基于MATLAB的跳頻擴(kuò)頻調(diào)制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

劉艷華

摘要：基于MATLAB平臺研究跳頻擴(kuò)頻調(diào)制器的實(shí)現(xiàn)，給出了跳頻擴(kuò)頻調(diào)制的原理，利用simulink模塊實(shí)現(xiàn)跳頻擴(kuò)頻調(diào)制。選擇15位的擴(kuò)頻碼進(jìn)行擴(kuò)頻，跳頻圖案也采用15位的m序列產(chǎn)生。經(jīng)過仿真，觀察仿真結(jié)果，該模型能夠?qū)崿F(xiàn)跳頻擴(kuò)頻調(diào)制，跳頻頻點(diǎn)數(shù)15個，跳頻速率為0.04s/跳。

關(guān)鍵詞：跳頻；擴(kuò)頻；m序列；跳頻圖案

中圖分類號：TN914.42

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2015.09.025

0 引言

跳頻擴(kuò)頻是無線通信最常用的擴(kuò)頻方式之一。跳頻通信系統(tǒng)的收發(fā)設(shè)備傳輸無線信號的載波頻率按照預(yù)定規(guī)律或者算法進(jìn)行離散變化，也就是無線通信中選用的載波頻率隨偽隨機(jī)碼的控制而隨機(jī)跳變?！疤l技術(shù)”是一種用偽隨機(jī)碼序列進(jìn)行多頻頻移鍵控的一種通信方式，是碼控載波頻率跳變的一種通信系統(tǒng)。其中跳頻頻率控制器是核心部件，它具有產(chǎn)生跳頻圖案、同步和自適應(yīng)控制等功能，頻率合成器在跳頻控制器的控制下合成所需要的載波頻率，數(shù)據(jù)終端還需要對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行差錯控制。

跳頻通信系統(tǒng)的特點(diǎn)是載波頻率在偽隨機(jī)碼的控制下不斷地隨機(jī)跳變，它可以看作是載波頻率按一定規(guī)律變化的多頻頻移鍵控（MFSK）。跳頻系統(tǒng)的偽碼是用來選擇信道，并不直接傳輸。與一般通信系統(tǒng)相比，跳頻通信系統(tǒng)的信道隨偽碼作隨機(jī)變化，跟蹤其頻點(diǎn)十分困難，跳頻通信是通信抗干擾領(lǐng)域應(yīng)用最廣的一種通信方式。在軍事上，主要用于干擾和抗干擾的斗爭，其頻譜非常寬，跳頻通信比較隱蔽也難以被截獲，對方不清楚載頻跳變的規(guī)律，所以敵人很難追蹤信號實(shí)施干擾。即使有部分頻點(diǎn)被干擾，仍能在其他未被干擾的頻點(diǎn)上進(jìn)行正常的通信。在民用上，跳頻技術(shù)在移動電話、藍(lán)牙設(shè)備、嬰兒監(jiān)視器等方面也有廣泛應(yīng)用。

本文結(jié)合QPSK調(diào)制和跳頻技術(shù)，首先研究了跳頻調(diào)制的原理，然后借助MATLAB/siInulink平臺設(shè)計了跳頻擴(kuò)頻調(diào)制器，觀察并分析仿真結(jié)果。

1 跳頻調(diào)制原理

跳頻通信是一種數(shù)字化通信，是擴(kuò)頻通信的一種。在這種通信方式中，信號傳輸所使用的射頻帶寬是原基帶信號帶寬的幾十倍、幾百倍甚至幾千倍。但僅就某一個瞬間來說，它只工作在某一個頻率上。跳頻擴(kuò)頻就是用擴(kuò)頻的偽隨機(jī)碼序列對近代信號進(jìn)行移頻鍵控（FSK）調(diào)制，使載波的頻率高速地跳變。根據(jù)跳變的快慢還分為快跳頻和慢跳頻兩類。跳頻系統(tǒng)的跳變頻率有很多，多達(dá)幾十個甚至上千個。待傳送的信息和這些擴(kuò)頻碼的組合實(shí)現(xiàn)選擇控制，在傳送過程中不斷跳變。在接收端，由同步系統(tǒng)控制本地發(fā)生器產(chǎn)生與發(fā)送端完全相同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行解擴(kuò)，然后進(jìn)行解調(diào)正確地恢復(fù)原有的信息。

跳頻系統(tǒng)占用了比基帶信息帶寬要寬得多的頻帶。目前，跳頻通信系統(tǒng)由于其保密性好抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)主要應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，跳頻系統(tǒng)的組成原理框圖如圖1所示。

圖l中，首先，信源信息經(jīng)過基帶調(diào)制得到一個中頻信號。由一個偽隨機(jī)碼序列去控制產(chǎn)生頻率隨機(jī)變化的跳頻信號，然后用該跳頻信號對中頻信號進(jìn)行頻率調(diào)制，得到頻率隨機(jī)變化的射頻信號，發(fā)送到信道中。接收端要經(jīng)過跳頻同步系統(tǒng)產(chǎn)生本地跳頻信號，本地跳頻信號的變化與接收到的跳頻信號變化一致，用本地跳頻信號進(jìn)行混頻恢復(fù)出中頻信號。

