都有著不可或缺的價值。

1 跳頻系統(tǒng)工作原理

跳頻擴頻系統(tǒng)將傳輸帶寬分為很多互不重疊的頻率點，按照信號時間間隔在一個或多個頻率點上發(fā)送信號，傳輸信號根據(jù)偽隨機發(fā)生器的輸出來選擇相應(yīng)的頻率點。在發(fā)送端，信源產(chǎn)生的信息流與頻率合成器產(chǎn)生的載波進行調(diào)制后，得到射頻信號。頻率合成器產(chǎn)生的載波頻率受PN碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機碼控制，偽隨機碼序列改變一次，載波頻率隨之改變一次。偽隨機碼的碼元寬度為，則每隔時間，載波頻率跳變一次。跳頻系統(tǒng)的解調(diào)多采用非相干或者差分解調(diào)，因此調(diào)制方式多采用FM和MFSK等可進行非相干解調(diào)的調(diào)制方式[3]，本文仿真采用的是MFSK調(diào)制方式，其原理框圖如圖1所示。

在接收端，接收到的信號與干擾信號經(jīng)高放濾波后送至混頻器。接收機的本振信號也是一種頻率跳變信號，跳變的規(guī)律由接收端的偽隨機碼控制，該偽隨機碼序列與發(fā)送端的偽隨機碼相同。兩個頻率合成器產(chǎn)生的頻率相對應(yīng)且有一個頻差，為接收機的中頻[4]。只要收發(fā)雙方的偽隨機碼同步，就可以使收發(fā)雙方的頻率合成器產(chǎn)生的跳變頻率同步，經(jīng)過混頻器后，就可以得到一個不變的中頻信號，對此中頻信號進行解調(diào)，就可以恢復(fù)出發(fā)送的信息。此時混頻器擔(dān)當(dāng)解跳器的角色，只要收發(fā)雙方同步，就可將頻率跳變信號轉(zhuǎn)換為頻率為的中頻信號[5]。對于干擾信號而言，由于干擾信號頻率的變化與跳頻頻率的變化規(guī)律不同，與本地的頻率合成器產(chǎn)生的頻率不相關(guān)，因此，不能進入混頻器后面的中頻通道，不能對跳頻系統(tǒng)形成干擾，達到了抗干擾的目的。

2 跳頻系統(tǒng)的仿真建立

根據(jù)圖1的跳頻系統(tǒng)原理框圖，在MATLAB中，利用Simulink仿真工具搭建跳頻通信系統(tǒng)仿真模型，可動態(tài)模擬跳頻通信系統(tǒng)的工作過程，便于對跳頻系統(tǒng)的性能進行分析，搭建的跳頻系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。

圖2中使用的Simulink模塊設(shè)計如下：

（1）信源：用Bernoulli Binary Generator輸出一組獨立等概的二進制數(shù)字信號，從滿足跳頻通信系統(tǒng)對信源的要求，輸入的數(shù)據(jù)速率為100bps。

（2）調(diào)制與解調(diào)：利用M-FSK Modulator Baseband1和M-FSK Demodulator Baseband對信號進行2FSK調(diào)制和解調(diào)，設(shè)為2進制，頻率間隔為200KHz，每符號的采樣點為。

（3）偽隨機碼發(fā)生器：利用PN Sequence Generator作為偽隨機碼序列發(fā)生器，信源產(chǎn)生的二進制信號經(jīng)過2FSK調(diào)制后與偽隨機序列產(chǎn)生的載波相乘完成跳頻，采樣時間間隔設(shè)置為1/250s，并設(shè)置按幀輸出，每幀5個樣值，幀格式轉(zhuǎn)化為基于采樣的信號后，用Bit to Integer Converter將每5個碼片轉(zhuǎn)化為一個隨機整數(shù)輸出作為控制跳頻載波頻率的信號，速率為250/5=50個/s。

（4）跳頻器：采用M-FSK Modulator Baseband2完成，調(diào)制元數(shù)為32，頻率間隔500KHz，每符號采樣個數(shù)為，這樣將輸出在32個頻點上跳頻速率為50次/s的偽隨機跳頻載波信號。

