基于LabVIEW的跳頻抗干擾傳輸系統實驗研究

徐招君，王明旭，肖友鵬，張 集，鞏 澳，魏俊玲，童崢嶸

（天津理工大學電氣電子工程學院，天津300384）

信息技術在現代軍事領域占有越來越重要的地位，成為決定戰爭勝負的一個關鍵因素。從早期使用廣為人知的莫爾斯密碼和英格瑪密碼等軍用碼進行保密通信，到現在使用各種手段控制電磁頻譜不被敵方截獲干擾，足以看出信息保密性的重要意義。而跳頻技術，是一種實現載波頻率不斷跳變，從而有效避開干擾的手段。王旭亮[1]對超短波中跳頻通信抗干擾技術進行相關探究。齊劉宇等[2]通過分析跳頻通信的特點和硬件實現要點，提出了一種可以實現跳頻通信的異步組網的硬件設計和實現方案，給出了基于二進制頻移鍵控（binary frequency shift keying，2FSK）的跳頻收發兩端的硬件邏輯和詳細信號流程設計，并在跳頻同步捕獲模塊做出了改進，最后通過頻譜儀和干擾源等測試驗證了接收端的抗干擾性能。丁海軍等[3]基于經典通信對抗理論，建立了一種跳頻通信干擾分析模型，綜合定性分析與定量計算，研究相關干擾策略，并進行了通信干擾仿真.

軟件定義無線電（software defined radio，SDR）是一種無線電通信技術。它采用可編程的硬件和可重構的軟件，通過軟件的安裝與更新來升級通信系統的功能和接口協議，是一個通用性、拓展性、兼容性較高的實驗平臺，減少了通信系統的搭建成本。編程軟件與硬件結合，可將理論模型與實踐驗證、實驗創新等有效結合起來，因此受到業界的廣泛關注[4-5]。孟梅梅等[6]利用美國國家儀器（NI）公司的USRP外設和LabVIEW編程環境，設計了多模式自適應軟件無線電實驗平臺。紀藝娟等[7]設計了虛實結合的通信試驗平臺，利用USRP和LabVIEW相結合實現了在線實驗、網絡交互式實驗教學。

本文設計了一種基于LabVIEW的跳頻抗干擾傳輸系統，詳細描述了系統關鍵原理與系統設計方法，并最終通過兩組對比實驗，得出了此系統在不同干擾下傳輸的誤碼率，證明了其抗干擾性好、通信可靠性高的優勢。

1 系統原理

1.1 多進制相移鍵控

1.1.1 多進制相移鍵控（multiple phase shift keying，MPSK）調制

MPSK作為一種誤碼率較低的數字調制技術相比于模擬調制技術用途更加廣泛。其輸入信號的信息是用載波相位表示，同時M種不同的狀態可以決定鏈路傳輸的數據量，從而可提高帶寬利用率。例如二進制相移鍵控（binary phase shift keying，BPSK）、正交相移鍵控（quadrature phase shift keying，QPSK）、8PSK、16PSK等。

以QPSK為例，在發送端將輸入的二進制數據序列經串－并轉換分組成2個并行數據流，再通過電平轉換將碼元信息映射為載波不同相位的分量，an、bn經脈沖g（t）成形濾波得到I（t）、Q（t）信號，確定載波的相位條件，最后對cosωct和sinωct進行調制，相加后即得到QPSK已調信號，如公式（1），然后將其送入射頻前端進行發射[8]。

1.1.2 QPSK解調

接收端對QPSK信號采用相干解調法，QPSK信號最佳接收系統的接收信號為:

假設本地參考的同步載波為：

采用正交下變頻的方法，將eQPSK（t）分別與參考載波相乘，再經過低通濾波來濾除載波的高頻分量，可得到同相和正交兩路信號，經抽樣判決、電平轉換后，恢復成并聯的an、bn兩路信號，經過并-串轉換后即可得到原來的比特序列[9]。

1.2 跳頻系統

跳頻通信是通信雙方或多方在同步算法和偽隨機跳頻算法的控制下，射頻頻率在約定的頻率表（集）內以離散頻率的形式偽隨機且同步地跳變[10]。

在發送端，輸入的信息對頻率為fc的載波進行調制，得到調制信號。獨立產生的偽隨機碼，即跳頻序列，從跳頻頻率表中取出頻率控制碼，控制頻率合成器在不同的時隙內輸出頻率跳變的本振信號[11]。用它對調制信號進行變頻，使變頻后的射頻信號頻率按照跳頻序列跳變，即為跳頻信號，跳頻系統發送端如圖1所示。

圖1 跳頻系統發送端Fig.1 Transmitter of frequency hopping system

在接收端，用與發送端相同的偽隨機碼控制本地頻率合成器產生的頻率，使之與發送端的載頻同步跳變，與接收信號混頻后進入中頻頻帶內，將頻率搬回fc實現解跳[12]。解跳后的調制信號，在本地載波作用下，經解調后，恢復出信息。跳頻系統接收端如圖2所示。

圖2 跳頻系統接收端Fig.2 Receiver of frequency hopping system

由此可見，跳頻系統以在一定頻段內不斷改變發射頻率的方式，增加帶寬，躲避干擾，提高抗噪能力。

1.3 ALOHA協議

ALOHA是夏威夷人表示致意的問候語，這項研究計劃的目的是要解決夏威夷群島之間的通信問題。ALOHA協議或稱ALOHA網，是世界上最早的無線電計算機通信網。

協議原理如下：發送端發完數據后進入等待狀態，如果接收到來自接收端“確認字符（acknowledge character，ACK）”信息，表示傳輸成功，進而傳輸下一個數據包；如果“確認字符”未到達，發送端等待固定時間后，再次重新傳輸這個數據包。用戶可以選擇重新傳輸次數（默認4次），如果重新傳輸還是失敗，發送端將轉到下一個數據包的發送。

