跳頻通信系統研究與仿真

陳昌海，段恒利

（四川工商學院電子信息工程學院，四川 成都 611745）

引言

如今的信息時代，各種頻帶資源相當緊張，如何在有限的頻帶范圍內使得資源最大化利用是一個值得深思的問題？因此跳頻通信技術在這個背景下應運而生。跳頻技術應用廣泛，尤其是在軍工和移動通信中。跳頻技術有很強的抗干擾特性，能較好的保護信息被竊情況。跳頻通信技術已應用于生活各個方面，研究跳頻通信系統具有極其重要的意義[1]。

1 跳頻通信系統概述

1.1 跳頻通信原理

跳頻通信系統工作原理是收發雙方傳輸信號的載波頻率按照預定規律進行離散變化的通信方式，即通信中使用的載波頻率受偽隨機變化碼的控制而隨機跳變[2]。

采用跳頻技術是為了確保通信的安全性和抗干擾性，發送者和接收者互相約定按照規律發送和接收數據。如果有第三方接收者跟蹤接收數據，它是完全不知道應該按照怎樣規律來接收的，因為數據發送過程中是動態變化的。即便它采用全面干擾方式，不僅不能完全接收解析數據，反而會浪費大量時間資源，更有甚者會暴露自身信息。

1.2 跳頻基本模型

跳頻通信系統的基本模型有三個部分。分別是發送部分，信道和接收部分；發送部分主要包括了信源、卷積編碼、交織編碼、加擾碼、跳頻、調制；接收部分主要包括了解調、解跳頻、去擾碼、解交織、解卷積、信宿。

發送部分產生數據，由信源經過卷積編碼、交織編碼、加擾碼、跳頻、調制操作后形成可發送數據。通信信道(Communication Channel)充當數據交換橋梁，分為物理信道和邏輯信道。物理信道一般由具體實物組成，比如光纖、通信設備等；邏輯信道指在物理信道的基礎上，發送與接收數據信號的雙方通過中間結點所實現的邏輯通路，由此為傳輸數據信號形成的邏輯通路，接收部分收到數據后，需要經過解調、解跳頻、去擾碼、解交織、解卷積后形成最終的數據[3]。如圖1 所示。

圖1 跳頻通信系統基本模型

2 基于simulink的跳頻通信系統仿真設計

2.1 總體設計

仿真模型的總體設計如圖2 所示。

圖2 總體設計

在跳頻通信系統的總體設計中，設計的過程如下：

★在信源產生100Hz 的PN 序列發送信號。

★偽隨機碼序列經2FSK 的調制信號，與初始信號做乘法運算，偽隨機碼元控制2FSK 部分的載波頻率，在設計中使得載波的相位為零，進而可以實現信號的跳頻通信[1]。

★將跳頻調制之后的跳頻信號發送到信道上進行傳輸，疊加單音頻干擾源。

★接收信號端的解跳器中進行解跳處理，解跳處理時要求發送端的隨機碼元與采用的偽隨機碼保持嚴格的同步。

★解調器的輸出結果通過解調恢復出發送信號。將恢復出的信號與其發送端的發送信號同時送入誤碼模塊進行計算，得出系統誤碼率。

2.2 仿真實現

跳頻通信通信系統可大致分為發送部分，信道和接收部分，發送部分模塊主要是信號源編碼器、調制器、PN 序列發生器、混頻器；接收部分模塊主要是解跳器和解調器，用一個示波器（Scope）觀察發送端輸入波形與接收端輸出波形進行對比，添加一個誤碼模塊分析系統誤碼率。然后將仿真模型拆分成PN 序列產生器、信源調制、跳頻、解跳、解調和誤碼率。

整個跳頻通信系統仿真模型如圖3 所示。

圖3 跳頻通信系統仿真模型

（1）PN 序列子系統

在整個跳頻通信系統中PN 序列產生器產生的偽隨機序列信號，作為跳頻載波頻率點的控制信號，用來控制跳頻系統中載波頻率的跳變，其性能的好壞直接影響整個系統性能的好壞。采用simulink 的PN Sequence Generator 模塊產生偽隨機序列信號，經To Sample 模塊采取數據，最后通過Bit to Integer Converter 模塊輸出PN 序列；對于比較復雜的系統，就需要用模塊進行封裝，使仿真系統簡單簡潔。模塊化的系統也容易檢查錯誤、方便原理分析，因此就有必要對一些模塊進行封裝；本次設計將PN 序列產生器封裝成一個子系統，將封裝的子系統命名為PN 模塊，PN 序列產生器子系統模塊如圖4 所示。

圖4 PN 序列產生器

PN 序列的特征多項式和初始值為m 序列，因為該序列容易產生且自相關性好，設置其采樣時間間隔為1/250s；并按幀輸出，每幀5 個樣值（5 個碼片）；輸出隨機整數的跳頻速率是250/5 ＝50 跳/s，即等于跳頻的速率；將幀格式轉換為取樣的信號，用Bit to Integer Converter 將碼片轉換為一個隨機整數輸出。由于需要將幀格式轉化為基于采樣的信號，因此參數Output signal 的值需要設置成Samplebased。通過Bit to Integer Converter 模塊將每5個碼片轉換為一個隨機整數輸出，作為跳頻載波頻率點的控制信號。

（2）信源調制

信源直接采用simulink 通信模塊中自帶的Bernoulli Binary Generator 模塊，Bernoulli Binary Generator 模塊位于Communications System Toolboxs 模塊庫中Comm Sources(信號源模塊)里面的 Random Data Sources 路徑下。