（5）信道及干擾：傳輸信道為加性高斯白噪聲信道，對跳頻系統(tǒng)的干擾主要分為：寬帶噪聲干擾、部分頻帶噪聲干擾、多頻干擾及跟蹤式干擾[6]。本文主要對跳頻系統(tǒng)在寬帶噪聲下的工作性能進行分析。

（6）解跳：經(jīng)過噪聲干擾的信號與跳頻器輸出經(jīng)過同步后的偽隨機跳頻載波相乘來實現(xiàn)解跳[2]。

（7）誤碼率的計算：由Error Rate Calculation模塊完成，Tx端口接收發(fā)送端輸入信號，Rx端口接收接收方的輸入信號，用Delay模塊進行延遲，設(shè)置為1。

為了更加直觀的對跳頻系統(tǒng)的性能進行分析，在保持各參數(shù)不變的情況下另搭建一未采用跳頻技術(shù)的常規(guī)BFSK系統(tǒng)，系統(tǒng)模型如圖3所示。

3 系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析

利用Simulink工具搭建的跳頻通信系統(tǒng)仿真模型采用2FSK調(diào)制方式，輸入信號幅度為1，跳頻點數(shù)為32個，跳頻速率為50跳/s，分別在2FSK跳頻系統(tǒng)和常規(guī)BFSK系統(tǒng)的高斯信道中加入寬帶噪聲干擾，可以得到跳頻系統(tǒng)和BFSK系統(tǒng)在寬帶噪聲干擾下的誤碼率，仿真結(jié)果如圖4所示。

在其它參數(shù)保持不變，改變信噪比大小，可得到如圖4所示的誤碼率-信噪比曲線，其中藍色的曲線為2FSK調(diào)制解調(diào)的跳頻系統(tǒng)模型的仿真結(jié)果，紅色虛線為未采用跳頻的普通BFSK系統(tǒng)在寬帶干擾下改變信噪比得到的誤碼率曲線。

通過比較圖4中的兩曲線可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)信噪比為-10dB時，跳頻系統(tǒng)的誤碼率為0.04，而BFSK系統(tǒng)的誤碼率在0.5左右，根本無法傳遞信息，當(dāng)信噪比高于-5dB時，跳頻系統(tǒng)的誤碼率趨近于0，BFSK系統(tǒng)的誤碼率緩慢開始下降，在干擾所致的誤碼率相同時，跳頻系統(tǒng)所要求的信噪比比BFSK系統(tǒng)大約低16dB左右，說明跳頻系統(tǒng)的抗干擾性能高于普通的BFSK系統(tǒng)，跳頻技術(shù)可以顯著提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

4 結(jié)語

本文闡述了跳頻擴頻通信的基本原理和其實現(xiàn)方法，利用MATLAB提供的可視化工具箱Simulink建立了跳頻擴頻通信系統(tǒng)仿真模型，對該擴頻系統(tǒng)在寬帶噪聲的干擾環(huán)境下進行仿真，得出誤碼率-信噪比曲線并進行分析，分析結(jié)果說明跳頻技術(shù)可以顯著提高系統(tǒng)的抗干擾能力。隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，無論是基于直接擴頻通信系統(tǒng)的WIFI還是以跳頻擴頻通信系統(tǒng)為基礎(chǔ)的藍牙，都在不斷的發(fā)展創(chuàng)新，在今后的科技發(fā)展中將越來越重要。

參考文獻

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[2]葉尚元.跳頻通信系統(tǒng)的MATLAB仿真[J].數(shù)據(jù)通信，2016（4）：41-46.

[3]胡曉嬌.跳頻通信系統(tǒng)抗干擾性能研究及仿真分析[D].華中科技大學(xué)，2006.

[4]劉克飛，楊東凱，吳江.跳頻通信系統(tǒng)的Simulink仿真實現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2009， 21（24）：7969-7973.

[5]暴宇，李新民.擴頻通信技術(shù)及應(yīng)用[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2011.

[6]寇治剛.跳頻通信系統(tǒng)干擾技術(shù)研究與仿真[D].西安電子科技大學(xué)，2010.