跳频通信系统研究与仿真

陈昌海，段恒利

（四川工商学院电子信息工程学院，四川 成都 611745）

引言

如今的信息时代，各种频带资源相当紧张，如何在有限的频带范围内使得资源最大化利用是一个值得深思的问题？因此跳频通信技术在这个背景下应运而生。跳频技术应用广泛，尤其是在军工和移动通信中。跳频技术有很强的抗干扰特性，能较好的保护信息被窃情况。跳频通信技术已应用于生活各个方面，研究跳频通信系统具有极其重要的意义[1]。

1 跳频通信系统概述

1.1 跳频通信原理

跳频通信系统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，即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]。

采用跳频技术是为了确保通信的安全性和抗干扰性，发送者和接收者互相约定按照规律发送和接收数据。如果有第三方接收者跟踪接收数据，它是完全不知道应该按照怎样规律来接收的，因为数据发送过程中是动态变化的。即便它采用全面干扰方式，不仅不能完全接收解析数据，反而会浪费大量时间资源，更有甚者会暴露自身信息。

1.2 跳频基本模型

跳频通信系统的基本模型有三个部分。分别是发送部分，信道和接收部分；发送部分主要包括了信源、卷积编码、交织编码、加扰码、跳频、调制；接收部分主要包括了解调、解跳频、去扰码、解交织、解卷积、信宿。

发送部分产生数据，由信源经过卷积编码、交织编码、加扰码、跳频、调制操作后形成可发送数据。通信信道(Communication Channel)充当数据交换桥梁，分为物理信道和逻辑信道。物理信道一般由具体实物组成，比如光纤、通信设备等；逻辑信道指在物理信道的基础上，发送与接收数据信号的双方通过中间结点所实现的逻辑通路，由此为传输数据信号形成的逻辑通路，接收部分收到数据后，需要经过解调、解跳频、去扰码、解交织、解卷积后形成最终的数据[3]。如图1 所示。

图1 跳频通信系统基本模型

2 基于simulink的跳频通信系统仿真设计

2.1 总体设计

仿真模型的总体设计如图2 所示。

图2 总体设计

在跳频通信系统的总体设计中，设计的过程如下：

★在信源产生100Hz 的PN 序列发送信号。

★伪随机码序列经2FSK 的调制信号，与初始信号做乘法运算，伪随机码元控制2FSK 部分的载波频率，在设计中使得载波的相位为零，进而可以实现信号的跳频通信[1]。

★将跳频调制之后的跳频信号发送到信道上进行传输，叠加单音频干扰源。

★接收信号端的解跳器中进行解跳处理，解跳处理时要求发送端的随机码元与采用的伪随机码保持严格的同步。

★解调器的输出结果通过解调恢复出发送信号。将恢复出的信号与其发送端的发送信号同时送入误码模块进行计算，得出系统误码率。

2.2 仿真实现

跳频通信通信系统可大致分为发送部分，信道和接收部分，发送部分模块主要是信号源编码器、调制器、PN 序列发生器、混频器；接收部分模块主要是解跳器和解调器，用一个示波器（Scope）观察发送端输入波形与接收端输出波形进行对比，添加一个误码模块分析系统误码率。然后将仿真模型拆分成PN 序列产生器、信源调制、跳频、解跳、解调和误码率。

整个跳频通信系统仿真模型如图3 所示。

图3 跳频通信系统仿真模型

（1）PN 序列子系统

在整个跳频通信系统中PN 序列产生器产生的伪随机序列信号，作为跳频载波频率点的控制信号，用来控制跳频系统中载波频率的跳变，其性能的好坏直接影响整个系统性能的好坏。采用simulink 的PN Sequence Generator 模块产生伪随机序列信号，经To Sample 模块采取数据，最后通过Bit to Integer Converter 模块输出PN 序列；对于比较复杂的系统，就需要用模块进行封装，使仿真系统简单简洁。模块化的系统也容易检查错误、方便原理分析，因此就有必要对一些模块进行封装；本次设计将PN 序列产生器封装成一个子系统，将封装的子系统命名为PN 模块，PN 序列产生器子系统模块如图4 所示。

图4 PN 序列产生器

PN 序列的特征多项式和初始值为m 序列，因为该序列容易产生且自相关性好，设置其采样时间间隔为1/250s；并按帧输出，每帧5 个样值（5 个码片）；输出随机整数的跳频速率是250/5 ＝50 跳/s，即等于跳频的速率；将帧格式转换为取样的信号，用Bit to Integer Converter 将码片转换为一个随机整数输出。由于需要将帧格式转化为基于采样的信号，因此参数Output signal 的值需要设置成Samplebased。通过Bit to Integer Converter 模块将每5个码片转换为一个随机整数输出，作为跳频载波频率点的控制信号。

（2）信源调制

信源直接采用simulink 通信模块中自带的Bernoulli Binary Generator 模块，Bernoulli Binary Generator 模块位于Communications System Toolboxs 模块库中Comm Sources(信号源模块)里面的 Random Data Sources 路径下。

