跳频通信系统模拟仿真分析

李亚文

（商洛学院电子信息与电气工程学院，陕西商洛726000）

跳频通信系统模拟仿真分析

李亚文

（商洛学院电子信息与电气工程学院，陕西商洛726000）

分析了跳频通信系统的组成模块、工作原理及系统特点，模拟建立了跳频通信系统模型，在Simulink中建立了仿真模型，通过设置合理的参数真实的模拟了跳频通信系统。实验结果表明，所设计的跳频通信系统，抗干扰性较好，信噪比较高，误码率较低，能较准确的恢复信源端信息，为未来跳频通信技术的革新提供了前期的研究基础。

扩频通信；跳频通信；频谱分析；误码率

随着无线电通信技术的发展，通信过程中保密安全问题已经成为人们关注的一个焦点[1]。跳频技术的理论研究开始于1960年[2]，70年代以来，实用型的跳频电台相继在美国、英国、法国等发达国家出现。80年代时，已经日臻完善的跳频通信技术为跳频电台的发展奠定了扎实的基础，使跳频电台成许多国家在军事上的主要通信方式[3]。美军目前已经可以实现跳频速率每秒钟上万次的电台。我国的第一个实用的跳频电台诞生于二十世纪，此后，多种类型的短波通信系统都得到了认可，进入批量生产阶段，甚至有一些达到国际先进水平。目前，跳频通信系统已经广泛应用于短波调频电台、移动无线电话网及卫星通信、战术电台等，在无线局域网标准和无线个人区域网络协议中，跳频通信都是主要的通信方式[4]，用以兼容微波炉、移动电话、医疗设备等工作在2.24 GHz ISM频段的电子设备[5]。跳频通信系统由于系统的保密性和抗干扰能力主要取决于频率跳变的速度。根据频率跳变速率的不同跳频系统可分为快跳频和慢跳频[6-7]两种。频率跳变的速度越快，该系统的保密性和抗干扰能力就越强，反之，则系统的保密性和抗干扰能力就越差。本文在Simulink中设计一个快跳频的通信系统，通过对传统跳频通信系统进行改进，进行合理的参数设置，通过实验仿真分析系统性能，模拟实际的通信过程。

1 跳频技术

跳频通信（Frequency Hopping，FH）全称为跳频扩展频谱通信[8]。扩展频谱通信系统（Spread Spectrum Communication System）是将低速率的数据信息搬移到宽频带的位置，扩频后的带宽远远大于基带信号的带宽，通过信道传输后，而在信宿接收端则采用相关接受进行解扩，恢复出原始的信息数据的系统简称扩频通信系统。由于扩频方式的不同，扩频通信系统分为：直接序列扩展频谱系统（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS）、跳频系统（Frequency Hopping，FH）和跳时系统（Time Hopping，TH）三种。其中，跳频通信系统[8-9]（FH）是最常见的方式。由于不断变化的系统频率，所以在跳频通信系统的一个相对时间段中，它可以被看做是宽带传输，而实际上还是窄带通信。跳频通信中伪随机码被用于确定跳频频率，同时，伪随机码与传输的信息共同控制着几十个甚至数千个跳频通信的频率。

2 跳频通信系统的工作原理

跳频通信系统的组成框图如图1所示，包括跳频频率表、频率合成器、跳频调制与解调器等主要部分，跳频系统的实现基带信号进行多路MFSK调制以后，其频率不断在多个频率集合范围之间来回跳变，实现了频谱拓展；同时，跳频通信的自身特性决定了它相比一般通信具有良好的抗干扰能力，因此，在无线通信中得到广泛应用。

跳频通信系统的工作原理：在发送端，利用频率合成器对基带信号进行扩频调制，让伪码发生器产生伪随机序列去控制频率合成器的频率，使用多进制跳频的形式，使其从2 k个频率的集合中按伪随机方式选取频率，产生跳频信号。在信源的接收端，首先要获取与发送端一致的频率波段，利用控制频率合成器，在不同的接收时间间隔内对接收的跳频序列进行变频，将频谱扩展的伪随机跳频波搬移回原来的频率位置，实现了解跳，再经过相干解调系统实现信源的数字基带信号的恢复。

