基于Simulink的跳頻通信系統(tǒng)同步過程建模與仿真＊

趙龍華 王振華

（1.空軍預(yù)警學(xué)院研究生管理大隊(duì) 武漢 430019）（2.空軍預(yù)警學(xué)院五系 武漢 430019）（3.95112部隊(duì) 佛山 528000）

1 引言

跳頻通信以其強(qiáng)抗干擾性、低截獲概率、易實(shí)現(xiàn)多址等特點(diǎn)，已成為當(dāng)今戰(zhàn)術(shù)通信的主要方式［1］。對(duì)于較寬頻段工作的跳頻通信，傳統(tǒng)的方法采用阻塞方式進(jìn)行干擾，需要大量的干擾資源。如何有效干擾跳頻通信仍然是通信對(duì)抗急待解決的難題［2］。對(duì)于戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)中使用較多的PTT通信方式，同步是實(shí)現(xiàn)跳頻通信的關(guān)鍵［3］，是實(shí)施高效干擾的突破口。為了對(duì)跳頻同步過程進(jìn)行深入研究，文中根據(jù)跳頻通信的工作原理和跳頻電臺(tái)的同步原理，借助 Matlab／Simulink仿真工具建立具有同步的跳頻通信系統(tǒng)模型，著重對(duì)模型的同步過程進(jìn)行了分析。

2 跳頻通信系統(tǒng)

跳頻通信載頻受偽隨機(jī)碼控制而跳變，由于跳頻同步過程較復(fù)雜，目前對(duì)跳頻系統(tǒng)的建模分析都假設(shè)收發(fā)雙方共用同一個(gè)跳頻產(chǎn)生器，忽略了同步過程［4～8］。然而，實(shí)際的跳頻通信系統(tǒng)必須考慮同步過程，如圖1所示。需要發(fā)射的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)調(diào)制后，與載波混頻。載波由偽隨機(jī)序列（跳頻序列）控制頻率合成器產(chǎn)生，頻率隨跳頻序列偽隨機(jī)地跳變，混頻后的信號(hào)經(jīng)寬帶濾波后，由天線發(fā)射出去。在接收端，利用同步電路控制偽隨機(jī)序列，使頻率合成器產(chǎn)生的跳變頻率與發(fā)射端跳變頻率同步，接收到的跳頻信號(hào)經(jīng)混頻后變成一固定的中頻信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)解調(diào)，恢復(fù)出需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

圖1 跳頻通信系統(tǒng)

3 跳頻同步過程建模

3.1 跳頻同步信息和數(shù)據(jù)發(fā)送格式

跳頻同步是跳頻系統(tǒng)中的關(guān)鍵。由于跳頻系統(tǒng)的載頻在跳頻序列控制下偽隨機(jī)跳變，接收機(jī)要能正確地進(jìn)行相關(guān)解跳，從接收到的有用信號(hào)中恢復(fù)受信息調(diào)制的中頻信號(hào)并解調(diào)出有用信號(hào)，必須實(shí)現(xiàn)收發(fā)雙方的跳頻同步。跳頻同步的方法［9～10，12］很多，包括精確時(shí)鐘法、同步字頭法、獨(dú)立信道法、匹配濾波器法和自同步法。本文采用跳頻通信中實(shí)際常用的同步頭和時(shí)間信息（TOD）相結(jié)合的方法，進(jìn)行跳頻同步的建模。

跳頻系統(tǒng)發(fā)送的同步信息主要分兩種：同步幀信息和勤務(wù)幀信息。前者完成系統(tǒng)在初始階段的同步；后者完成遲入網(wǎng)階段的同步和在取得初始同步后的同步保持。一次完整的數(shù)據(jù)發(fā)送格式如圖2所示。跳頻系統(tǒng)首先發(fā)送同步幀信息，供系統(tǒng)完成初始同步，然后發(fā)送數(shù)據(jù)幀信息，并在發(fā)送數(shù)據(jù)幀中間插入勤務(wù)幀信息，供系統(tǒng)完成遲入網(wǎng)同步和同步保持。

