基于Simulink的高速跳频通信系统仿真

丁 凯（海军92785部队，绥中　125208）



基于Simulink的高速跳频通信系统仿真

丁 凯
（海军92785部队，绥中125208）

摘 要：跳频技术具有较强的抗干扰、抗噪声，抗频率选择性衰减的能力和较低的误码率。在阐述跳频通信基本原理和实现方法的基础上，利用Matlab提供的可视化工具Simulink建立了跳频通信系统仿真模型，详细阐述了各模块设计。仿真平台可以通过提供的可视化界面设置参数，同时可以直观地显示收发双发频率的跳变、误码率等重要指标。仿真结果表明，该跳频通信系统工作正常，达到了预期效果。

关键词：跳频通信；m序列；2FSK调制；仿真；模块；误码率

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。

基于Matlab/Simulink所建立的跳频扩频通信系统的仿真模型，能够反映跳频扩频通信系统的动态工作过程，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。在完成跳频通信干扰系统模型仿真的基础上，对试验中各类干扰信号的干扰效能进行分析，选择适合于干扰跳频通信的最佳干扰模式［1］。

2 跳频通信技术

2.1跳频系统的组成及原理

跳频通信的工作原理是收发双方传输信号的载波频率按照预定规律进行离散变化的通信方式，也就是说通信中使用的载波频率受伪随机变化码的控制而随机跳变［2］。从时域上来看，跳频信号是一个多频频移键控信号；从频域上来看，跳频信号的频谱在宽频带上随机跳变［3］。与定频通信相比，跳频通信比较隐蔽，只要对方不清楚载频跳变的规律，就很难截获通信内容。同时，跳频通信具有良好的抗干扰能力，即使有部分频点被干扰，仍能在其他频点上进行通信［4］。由于跳频通信系统是瞬时窄带系统，因而易于与其他的窄带通信系统兼容。图1，图2是跳频通信系统的原理图。

图2 跳频通信系统原理图（接收端）

发送端首先对输入信息进行调制，在跳频通信系统中，每一次频率跳变都会引入一个不确定的附加相移，因此选择的调制方式必须支持非相干解调，选用2FSK调制方式。跳频序列控制跳频频率表进而控制频率合成器产生频率跳变的本振信号，已调信号对该跳频信号进行跳频调制，其频率不断跳变，因此其抗干扰性与抗截获性获得极大提高。

在接收端，系统首先根据接收信号进行跳频通信系统的同步，同步完成之后，本地频率合成器输出信号的载频与接收信号的载频同步跳变，从而可利用该信号对接收到的跳频信号进行解跳，最后再对其进行解调，便可得到发送端发送的原始信息。

2.2跳频通信2FSK调制方式

跳频系统一般采用FSK、ASK等非相干解调的调制方式，尤其以2FSK方式最为常用。图3所示是用数字键控法产生二进制频移键控的原理图，图中两个振荡器的输出载波受输入的二进制基带信号控制，在一个码元期间输出f1或f2两个载波。该方法由于使用两个独立振荡器，使得信号波形的相位存在不连续现象，但它具有转换速度快、波形好、稳定度高且易于实现等优点。

二进制频移键控载波的频率受调制信号的控制，而幅度和相位保持不变。设二进制数字信号的“1”对应载波频率f1，“0”对应载波频率f2，信息码元的宽度记为Td，2FSK调制信号的表达式为：

s（t）=Acosω1t，0≤t≤Td（二进制1）

Acosω2t，0≤t≤Td（二进制0）

图3 二进制频移键控原理图

如对二元序列10110010，载波频率ω1=ω2= 2Rb的波形如图4所示。

2.3 跳频序列的产生

图4 波形对比图

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。

m序列是最长线性移位寄存序列，是由移位寄存器加上反馈后产生的，如图5所示。

图5 n级线性移位寄存器

a0，a1，…，an-1为移位寄存器的状态，c0，c1，…，cn为对应级移位移存器的反馈系数，ci为1表示连接，为0表示断开，加法器用模2加法。线性移位寄存器的连接多项式为：

｛an｝=c1an-1+ c2an-2+......cna0

移位寄存器每次生成的状态值经过二进制转换为十进制，送往频率发生器，频率发生器根据送入数值以及电压/频率参数转换成需要的频率值。

3 建立系统仿真模型

3.1模型建立

快跳频通信系统的Simulink仿真模型如图6所示，包含跳频子系统模块、调制子系统模块和解调子系统模块。该快跳频通信系统按功能可以分为六个部分：信号产生部分、发送部分、跳频扩频调制部分、信道部分、接收部分和判决分析部分。

