畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-基于Matlab的跳頻擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的研究.doc

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1、摘要在科技的日益發(fā)展中，擴(kuò)展頻譜通信則是一種新型的通信方式。跳頻通信是擴(kuò)展頻譜通信中的一種，跳頻通信和自適應(yīng)通信、擴(kuò)展頻譜通信以及高速數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信系統(tǒng)被稱為“90年代的通信技術(shù)”。由于擴(kuò)展頻譜通信、跳頻通信極強(qiáng)的抗干擾能力和多址通信性能，使其在軍事和民用上都得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文講述了擴(kuò)頻通信的基本概念和跳頻系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。 跳頻通信技術(shù)具有很強(qiáng)的抗干擾能力，所以跳頻通信一直也是擴(kuò)頻通信技術(shù)研究中的一個(gè)重點(diǎn)。在闡述跳頻通信基本原理和實(shí)現(xiàn)方法的基礎(chǔ)上，利用 Matlab 提供的可視化工具 Simulink 建立了跳頻通信系統(tǒng)仿真模型，詳細(xì)講述了各模塊的設(shè)計(jì)。在給定仿真條件下，對(duì)該跳頻通信系統(tǒng)

2、在寬帶噪聲干擾工作機(jī)制下進(jìn)行了仿真，得到了寬帶噪聲干擾下的誤碼率信噪比曲線。結(jié)果表明，跳頻通信系統(tǒng)的抗干擾能力優(yōu)于傳統(tǒng)的定頻通信，在戰(zhàn)術(shù)通信中有更高的可靠性。 【關(guān)鍵詞】：擴(kuò)展頻譜通信 跳頻通信 抗干擾 誤碼率 信噪比ABSTRACTIn the development of science and technology, the spread spectrum communication is a kind of new way to communicate. Frequency hopping communication is spread spectrum communication o

3、f frequency hopping communication and adaptive communication, spread spectrum communication and high speed digital data communication system known as 90s communications technology. Due to the spread spectrum communication, frequency hopping communication strong anti-interference ability and multi-ac

4、cess communication performance, so that in the military and civilian up to get more and more widely. This paper introduced the spread spectrum communication of the basic concepts and frequency hopping system main characteristics.Frequency hopping communication technology has the very strong anti-jam

5、ming ability, so the frequency hopping communication has also spread spectrum communication technology in the study of a key. In this paper the frequency hopping communication basic principle and method, and on the basis of the use of Matlab provide visual tools Simulink established the frequency ho

6、pping communication system simulation model, the detailed design of each module in tells the story. In a given simulation conditions, the frequency hopping communication system in broadband noise under the working mechanism is simulated, and get the broadband noise ber under Signal to noise rate cur

7、ve. The results show that the frequency hopping communication system of anti-interference ability is better than that of traditional fixed frequency communication in communications have higher tactics reliability.【Keywords】: spread spectrum communication; Frequency hopping communication; Anti-interf

8、erence; The bit error rate; Signal to noise rate 目 錄第一章 緒論51.1 選題目的及意義51.2 跳頻通信的應(yīng)用和發(fā)展7第二章 跳頻通信理論基礎(chǔ)92.1 跳頻系統(tǒng)的組成及數(shù)學(xué)模型92.2 跳頻的主要技術(shù)指標(biāo)112.3 跳頻系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)122.4 跳頻圖案132.5 跳頻信號(hào)的發(fā)送與接收182.6 跳頻信號(hào)的同步18第三章 基于Matlab/Simulink的跳頻系統(tǒng)仿真223.1 Simulink 仿真介紹223.2 跳頻系統(tǒng)仿真模型243.3 跳頻系統(tǒng)抗干擾性能分析34第四章 總結(jié)36致謝37參考文獻(xiàn)38第一章 緒 論第一節(jié) 選題目的及意

9、義在現(xiàn)代通信中常常會(huì)遇見的一個(gè)重要問(wèn)題就是抗干擾問(wèn)題。隨著通信事業(yè)的迅速發(fā)展，各類通信網(wǎng)的建立，使得有限的頻譜資源更加擁擠，相互之間的干擾更為嚴(yán)重，如何防止和降低這種相互之間的干擾成為一大難題?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)首先是電子戰(zhàn)，在戰(zhàn)爭(zhēng)中，哪一方掌握了電子戰(zhàn)的主動(dòng)權(quán)，在電子戰(zhàn)中取得了優(yōu)勢(shì)，就加重了在戰(zhàn)爭(zhēng)中取得勝利的籌碼，而失去電子戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)的一方，要想取得戰(zhàn)爭(zhēng)的勝利是很困難的。這是因?yàn)樵陔娮討?zhàn)中，如果一方處于劣勢(shì)，那么將導(dǎo)致通信中斷、指揮失靈、所屬的部隊(duì)失控以及泄密等事件的發(fā)生，這在戰(zhàn)爭(zhēng)史上的例子是很多的，因而電子戰(zhàn)也越來(lái)越受到世界各軍事大國(guó)的重視，都在不惜投入大量的人力物力，對(duì)電子對(duì)抗技術(shù)進(jìn)行研究，以便在電子

10、戰(zhàn)中取得優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而取得戰(zhàn)爭(zhēng)的勝利。通信中的干擾可分成兩類：人為干擾和非人為干擾。跳頻技術(shù)是擴(kuò)頻技術(shù)的一種，跳頻通信具有良好的抗干擾性，低截獲概率及組網(wǎng)能力，因此跳頻技術(shù)一出現(xiàn)，便在軍事領(lǐng)域得到了極大的發(fā)展。采用跳頻技術(shù)的短波超短波電臺(tái)在軍事通信中得到了廣泛應(yīng)用，極大地提高了軍事裝備的抗截獲和抗干擾能力，保證了軍事指揮系統(tǒng)的安全性和有效性。目前，軍事通信傳遞的信息，已從發(fā)送簡(jiǎn)單的指揮命令發(fā)展到諸如雷達(dá)探測(cè)的數(shù)據(jù)、高速圖像傳真信息和數(shù)字話音加密信息等一些要求較高的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信息。傳統(tǒng)調(diào)制方式由于頻譜利用率不高而不適合跳頻系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸。因而研究適合于跳頻通信特點(diǎn)的具有高效頻譜利用率的調(diào)制方式具有

11、重要的意義。在通信對(duì)抗中，一方要破壞對(duì)方的有效通信，而另一方則要盡力擺脫對(duì)方的干擾，保障自己的通信暢通，因而干擾與抗干擾技術(shù)在這種對(duì)抗中發(fā)展。由此可見通信對(duì)抗的雙方在對(duì)抗中得到發(fā)展，抗干擾技術(shù)也隨之得到迅速提高。目前采用的抗干擾技術(shù)有擴(kuò)頻技術(shù)、加密技術(shù)、猝發(fā)通信技術(shù)、天線零相技術(shù)、分集技術(shù)等。其中擴(kuò)展頻譜技術(shù)具有很強(qiáng)的抗干擾性能，其多址能力、保密、抗多徑等功能也備受人們的關(guān)注，被廣泛地應(yīng)用于軍事通信和民用通信中。本文所研究的跳頻通信正是擴(kuò)展頻譜技術(shù)的一種。第二節(jié) 跳頻通信的應(yīng)用和發(fā)展跳頻通信是擴(kuò)頻通信的一個(gè)分支，它的突出優(yōu)點(diǎn)是抗干擾性強(qiáng)，因而很適合用于軍事領(lǐng)域。70年代末第一部跳頻電臺(tái)問(wèn)世以后

12、，就預(yù)示著其發(fā)展勢(shì)頭銳不可擋。到了80年代，世界各國(guó)軍隊(duì)普遍裝備跳頻電臺(tái)。這十年是跳頻電臺(tái)發(fā)展速度最快的十年。廣泛使用跳頻電臺(tái)曾被譽(yù)為80年代VHF（甚高頻）頻段無(wú)線電通信發(fā)展的主要特征。90年代，跳頻通信如虎添翼，在軍用跳頻通信領(lǐng)域已相當(dāng)成熟的同時(shí)，跳頻通信的應(yīng)用又拓展到民用領(lǐng)域。業(yè)內(nèi)人士指出，跳頻通信是對(duì)抗無(wú)線電干擾的有效手段，稱其為無(wú)線電通信的“殺手锏”。跳頻通信是如此的神奇，以至于自其問(wèn)世至今，倍受世界各國(guó)，特別是幾大軍事強(qiáng)國(guó)的青睞。跳頻通信的發(fā)展歷程可概括為：40年代末理論先導(dǎo)，60年代研制攻關(guān)，70年代末產(chǎn)品問(wèn)世，80年代逐步推廣，90年代廣泛應(yīng)用，21世紀(jì)飛速發(fā)展。誠(chéng)然，跳頻通信

