跳頻通信系統(tǒng)模擬仿真分析

李亞文

（商洛學院電子信息與電氣工程學院，陜西商洛726000）

跳頻通信系統(tǒng)模擬仿真分析

李亞文

（商洛學院電子信息與電氣工程學院，陜西商洛726000）

分析了跳頻通信系統(tǒng)的組成模塊、工作原理及系統(tǒng)特點，模擬建立了跳頻通信系統(tǒng)模型，在Simulink中建立了仿真模型，通過設(shè)置合理的參數(shù)真實的模擬了跳頻通信系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的跳頻通信系統(tǒng)，抗干擾性較好，信噪比較高，誤碼率較低，能較準確的恢復信源端信息，為未來跳頻通信技術(shù)的革新提供了前期的研究基礎(chǔ)。

擴頻通信；跳頻通信；頻譜分析；誤碼率

隨著無線電通信技術(shù)的發(fā)展，通信過程中保密安全問題已經(jīng)成為人們關(guān)注的一個焦點[1]。跳頻技術(shù)的理論研究開始于1960年[2]，70年代以來，實用型的跳頻電臺相繼在美國、英國、法國等發(fā)達國家出現(xiàn)。80年代時，已經(jīng)日臻完善的跳頻通信技術(shù)為跳頻電臺的發(fā)展奠定了扎實的基礎(chǔ)，使跳頻電臺成許多國家在軍事上的主要通信方式[3]。美軍目前已經(jīng)可以實現(xiàn)跳頻速率每秒鐘上萬次的電臺。我國的第一個實用的跳頻電臺誕生于二十世紀，此后，多種類型的短波通信系統(tǒng)都得到了認可，進入批量生產(chǎn)階段，甚至有一些達到國際先進水平。目前，跳頻通信系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于短波調(diào)頻電臺、移動無線電話網(wǎng)及衛(wèi)星通信、戰(zhàn)術(shù)電臺等，在無線局域網(wǎng)標準和無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中，跳頻通信都是主要的通信方式[4]，用以兼容微波爐、移動電話、醫(yī)療設(shè)備等工作在2.24 GHz ISM頻段的電子設(shè)備[5]。跳頻通信系統(tǒng)由于系統(tǒng)的保密性和抗干擾能力主要取決于頻率跳變的速度。根據(jù)頻率跳變速率的不同跳頻系統(tǒng)可分為快跳頻和慢跳頻[6-7]兩種。頻率跳變的速度越快，該系統(tǒng)的保密性和抗干擾能力就越強，反之，則系統(tǒng)的保密性和抗干擾能力就越差。本文在Simulink中設(shè)計一個快跳頻的通信系統(tǒng)，通過對傳統(tǒng)跳頻通信系統(tǒng)進行改進，進行合理的參數(shù)設(shè)置，通過實驗仿真分析系統(tǒng)性能，模擬實際的通信過程。

1 跳頻技術(shù)

跳頻通信（Frequency Hopping，F(xiàn)H）全稱為跳頻擴展頻譜通信[8]。擴展頻譜通信系統(tǒng)（Spread Spectrum Communication System）是將低速率的數(shù)據(jù)信息搬移到寬頻帶的位置，擴頻后的帶寬遠遠大于基帶信號的帶寬，通過信道傳輸后，而在信宿接收端則采用相關(guān)接受進行解擴，恢復出原始的信息數(shù)據(jù)的系統(tǒng)簡稱擴頻通信系統(tǒng)。由于擴頻方式的不同，擴頻通信系統(tǒng)分為：直接序列擴展頻譜系統(tǒng)（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS）、跳頻系統(tǒng)（Frequency Hopping，F(xiàn)H）和跳時系統(tǒng)（Time Hopping，TH）三種。其中，跳頻通信系統(tǒng)[8-9]（FH）是最常見的方式。由于不斷變化的系統(tǒng)頻率，所以在跳頻通信系統(tǒng)的一個相對時間段中，它可以被看做是寬帶傳輸，而實際上還是窄帶通信。跳頻通信中偽隨機碼被用于確定跳頻頻率，同時，偽隨機碼與傳輸?shù)男畔⒐餐刂浦鴰资畟€甚至數(shù)千個跳頻通信的頻率。

2 跳頻通信系統(tǒng)的工作原理

跳頻通信系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示，包括跳頻頻率表、頻率合成器、跳頻調(diào)制與解調(diào)器等主要部分，跳頻系統(tǒng)的實現(xiàn)基帶信號進行多路MFSK調(diào)制以后，其頻率不斷在多個頻率集合范圍之間來回跳變，實現(xiàn)了頻譜拓展；同時，跳頻通信的自身特性決定了它相比一般通信具有良好的抗干擾能力，因此，在無線通信中得到廣泛應(yīng)用。