图1 跳频通信系统组成框图

3 基于Simulink的跳频通信系统仿真分析

3.1 模型建立

图2是一个跳频通信系统的模型建立，模拟抽象实际通信的过程，具体各部分的元器件选择实现情况如下：

信源：对信源的信号进行模拟调制、A/D转化、码型变换等相关处理后，成为适合信道传输的数字信号，设该数字信号是独立的码元信息，作为本次仿真实验中跳频通信系统的信源要传输的信息。

跳频：由于m序列相关性较好、序列数目多等特点，因此，选择来做跳频通信系统的载波信号，伪随机码由PN序列模块产生器来产生。由频率控制器对信源的信号进行扩频处理，实现频率的跳变。

信道：实验设计中，模拟实现将跳频信号送入AWGN Channel高斯白噪声的信道，并对信噪比进行合理设置。

解跳：经信道传输的信号，在接收端先经过一个带通滤波器，寻找到中心频率，再使用与跳频部分一样的频率控制器，锁定某一个频率，在实验设计中使伪随机序列载波信号的相位为零，对扩频信号MFSK进行频谱搬移，实现解跳。

调制解调：发送端对A/D转换的信号进行MFSK多路调制，本地频率合成器产生与信源发送信号严格同步的伪随机载波信号进行同步解调，经过抽样判决、码元再生，恢复出基带数字信号。

误码率：将信源发送的二进制数字信号与信宿端恢复的信号同时送入误码仪进行比较分析，计算出误码率，分析通信系统的可靠性，进而对通信质量进行评价。

图2 跳频通信系统模型建立

3.2 模型实现

在Simulink平台中上建立的跳频通信系统的仿真模型如图3所示，由图3可知，跳频通信系统仿真模型包括信源模块、调制模块、跳频载波生成模块、跳频模块、信道模块、解跳模块、解调模块、误码统计模块等。Simulink中的建模的跳频通信系统可以真实的模拟通信过程，可以通过直观方便的观察信宿端信号的调制与解调前后、跳频与解调前后、信号的时域和频谱变化，能够反映跳频通信系统任意时刻的频谱变化过程，还可以根据实际情况改进跳频系统的仿真模型，更好的模拟现代通信过程。

图3 跳频通信系统在simulink中仿真模型

4 实验仿真

4.1 仿真实现

设信息数据速率为100 bps，数据调制采用2FSK方式，频率间隔为100 Hz。跳频频点为32个，跳频频率间隔为50 Hz，跳频速率为50跳/s。利用伪随机序列改变跳频的载波频率，在信宿接收机中解跳所用的本地恢复载波，较好的跟踪了发送载波频率变化。该系统属于一个慢跳频扩频系统，信道设为AWGN信道。

具体参数设置情况：

1）Bernoulli Binary Generator产生二进制信源数据，模块中采样时间设为0.02 s。

2）MFSK Modulator Baseband模块完成2FSK调制，其参数设置为：M-ary number：2，Frequency separation：100 Hz，每个符号的采样点数为50。

3）随机整数0-255由子系统Subsystem PN Sequence产生，子系统中PN序列模块的采样间隔设置Ts=0.004 s。

4）参数设置：M-ary number：32；input type：integer；Frequency separation：50；Sample per symbol：80。

在接收端，发送跳频载波信号与本地跳频载波互为共轭信号，解跳之后，对信号进行2FSK解调，恢复出原信号，参数设置对应于信号调制器。与发送数据相比，解调出信号会延迟一个码元间隔时间（0.02 s）。在此系统中可用频谱仪方便快捷的观察跳频信号在信道传输以及解跳，解调前后的信号频谱变化。同时可以对比收发信号波形图，测试误码率，从而得到信号的传输质量及系统的传输性能。