13、是由電子對(duì)抗而首先應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的。但是，它在民用通信的應(yīng)用也越來(lái)越受到人們得密切關(guān)注。目前，跳頻通信的理論和技術(shù)已經(jīng)很成熟。跳頻通信自問(wèn)世以來(lái)得到迅速的發(fā)展，這主要得益于跳頻通信本身所具備的優(yōu)點(diǎn)。世界上第一個(gè)使用的跳頻通信系統(tǒng)是Sylvania的 BLADES 系統(tǒng)，全稱為Baffalo Laboratories Application of Digitally Exact Spectra，1955年開始研制，1963年安裝在美國(guó)海軍Mt.McKinley 指揮艦上進(jìn)行試驗(yàn)，采用跳頻技術(shù)對(duì)抗敵意干擾。1982 年，英國(guó)在馬爾維納斯群島戰(zhàn)爭(zhēng)中使用了跳頻電臺(tái)。1989年，美軍入侵巴拿馬，裝備了2

14、00多部SINCGARS電臺(tái)。1991年海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，美國(guó)海軍陸戰(zhàn)對(duì)緊急裝備了2700部、陸軍裝備了2179部SINCGARS 超短波跳頻電臺(tái)。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，法軍裝備的是TRC-950超短波跳頻電臺(tái)，英軍裝備的是Jaguar-V超短波跳頻電臺(tái)，有效的抗干擾措施保障了己方的正常通信。美中不足的是，不同國(guó)家研制的跳頻電臺(tái)不完全兼容，在聯(lián)合行動(dòng)中，為了實(shí)現(xiàn)參戰(zhàn)部隊(duì)之間的通信聯(lián)絡(luò)，只能向低水平電臺(tái)看齊，甚至不得不使用常規(guī)通信方式實(shí)現(xiàn)互通。之后，美國(guó)和北約加強(qiáng)了跳頻電臺(tái)的互聯(lián)互通工作。1999年的科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)和2003年的伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中，多國(guó)部隊(duì)的通信裝備普遍采用了跳頻技術(shù)。1995年2月美國(guó)Signal雜志報(bào)

15、道了LockheedSanders公司用3年時(shí)間獨(dú)立研制和開發(fā)的相關(guān)跳頻增強(qiáng)型擴(kuò)展（CHESS）通信系統(tǒng)。CHESS系統(tǒng)是以先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)及高速DSP 芯片為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的，它代表了新一代短波擴(kuò)頻技術(shù)。它用于增強(qiáng)頻譜共享，同時(shí)提供一個(gè)可靠的高數(shù)據(jù)率（4800-19200b/s）的短波數(shù)據(jù)通信。其跳頻帶寬為2.56MHz（包含512個(gè)5KHz 信道），跳速高達(dá)5000Hops/s。信道探測(cè)用200跳，其余4800跳用于數(shù)據(jù)傳輸。若每個(gè)頻率（跳）發(fā)送4比特?cái)?shù)據(jù)，則可傳輸19.2kb/s數(shù)據(jù)；在采用編碼效率為1/2的糾錯(cuò)碼，則可實(shí)際傳輸9.6kb/s 信息數(shù)據(jù)。若每個(gè)頻率（跳）發(fā)送2比特?cái)?shù)據(jù)，則

16、糾錯(cuò)編碼后可實(shí)際傳輸4.8kb/s 信息數(shù)據(jù)此中條件下誤碼率可達(dá)。美國(guó)國(guó)防新系統(tǒng)系局（DISA）鑒定，通過(guò)利用相關(guān)快速跳頻技術(shù)，CHESS獲得了理想的性能，具有無(wú)干擴(kuò)頻、頻譜復(fù)用、減少多徑衰落影響以及降低干擾等特性，是目前最先進(jìn)的寬帶快速跳頻通信系統(tǒng)。目前，跳頻通信在民用通信中的應(yīng)用，在GSM 數(shù)字蜂窩系統(tǒng)中，跳頻技術(shù)可以提高抗衰落、抗干擾能力。跳頻技術(shù)對(duì)于靜態(tài)或慢速移動(dòng)的移動(dòng)臺(tái)具有很好的抗衰落效果，而對(duì)于快速移動(dòng)的移動(dòng)臺(tái)由于同一信道的兩個(gè)連接的突發(fā)脈沖序列其位置差已足以使他們與瑞利變化不相關(guān)，因此跳頻增益很小，這就是跳頻所具有的頻率分集。由于跳頻是頻率在不斷的變化，頻率的干擾是瞬時(shí)的，因此跳

17、頻具有干擾分集。藍(lán)牙（Bluetooth）也采用跳頻技術(shù)來(lái)抗工業(yè)干擾。GSM系統(tǒng)基地臺(tái)工作在935MHz-960MHz，移動(dòng)臺(tái)工作在890MHz-915MHz，信道分配采用TDMA方式，每載波分為8個(gè)時(shí)隙，采用跳頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)分集接收，跳頻速率為271Hops/s。藍(lán)牙工作在ISM頻段（工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療頻段，在2.4GHz到2.48GHz之間），跳頻速率為1600Hops/s，頻帶寬度為1MHz，使用79個(gè)頻率或者23個(gè)頻率。第二章 跳頻通信理論基礎(chǔ)跳頻是最常用的擴(kuò)頻方式之一，其工作原理是指收發(fā)雙方傳輸信號(hào)的載波頻率按照預(yù)定規(guī)律進(jìn)行離散變化的通信方式，也就是說(shuō)通信中使用的載波頻率受偽隨機(jī)變化碼的控

18、制而隨機(jī)跳變。從頻域上來(lái)看，跳頻信號(hào)的頻譜是一個(gè)在很寬頻帶上以不間隔隨機(jī)跳變的；從時(shí)域上來(lái)看，跳頻信號(hào)是一個(gè)多頻率的頻移鍵控信號(hào)。與直擴(kuò)系統(tǒng)相比較，跳頻系統(tǒng)中的偽隨機(jī)序列并不直接傳送，而是用來(lái)選擇信道。第一節(jié) 跳頻系統(tǒng)的組成及數(shù)學(xué)模型跳頻通信的基本工作原理示意如圖2-1 所示。將信息數(shù)據(jù)經(jīng)通常的信息調(diào)制后變?yōu)閹挒锽m 的調(diào)制信號(hào)。載波由偽隨機(jī)序列（跳頻序列）控制可變頻率合成器產(chǎn)生，頻率隨跳頻序列的序列值改變而改變，因此，載波調(diào)制又被稱為擴(kuò)頻調(diào)制。由于載波頻率的跳變，跳頻系統(tǒng)的解調(diào)通常采用非相干解調(diào)。跳頻(FH)是射頻占用帶寬的周期性改變。一個(gè)跳頻信號(hào)可視為一系列調(diào)制數(shù)據(jù)突發(fā)，它具有時(shí)變、偽隨

19、機(jī)的載頻。所有可能的載波頻率的集合稱為跳頻集。每跳頻點(diǎn)占用的信道帶寬稱為瞬時(shí)帶寬；所有調(diào)頻點(diǎn)可用的頻譜帶寬稱為總跳頻帶寬。圖2-1 跳頻通信系統(tǒng)原理框圖可變頻率合成器受跳頻序列控制，跳頻序列值改變一次，載波頻率即改變一次。跳頻序列的碼元寬T0 ，則每間隔時(shí)間T0 ，載波頻率跳變一次。跳頻信號(hào)經(jīng)射頻濾波器發(fā)射后，被接收機(jī)接收。在接收端，接收到的信號(hào)與干擾經(jīng)高放濾波器后送至混頻器，接收機(jī)的本振信號(hào)也是一個(gè)頻率跳變信號(hào)，跳變規(guī)律受接收端的偽隨機(jī)碼的控制，而接收端產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼與發(fā)送端的相同，控制頻率變化的規(guī)律是相同的，兩個(gè)頻率合成器產(chǎn)生的頻率相對(duì)應(yīng)，但對(duì)應(yīng)的頻率有一頻只差fi ，正好為接收機(jī)的中頻。