模块的采样时间等于输入数据数据率倒数，由于信源的数据速率为100bps，因此采样时间是1/100，输出数据类型选择为二进制，便于观察。由于跳频系统中载频不断改变，在接收机中跟踪载波相位较为困难，所以跳频系统中一般不采用相干方式解调的方式，如PSK等，而采用一些可非相干解调的调制方式，最常用的是FSK 调制，因此基带信号的调制采用M-FSK Modulator Baseband 模块，通过对信源产生的二进制采用2FSK 方式进行调制，因此M-ary 的值设置为2（调制元数），设置频率间隔100Hz，跳频后的带宽为1600Hz，其带通信号的频率变化范围就在-800~800Hz，为了使仿真观测的频谱范围在-2000~2000Hz，信号的采样率设置为4000 次/s，所以调制时传输数据码元的仿真采样点数为40，复信号等于频率间隔与采样点数之积4000。输出的数据类型选择为double 类型。

（3）跳频

跳频载波同样采用M-FSK Modulator Baseband模块，跳频模块调制元数32，可以通过此模块改变跳频的频率间隔和调制的元数来控制跳频后的带宽，输入数据类型为整数型，频率间隔为50Hz，因此理论上可以算出跳频后的带宽应为50*32=1600Hz,数值类型为连续，每个符号的采样点数是80，这样该模块将输出在32 个频点上跳频速率为50 次/s 的伪随机跳频载波信号，输出的数据类型为二进制，采样率与2FSK信息调制的输出信号相同，为4000 次/s。

将基带调制与跳频载波相乘，发送端混频器得到发送部分输入信号再送入信道上传输，接下来建立信道模型，采用AWGN Channel 模块，AWGN Channel 模块的Initial seed 是67，方法为1。

为了分析系统误码率，判断系统的可靠性指标，加入了150Hz 的单音频干扰源，采用Sine Wave 模块叠加在信道上对信号进行干扰，Sine Wave 模块的幅度是1，偏差是0，频率为2*pi*150，阶段是0，采样时间为1/4000。

（4）解跳

跳频系统的解跳，应首先对接收到的跳频信号进行相应的反变换，将同步后的混频器与经过信道的混频器相乘得到跳频解跳载波。跳频同步采用Math Function 模块，Math Function 模块功能值选择共轭，输出信号类型为自动，采样时间为-1，完成相应的解跳。

（5）解调

将解跳后的信号经过2FSK 解调得到最终的跳频解调结果，其设置与信息调制器对应，2FSK 解调采用M-FSK Demodulator Baseband 模块，M-FSK Demodulator Baseband 的M-ary 值为2，频率间隔为100，每个符号样本数为40。

（6）误码率

误码率的计算是保证一个通信系统传输可靠性，如果误码率越高，则系统较为不可靠。其计算等于传输过程中出现错误的点数除以总传输点数。误码率分析采用Error Rate Calculation 模块，Error Rate Calculation 模块的接受延迟为0，比较延迟为0，比较模式为整个系统。

3 仿真主要数据分析

通过对跳频通信系统的仿真调试和参数的设置，接下来进行跳频系统仿真各个波形图和频谱进行了分析如下。对于跳频通信系统而言，点击simulink 仿真界面上方的Run 按钮开始运行仿真系统，得到的PN码的波形如图5 所示。

图5 PN 波形

在图5 中，因为PN 序列发生器设置的采样时间为1/250，所以波形变化比较快，上面波形只截取了部分，放大波形可以看出PN 码在进行高低电平的变化，且变化的幅度不一样但是变化始终在一个范围内进行高低电平的跳变。

跳频通信系统经过2FSK调制后得到的频谱如图6所示。

图6 跳频通信系统经2FSK 调制频谱

在图6 中，可以看出采样的频率-2 到2KHz 之间共4KHz，能量强度在-70 到20dBm 之间波动，以0kHz 为对称轴；用标尺测量经2FSK 信息调制输出的频谱频率间隔约为0.1KHz，即100Hz，如图7 所示。

图7 2FSK 调制的频谱频率间隔

用标尺测量经2FSK 信息调制输出的频谱频率间隔约1.6KHz，即1600Hz，如图8 所示。

图8 经跳频后的扩频带宽

经过跳频后的输出的频带带宽为1600Hz，跳频后的频带带宽扩大了16 倍，符合计算的理论值，在接收端得到更宽的频带资源。

为了验证跳频通信系统抗干扰性，对现有实验进行抗干扰分析。更改干扰源的个数以及干扰源参数加以验证。如果干扰源只有1 个的条件下称为单音频干扰，如果干扰源有多个的条件下成为多音频干扰。如果干扰越强的情况下，整个系统的误码率还不高说明系统抗干扰性强；相反，如果干扰越强的情况下，整个系统误码率逐渐上升说明系统抗干扰性弱[6]。单音频干扰的误码率分析如图9：

图9 单音频干扰误码率

通过观察跳频通信系统经过单音频干扰下的误码率图幅，得到最终的总体误码率为0.00027，误码率比较低，说明本次设计的跳频通信系统较为理想。

4 结语

本次设计采用simulink 进行了跳频通信系统的建模仿真，观察到了扩频后的频谱带宽与误码率参数，验证了跳频通信系统的高带宽与抗干扰性。