圖2 數(shù)據(jù)發(fā)送格式

圖3 TOD信息格式

在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的內(nèi)部都有一個(gè)TOD時(shí)鐘，它表示跳頻電臺(tái)的系統(tǒng)時(shí)間信息，一般采用一種非線性的表示方式，將時(shí)間信息TOD分成兩部分表示：TOD高段（年、月、日、時(shí)、分）和 TOD低段（分、秒、跳），分別記為TODh和TODl。TOD格式如圖3所示。

3.2 跳頻同步的Matlab／Simulink建模

在Matlab／Simulink環(huán)境中建立的完整跳頻通信系統(tǒng)模型如圖4所示。系統(tǒng)由按鍵控制模塊PTT、發(fā)射機(jī)模塊Transmitter、信道、接收機(jī)模塊Receiver以及用于評(píng)估的誤碼率測(cè)試模塊BER組成。假設(shè)信道為高斯白噪聲（AWGN）信道與加性干擾Jamming的和。更復(fù)雜的信道可通過更換模型來實(shí)現(xiàn)。為有效評(píng)估本仿真系統(tǒng)，對(duì)其性能進(jìn)行分析，模型中包含了誤碼率測(cè)試模塊。其基本原理是在接收端將接收碼元與發(fā)送碼元逐個(gè)比較，并對(duì)錯(cuò)誤碼元個(gè)數(shù)進(jìn)行累加統(tǒng)計(jì)，并提供觀察波形的能力。

圖4 跳頻通信系統(tǒng)的Matlab／Simulink建模

發(fā)射機(jī)模塊Transmitter的工作狀態(tài)受PTT模塊控制，當(dāng)PTT輸出為1時(shí)，跳頻系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)；反之，跳頻系統(tǒng)進(jìn)入靜默狀態(tài)。其內(nèi)部組成如圖5所示，包括發(fā)射控制模塊Tx＿Contr＿subsys、發(fā)射模塊 Tx＿message＿subsys和跳頻產(chǎn)生器模塊Frequency Hopping Generator。

圖5 發(fā)射機(jī)模塊

發(fā)射控制模塊用于產(chǎn)生發(fā)射模塊和跳頻產(chǎn)生器模塊所需要的時(shí)鐘和控制信號(hào)。

發(fā)射模塊數(shù)據(jù)形成、調(diào)制及跳頻的功能。其中信息發(fā)送模塊Tx＿message內(nèi)部如圖6所示，其功能是在TOD時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下，由狀態(tài)控制輸入通過Multiport Switch模塊選擇發(fā)送同步幀sync＿Info、數(shù)據(jù)幀Data＿info、勤務(wù)幀Serv＿info和靜默狀態(tài)時(shí)的0輸出。StateContr輸入為發(fā)射模塊工作狀態(tài)控制輸出同步幀、數(shù)據(jù)幀、勤務(wù)幀和靜默狀態(tài)時(shí)的0輸出。MessClk輸入為TOD時(shí)鐘，分別進(jìn)入到同步幀和勤務(wù)幀模塊供提取TODl信息。Data＿Info模塊采用嵌入式Matlab函數(shù)編寫，便于提取數(shù)據(jù)幀信息用于對(duì)系統(tǒng)誤碼率的統(tǒng)計(jì)；Txmess輸出到數(shù)據(jù)調(diào)制模塊，進(jìn)行2FSK調(diào)制。

圖6 信息發(fā)送模塊

其中的同步幀模塊仿真如圖7所示，它包含前導(dǎo)序列、幀同步、網(wǎng)號(hào)、TODl和空跳模塊，在TOD時(shí)鐘的作用下依次輸出，組成同步幀。TODL Info模塊在內(nèi)部完成對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘低位TODl信息的提取和發(fā)送。

勤務(wù)同步信息的格式與同步幀信息的格式大致相同，只是傳送前導(dǎo)序列的跳數(shù)較少。同時(shí)為區(qū)分初始同步信息和勤務(wù)同步信息的接收，勤務(wù)同步信息的相關(guān)碼采用Walsh6－Walsh11，與同步幀（Walsh0－Walsh5）不同，這樣通過對(duì)前導(dǎo)序列的相關(guān)峰的捕獲就可以區(qū)分出初始同步和遲入網(wǎng)同步。

圖7 同步幀模塊

發(fā)射機(jī)內(nèi)部的跳頻產(chǎn)生器模塊根據(jù)系統(tǒng)時(shí)鐘，形成如圖3所示的TOD格式的數(shù)據(jù)，選擇TODh和TOD值作為偽隨機(jī)碼生成器的初始值，分別產(chǎn)生相應(yīng)的同步頻率和數(shù)傳頻率值，控制圖8所示的DDS模塊形成載頻。