20、只要收發(fā)雙方的偽隨機(jī)碼同步，就可使收發(fā)雙方的頻率合成器產(chǎn)生的跳變頻率同步，經(jīng)混頻器后，就可得到一固定不變的中頻信號(hào)，然后對(duì)此中頻信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，就可以恢復(fù)發(fā)送的信息，而對(duì)于干擾信號(hào)而言，由于不知道跳頻頻率的變化規(guī)律，與本地的頻率合成器產(chǎn)生的頻率不相關(guān)，因此，不能進(jìn)入混頻器后面的中頻通道，不能對(duì)于跳頻系統(tǒng)形成干擾，這樣就達(dá)到了抗干擾的目的。跳頻系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如下圖2-2 所示。在發(fā)送端，輸入信息碼序列進(jìn)行基帶調(diào)制得到頻帶寬度為Bm的調(diào)制信號(hào)m(t)。獨(dú)立產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼序列作為跳頻序列去控制頻率合成器，使其輸出頻率按不同的跳頻圖案或指令隨機(jī)跳躍的變化。調(diào)制信號(hào)m(t)對(duì)隨機(jī)載頻進(jìn)行調(diào)制，得到跳頻信號(hào)

21、si(t)，可表示為：si(t) = m(t)cos(w0+nwr)t+n (2-1)式（2-1）中w0為跳頻頻率間隔，w0+ nwr和n為在nTct (n +1)Tc時(shí)間間隔發(fā)射信號(hào)的頻率和初相。圖2-2 跳頻系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型跳頻系統(tǒng)接收到的信號(hào)，即接收信號(hào)s(t)：s(t)= si(t)+J(t)+n(t) (2-2)在接收端，為了對(duì)輸入信號(hào)解跳，需要有與發(fā)端相同的本地偽碼發(fā)生器生成的跳頻指令失去控制本地頻率合成器，使其輸出的本振信號(hào)頻率隨發(fā)方頻率相應(yīng)的跳變，跳變的本振信號(hào)對(duì)接收到的頻率信號(hào)進(jìn)行變頻，再通過(guò)低通濾波器，實(shí)現(xiàn)解跳，得到調(diào)制信號(hào)m(t)。圖2-2中SP(t)即為：SP(t) = S

22、i(t) +J(t)+n(t)cos(w0+ nwr)t +n (2-3)經(jīng)低通濾波器后S0(t)=ym(t)+n(t)+J(t) (2-4)n(t)分量為噪聲n(t)對(duì)m(t)接收造成的影響，由于n(t)為高斯白噪聲，經(jīng)混頻后，噪聲分量與一般的非跳頻系統(tǒng)一樣，沒(méi)有變化，即跳頻系統(tǒng)對(duì)白噪聲沒(méi)有處理增益；對(duì)于干擾分量J(t),由于干擾J(t)不知道跳頻頻率的變化規(guī)律，即不能得到跳頻系統(tǒng)的頻率信息，經(jīng)混頻后，不能進(jìn)入解調(diào)器，也不能形成干擾，從而達(dá)到了抗干擾的目的。第二節(jié) 跳頻的主要技術(shù)指標(biāo)一個(gè)跳頻系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)包括：1、跳頻寬帶2、跳頻的速率3、跳頻頻率的數(shù)目4、跳頻碼的長(zhǎng)度（周期）5、跳頻系

23、統(tǒng)的同步時(shí)間一般來(lái)說(shuō)，跳頻帶寬的大小，與抗部分頻帶的干擾能力有關(guān)。跳頻帶寬要寬，跳頻的頻率數(shù)目要多，跳頻的速率要快，跳頻碼的周期要長(zhǎng)，跳頻系統(tǒng)的同步時(shí)間要短。頻率跳變的范圍為BC。跳頻帶寬越寬，抗寬帶干擾的能力越強(qiáng)。所以希望能全頻段跳頻。跳頻的速率，是指每秒鐘頻率跳變的次數(shù)，決定跳頻圖案延續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)度。它與抗跟蹤式干擾的能力有關(guān)。跳速越快，抗跟蹤式干擾的能力就越強(qiáng)。跳頻頻率的數(shù)目，跳頻信號(hào)的處理增益Gp = Bc / Bm，也等于跳頻點(diǎn)數(shù)。與抗單頻干擾及多頻干擾的能力有關(guān)。跳變的頻率數(shù)目越多，抗單頻、多頻以及梳狀干擾的能力越強(qiáng)。跳頻碼的長(zhǎng)度，將決定跳頻圖案延續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)度，這個(gè)指標(biāo)與抗截獲（破譯

24、）的能力有關(guān)。跳頻圖案延續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，敵方破譯越困難，抗截獲的能力也越強(qiáng)。跳頻碼的周期可長(zhǎng)達(dá)10 年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間。跳頻系統(tǒng)的同步時(shí)間，是指系統(tǒng)使收發(fā)雙方的跳頻圖案完全同步并建立通信所需要的時(shí)間。系統(tǒng)同步時(shí)間的長(zhǎng)短將影響該系統(tǒng)的頑存程度。因?yàn)橥竭^(guò)程一旦被破壞，就不能實(shí)現(xiàn)收、發(fā)跳頻圖案的完全同步，則將使通信系統(tǒng)癱瘓。因此，希望同步建立的過(guò)程越短越好，越隱蔽越好。根據(jù)使用的環(huán)境不同，目前同步時(shí)間可在秒或幾百毫秒的量級(jí)。一般來(lái)說(shuō)，希望跳頻帶寬要寬，跳頻的頻率數(shù)目要多，跳頻的速率要快，跳頻碼的周期要長(zhǎng)，跳頻系統(tǒng)的同步時(shí)間要短。第三節(jié) 跳頻系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)跳頻系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：頻率合成器設(shè)計(jì)，跳頻圖

25、案的設(shè)計(jì)，跳頻同步的實(shí)現(xiàn)。1、頻率合成器跳頻頻率合成技術(shù)是跳頻通信的核心技術(shù)之一。比如在跳頻通信中，抗干擾能力與其跳頻速率有著密切的關(guān)系，跳頻速率越高，起抗干擾能力就越強(qiáng)，具有捷變寬帶性能的頻率合成器是決定跳速的關(guān)鍵部件之一。頻率合成是指由一個(gè)基準(zhǔn)頻率源經(jīng)過(guò)變換，處理后產(chǎn)生一系列離散頻率技術(shù)。頻率合成器能輸出許多與基準(zhǔn)頻率源同樣高穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的輸出信號(hào)，且能短時(shí)間內(nèi)從某一頻率跳變到另一頻率。目前頻率合成主要有三種方法：即直接模擬合成法（DAS），鎖相環(huán)合成法（PLL）和直接數(shù)字合成法（DDS）。本系統(tǒng)采用的是直接數(shù)字合成法（DDS），直接數(shù)字合成是最近幾年迅速發(fā)展起來(lái)的一種新的頻率合成方法，

26、與其他頻率合成方法相比，它的優(yōu)點(diǎn)是：簡(jiǎn)單可靠、控制方便、相位連續(xù)、頻率分辨率高、頻率轉(zhuǎn)換速度快。2、跳頻圖案跳頻圖案用于控制載波頻率隨時(shí)間的變化規(guī)律，其性能對(duì)跳頻系統(tǒng)的性能有重大影響。3、跳頻同步在前面的跳頻系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型中，是假設(shè)接收端與發(fā)送端是同步的，在實(shí)際通信中要實(shí)現(xiàn)正確的信息傳遞他們必須相互同步，必須在相同的時(shí)刻使用相同的頻率，要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)必須通過(guò)同步系統(tǒng)，這是跳頻系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。同步性能的好壞對(duì)于整個(gè)通信系統(tǒng)性能有極大的影響，因此，要求同步系統(tǒng)具有較強(qiáng)的隱蔽性和可靠性，具有較高的同步概率較短的同步時(shí)間以及不存在明顯的射頻特征等特點(diǎn)。第四節(jié) 跳頻圖案2.4.1 跳頻圖案概念跳頻系統(tǒng)的頻率