跳頻通信系統(tǒng)的工作原理：在發(fā)送端，利用頻率合成器對基帶信號進行擴頻調(diào)制，讓偽碼發(fā)生器產(chǎn)生偽隨機序列去控制頻率合成器的頻率，使用多進制跳頻的形式，使其從2 k個頻率的集合中按偽隨機方式選取頻率，產(chǎn)生跳頻信號。在信源的接收端，首先要獲取與發(fā)送端一致的頻率波段，利用控制頻率合成器，在不同的接收時間間隔內(nèi)對接收的跳頻序列進行變頻，將頻譜擴展的偽隨機跳頻波搬移回原來的頻率位置，實現(xiàn)了解跳，再經(jīng)過相干解調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)信源的數(shù)字基帶信號的恢復。

圖1 跳頻通信系統(tǒng)組成框圖

3 基于Simulink的跳頻通信系統(tǒng)仿真分析

3.1 模型建立

圖2是一個跳頻通信系統(tǒng)的模型建立，模擬抽象實際通信的過程，具體各部分的元器件選擇實現(xiàn)情況如下：

信源：對信源的信號進行模擬調(diào)制、A/D轉(zhuǎn)化、碼型變換等相關(guān)處理后，成為適合信道傳輸?shù)臄?shù)字信號，設(shè)該數(shù)字信號是獨立的碼元信息，作為本次仿真實驗中跳頻通信系統(tǒng)的信源要傳輸?shù)男畔ⅰ?/p>

跳頻：由于m序列相關(guān)性較好、序列數(shù)目多等特點，因此，選擇來做跳頻通信系統(tǒng)的載波信號，偽隨機碼由PN序列模塊產(chǎn)生器來產(chǎn)生。由頻率控制器對信源的信號進行擴頻處理，實現(xiàn)頻率的跳變。

信道：實驗設(shè)計中，模擬實現(xiàn)將跳頻信號送入AWGN Channel高斯白噪聲的信道，并對信噪比進行合理設(shè)置。

解跳：經(jīng)信道傳輸?shù)男盘?，在接收端先?jīng)過一個帶通濾波器，尋找到中心頻率，再使用與跳頻部分一樣的頻率控制器，鎖定某一個頻率，在實驗設(shè)計中使偽隨機序列載波信號的相位為零，對擴頻信號MFSK進行頻譜搬移，實現(xiàn)解跳。

調(diào)制解調(diào)：發(fā)送端對A/D轉(zhuǎn)換的信號進行MFSK多路調(diào)制，本地頻率合成器產(chǎn)生與信源發(fā)送信號嚴格同步的偽隨機載波信號進行同步解調(diào)，經(jīng)過抽樣判決、碼元再生，恢復出基帶數(shù)字信號。

誤碼率：將信源發(fā)送的二進制數(shù)字信號與信宿端恢復的信號同時送入誤碼儀進行比較分析，計算出誤碼率，分析通信系統(tǒng)的可靠性，進而對通信質(zhì)量進行評價。

圖2 跳頻通信系統(tǒng)模型建立

3.2 模型實現(xiàn)

在Simulink平臺中上建立的跳頻通信系統(tǒng)的仿真模型如圖3所示，由圖3可知，跳頻通信系統(tǒng)仿真模型包括信源模塊、調(diào)制模塊、跳頻載波生成模塊、跳頻模塊、信道模塊、解跳模塊、解調(diào)模塊、誤碼統(tǒng)計模塊等。Simulink中的建模的跳頻通信系統(tǒng)可以真實的模擬通信過程，可以通過直觀方便的觀察信宿端信號的調(diào)制與解調(diào)前后、跳頻與解調(diào)前后、信號的時域和頻譜變化，能夠反映跳頻通信系統(tǒng)任意時刻的頻譜變化過程，還可以根據(jù)實際情況改進跳頻系統(tǒng)的仿真模型，更好的模擬現(xiàn)代通信過程。

圖3 跳頻通信系統(tǒng)在simulink中仿真模型

4 實驗仿真

4.1 仿真實現(xiàn)