圖8 DDS模塊

接收機(jī)模塊主要包括信息接收模塊、接收控制模塊和本地跳頻產(chǎn)生器模塊。信息接收模塊對(duì)經(jīng)過信道和干擾的發(fā)射信號(hào)進(jìn)行解跳和解調(diào)；接收控制模塊完成對(duì)同步信息的捕獲，并控制本地跳頻發(fā)生器產(chǎn)生本地跳頻信號(hào)；本地跳頻產(chǎn)生器模塊在接收控制模塊的作用下產(chǎn)生本地跳頻信號(hào)。

圖9 接收時(shí)同步過程

跳頻系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前，首先發(fā)送同步幀信息，由接收機(jī)完成初始同步過程。在初始同步過程中，發(fā)射機(jī)在根據(jù)TODh確定的i個(gè)同步頻率上循環(huán)發(fā)送相關(guān)序列。接收機(jī)則在根據(jù)自己TODh計(jì)算出來的i個(gè)同步頻率上慢掃描，其掃描速率為發(fā)送方的1／（i＋1），以保證在接收的一跳內(nèi)，能夠完整地收到發(fā)送方的數(shù)據(jù)。跳頻系統(tǒng)的初始同步過程如圖9所示，接收方在慢掃描的狀態(tài)下，完成對(duì)同步信息的捕獲，根據(jù)捕獲到的相關(guān)碼與本方相關(guān)碼位置的比較，校正自己的TODh值，同步確認(rèn)后開始接收幀同步、網(wǎng)號(hào)和TODl信息，最終校正自己的TODl，使雙方的TOD信息完全一致，達(dá)到跳頻同步。因此其主要過程包括同步捕獲、TODh校正、同步確認(rèn)和TODl校正。

接收控制模塊如圖10所示，包含同步控制模塊Syn－Contr和本地系統(tǒng)時(shí)鐘模塊local＿TODclk，完成對(duì)同步信息的捕獲和跟蹤，通過從解調(diào)的信息中提取出同步幀信息，調(diào)整本地的時(shí)鐘，使收發(fā)雙方的系統(tǒng)時(shí)鐘一致。

圖10 接收控制模塊

跳頻產(chǎn)生器產(chǎn)生頻率號(hào)，進(jìn)入DDS生成相應(yīng)的頻率，頻率號(hào)相同則生成的頻率相同，否則生成的頻率不同。當(dāng)接收機(jī)捕獲到同步信息，本地跳頻轉(zhuǎn)入跟跳狀態(tài)后，接收方調(diào)整自己的TODh值使雙方的同步頻率變化一致，可以持續(xù)接收到同步幀信息，接收機(jī)根據(jù)接收到的TODl信息，調(diào)整自己的時(shí)鐘，此時(shí)雙方的系統(tǒng)時(shí)鐘達(dá)到一致，初始同步完成后，系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)傳狀態(tài)，使收發(fā)雙方的跳頻頻率達(dá)到一致，接收到數(shù)據(jù)幀。

4 對(duì)同步過程的仿真實(shí)驗(yàn)

在仿真運(yùn)行環(huán)境為Windows XP Professional SP3下Matlab R2009a中，利用所建立的模型模擬了跳頻系統(tǒng)的初始同步、數(shù)傳過程和同步保持時(shí)的勤務(wù)同步過程。

發(fā)射模塊輸出的信號(hào)時(shí)頻分析部分截圖如圖11所示。其中發(fā)射機(jī)的跳頻取值范圍為2.5～12MHz。圖中在發(fā)送同步幀信息的時(shí)間（0～0.15s）內(nèi)同步頻率在六個(gè)頻率上循環(huán)跳變，同步幀信息發(fā)送完后發(fā)送數(shù)據(jù)幀信息，數(shù)傳頻率開始偽隨機(jī)地變化。

圖11 發(fā)射信號(hào)的時(shí)頻圖

當(dāng)收發(fā)雙方的頻率達(dá)到同步時(shí)，接收信號(hào)經(jīng)過解跳后的信號(hào)頻譜如圖12（b）所示。圖12（a）中也給出了發(fā)射機(jī)中2FSK調(diào)制信號(hào)頻譜。圖13為發(fā)送和接收碼元信息的波形。