27、合成器產(chǎn)生的頻率的頻譜圖和跳頻系統(tǒng)的射頻信號(hào)的頻譜圖如圖2-3 所示。理想的頻率合成器產(chǎn)生的頻譜圖為離散的、等間隔的、等幅的線譜，占用頻帶B=fN-f1，每個(gè)頻率之間的間隔為rF。某一時(shí)刻的頻率是N個(gè)頻率的一個(gè)，由偽隨機(jī)碼確定，如圖2-3（a）。圖2-3（b）為跳頻信號(hào)頻譜圖，在某一個(gè)時(shí)刻，跳頻系統(tǒng)是窄帶的，從整個(gè)時(shí)間看，信號(hào)在整個(gè)頻帶內(nèi)跳變，是寬帶的。 圖2-3 跳頻系統(tǒng)頻譜（a）頻率合成器頻譜；（b）跳頻信號(hào)頻譜圖在跳頻系統(tǒng)中，利用偽隨機(jī)碼序列構(gòu)成跳頻指令來(lái)控制頻率合成器，并在多個(gè)頻率中進(jìn)行選擇的移頻鍵控。用來(lái)控制載波頻率跳變的偽隨機(jī)碼序列通常稱為跳頻序列（FH 序列），在跳頻序列控制下，

28、載波頻率跳變的規(guī)律稱為跳頻圖案。跳頻系統(tǒng)中的載頻以某種即隨機(jī)又確定的方式跳變，載頻跳到某一頻率時(shí)，已調(diào)信號(hào)占據(jù)了中心頻率在跳頻點(diǎn)附近的一個(gè)狹窄頻帶，也稱頻隙，被傳輸信號(hào)在跳頻圖案控制下，有一個(gè)頻隙跳到另一個(gè)頻隙。因此，控制頻率跳變得規(guī)律有兩種表示方法：一種是視頻矩陣表示法，適合在表示跳頻通信原理或闡述概念時(shí)使用；另一種是序列表示法，用符號(hào)或數(shù)字表示，適合在做研究時(shí)使用。跳頻圖案是由跳頻序列控制跳頻頻率合成器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此，跳頻圖案的設(shè)計(jì)實(shí)際上是對(duì)跳頻序列的設(shè)計(jì)選擇。選擇一個(gè)好的跳頻序列是一個(gè)跳頻系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵。圖2-4 跳頻圖案2.4.2 跳頻圖案的要求載波頻率跳變的規(guī)律叫做跳頻圖案，跳頻

29、圖案是由跳頻指令控制頻率合成器所產(chǎn)生的頻率序列，是跳頻通信技術(shù)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。對(duì)跳頻圖案的要求包括：1、每個(gè)跳頻圖案跳變的頻率在被傳輸?shù)娜科綆?nèi)；2、周期很長(zhǎng)，要求達(dá)到實(shí)際通信中圖案不重復(fù)；3、保密性高，為了實(shí)現(xiàn)多址通信要求，提高跳頻系統(tǒng)的保密性能要求在給定的允許重合數(shù)下，構(gòu)成跳頻序列集合中的序列數(shù)目盡可能的多；4、隨機(jī)性好，因?yàn)橛蓚坞S機(jī)碼控制頻率合成器產(chǎn)生的頻率，在所用的頻率集中是隨機(jī)出現(xiàn)的，而且出現(xiàn)得概率應(yīng)該是均等的，否則在某些頻率上出現(xiàn)概率明顯大于其他頻率，則在此頻率上遭到的干擾機(jī)會(huì)就更多，對(duì)系統(tǒng)的影響就更大；5、跳頻序列集合中的任意跳頻序列，在允許的延時(shí)和頻率漂移條件下，各種跳頻圖

30、案間可能重疊的頻隙數(shù)最小；2.4.3 跳頻圖案的選擇跳頻圖案的設(shè)計(jì)實(shí)際上是偽碼碼型的選擇問(wèn)題。為了得到好的跳頻圖案，對(duì)偽隨機(jī)碼有如下要求：1、不同平移下，各碼之間的重合數(shù)要小，跳頻周期內(nèi)平均重合數(shù)要小，這就要求碼的互相關(guān)性要好；2、每個(gè)碼序列與自己平移的重合數(shù)要小，這就要求碼的自相關(guān)特性要好；3、可供使用的碼序列數(shù)量要多，這個(gè)數(shù)量首先要滿足使用同一頻段的跳頻通信用戶數(shù)目的要求，而且希望其數(shù)量愈多愈好，以滿足保密性的要求。跳頻圖案的種類一般是指用作跳頻圖案控制碼的偽隨機(jī)碼和控制方法，目前，用得較多的偽隨機(jī)碼主要是m 序列、M 序列和R-S 碼序列。M 序列是跳頻圖案常用的控制碼，它容易產(chǎn)生，但是

31、從保密的觀點(diǎn)看，這種跳頻圖案用在通信系統(tǒng)中有不足之處，因?yàn)楫?dāng)采用計(jì)算機(jī)模擬時(shí)，很快能找到其規(guī)律性，而且m 序列的密鑰量不夠大。M 序列條數(shù)比m 序列多得多，是非線性移位寄存器序列，可以產(chǎn)生很多的跳頻圖案，保密性也強(qiáng)。R-S 碼是一種最佳的近似正交碼，用戶數(shù)多，容易實(shí)現(xiàn)，是一種理想的跳頻控制碼。在實(shí)際的應(yīng)用中，跳頻圖案不是由偽隨機(jī)碼直接產(chǎn)生，它具有復(fù)雜的變換關(guān)系，在許多的跳頻電臺(tái)中，跳頻圖案的產(chǎn)生是由時(shí)間信息的參量TOD（Time of Day）、原始密鑰PK（Prime key）和偽隨機(jī)碼一起（模擬算后）經(jīng)非線性變換后，確定跳頻圖案，這種跳頻圖案由于考慮了時(shí)間信息，因而是一種時(shí)變的跳頻圖案，經(jīng)

32、過(guò)多重加密措施，因此，對(duì)于跳頻圖案的破譯是很難的。2.4.4 幾種常見的偽隨機(jī)序列偽隨機(jī)序列也稱作偽碼。它是具有近似偽隨機(jī)序列（噪聲）的性質(zhì)，而又能按一定規(guī)律（周期）產(chǎn)生和復(fù)制的序列。因?yàn)閭坞S機(jī)序列是只能產(chǎn)生而不能復(fù)制的，所以稱其是“偽”的隨機(jī)序列。常用的偽隨機(jī)序列有m 序列、M 序列和R-S 序列。m 序列又叫做最大長(zhǎng)度線性反饋移位寄存器序列，m 序列產(chǎn)生器的一般結(jié)構(gòu)如圖2-5 所示，其中1,2,3，n 是移位寄存器的編號(hào)，ak-i（i=1,2,3,n）是各移位寄存器的狀態(tài)，ci 對(duì)應(yīng)各移位寄存器的反饋系數(shù)，ci=1 表示該級(jí)移位寄存器參加反饋，ci=0 表示該級(jí)移位寄存器不參加反饋。圖中c

33、0 和cn 不能等于0，因?yàn)閏0=1 意味著移位寄存器無(wú)反饋，而cn=0 意味著反饋移位寄存器要蛻化為n-1 或更少級(jí)的反饋移位寄存器。圖2-5 反饋移位寄存器結(jié)構(gòu)由圖可見，第一級(jí)移位寄存器在下一時(shí)刻的狀態(tài)是由相關(guān)移位寄存器在當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài)經(jīng)反饋后共同決定的，即反饋系數(shù)為：ak=c1ak-1+c2ak-2+cnak-n （模2 加） （2-5）這是一個(gè)線性遞歸函數(shù)。只有當(dāng)輸出序列的長(zhǎng)度等于K=2n-1 才屬于m 序列反饋移位寄存器。下面介紹m 序列的一些特點(diǎn)。任一m 序列的循環(huán)移位仍是一m 序列，m 序列與其本身循環(huán)移位而得到的序列模二相加仍是一m 序列。m 序列的優(yōu)點(diǎn)是周期偶函數(shù)，周期為KT

