跳频通信技术研究与仿真

2012-07-20眭杨清陈家福

微处理机 2012年3期

眭杨清，陈家福

(昆明理工大学信息工程与自动化学院，昆明 650500)

1 引言

无线电通信由于它的灵活性，常常被用作军用通信。但传统的无线电通信都是在某一固定频率下工作的，很容易被敌方截获或施加电子干扰，从而使这种通信方式失去“灵验”。跳频通信就是针对上述传统无线电通信的弊端，使原先固定不变的无线电发信频率按一定的规律和速度来回跳变，而让约定对方也按此规律同步跟踪接收。由于敌方不了解我方无线电信号的跳变规律，很难将信息截获。尽管它亦可以采用“跟踪干扰”的方式来干扰我方电台，但由于跳频频谱变化无常，往往是敌方刚搜索到某发送频率，它立即又变了，很难做到同步破解。可能有人会提出全面实行干扰(即“宽带阻塞干扰”)的方法，但这样做不仅会耗费巨大功率，而且还可能因此而暴露自己和对己方通信造成严重干扰。跳频通信不仅是抗御外来干扰的能手，而且对于抑制远距离无线电通信本身所造成的“多径干扰”也十分有效。因为多径干扰是由于短波无线电信号在传输过程中所经过的路径不尽相同，有的是经电离层一次反射到达对方的，有的则经多次反射后到达对方，而且上述情况还很不稳定，因而造成信号的时强时弱以致失真［2］。采用跳频通信后，由于在主波波束已被接收，而其它径向波束尚未到达接收机时，发送和接收载频早已跳到别的频率点上去了，这样就避免了“多径效应”对通信质量的影响。

2 跳频通信技术

2.1 跳频技术基本理论

跳频是扩频的一种方式，系统采用伪随机码序列构成跳频指令来控制频率合成器，可以看出载波频率不断变化的多频频移键控。相比于直接扩频序列，跳频通信系统的伪随机序列不用来直接传输，而用来选择信道。跳频通信基本原理图见图1。根据跳频速率与传输信息速率之间的关系，调频系统有快跳频(Fast frequency hopping)系统和慢跳频(Slow frequency hopping)系统2种。

调频系统是一种瞬时在带系统［6］。在接收机端，本地恢复载波也受伪随机码的控制，并保持与发送的跳频一致的变化规律，这样，以频率跳变的本地恢复载波对接收信号进行变频后，就能得到解调频信号，然后对解扩信号再进行相应的解调即可恢复数据。

跳频的同步是跳频通信的关键技术，只有实现了快速精确的同步，才能正确接收跳频信号。跳频同步的好坏，直接影响到跳频系统的性能。同时跳频同步也是跳频通信系统开发的难点，特别是在高跳速工作时需要精心设计方案才能实现同步的捕获和跟踪。由于跳频系统中频率不断变化，在接收机中跟踪载波相位较为困难，所以调频系统中不采用需要相干方式解调的调制方式，而采用相干解调的调制方式，这里将采用FSK(频移键控)调制。

图1 跳频通信原理图

2.2 跳频技术数学模型

在跳频通信的发射端［3］，串行比特流转换为M进制码元送入逻辑电路，逻辑电路根据码元的值选择不同的频率进行调制，形成MFSK 信号输出。代表M 进制码元符号的M个发送波形di(t)(i=1，2，3，...，N)表示为:

各波形彼此正交，且具有相等能量。在采用最佳非相干解调的情况下，一般选择频率间隔Δf=rs(rs=1/Ts)。调频系统的数学模型，可以这样建立:

其中，n=1，2，3，...，N/2;cos［2i(f0±nfΔ)t +Nn］为输出的跳频信号(幅度设为1);fΔ为跳频频率合成器的频率跳变间隔;d(t)为基带传输的信息;f0为跳变频率合成器的中心频率;Nn为初始相位。

s(t)在信道中与本系统的其它扩频信号sk(t)、噪声n(t)以及J(t)组合后进入接收机的信号r(t)为:

其中，s(t)为发射端的有用信号;sk(t)是本系统中其它地址的扩频信号。

r(t)进入接收机与本地信号cos［2i(fr±nfΔ)t+Nr］相乘后得到:

式中，fr为本地频率合成器的中心频率，与f0差一个中频，fIF=fr－f0，Nr是本地调频的初始相位［8］。如果收发端跳频信息同步则必有:

在nT≤t≤(n +1)T的每次跳变使混频器输出一个固定中频［5］，经过中频滤波滤除其和频分量就得到有用信号分量为:

将中频信号rIF(t)送入解调器中，就可解调出信息信号d(t)。而其它地址的跳频信号、干扰信号和噪声不可能在每次跳频时隙内都与本地频率合成器输出的信号混频成固定中频。这样，在解调后其它地址的跳频信号、干扰信号和噪声就落在中频带通滤波器的通带之外，不会对有用信号解调产生影响。