設(shè)信息數(shù)據(jù)速率為100 bps，數(shù)據(jù)調(diào)制采用2FSK方式，頻率間隔為100 Hz。跳頻頻點為32個，跳頻頻率間隔為50 Hz，跳頻速率為50跳/s。利用偽隨機序列改變跳頻的載波頻率，在信宿接收機中解跳所用的本地恢復載波，較好的跟蹤了發(fā)送載波頻率變化。該系統(tǒng)屬于一個慢跳頻擴頻系統(tǒng)，信道設(shè)為AWGN信道。

具體參數(shù)設(shè)置情況：

1）Bernoulli Binary Generator產(chǎn)生二進制信源數(shù)據(jù)，模塊中采樣時間設(shè)為0.02 s。

2）MFSK Modulator Baseband模塊完成2FSK調(diào)制，其參數(shù)設(shè)置為：M-ary number：2，F(xiàn)requency separation：100 Hz，每個符號的采樣點數(shù)為50。

3）隨機整數(shù)0-255由子系統(tǒng)Subsystem PN Sequence產(chǎn)生，子系統(tǒng)中PN序列模塊的采樣間隔設(shè)置Ts=0.004 s。

4）參數(shù)設(shè)置：M-ary number：32；input type：integer；Frequency separation：50；Sample per symbol：80。

在接收端，發(fā)送跳頻載波信號與本地跳頻載波互為共軛信號，解跳之后，對信號進行2FSK解調(diào)，恢復出原信號，參數(shù)設(shè)置對應(yīng)于信號調(diào)制器。與發(fā)送數(shù)據(jù)相比，解調(diào)出信號會延遲一個碼元間隔時間（0.02 s）。在此系統(tǒng)中可用頻譜儀方便快捷的觀察跳頻信號在信道傳輸以及解跳，解調(diào)前后的信號頻譜變化。同時可以對比收發(fā)信號波形圖，測試誤碼率，從而得到信號的傳輸質(zhì)量及系統(tǒng)的傳輸性能。

4.2 結(jié)果分析

如圖4是信源調(diào)制前的頻譜分析，圖5是信號解調(diào)后的頻譜分析，由圖5可知，信解調(diào)后調(diào)頻譜分布在0-100 Hz，調(diào)制后的信號經(jīng)過跳頻頻率擴展后經(jīng)加性高斯白噪聲信道，再經(jīng)解跳，最后經(jīng)過信號解調(diào)后的信號的頻譜分析，調(diào)制前與解調(diào)后的信號頻譜分析基本近似。圖6是跳頻擴展后的信號頻譜分析結(jié)果，與對比圖4可知，源信號經(jīng)跳頻擴展后頻譜從原來的0-100 Hz擴展到了0-4000 Hz的高頻區(qū)域，在波形上也發(fā)生了變化。圖7顯示跳頻通信過程中信源與信宿端數(shù)字信號之間的對比，圖7清楚的顯示了，信源波形幅度最小為0，最大為1，為0、1交替的二進制信源，發(fā)射的二進制信源信號與信宿端接收的信號基本完全吻合，從Display模塊可以看出誤碼率Pe=0.002997，說明此次仿真結(jié)果與理論誤差很小，仿真結(jié)果接近理想狀態(tài)，跳頻通信的通信系統(tǒng)的工作頻率范圍顯著地增大，信噪比也變大了，真實的模擬了實際通信系統(tǒng)中的傳輸狀況。

圖4 信源調(diào)制前頻譜分析

圖5 信號解調(diào)后頻譜分析

圖6 跳頻后信號頻譜分析

圖7 信源與信宿端信息對比

5 結(jié)語

跳頻通信由于良好的抗干擾性、低截獲概率以及靈活的組網(wǎng)方式等特點，在無線通信中得到了廣泛應(yīng)用[11-12]，本文在Simulink中建立了跳頻通信系統(tǒng)的仿真模型，模擬了通信的過程，并對系統(tǒng)性能進行分析，實驗結(jié)果顯示跳頻通信質(zhì)量較高，誤碼率較小，能較好的還原和恢復出原來信源端發(fā)送的信息。預(yù)計在未來的跳頻通信系統(tǒng)中，不僅需要傳輸不同速率不同要求的業(yè)務(wù)，并且由于移動信道獨特的傳播性能時常會隨著時間和傳播地點隨機變化，因此，跳頻通信系統(tǒng)須具有自適應(yīng)改變它的傳輸速率的特點，才能夠保證靈活的為多種業(yè)務(wù)提供不同的傳輸速率，為軍事領(lǐng)域的應(yīng)用以及人們的生活提供更加安全可靠的通信服務(wù)。

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（責任編輯：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

商洛學院教育教學改革研究項目（15JYJX120）

李亞文，女，陜西華縣人，碩士，講師