34、p，其中Tp 為m 序列的每位（比特）寬度，K 為m 序列的長(zhǎng)度。自相關(guān)函數(shù)的主峰遠(yuǎn)大于其他部分，當(dāng)K 很大和TP 很小的時(shí)候，自相關(guān)函數(shù)趨向于沖擊函數(shù)，即近似于白噪聲的自相關(guān)特性。m 序列的有點(diǎn)是產(chǎn)生容易和自相關(guān)性特性優(yōu)良，不足之處是當(dāng)移位寄存器級(jí)數(shù)n 一定時(shí)，改變反饋連接方式能得到的不同m 序列數(shù)目N 比較少。N 可用以下公式計(jì)算：N = (2n -1)/n （2-6）這里(*)為歐拉函數(shù)。如果反饋邏輯中的運(yùn)算含有乘法運(yùn)算或其他邏輯運(yùn)算，則稱作非線性反饋邏輯。由非線性反饋邏輯和移位寄存器構(gòu)成的序列發(fā)生器所能產(chǎn)生最大長(zhǎng)度序列，就叫做最大長(zhǎng)度非線性移位寄存器序列，或叫做M 序列，M 序列的最大

35、長(zhǎng)度是2n。圖2-6 給出一個(gè)七級(jí)的M序列發(fā)生器的框圖?？梢钥闯觯c線性反饋邏輯不同之處在于增加了“與門”運(yùn)算，與門具有乘法性質(zhì)。 圖2-6 七級(jí)M序列發(fā)生器框圖利用固定寄存器和m 序列發(fā)生器可以構(gòu)成R-S 序列發(fā)生器。它所產(chǎn)生的R-S 序列是一種多進(jìn)制的具有最大的最小距離的線性序列。圖2-7給出R-S 序列發(fā)生器的框圖。圖中，A為三級(jí)固定寄存器，B為三級(jí)移位寄存器，產(chǎn)生周期為7 位得m 序列。A、B寄存器的輸出經(jīng)過(guò)摸2 加運(yùn)算后，產(chǎn)生一個(gè)7 位得八進(jìn)制R-S序列。 圖2-7 七位R-S序列發(fā)生器框圖上述的三種序列除用硬件發(fā)生外，均可由軟件編程產(chǎn)生。實(shí)用的跳頻序列長(zhǎng)度約在237（即1011）左

36、右。m 序列的優(yōu)點(diǎn)是容易產(chǎn)生，自相關(guān)特性好，且是偽隨機(jī)的。但是可供使用的跳頻圖案少，互相關(guān)特性不理想，又因它采用的是線性反饋邏輯，就容易被敵人破譯碼的序列，即保密性、抗截獲性差。M 序列是非線性序列，可用的跳頻圖案很多，跳頻圖案的密鑰量也大，并有比較好的相關(guān)性和互相關(guān)性，所以它是較理想的跳頻指令碼。其缺點(diǎn)是硬件產(chǎn)生時(shí)設(shè)備較復(fù)雜。R-S 序列的硬件產(chǎn)生比較簡(jiǎn)單，可以產(chǎn)生大量的可用跳頻圖案，很適用作跳頻指令碼序列。第五節(jié) 跳頻信號(hào)的發(fā)送與接收2.5.1 跳頻信號(hào)的產(chǎn)生 為了得到載波頻率就是跳變頻率信號(hào)，要求主振蕩器的頻率應(yīng)能遵照控制指令而改變。這種產(chǎn)生跳頻頻率信號(hào)的裝置叫跳頻器。通常，跳頻器是由頻

37、率合成器和跳頻指令發(fā)生器構(gòu)成的。頻率合成器輸出什么頻率的載波信號(hào)是受跳頻指令控制的。在時(shí)鐘的作用下，跳頻指令發(fā)生器不斷地發(fā)出控制指令，頻率合成器不斷地改變其輸出載波的頻率。因此，混頻器輸出的已調(diào)波的載波頻率也將隨著指令不斷地跳變，從而經(jīng)高通濾波器和天線發(fā)送出去的就是跳頻信號(hào)。跳頻器輸出的跳變的頻率序列，就是前面提到的跳頻圖案。有什么樣的跳頻指令就會(huì)產(chǎn)生什么樣的跳頻圖案。通常利用偽碼發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生跳頻指令，或者由軟件編程來(lái)產(chǎn)生跳頻指令。所以，跳頻系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是能產(chǎn)生頻譜純度好的快速切換頻率合成器和偽隨機(jī)性好跳頻指令發(fā)生器。2.5.2 跳頻信號(hào)的接收跳頻信號(hào)的接收，其過(guò)程與定頻的相似。為了保證混頻

38、后獲得中頻信號(hào)，要求頻率合成器的輸出頻率要比外來(lái)信號(hào)高出一個(gè)中頻。因?yàn)橥鈦?lái)的信號(hào)載波頻率是跳變的，則要求本地頻率合成器輸出的頻率也隨著外來(lái)信號(hào)的跳變規(guī)律而跳變，這樣才能通過(guò)混頻獲得一個(gè)固定的中頻信號(hào)。跳頻器產(chǎn)生的跳頻圖案應(yīng)當(dāng)與所要接受的外來(lái)跳頻信號(hào)的跳頻圖案一致，所產(chǎn)生的頻率要高出一個(gè)中頻，并且要求收、發(fā)跳頻完全同步。所以，接收機(jī)中的跳頻器還需要受同步指令的控制，以確定其跳頻的起、止時(shí)刻?？梢钥闯?，跳頻器是跳頻系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，而跳頻同步則是跳頻系統(tǒng)的核心技術(shù)。第六節(jié) 跳頻信號(hào)的同步跳頻系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)跳頻通信，正確接收跳頻信號(hào)的條件是跳頻系統(tǒng)的同步。系統(tǒng)同步包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容：1、收端和發(fā)端產(chǎn)生和跳頻

39、圖案相同，即有相同的跳頻規(guī)律。2、收、發(fā)端的跳變頻率應(yīng)保證在接收端產(chǎn)生固定的中頻信號(hào)，即跳變的載波頻率與收端產(chǎn)生的本地跳變頻率相差一個(gè)中頻。3、頻率跳變的起止時(shí)刻在時(shí)間上同步，即同步跳變，或相位一致。4、在傳送數(shù)字信息時(shí)，還應(yīng)做到幀同步和位同步。為了實(shí)現(xiàn)收、發(fā)雙方的頻率同步，收端首先必須獲得有關(guān)發(fā)端的跳頻同步的信息，它包括采用什么樣的跳頻圖案，使用何種頻率序列，在什么時(shí)刻從那一個(gè)頻率上開始起跳，并且還需要不斷地校正收端本地時(shí)鐘，使得其與發(fā)送端的時(shí)鐘一致。本文主要研究的是跳頻圖案的同步。圖2-8 跳頻圖案的同步（a）頻率時(shí)間均同步；（b）時(shí)間同步頻率不同步；（c）頻率同步，時(shí)間不同步2.6.1

40、跳頻同步方法根據(jù)收端獲得發(fā)端同步信息和校對(duì)時(shí)鐘的方法不同而有各種不同的跳頻同步方式。數(shù)字跳頻系統(tǒng)是指?jìng)魉蛿?shù)字話音或數(shù)據(jù)的跳頻通信系統(tǒng)。因此，它傳送跳頻同步信息是以數(shù)據(jù)幀的格式進(jìn)行的。數(shù)字系統(tǒng)跳頻同步方法不外乎同步字頭法，自同步法和精確時(shí)鐘法。1、同步字頭法。發(fā)端需要發(fā)送含有同步信息的碼字，接收端解碼后，依據(jù)同步信息使收端本地跳頻器與發(fā)端同步。同步信息除位同步、幀同步外，主要應(yīng)包括跳頻圖案的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息或?qū)崟r(shí)的時(shí)鐘信息，即所謂的“TOD”信息（Time ofDay）。實(shí)時(shí)時(shí)鐘信息包括年月日時(shí)分秒，毫秒、微秒、毫微秒等；狀態(tài)信息是指?jìng)未a發(fā)生器實(shí)時(shí)的碼序列狀態(tài)。根據(jù)這些信息，收端就可以知道當(dāng)前跳頻駐