跳頻系統(tǒng)頻率的變化規(guī)律稱為跳頻圖案，跳頻圖案在不同時刻有不同的頻率選擇，它表明什么時間用什么頻率進(jìn)行通信。跳頻圖案的好壞直接影響跳頻通信系統(tǒng)的性能，包括跳頻帶寬、信道間隔、跳頻頻率的頻點(diǎn)數(shù)、跳頻速率、跳頻周期等。

2 擴(kuò)頻跳頻調(diào)制器的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上一節(jié)介紹的跳頻原理，結(jié)合擴(kuò)頻原理，在MATLAB/simulink上搭建跳頻擴(kuò)頻調(diào)制的仿真模型。跳頻和擴(kuò)頻所用到的偽隨機(jī)序列都采用m序列，采用先擴(kuò)頻后跳頻，仿真模型分為擴(kuò)頻部分和跳頻部分，下面分別進(jìn)行介紹。

2.1 擴(kuò)頻模塊模型

擴(kuò)頻模塊部分采用QPSK擴(kuò)頻，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中，信源信號由隨機(jī)整數(shù)產(chǎn)生器RandomInteger Generatorl產(chǎn)生，經(jīng)過Unipolar to Bipolarl模塊進(jìn)行單雙極性變換轉(zhuǎn)換成雙極性信號，然后轉(zhuǎn)換成相互正交的兩路信號，再分別與隨機(jī)碼序列相稱進(jìn)行擴(kuò)頻，擴(kuò)頻碼由隨機(jī)碼序列產(chǎn)生器PN Se-quence Generator模塊產(chǎn)生，然后與相互正交的兩路載波信號相乘再相加完成擴(kuò)頻與基帶調(diào)制，得到一個中頻QPSK信號。

2.2 跳頻模塊模型

跳頻模塊模型如圖3所示。

跳頻模塊部分重點(diǎn)是跳頻圖案的產(chǎn)生，圖3中用PN碼產(chǎn)生器生成的m序列控制壓控振蕩器來產(chǎn)生跳頻圖案。仿真中，用來產(chǎn)生跳頻圖案的m序列長度為15，采樣時間為O.Ols，每4位偽隨機(jī)碼轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)作為VCO的輸入，控制VCO產(chǎn)生不斷變化的跳頻頻率，VCO的靜態(tài)頻率設(shè)為3000Hz，輸入靈敏度設(shè)為IOOOHz/V。圖2的輸出作為圖3的輸入就得到的跳頻擴(kuò)頻調(diào)制的結(jié)果。

3 仿真結(jié)果分析

運(yùn)行仿真模塊，可以得到15位的m序列碼為：011110001001101，經(jīng)過分析可以得到頻點(diǎn)數(shù)為15個，順序依次為10K、11K、12K、13K、18K、4K、6K、8K、17K、5K、9K、14K、15K、7K、16K0

運(yùn)行仿真模塊，觀察控制VCO的輸入電壓信號，得到控制信號數(shù)值依次為7、8、9、10、15、l、3、5、l4、2、6、ll、l2、4、l3、7、8、9、10……，結(jié)合設(shè)置的VCO的靜態(tài)頻率為3000Hz，輸入靈敏度為IOOOHz/V，計算VCO的輸出頻率依次為1OK、11K、12K、13K、18K、4K、6K、8K、17K、5K、9K、14K、15K、7K、16K……與分析結(jié)果一致。

跳頻擴(kuò)頻調(diào)制后的信號頻譜如圖所示4所示。

跳頻擴(kuò)頻調(diào)制后，信號的中心頻率在以上分析得到的15個頻率點(diǎn)隨機(jī)跳變，圖4中只截取了四個頻率點(diǎn)的頻譜圖。由于擴(kuò)頻的作用，從頻譜圖上可以看出，信號的帶寬被展寬了，展寬的倍數(shù)取決于擴(kuò)頻碼的長度。

4 結(jié)束語

文中研究了跳頻擴(kuò)頻調(diào)制的原理，給出了擴(kuò)頻跳頻調(diào)制器的仿真模型，及模塊的參數(shù)選取。經(jīng)過分析，跳頻擴(kuò)頻調(diào)制器在展寬了信號頻譜的同時，使已調(diào)信號中心頻率隨機(jī)變化，中心頻率跳變規(guī)律取決于調(diào)頻圖案的設(shè)計，仿真模型是能夠正常工作的，產(chǎn)生的頻點(diǎn)數(shù)與跳頻速率與預(yù)期一致，。在實(shí)際應(yīng)用中選擇合適的PN碼長度以及合適的采樣時間，就可以得到符合要求的跳頻圖案。增加PN碼長度得到足夠多的跳頻頻點(diǎn)，縮小采樣時間得到足夠高的跳頻速率。

在接收端如何快速捕獲到跳頻圖案是跳頻系統(tǒng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是下一步的研究目標(biāo)。