通過將標識標頭與每個數據包一起封裝，實現了上述ALOHA協議。標頭由目標地址、源地址、ACK標志、數據包ID、同步標志等組成。然后在每個有效負載的開頭追加標頭，每個數據包排隊，并為每個成功的ACK發送一個接一個的數據包。

2 系統設計

2.1 系統整體設計

發送端將數據進行MPSK調制后通過天線發送出去，經過信道干擾與人為干擾后，接收端接收到信號并解調出信息；接收端在正確收到數據后會發送一個反饋信號“ACK”，發送端只有在收到正確反饋后才會進行下一個數據包的發送，若等待超時，則重新發送此包。當重發次數大于給定的次數，則為了保證系統傳輸有效性，轉而發送下一個數據包。傳輸系統框圖如圖3所示。

圖3 傳輸系統框圖Fig.3 Block diagram of transmission system

2.2 發送端設計

發送端從指定的文件路徑中讀取文件后，對數據進行截取，每次截取200個字符，并進行包封裝，然后將封裝的數據包送到調制處進行MPSK調制，再將調制的信號通過跳頻技術發射。此后，如果發送端接收到了接收端發送的ACK回執，則繼續發送下個數據包；如果沒有收到，則重傳本次數據包。若在規定最大的重傳次數內未收到回執，則放棄此數據包，進行下個數據包的發送。發送端流程圖如圖4所示。

圖4 發送端流程圖Fig.4 Flow chart of transmitter

2.3 接收端設計

接收端等待接收數據，當接收到數據后對其進行相應的MPSK解調，并在數據包相應位置檢查IP地址是否為發送端，如果不符合便直接丟棄此數據包，繼續等待；如果符合，則發送ACK回執給發送端，并計算前后兩個成功接收包的序號之差，從而判斷是否需要填充數據以及儲存數據包中的信息。最后收到有末尾結束標志的數據包結束等待，將所有緩存數據寫入文件，從而可以計算誤碼率，接收端流程圖如圖5所示。

圖5 接收端流程圖Fig.5 Flow chart of receiver

3 實驗結果與分析

為了更好地體現設計基于ALOHA協議的跳頻抗干擾模型的魯棒性，選取了多組對比實驗。

3.1 定頻傳輸與跳頻傳輸

首先設置傳輸初始參數：選取1 000 000個字符，IQ Rate設置為800 kHz，發射功率與干擾功率分別為5 dBm和9 dBm，數據包的最大重傳次數設置為4次。

由于空間中存在各種各樣的電磁干擾，會對發射信號產生不可估計的影響，為了使實驗數據更加準確，對每組數據進行5次測量，然后取平均值，得到最終的定、跳頻對比組誤碼率如表1所示。

表1 定、跳頻對比組誤碼率Tab.1 Bit error rate of fixed-frequency and frequency-hopping comparison group

在定頻傳輸實驗過程中，對于88~108 MHz中不同的頻點，除了已有的廣播電臺的干擾，人為加入了一定功率的相應頻率干擾，故其信號傳輸受到較大影響，誤碼率升高。例如88 MHz、99 MHz這些頻點，由于頻率與電臺頻率非常接近，信道串擾較為嚴重，故其誤碼率很高。而對于94 MHz、96 MHz這些頻點，其頻率與電臺頻率頻差較大，受電臺影響小，但由于人為加入的干擾，其誤碼率雖然降低，但仍不夠理想。

而在跳頻傳輸實驗中，由于發射頻率在88~108 MHz之間不斷跳變，且跳變速率快，傳輸帶寬很大，抗噪性好，受定頻干擾的影響很小，故其傳輸可靠性高，誤碼率小，達到10-4數量級，較為理想。

綜上所述，本系統所設計的跳頻傳輸的抗干擾性能比定頻傳輸好，通信系統的可靠性更高。

3.2有無ALOHA協議

在實驗3.1部分，已經得出跳頻傳輸的抗干擾性能比定頻傳輸要好，所以在此實驗中，皆采用跳頻傳輸方式。為更好體現ALOHA協議對通信系統可靠性的提升，提高實驗結果的可靠性，使用不同的干擾功率進行跳頻干擾測試。

設置傳輸基本參數與實驗3.1部分基本一致，唯一不同在于本組對比實驗采用了-3 dBm、1 dBm、5 dBm、9 dBm、13 dBm五種功率的干擾。

同樣，為了使實驗數據更加準確，對每組數據進行5次測量，然后取平均值，得到最終的有無ALOHA協議對比組誤碼率如表2所示、其傳輸誤碼率曲線圖如圖6所示。

表2 有無ALOHA協議對比組誤碼率Tab.2 Bit error rate with and without ALOHA protocol comparison group

圖6 有無ALOHA協議的傳輸誤碼率曲線圖Fig.6 Diagrams of transmission bit error rate with or without ALOHA protocol

當不使用ALOHA協議時，由于干擾引起的接收端數據丟失，導致其誤碼率增大。而使用ALOHA協議時，如果接收端數據包丟失，則發送端會重新發送數據包，即重傳機制，這樣就保證了接收端數據的完整性，使誤碼率降低，達到10-4數量級。

綜上所述，使用ALOHA協議進一步提高了通信系統的可靠性。

4 結論

本文基于LabVIEW和USRP軟件無線電平臺，提出了一種使用ALOHA協議的跳頻抗干擾傳輸系統。通過實驗表明，使用ALOHA協議的跳頻抗干擾傳輸系統在人為干擾的環境下，誤碼率仍可達到10-4數量級，證明了其抗干擾性好，通信可靠性高，在軍事通訊，無線數據傳輸等領域有著廣闊的應用前景。