41、留時(shí)間的頻率和下一跳駐留時(shí)間應(yīng)當(dāng)處于什么頻率上，從而使收發(fā)端跳頻器同步工作。為了保證TOD 信息的正確接收，在如圖2-8 所示的同步信息數(shù)據(jù)幀格式中裝有位同步和幀同步位。此外，對(duì)TOD 信息位可采用差錯(cuò)控制技術(shù)，如糾錯(cuò)編碼，相關(guān)編碼或采用大數(shù)判決，以提高傳輸?shù)目煽啃浴D2-7 同步信息數(shù)據(jù)幀格式2、精確時(shí)鐘法，這種方法是用高精度時(shí)鐘實(shí)時(shí)控制收發(fā)雙方的跳頻圖案，即實(shí)時(shí)控制收發(fā)雙方的頻率合成器的頻率跳變。由于產(chǎn)生跳變頻率的方法是相同的，唯一不知道的是時(shí)間。若收發(fā)雙方都保持時(shí)間一致，且通信距離已知，則可保證跳頻圖案的同步。跳頻圖案同步受到時(shí)鐘穩(wěn)定性及移動(dòng)距離變化引起的不確定性的影響。例如，時(shí)鐘穩(wěn)定度

42、為10-4，第一跳的駐留時(shí)間Th 為10ms，即跳頻頻率速率Rh=1/Th=100h/s，定時(shí)后保持久跳所用的時(shí)間th=Th/2*10-6=5*105s=1.39 小時(shí)。只要積累不超過(guò)1 跳的時(shí)間，接收機(jī)只要收到一跳中的少量信息，就可以完成初始同步，因而作為一般的通信，1.39 小時(shí)是可以保證的，但考慮到雙方定時(shí)后和中斷時(shí)間（如戰(zhàn)斗準(zhǔn)備、穿插等情況、需較長(zhǎng)的時(shí)間），則這個(gè)時(shí)間用于戰(zhàn)場(chǎng)通信是遠(yuǎn)不夠的。這種方法精確的時(shí)鐘減少了收發(fā)雙方偽隨機(jī)相位的不確定性，同步塊、準(zhǔn)確、保密性好，是戰(zhàn)場(chǎng)通信中常用的一種同步方法。3、自同步法。它是依靠從接手到的跳頻信號(hào)中提取有關(guān)同步信息來(lái)實(shí)現(xiàn)跳頻同步的。依據(jù)提取同步

43、信息的手段的不同，又可分為幾種具體的實(shí)施辦法：等待自同步法、掃描法、匹配濾波法、頻率估計(jì)法等等。數(shù)字跳頻系統(tǒng)中，根據(jù)需要也可以采用不同方法的組合。比如自同步法具有同步信息隱蔽的優(yōu)點(diǎn)，但是存在同步建立時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，而同步字法具有快速建立同步的優(yōu)點(diǎn)而存在同步信息不夠隱蔽的缺點(diǎn)。因此可將這兩種方法進(jìn)行組合，得到一個(gè)綜合最佳的同步系統(tǒng)。2.6.2 跳頻同步性能及抗干擾性衡量同步系統(tǒng)性能優(yōu)劣，主要應(yīng)考慮兩個(gè)方面：一是跳頻系統(tǒng)的同步的可靠性，二是同步系統(tǒng)的抗干擾性。同步系統(tǒng)的可靠性，包括系統(tǒng)同步的建立時(shí)間，正確同步概率和假同步的概率，系統(tǒng)同步保持時(shí)間等項(xiàng)指標(biāo)。一般說(shuō)來(lái)，跳頻同步系統(tǒng)的同步建立時(shí)間越短越好，

44、同步保持時(shí)間越長(zhǎng)越好，正確同步的概率要大，假同步的概率要小。這樣才能稱為一個(gè)快速、穩(wěn)定而可靠的同步系統(tǒng)。同步系統(tǒng)的抗干擾性，包括抗人為干擾和噪聲干擾。采用跳頻技術(shù)的一個(gè)目的就是提高系統(tǒng)的抗干擾性，特別是在電子戰(zhàn)的環(huán)境中，主要是抗敵方有意的干擾。因此，要求同步信息的傳遞要隱蔽、快速。為此，需要考慮如下幾點(diǎn)：1、盡量使同步信號(hào)在空中存在的時(shí)間要短，使敵方難以在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)同步信號(hào)。2、在多個(gè)跳變頻道上傳送同步信息，增大頻道的隨機(jī)必，使敵方難以偵察；增大跳頻帶寬，使敵方難以在寬帶內(nèi)施放干擾。3、頻率跳變的速率要快，使跳頻信號(hào)的駐留時(shí)間變短，可防止跟蹤式干擾，從而保護(hù)同步字頭。4、 應(yīng)盡量使同步信

45、息的信號(hào)特征與通信信息的信號(hào)特征一致，以致敵方難以區(qū)分同步信息?；蛘?，人為地發(fā)出偽同步信息以迷惑敵人，從而提高對(duì)同步信息的保護(hù)能力。對(duì)于噪聲干擾，要求在低信噪比或高誤碼率的信道條件下能實(shí)現(xiàn)跳頻系統(tǒng)的正確同步。對(duì)此，需考慮下列各點(diǎn)：1、同步信息本身的差錯(cuò)控制，如糾錯(cuò)編碼、多次重發(fā)、相關(guān)編碼、交織等。2、同步認(rèn)定的算法控制，即經(jīng)過(guò)多次同步頻檢測(cè)后才認(rèn)定系統(tǒng)同步的策略，并選擇最佳的檢測(cè)次數(shù)。3、同步狀態(tài)下的失步算法控制，即經(jīng)過(guò)多次失頻檢測(cè)后才確定系統(tǒng)已失去同步的策略，并選擇最佳的檢測(cè)次數(shù)。第三章 基于Matlab/Simulink的跳頻系統(tǒng)仿真第一節(jié) Simulink 仿真介紹3.1.1 仿真概述

46、在進(jìn)行系統(tǒng)的分析、綜合與設(shè)計(jì)的過(guò)程中，人們除了運(yùn)用理論知識(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行理論上的分析計(jì)算以外，常要對(duì)系統(tǒng)的特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，這種試驗(yàn)研究一般有兩種，一種是在實(shí)際系統(tǒng)上進(jìn)行，另一種則事計(jì)算機(jī)仿真，前者由于受到安全性和經(jīng)濟(jì)性等限制，往往不已辦到或不易采納，因此后者受到研究者的青睞。仿真就是將一個(gè)近似描述實(shí)際系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行二次模型變成一個(gè)仿真模型，然后將它放到計(jì)算機(jī)上進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程。計(jì)算機(jī)仿真是在研究系統(tǒng)過(guò)程中，根據(jù)相似原理，利用計(jì)算機(jī)來(lái)逼真模仿研究對(duì)象。研究對(duì)象可以是真實(shí)的系統(tǒng)，也可以是設(shè)想中的系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)仿真三個(gè)基本活動(dòng)包括：系統(tǒng)建模、仿真建模和仿真試驗(yàn)。聯(lián)系這個(gè)三個(gè)活動(dòng)的系統(tǒng)仿真的三要素：模型

47、、系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)（軟硬件）。各種新技術(shù)的發(fā)展使現(xiàn)代通信系統(tǒng)和設(shè)備日益復(fù)雜，在分析和設(shè)計(jì)階段，所需付出的時(shí)間和精力也日益增加，而通信系統(tǒng)的計(jì)算仿真。省時(shí)省力，成本低，能夠縮短研制開發(fā)周期，僅僅通過(guò)觀察仿真所得結(jié)果無(wú)需硬件實(shí)現(xiàn)即可達(dá)到目的。因此，在計(jì)算機(jī)上建立通信系統(tǒng)的性能，在通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試、研制過(guò)程中起著越來(lái)越重要的作用。另外，通信系統(tǒng)研制過(guò)程中所需要的大量的計(jì)算和分析，如用傳統(tǒng)的基于公式的分析方法，既要對(duì)實(shí)際的通信系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化和近似，又要對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)和系統(tǒng)之間的關(guān)系提供準(zhǔn)確的公式，這顯然使矛盾的，而借助于計(jì)算機(jī)的快速運(yùn)算功能能夠很好的解決這一矛盾，并且利用計(jì)算的圖形顯示技術(shù)，使得公式推導(dǎo)的結(jié)

