跳频通信系统技术研究及MATLAB仿真

郭东轩++朱燕++王庆春

摘 要：跳频通信技术具有较强的抗干扰性能和优良的组网能力，是扩频通信中的重点技术，是战术通信领域应用最广的抗干扰方法，提高军事装备的抗干扰能力。本文在阐述跳频通信原理的基础上，基于MATLAB的Simulink工具箱建立了跳频通信系统的仿真模型，对跳频通信系统在宽带噪声干扰环境下的工作机制进行了仿真，得到了噪声干扰下的误码率-信噪比曲线，并将其和传统的定频通信进行比较，说明跳频通信系统的抗干扰性能优于定频通信。

关键词：跳频通信；抗干扰性能；误码率；信噪比

中图分类号：TN914.41 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）12-0026-02

跳频通信技术（Frequency Hopping，FH）是扩频通信技术的一种重要方式，除此之外扩频通信还包括直接序列扩频（Direct Sequence，DS）、跳时（Time Hopping，TH）、线性调频和混合扩频[1]。2016年6月16日蓝牙技术联盟发布了蓝牙5.0的蓝牙标准，它采用分散式网络结构，支持点对点及点对多点通信，能够连接多台设备，基于跳频和短包技术，使其拥有强抗干扰能力。在战术通信中，跳频技术因其良好的抗干扰性能一直作为重要的通信技术被应用于军事装备上[2]。因此，跳频通信技术的研究对于无线传输领域和军事通信方面都有着不可或缺的价值。

1 跳频系统工作原理

跳频扩频系统将传输带宽分为很多互不重叠的频率点，按照信号时间间隔在一个或多个频率点上发送信号，传输信号根据伪随机发生器的输出来选择相应的频率点。在发送端，信源产生的信息流与频率合成器产生的载波进行调制后，得到射频信号。频率合成器产生的载波频率受PN码产生器产生的伪随机码控制，伪随机码序列改变一次，载波频率随之改变一次。伪随机码的码元宽度为，则每隔时间，载波频率跳变一次。跳频系统的解调多采用非相干或者差分解调，因此调制方式多采用FM和MFSK等可进行非相干解调的调制方式[3]，本文仿真采用的是MFSK调制方式，其原理框图如图1所示。

在接收端，接收到的信号与干扰信号经高放滤波后送至混频器。接收机的本振信号也是一种频率跳变信号，跳变的规律由接收端的伪随机码控制，该伪随机码序列与发送端的伪随机码相同。两个频率合成器产生的频率相对应且有一个频差，为接收机的中频[4]。只要收发双方的伪随机码同步，就可以使收发双方的频率合成器产生的跳变频率同步，经过混频器后，就可以得到一个不变的中频信号，对此中频信号进行解调，就可以恢复出发送的信息。此时混频器担当解跳器的角色，只要收发双方同步，就可将频率跳变信号转换为频率为的中频信号[5]。对于干扰信号而言，由于干扰信号频率的变化与跳频频率的变化规律不同，与本地的频率合成器产生的频率不相关，因此，不能进入混频器后面的中频通道，不能对跳频系统形成干扰，达到了抗干扰的目的。

2 跳频系统的仿真建立

根据图1的跳频系统原理框图，在MATLAB中，利用Simulink仿真工具搭建跳频通信系统仿真模型，可动态模拟跳频通信系统的工作过程，便于对跳频系统的性能进行分析，搭建的跳频系统仿真模型如图2所示。

图2中使用的Simulink模块设计如下：

（1）信源：用Bernoulli Binary Generator输出一组独立等概的二进制数字信号，从满足跳频通信系统对信源的要求，输入的数据速率为100bps。

（2）调制与解调：利用M-FSK Modulator Baseband1和M-FSK Demodulator Baseband对信号进行2FSK调制和解调，设为2进制，频率间隔为200KHz，每符号的采样点为。

（3）伪随机码发生器：利用PN Sequence Generator作为伪随机码序列发生器，信源产生的二进制信号经过2FSK调制后与伪随机序列产生的载波相乘完成跳频，采样时间间隔设置为1/250s，并设置按帧输出，每帧5个样值，帧格式转化为基于采样的信号后，用Bit to Integer Converter将每5个码片转化为一个随机整数输出作为控制跳频载波频率的信号，速率为250/5=50个/s。

（4）跳频器：采用M-FSK Modulator Baseband2完成，调制元数为32，频率间隔500KHz，每符号采样个数为，这样将输出在32个频点上跳频速率为50次/s的伪随机跳频载波信号。

（5）信道及干扰：传输信道为加性高斯白噪声信道，对跳频系统的干扰主要分为：宽带噪声干扰、部分频带噪声干扰、多频干扰及跟踪式干扰[6]。本文主要对跳频系统在宽带噪声下的工作性能进行分析。

（6）解跳：经过噪声干扰的信号与跳频器输出经过同步后的伪随机跳频载波相乘来实现解跳[2]。

（7）误码率的计算：由Error Rate Calculation模块完成，Tx端口接收发送端输入信号，Rx端口接收接收方的输入信号，用Delay模块进行延迟，设置为1。

为了更加直观的对跳频系统的性能进行分析，在保持各参数不变的情况下另搭建一未采用跳频技术的常规BFSK系统，系统模型如图3所示。

3 系统仿真结果及分析

利用Simulink工具搭建的跳频通信系统仿真模型采用2FSK调制方式，输入信号幅度为1，跳频点数为32个，跳频速率为50跳/s，分别在2FSK跳频系统和常规BFSK系统的高斯信道中加入宽带噪声干扰，可以得到跳频系统和BFSK系统在宽带噪声干扰下的误码率，仿真结果如图4所示。

在其它参数保持不变，改变信噪比大小，可得到如图4所示的误码率-信噪比曲线，其中蓝色的曲线为2FSK调制解调的跳频系统模型的仿真结果，红色虚线为未采用跳频的普通BFSK系统在宽带干扰下改变信噪比得到的误码率曲线。

通过比较图4中的两曲线可发现，当信噪比为-10dB时，跳频系统的误码率为0.04，而BFSK系统的误码率在0.5左右，根本无法传递信息，当信噪比高于-5dB时，跳频系统的误码率趋近于0，BFSK系统的误码率缓慢开始下降，在干扰所致的误码率相同时，跳频系统所要求的信噪比比BFSK系统大约低16dB左右，说明跳频系统的抗干扰性能高于普通的BFSK系统，跳频技术可以显著提高系统的抗干扰能力。

4 结语

本文阐述了跳频扩频通信的基本原理和其实现方法，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，对该扩频系统在宽带噪声的干扰环境下进行仿真，得出误码率-信噪比曲線并进行分析，分析结果说明跳频技术可以显著提高系统的抗干扰能力。随着物联网时代的到来，无论是基于直接扩频通信系统的WIFI还是以跳频扩频通信系统为基础的蓝牙，都在不断的发展创新，在今后的科技发展中将越来越重要。

参考文献

[1]田日才.扩频通信[M].清华大学出版社，2014.

[2]叶尚元.跳频通信系统的MATLAB仿真[J].数据通信，2016（4）：41-46.

[3]胡晓娇.跳频通信系统抗干扰性能研究及仿真分析[D].华中科技大学，2006.

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

[5]暴宇，李新民.扩频通信技术及应用[M].西安电子科技大学出版社，2011.

[6]寇治刚.跳频通信系统干扰技术研究与仿真[D].西安电子科技大学，2010.