2.3 跳频通信M 序列

跳频序列与直接扩频系统对扩频码的使用方式不同。跳频系统中，扩频码主要用作频率跳变的控制，其主要作用有两点:一是控制频率跳变以实现扩频;二是在使用跳频组网时可用作地址码。跳频扩频采用M 序列，一种线性移位寄存器序列作为扩频序列。M 序列是目前广泛应用的一种伪随机序列，由线性移位寄存器来构造。图2 就是一个p 元n 级线性移位寄存器的框图。

图2 n 级线性移位寄存器

图2 中的n个小框代表n个寄存器，从左至右依序称为第1 级、第2 级、…第n 级寄存器。每个寄存器可以取［0，1，2，p－1］种状态之一，这p个状态可分别看作有限域中p个元素。移位寄存器在时钟脉冲的推动下，将把每级的内容送给下一级，最末一级移出的内容就是输出。为便于说明，这里引用p元n 级线性移位寄存器的连接多项式［7］。在图2 中移位寄存器多项式是:

显然，线性移位寄存器的连接多项式由线性移位寄存器的递推关系是式完全确定。反过来，线性移位寄存器的递推关系式也由线性移位寄存器的连接多项式完全确定。因此，p 元n 级线性移位寄存器序列也可由前n 项和连接多项式完全确定。本文仿真采用2 元9 级多项式，序列仿真长度为512。

3 建立系统仿真模型

3.1 simulink 简介

Matlab 具有强大的Simulink 动态仿真环境，可以实现可视化建模和多工作环境间文件互用和数据交换。Simulink 支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持多种采样速率的多速率系统;Simulink为用户提供了用方框图进行建模的图形接口，它与传统的仿真软件包用差分方程和微分方程建模相比，更直观、方便和灵活［4］。用户可以在Matlab 和Simulink 两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改。用于实现通信仿真的通信工具包(Communication Toolbox)是Matlab 语言中的一个科学性工具包，提供通信领域中计算、研究模拟发展、系统设计和分析的功能，可以在Matlab 环境下独立使用，也可以配合Simulink 使用。

3.2 系统模型建立及主要模块设计

基于simulink 建立了跳频通信的仿真模型［1］，可进行波形观察、频谱分析和性能分析等，同时能根据研究和设计的需要扩展仿真模型，实现以跳频通信为基础的现代通信的模拟仿真，为系统研究与建立提供强有力平台。在跳频通信中扩频与解扩使用的PN 码以及调制与解调使用的载波必须保持一致，在误码率计算时，接收到的信号，但经过扩频解扩、调制解调、相关统计等处理后，会有延迟，在误码仪模块的对话框中要设置一个合适的延迟。

传输信道为加性高斯白噪声信道，在加性高斯白噪声信道模块中，可进行信号功率和信噪比设置，误码计算由误码仪实现，误码仪在通信系统中的主要任务是评估传输系统的误码率，它具有两个输入端口:第1个端口(Tx)接收发送方的输入信号，第2个端口(Rx)接收接收方的输入信号。图3为基于simulink的跳频通信系统仿真模型，图4为随机序列发生模块。

4 仿真结果分析

Bernoulli Binary Generator 模块产生二进制信源数据，采样时间设为0.01s;M－FSK 模块完成FSK调制，调制元数设为2，频率间隔设为100Hz，每个符号采样点数设为40，调制输出的采样率为4000次/s的复信号。PN 序列转换得到0－31 随机整数由子系统PN Sequence Generator 产生，子系统中，PN序列模块采样时间间隔设置为1/250s，并设置为帧格式输出，每帧5个码片，然后将其转化为每5个码片为一个随机数输出，作为调频载波控制信号。图5为跳频系统仿真结果，信源信宿相同，误码率为0。

5 结束语

在对跳频通信原理深入理解的基础上，利用MATLAB 提供的可视化工具箱Simulink 建立了扩频通信系统仿真模型，详细讲述了各模块的设计，并给出了仿真建模中需注意的问题。为后面的仿真工作做好理论铺垫。随后在仿真软件Simulink的基础上，给出了跳频通信系统的仿真模型，同时给出了一定干扰情况下的的性能，对前文理论分析的结论进行了验证。所作的研究对于现代战争中通信干扰与抗干扰技术的发展以及军事通信特别是现有跳频电台的应用和研究具有一定的实际意义，跳频作为第三代移动通信的核心技术，要达到好的效果，应该选取合适的扩频序列，达到更好的同步效果。以后的研究应该基于序列的选取，一种更好的自适应同步，这样跳频通信才能发挥它的最佳通信效果。