48、果形象逼真的顯示出來(lái)?？傊?，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，通信系統(tǒng)的仿真已成為設(shè)計(jì)和分析通信系統(tǒng)的重要工具并發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。通信系統(tǒng)的仿真一般有兩種途徑：一是基于波形的計(jì)算機(jī)模擬，即直接得到與系統(tǒng)有關(guān)的數(shù)字波形序列，然后統(tǒng)計(jì)處理得到的性能參數(shù)。二是基于公式的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。既通過(guò)模擬得到的公式所需要的變量，然后用公式計(jì)算有關(guān)系統(tǒng)性能的參數(shù)。3.1.2 Simulink仿真平臺(tái)簡(jiǎn)介 本文中跳頻通信系統(tǒng)的仿真工具選擇MATLAB 提供的仿真平臺(tái)Simulink。Simulink 是一個(gè)用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包，它支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)，也支持具有多種采樣速率的

49、多速率系統(tǒng)。用Simulink 模塊框圖進(jìn)行仿真和用Matlab 函數(shù)進(jìn)行仿真有比較大的區(qū)別。在Aimulink 仿真中，框圖中的每一個(gè)模塊在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)上執(zhí)行一次，也就是說(shuō)，所有的模塊在每一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)上同時(shí)執(zhí)行，這種仿真被稱為時(shí)間流仿真；而在Matlab 仿真中，函數(shù)按照數(shù)據(jù)流的順序依次執(zhí)行，這就意味著處理的數(shù)據(jù)首先要經(jīng)過(guò)一個(gè)運(yùn)算階，然后再激活下一個(gè)運(yùn)算階，這種仿真被稱為數(shù)據(jù)流仿真。Simulink 仿真軟件主要有以下5 個(gè)特點(diǎn)：1、具有仿真與連接功能可以利用鼠標(biāo)器在模型窗口上畫出所需的控制系統(tǒng)模型，然后利用該軟件提供的功能來(lái)對(duì)系統(tǒng)直接進(jìn)行仿真，使得一個(gè)很復(fù)雜系統(tǒng)的輸入變得相當(dāng)容易。2、用方

50、框圖進(jìn)行建模采用此結(jié)構(gòu)畫模型就像用筆和紙來(lái)畫一樣容易，其與普通的利用微分方程或是差分方程建模比具有直觀、方便、活等優(yōu)點(diǎn)。3、建模具有遞階結(jié)構(gòu)用戶在建模時(shí)可以從上到下或從下到上的結(jié)果建立模型，建完后可以從最高級(jí)開始觀看模型，然后用鼠標(biāo)雙擊其中的子系統(tǒng)模塊，來(lái)查看下一級(jí)的內(nèi)容，從而，用戶可以了解整個(gè)模型的細(xì)節(jié)。4、仿真方便用兩種仿真方式，第一種是通過(guò)Simulation的菜單方式，直接點(diǎn)Simulation，然后在點(diǎn)Start 即可，非常方便、快捷。第二種是在MATLAB 命令窗口鍵入命令進(jìn)行仿真也很簡(jiǎn)單，同時(shí)用戶可以通過(guò)屏幕觀察仿真結(jié)果。另外，若在仿真系統(tǒng)中采用一些畫圖模塊如Scope 模塊、G

51、raphScope 模塊等，那么直接點(diǎn)擊模塊就可觀看仿真結(jié)果了。5、具有豐富的子模型庫(kù)Simulink 包含sinks （ 輸出方式）、source( 輸入源) 、linear( 線性環(huán)節(jié)) 、connections(連接與接口)、extra（其他環(huán)節(jié)）等子模型庫(kù)。而每個(gè)子模型庫(kù)又包含許多功能塊，同時(shí)用戶也可以定制或創(chuàng)建所需模塊。用戶建模時(shí)可根據(jù)自己所需模塊從相應(yīng)庫(kù)中找的找到。第二節(jié) 跳頻系統(tǒng)仿真模型根據(jù)前面對(duì)跳頻通信基本原理的介紹，得到如圖3-1 所示的跳頻系統(tǒng)仿真原理框圖，由于本文主要討論的是跳頻通信最為一種通信體制，因此在利用Simulink仿真工具搭建跳頻通信系統(tǒng)仿真模型時(shí)假設(shè)收發(fā)雙方

52、的跳頻碼序列已經(jīng)同步，亦即收發(fā)雙方的跳頻頻率已經(jīng)取得了同步。 圖3-1 跳頻通信系統(tǒng)仿真原理框圖圖3-2 為根據(jù)圖3-1 所以的跳頻通信系統(tǒng)仿真原理框圖在Matlab/Simulink 仿真平臺(tái)上搭建的FH/MFSK 通信系統(tǒng)仿真模型。圖3-2 中各仿真模型將在下文詳細(xì)介紹。 圖3-2 Simulink平臺(tái)上搭建的跳頻系統(tǒng)仿真模型3.2.1 信源模型信源直接采用Simulink 中通信模塊自帶的Bernoulli Binary Generator.參數(shù)設(shè)置如下：參數(shù)ValueProbability0.5Initial53Sample time1/200Output data typeDoubl

53、e其中采樣時(shí)間=符號(hào)周期，由采樣時(shí)間1/200 知道信源數(shù)據(jù)速率為1/200bps圖3-3 信源參數(shù)設(shè)置在發(fā)射端，將信息數(shù)據(jù)經(jīng)通常的信息調(diào)制后變?yōu)閹払m的調(diào)制信號(hào)，受偽隨機(jī)碼控制的可變頻率合成器與本振合成發(fā)射載波頻率，是發(fā)射機(jī)在帶寬Bc內(nèi)，不同的時(shí)間間隔T 0輸出按偽隨機(jī)碼規(guī)律跳變的不同載頻的載波信號(hào)，形成跳頻信號(hào)。3.2.2 信息 BFSK 調(diào)制仿真模型用MATLAB 集成環(huán)境中的Simulink 仿真平臺(tái)，根據(jù)數(shù)字調(diào)制信號(hào)中，在二進(jìn)制時(shí)有振幅鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK）三種基本信號(hào)形式。其中FSK 是信息傳輸中使用得較早的一種調(diào)制方式，它的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易

54、，抗噪聲與抗衰減的性能比較好。在低速數(shù)據(jù)傳輸中得到廣泛的應(yīng)用，同時(shí)在跳頻通信系統(tǒng)中也比較的實(shí)用。調(diào)制方式：M 進(jìn)制的MFSK 調(diào)制一般的BFSK 信號(hào)具有如下形式（2 進(jìn)制FSK）調(diào)制：m(t)=sin(w+dnrw)t) nTbt(n+1)Tb (3-1)其中 n 為整數(shù)， Tb 為數(shù)據(jù)持續(xù)時(shí)間，dn為獨(dú)立的數(shù)據(jù)序列，分別以1/2 的概率取1和0，wrw 對(duì)應(yīng)dn取1 和0 的頻率。 圖3-4 BFSK調(diào)制模塊從上圖可以看出1 和0 對(duì)應(yīng)不同的頻率。在本文中采用的是二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK），2FSK 信號(hào)是由頻率分別為f1 和f2 的兩個(gè)載波對(duì)信號(hào)源進(jìn)行頻率上的控制而成的，其中f1 和f2

55、 是兩個(gè)頻率有明顯差別的且都遠(yuǎn)大于信號(hào)源頻率的載波信號(hào)，2FSK 信號(hào)產(chǎn)生的simulink 仿真模型如圖所示： 圖3-5 2FSK調(diào)制信號(hào)的simulink模型圖參數(shù)設(shè)置如下：符號(hào)1 用頻率600Hz 來(lái)表示，符號(hào)0 用頻率400Hz 來(lái)表示。通過(guò)spectrum scope 可以觀察到基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)BFSK 調(diào)制后的信號(hào)的頻譜圖，可以觀察到600Hz 和400Hz 處得到兩個(gè)波峰。 圖3-6 基本信號(hào)經(jīng)過(guò)BFSK調(diào)制后的信號(hào)功率譜從scope 中可以觀察到BFSK 調(diào)制前后的時(shí)域圖： 圖3-7 BFSK調(diào)制前后時(shí)域圖從上圖不難看出0 和1 的調(diào)制頻率是不一樣的。符號(hào)1 周期小，則頻率高，為6