图6 快调频通信系统仿真结构模型

3.2主要模块设计

（1）跳频子系统模块

跳频子系统模块如图7所示。跳频子系统模块需要完成快跳频通信系统的跳频信号产生，并且要求设计的跳频子系统模块跳变速率要大于信息的传输速率。设信息传输速率为1bit/s，频率的跳变速度为2h/s。跳频子系统中，伪随机码采用伪随机序列发生器产生的周期为15的m序列。m序列的设置为：生成多项式［1 1 0 0 1］，初始状态［0 0 0 1］，采样时间设为0.5，即1s产生两个码元，去控制频率合成器每秒产生两个频率，以实现快跳频通信。

图7 跳频子系统模块仿真模型

（2）调制与解调模块

以BPSK调制和解调为基础，BFSK调制子系统模块，BFSK解调子系统模块分别如图8、图9所示。

图8 BFSK调制子系统模块仿真模型

图9 BFSK解调子系统模块仿真模型

图9中两个带通滤波器分别滤出频率为f1及f2的信号，它们的输出分别与相应的相干载波相乘，再分别经过低通滤波器提取出含有基带数字信息的低频信号。

4 仿真实现

4.1信号生成部分

信号生成部分是利用随机整数信号发生器（Random-integer Generator）来产生，该模块的参数设置是产生二进制随机序列信号，采样时间设为1，即1s产生一个码元。它产生的频率为1Hz的二进制随机信号，如图10所示。

4.2信息发送部分

由信源产生的二进制随机信号先通过频移键控来产生一个BFSK信号，如图10中BFSK已调信号波形所示。在进行跳频调制时，把跳频子系统模块产生的信号与产生的BFSK信号进行相乘（即跳频调制），产生的信号波形如图10中跳频调制信号波形所示，然后把跳频调制信号经过信道发送出去。信道是叠加有加性高斯白噪声的信道。

图10 波形对比图

4.3信息接收部分

在接收端首先进行解跳，即用跳频子系统模块产生的跳频信号与经过信道后接收的跳频调制信号进行乘法运算，得到的是跳频解调信号，波形如图10中跳频解调信号波形所示。接着进行BFSK的相干解调。

4.4判决部分

对解调信号的判决，是通过对上下两支路的低频信号进行比较来做出判决的。判决部分由常数发生器、一个比较器以及误码率计算部分构成。比较器将码元的相关峰值与门限值比较，若相关峰大于门限则该码元判为“1”，其余判为“0”。发送信号与最后接收信号对比如图11所示，由于信道中叠加了噪声，以及滤波器设计不理想等原因，使得接收信号中存在一些误码。

图11 发送信号与接收信号对比图

误码率的计算过程是由一个误码仪来实现的。它将发送端的信息码元经过一定延迟后与接收端恢复出的码元进行比较，若两者不同则认为码元传输错误，最后将误码个数除以总的传输码元个数，即得到误码率。在图6中的误码率计算部分，上面的输入信号是发送端的原始信息，下面的输入信号是接收端恢复出的信号，送入误码仪后完成比较，由图可知，恢复的信号基本正确，误码率为0.15。

5 结束语

扩频通信以其较强的抗干扰、抗衰落、抗多径性能而成为第三代通信的核心技术。在阐述了跳频扩频通信的基本原理和实现方法基础上，利用Matlab提供的可视化工具箱Simulink建立了跳频扩频通信系统仿真模型。将干扰子系统模块加入到该模型的信道上，可以研究跳频通信在宽带噪声、连续波等不同干扰下的抗干扰性能，分析结果可以为以后更进一步的抗干扰通信研究打下基础。

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Simulation on High Speed Frequency Hopping Communication System based on Simulink

Ding Kai
（No.92785 Troops of Navy，Suizhong 125208，China）

Abstract：：Frequency-hopping technology has characteristics of anti-disturbance，anti-noise，anti-attenuation and lower bit error rate.The simulation model of frequency hopping communication system is built by means of Simulink，provided by Matlab，based on the basic principle and realization methods of frequency hopping communication.In addition，each simulation model is introduced in detail，and the parameters can be set by GUI platform parameters setting.Meanwhile，the platform can show the indexes such as transmitter and receiver frequency hopped intuitively and the bit error rate，etc.The result indicates the system can normally work and achieve the expected effect.

Key words：FH communication；M sequence；2FSK modulation；Simulation；Model；Bit error rate

DOI：10.3969/j.issn.1002-2279.2016.02.009

中图分类号：TN941

文献标识码：A

文章编号：1002-2279（2016）02-0027-04

作者简介：丁凯（1983-），男，江苏省淮安市人，学士，工程师，主研方向：通信仿真。

收稿日期：2015-07-02