圖12 發(fā)射模塊2FSK調(diào)制信號(hào)與接收模塊解跳后信號(hào)的頻譜

圖13 發(fā)送和接收碼元信息的波形

利用系統(tǒng)模型得到的收發(fā)雙方在初始同步、數(shù)傳過程和同步保持時(shí)勤務(wù)同步過程的頻率與工作狀態(tài)變化如圖14所示。為便于觀察，頻率采用控制頻率集序號(hào)的頻率號(hào)描述。狀態(tài)0表示未同步狀態(tài)，狀態(tài)1表示初始同步狀態(tài)，狀態(tài)2表示數(shù)傳狀態(tài)，狀態(tài)3表示勤務(wù)跳跟蹤狀態(tài)。圖中接收模塊在初始同步過程中，其頻率號(hào)與發(fā)射機(jī)的頻率號(hào)由不一致到一致，初始同步完成后，系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)傳狀態(tài)雙方頻率號(hào)變化一致，當(dāng)發(fā)射模塊開始發(fā)送勤務(wù)幀信息時(shí)，接收模塊內(nèi)的跳頻產(chǎn)生器處于勤務(wù)跳跟蹤狀態(tài)，由于雙方系統(tǒng)時(shí)鐘一致，同步得到保持，勤務(wù)跳結(jié)束時(shí)，同步轉(zhuǎn)入數(shù)傳狀態(tài)，從而可以接收數(shù)據(jù)幀信息。

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)際的跳頻系統(tǒng)具有復(fù)雜的同步過程，利用數(shù)學(xué)方式很難完全描述系統(tǒng)的性能。Simulink／Matlab是可視化建模仿真平臺(tái)，采用方框圖建模的形式更貼近于工程習(xí)慣。實(shí)驗(yàn)表明，利用該模型能完整地模擬跳頻系統(tǒng)的初始同步和勤務(wù)同步的過程，較好地仿真了具有同步過程的跳頻系統(tǒng)，為進(jìn)一步深入分析跳頻通信系統(tǒng)的性能以及對(duì)其各種干擾的效果提供了一種較好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖14 系統(tǒng)在初始同步，數(shù)傳和勤務(wù)同步時(shí)收發(fā)雙方頻率號(hào)的變化

［1］梅文華.跳頻通信［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005.

［2］朱永松，張海勇，汲萬(wàn)峰.跳頻通信抗干擾性能分析［J］.現(xiàn)代防御技術(shù)，2005，33（5）：37－41.

［3］陳永軍，吳杰，許華，等.快速跳頻通信系統(tǒng)同步技術(shù)研究［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2010，18（11）：58－61.

［4］R.C.Robertson and J.F.Sheltry，“Multiple tone interference of frequency－h(huán)opped noncoherent MFSK signals transmitted over Rician fading channel，”IEEE Trans.Commun.，1996，44：867－877.

［5］王向鴻，趙海濤，關(guān)曉東.跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)的Matlab模擬仿真實(shí)現(xiàn)［J］.軍事通信，2010，10：74－75.

［6］劉克飛，楊東凱，吳江.跳頻通信系統(tǒng)的Simulink仿真實(shí)現(xiàn)［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009，21（24）：7969－7973.

［7］聶偉，郭梅花，張永杰.跳頻通信系統(tǒng)的研究與 Matlab仿真［J］.軍事通信，2010，10：74－75.

［8］閆云斌，全厚德，崔佩璋.GMSK跳頻通信干擾模式分析及仿真［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011，19（12）：3082－3088.

［9］程郁凡，韓瑋，李少謙.基于FFT的快速跳頻同步信號(hào)存在性監(jiān)測(cè)［J］.電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，23（5）：535－540.

［10］楊土安.基于頻率估計(jì)的短波跳頻同步捕獲技術(shù)的研究［D］.武漢大學(xué)，2004.

［11］李正民，陳京育，姬曉陽(yáng).基于ARM的多功能無線通信模塊設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2010（3）.

［12］A.K.Elhakeem，GS.Takhar，S.C.Gupt.A New code acquisition techniques in spread－spectrum communiactions，IEEE Trans.Commun，1980：249－257.