56、00Hz，符號(hào)0 周期大，頻率低，為400Hz。BFSK 信號(hào)在跳頻模式下跳頻信號(hào)：x(t)=sin(w+wn+dnrw)t) nTbt(n+1)Tb (3-2)其中 wn 為w0 + nwr，表示第n 個(gè)傳輸間隔的跳頻載波頻率。一般跳頻頻率由長(zhǎng)為N的二進(jìn)制偽隨機(jī)控制，那么最多可以有2N-1個(gè)頻率來(lái)控制跳頻，這些頻率的范圍決定了跳頻的帶寬Wss 。未編碼的FH/BFSK 系統(tǒng)框圖：默認(rèn)情況下收端的PN 序列產(chǎn)生器與發(fā)送端已經(jīng)同步，因此接收端的解跳可以去除載波頻率的影響，接下來(lái)是傳統(tǒng)的非相干BFSK 解調(diào)。 圖3-8 非相干BFSK解調(diào)3.2.3 跳頻調(diào)制仿真模型1、序列產(chǎn)生器跳頻調(diào)制部分對(duì)應(yīng)圖

57、3-2 中的Frequency Hopping 模塊。此部分的作用是產(chǎn)生頻率跟隨偽隨機(jī)碼變化的載波，在本文仿真系統(tǒng)中，才用間接頻率合成的方法來(lái)構(gòu)造頻率合成器，原理框圖如圖3-9 所示。仿真中采用4 階的m 序列作為跳頻碼，即跳頻點(diǎn)數(shù)為15。m 序列生成器的各寄存器如圖3-9 所示與對(duì)應(yīng)的權(quán)值做加權(quán)求和，由該和值控制VCO 來(lái)產(chǎn)生跳頻頻率。圖3-9跳頻產(chǎn)生器實(shí)現(xiàn)原理框圖對(duì)應(yīng)于圖3-9 所示的原理框圖，在simulink 仿真平臺(tái)上搭建的跳頻產(chǎn)生器模型如圖3-10 所示。圖3-10 偽隨機(jī)碼序列生成器圖3-11 為 偽隨機(jī)碼序列生成器產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼圖3-11產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼跳頻頻率的大小由VCO（壓

58、控振蕩器）模塊的Oscillation frequency 和Inputsensitivity 兩個(gè)參數(shù)來(lái)決定，分別用符號(hào)f 和d 來(lái)表示。設(shè)PN 序列生成器產(chǎn)生值為s，則跳頻頻率fi 的大?。?fi = f + d *s (3-3)模型中f=1200Hz,d=600Hz，則fi （1200Hz,10200Hz)，頻率間隔600Hz，PN 序列碼采用時(shí)間設(shè)成1/800，則跳頻駐留時(shí)間為1/200s（即每秒200hops）。2、發(fā)送端混頻器將經(jīng)過(guò) BFSK 調(diào)制后的信息信號(hào)搬移到跳頻圖案上制定的頻率上去。圖3-12 FH調(diào)制模塊BFSK 調(diào)制后的信號(hào)實(shí)部和跳頻信號(hào)的實(shí)部相乘產(chǎn)生跳頻調(diào)制的信號(hào)。通

59、過(guò)scope 觀察跳頻調(diào)制后的信號(hào)波形如下：3.2.4 信道模型本文討論了跳頻通信系統(tǒng)的抗干擾性能，在模擬實(shí)際通信環(huán)境中，因?yàn)閭鬏數(shù)倪^(guò)程一定存在噪聲干擾，有很多種復(fù)雜的信道，故在搭建信道模型時(shí)選取了最簡(jiǎn)單和典型的噪聲，建立了在高斯白噪聲下的抗干擾模型，仿真模塊直接采用simulink 中的AWGN 模塊來(lái)模擬，在建模過(guò)程中選取每比特的信息和噪聲的比為-15dB,改變信噪比的大小，可以得到不同信噪比下跳頻通信系統(tǒng)的誤碼率，具體參數(shù)設(shè)置如圖 3-13：圖3-13 高斯信道參數(shù)設(shè)置調(diào)制后的信號(hào)經(jīng)過(guò)信道的傳送，下圖的波形為通過(guò)干擾前后的對(duì)比：3.2.5 FH解調(diào)仿真模型接收端的解調(diào)模塊，默認(rèn)為與發(fā)端已

60、經(jīng)同步（前面已經(jīng)詳細(xì)講述收發(fā)端同步的偽隨機(jī)碼），信號(hào)1 是經(jīng)過(guò)高斯白噪聲信道的信號(hào)，2 是跳頻信號(hào)。圖3-14 FH解調(diào)模型然后經(jīng)過(guò)一個(gè)數(shù)字濾波器，濾除其他頻率和噪聲。上圖為解跳后，濾波前的波形圖，下圖為濾波后的波形圖，只剩下600Hz 和400Hz 的頻率信號(hào)。3.2.6 BFSK 解調(diào)仿真模型常用的解調(diào)方法有非相干檢測(cè)法和相干檢測(cè)法兩種。圖3-15 4BFSK非相干檢測(cè)非相干檢測(cè)：接收能量檢測(cè)的輸出記為e-和e+ ，假設(shè)沒(méi)有干擾信號(hào)時(shí)，若傳輸數(shù)據(jù)d = -1，則e+=0，e-= STb ，一般基于高斯白噪聲的非相干判決準(zhǔn)則為：代表解調(diào)恢復(fù)出來(lái)的數(shù)據(jù)信息。由于本文跳頻系統(tǒng)的仿真中沒(méi)有考慮同步

61、電路，因此接收端的本地跳頻序列控制頻率合成器產(chǎn)生跳變的頻率直接由發(fā)射端連接過(guò)來(lái)參與解跳，與接收信號(hào)相乘后通過(guò)一個(gè)低通濾波器即完成了解跳。由于跳頻頻率不斷跳變，發(fā)送與接收之間要保持相位相干是很困難的，因此采用2FSK 非相干解調(diào)。圖3-16 BFSK非相干解調(diào)子系統(tǒng)3.2.7 誤碼率統(tǒng)計(jì)模型Simulink 帶有誤碼率統(tǒng)計(jì)模塊，這里直接使用誤碼率統(tǒng)計(jì)模塊及Display 模塊，如圖3-17 所示。誤碼率檢測(cè)的關(guān)鍵是精確地估計(jì)輸入和輸出的延時(shí)只有將輸入和輸出對(duì)齊之后才能得到正確的誤碼率結(jié)果。在Simulink 仿真中，信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器以及調(diào)制解調(diào)模塊時(shí)都會(huì)產(chǎn)生延時(shí)。圖3-17 誤碼率統(tǒng)計(jì)仿真模型為了

62、準(zhǔn)確估計(jì)發(fā)送信息比特Tx 與接收Rx之間的延時(shí)，采用下面的方法。將系統(tǒng)仿真時(shí)間設(shè)置為1s，分別將Tx 與Rx 通過(guò)signal to workspace 模塊輸送到工作區(qū)，并且應(yīng)取名為Tx 和Rx。在Matlab 的Command Window 輸入下面的三條指令，得到 delay 即為發(fā)送信息比特Tx 與接收Rx 之間的延時(shí)。m,index=max(xcorr(Rx,Tx);L=length(Tx);Delay=index-L 求得延時(shí)delay 后將Error Rate Calculation 模塊的Receive delay 參數(shù)設(shè)為此值，這樣，發(fā)送與接收比特才能進(jìn)行誤碼統(tǒng)計(jì)。誤碼統(tǒng)計(jì)測(cè)量的基本原理是：在接收端，誤碼統(tǒng)計(jì)模塊將接收碼元與發(fā)送碼元逐個(gè)比較，并對(duì)錯(cuò)誤碼元個(gè)數(shù)進(jìn)行累加統(tǒng)計(jì)。若在統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)，接收的總碼元數(shù)為N，其中誤碼個(gè)數(shù)累計(jì)為n，則誤碼統(tǒng)計(jì)模塊測(cè)量結(jié)果為： pe = n / N （3-4）上式中，只有當(dāng)N（即統(tǒng)計(jì)時(shí)間0無(wú)限長(zhǎng)）時(shí)，才有pe = pe。但是在實(shí)際測(cè)量中，統(tǒng)計(jì)時(shí)間不可能無(wú)限長(zhǎng)，N 也不可能趨于無(wú)窮大。由于系統(tǒng)誤碼的隨機(jī)性，對(duì)于有限的統(tǒng)計(jì)時(shí)間，誤碼統(tǒng)計(jì)模塊的測(cè)量結(jié)果pe有可能與系統(tǒng)實(shí)際誤碼率pe形同，也有可能不同但比較接近，還可能存在較大誤差。一般地，若誤碼率為10-n，則至少需要仿真10n+1 個(gè)點(diǎn)，才能保證