4.2 结果分析

如图4是信源调制前的频谱分析，图5是信号解调后的频谱分析，由图5可知，信解调后调频谱分布在0-100 Hz，调制后的信号经过跳频频率扩展后经加性高斯白噪声信道，再经解跳，最后经过信号解调后的信号的频谱分析，调制前与解调后的信号频谱分析基本近似。图6是跳频扩展后的信号频谱分析结果，与对比图4可知，源信号经跳频扩展后频谱从原来的0-100 Hz扩展到了0-4000 Hz的高频区域，在波形上也发生了变化。图7显示跳频通信过程中信源与信宿端数字信号之间的对比，图7清楚的显示了，信源波形幅度最小为0，最大为1，为0、1交替的二进制信源，发射的二进制信源信号与信宿端接收的信号基本完全吻合，从Display模块可以看出误码率Pe=0.002997，说明此次仿真结果与理论误差很小，仿真结果接近理想状态，跳频通信的通信系统的工作频率范围显著地增大，信噪比也变大了，真实的模拟了实际通信系统中的传输状况。

图4 信源调制前频谱分析

图5 信号解调后频谱分析

图6 跳频后信号频谱分析

图7 信源与信宿端信息对比

5 结语

跳频通信由于良好的抗干扰性、低截获概率以及灵活的组网方式等特点，在无线通信中得到了广泛应用[11-12]，本文在Simulink中建立了跳频通信系统的仿真模型，模拟了通信的过程，并对系统性能进行分析，实验结果显示跳频通信质量较高，误码率较小，能较好的还原和恢复出原来信源端发送的信息。预计在未来的跳频通信系统中，不仅需要传输不同速率不同要求的业务，并且由于移动信道独特的传播性能时常会随着时间和传播地点随机变化，因此，跳频通信系统须具有自适应改变它的传输速率的特点，才能够保证灵活的为多种业务提供不同的传输速率，为军事领域的应用以及人们的生活提供更加安全可靠的通信服务。

[1]李亚文.基于Simulink的改进型OFDM通信系统研究[J].商洛学院学报,2014,28(6):28-32.

[2]李少谦.扩、跳频通信技术的发展和展望[J].电子科技大学学报,1996,25(9):299-303.

[3]肖晨飞,陈建忠,牛英滔.基于云模型的跳频无线通信设备抗干扰能力评估方法[J].电讯技术,2015(1):86-93.

[4]王达菲.跳频通信系统同步技术研究[D].西安:西安电子科技大学,2008.

[5]刘克飞,杨东凯,吴江.跳频通信系统的Simulink仿真实现(英文)[J].系统仿真学报,2009,21(24):7969-7973.

[6]眭杨清.扩频通信中的跳频序列研究[D].昆明:昆明理工大学,2012.

[7]Francesco B,Gaetano G,Elena G.Recent patents in spread spectrum systems[J].Recent Patents on Electrical &Electronic Engineering,2013,6(2):95-100.

[8]王玉德,王金新.基于MATLAB的跳频扩频通信系统的仿真研究[J].通信技术,2010,43(06):21-23.

[9]梅文华,王淑波,邱永红,等.跳频通信[M].北京:国防工业出版社,2005,15(3):15-20.

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[11]邹波.Simulink软件在自适应跳频通信仿真中的应用[J].通信技术,2009,5(1):59-67.

（责任编辑：李堆淑）

Simulation Analysis of Frequency Hopping Communication System

LI Ya-wen
（College of Electronic Information and Electrical Engineering,Shangluo University,Shangluo 726000,Shaanxi）

The building blocks of frequency hopping systems,working principle and the main features were analyzed and modeled for communication systems.The system simulation model in Simulink is set up,therefore,the frequency hopping communication system was realistically simulated by setting reasonable parameters.The result showed that it has the strong anti-jamming capability,higher signal to noise ratio and low error rate,the source-side information was more accurately restored.providing preliminary research for hopping communications technology of the future innovation.

spread spectrum communication;frequencyhoppingcommunication;spectrum Analysis;error rate

TN914.41

A

1674-0033（2015）06-0007-04

10.13440/j.slxy.1674-0033.2015.06.002

2015-10-12

商洛学院教育教学改革研究项目（15JYJX120）

李亚文，女，陕西华县人，硕士，讲师