模塊的采樣時間等于輸入數據數據率倒數，由于信源的數據速率為100bps，因此采樣時間是1/100，輸出數據類型選擇為二進制，便于觀察。由于跳頻系統中載頻不斷改變，在接收機中跟蹤載波相位較為困難，所以跳頻系統中一般不采用相干方式解調的方式，如PSK等，而采用一些可非相干解調的調制方式，最常用的是FSK 調制，因此基帶信號的調制采用M-FSK Modulator Baseband 模塊，通過對信源產生的二進制采用2FSK 方式進行調制，因此M-ary 的值設置為2（調制元數），設置頻率間隔100Hz，跳頻后的帶寬為1600Hz，其帶通信號的頻率變化范圍就在-800~800Hz，為了使仿真觀測的頻譜范圍在-2000~2000Hz，信號的采樣率設置為4000 次/s，所以調制時傳輸數據碼元的仿真采樣點數為40，復信號等于頻率間隔與采樣點數之積4000。輸出的數據類型選擇為double 類型。

（3）跳頻

跳頻載波同樣采用M-FSK Modulator Baseband模塊，跳頻模塊調制元數32，可以通過此模塊改變跳頻的頻率間隔和調制的元數來控制跳頻后的帶寬，輸入數據類型為整數型，頻率間隔為50Hz，因此理論上可以算出跳頻后的帶寬應為50*32=1600Hz,數值類型為連續，每個符號的采樣點數是80，這樣該模塊將輸出在32 個頻點上跳頻速率為50 次/s 的偽隨機跳頻載波信號，輸出的數據類型為二進制，采樣率與2FSK信息調制的輸出信號相同，為4000 次/s。

將基帶調制與跳頻載波相乘，發送端混頻器得到發送部分輸入信號再送入信道上傳輸，接下來建立信道模型，采用AWGN Channel 模塊，AWGN Channel 模塊的Initial seed 是67，方法為1。

為了分析系統誤碼率，判斷系統的可靠性指標，加入了150Hz 的單音頻干擾源，采用Sine Wave 模塊疊加在信道上對信號進行干擾，Sine Wave 模塊的幅度是1，偏差是0，頻率為2*pi*150，階段是0，采樣時間為1/4000。

（4）解跳

跳頻系統的解跳，應首先對接收到的跳頻信號進行相應的反變換，將同步后的混頻器與經過信道的混頻器相乘得到跳頻解跳載波。跳頻同步采用Math Function 模塊，Math Function 模塊功能值選擇共軛，輸出信號類型為自動，采樣時間為-1，完成相應的解跳。

（5）解調

將解跳后的信號經過2FSK 解調得到最終的跳頻解調結果，其設置與信息調制器對應，2FSK 解調采用M-FSK Demodulator Baseband 模塊，M-FSK Demodulator Baseband 的M-ary 值為2，頻率間隔為100，每個符號樣本數為40。

（6）誤碼率

誤碼率的計算是保證一個通信系統傳輸可靠性，如果誤碼率越高，則系統較為不可靠。其計算等于傳輸過程中出現錯誤的點數除以總傳輸點數。誤碼率分析采用Error Rate Calculation 模塊，Error Rate Calculation 模塊的接受延遲為0，比較延遲為0，比較模式為整個系統。

3 仿真主要數據分析

通過對跳頻通信系統的仿真調試和參數的設置，接下來進行跳頻系統仿真各個波形圖和頻譜進行了分析如下。對于跳頻通信系統而言，點擊simulink 仿真界面上方的Run 按鈕開始運行仿真系統，得到的PN碼的波形如圖5 所示。

圖5 PN 波形

在圖5 中，因為PN 序列發生器設置的采樣時間為1/250，所以波形變化比較快，上面波形只截取了部分，放大波形可以看出PN 碼在進行高低電平的變化，且變化的幅度不一樣但是變化始終在一個范圍內進行高低電平的跳變。

跳頻通信系統經過2FSK調制后得到的頻譜如圖6所示。

圖6 跳頻通信系統經2FSK 調制頻譜

在圖6 中，可以看出采樣的頻率-2 到2KHz 之間共4KHz，能量強度在-70 到20dBm 之間波動，以0kHz 為對稱軸；用標尺測量經2FSK 信息調制輸出的頻譜頻率間隔約為0.1KHz，即100Hz，如圖7 所示。

圖7 2FSK 調制的頻譜頻率間隔

用標尺測量經2FSK 信息調制輸出的頻譜頻率間隔約1.6KHz，即1600Hz，如圖8 所示。

圖8 經跳頻后的擴頻帶寬

經過跳頻后的輸出的頻帶帶寬為1600Hz，跳頻后的頻帶帶寬擴大了16 倍，符合計算的理論值，在接收端得到更寬的頻帶資源。

為了驗證跳頻通信系統抗干擾性，對現有實驗進行抗干擾分析。更改干擾源的個數以及干擾源參數加以驗證。如果干擾源只有1 個的條件下稱為單音頻干擾，如果干擾源有多個的條件下成為多音頻干擾。如果干擾越強的情況下，整個系統的誤碼率還不高說明系統抗干擾性強；相反，如果干擾越強的情況下，整個系統誤碼率逐漸上升說明系統抗干擾性弱[6]。單音頻干擾的誤碼率分析如圖9：

圖9 單音頻干擾誤碼率

通過觀察跳頻通信系統經過單音頻干擾下的誤碼率圖幅，得到最終的總體誤碼率為0.00027，誤碼率比較低，說明本次設計的跳頻通信系統較為理想。

4 結語

本次設計采用simulink 進行了跳頻通信系統的建模仿真，觀察到了擴頻后的頻譜帶寬與誤碼率參數，驗證了跳頻通信系統的高帶寬與抗干擾性。