基于MATLAB／s i m u l i n k的跳頻擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真

孫云

（渤海大學(xué) 遼寧 錦州 121000）

基于MATLAB／s i m u l i n k的跳頻擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真

孫云

（渤海大學(xué) 遼寧 錦州 121000）

隨著我國科技的日新月異，隨之而來就產(chǎn)生了很多新型的通信方式，如擴(kuò)展頻譜通信就是其中一種，而跳頻通信則是擴(kuò)展頻譜通信當(dāng)中的一種，跳頻通信、擴(kuò)展頻譜通信、自適應(yīng)通信、高速數(shù)字通信數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)被稱為“90年代的通信技術(shù)”由于跳頻通信的抗干擾能力非常強(qiáng)，在多址通信性能方面表現(xiàn)也很好，故其在軍事上面得到廣泛的應(yīng)用。本論文對(duì)跳頻通信的基本原理進(jìn)行了簡單概述，接下來，利用Matlab提供的可視化工具Simulink建立了跳頻通信系統(tǒng)仿真模型，通過本論文的研究及分析工作，希望對(duì)我國跳頻擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真研究具有一定的借鑒意義。

擴(kuò)展頻譜通信；跳頻通信；Matlab；仿真模型；抗干擾

前言

跳頻是最常用的擴(kuò)頻方式之一，它的工作原理就是指收發(fā)雙方傳輸信號(hào)的載波頻率按照預(yù)定規(guī)律進(jìn)行離散變化的通信方式，換言之，通信中使用的載波頻率受偽隨機(jī)變化碼的控制而隨機(jī)跳變[2]。從頻域上面來看，跳頻信號(hào)的頻譜是一個(gè)在很寬頻帶上以不間隔隨機(jī)跳變的；從時(shí)域上面來看，跳頻信號(hào)是一個(gè)多頻率的頻移鍵控信號(hào)[3]。跳頻系統(tǒng)中的偽隨機(jī)序列并不直接傳送，而是用來選擇信道的。

1.跳頻數(shù)學(xué)模型建立及系統(tǒng)原理

跳頻擴(kuò)頻通信的基本理論依據(jù)主要是根據(jù)信息論中的Shannon公式來的[4]，它的公式如下所示：

在上式中，對(duì)于參數(shù)c、B、P及N，它們所代表的含義分別如下。其中，N，表示為噪聲功率；c，代表系統(tǒng)的信道容量（bits/s）；P，表示為信號(hào)的平均功率；對(duì)于B，則表示為系統(tǒng)的信道帶寬（Hz）。通過上式可以很明確的知道，在一定的信道容量的條件下，可以用增加信道帶寬的辦法、或者減少發(fā)送信號(hào)功率的辦法來減少信道帶寬或者提高信道容量而增加發(fā)送信號(hào)功率的辦法來提高信道容量[5]。

對(duì)于跳頻系統(tǒng)，由于它的載波頻率是在不斷發(fā)生變化的，如果想要在接收機(jī)中對(duì)載波相位進(jìn)行跟蹤，則是非常困難的，因此，對(duì)于跳頻系統(tǒng)所選用的調(diào)制方式一般是為可非相干解調(diào)方式，而頻移鍵控FSK調(diào)制則是經(jīng)常采用的方式。數(shù)據(jù)載波為a（t），數(shù)據(jù)速度為Ra，取值為+1和-1，進(jìn)行移頻鍵控調(diào)制（頻率偏差為Δf）后輸出的等效低通信號(hào)為b（t）[6]，如下式：

跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)中偽隨機(jī)序列控制下的瞬時(shí)頻率為f（t）[7]，隨著時(shí)間的不斷改變，瞬時(shí)頻率f（t）的取值在頻率點(diǎn)fi，i=1,2,3,4…，N上發(fā)生改變[8]。那么，對(duì)于跳頻載波信號(hào)，它的等效低通信號(hào)C（t）如下式：

對(duì)于跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)，它主要是以跳頻載波對(duì)數(shù)據(jù)調(diào)制信號(hào)的頻率搬移過程[9]，通過該過程，跳頻所輸出的等效低頻信號(hào)d（t）如下式；

在系統(tǒng)的接收端，以同步偽隨機(jī)碼控制的頻率偽隨機(jī)變化的載波和接收信號(hào)混頻，通過該種方式所得到的輸出信號(hào)bxj，如下式：

對(duì)于上式2-4，它的參數(shù)N（t）、I（t）所代表的含義如下：N（t），它表示噪聲；I（t），它則表示干擾信號(hào)。用同步跳變的本地恢復(fù)載波對(duì)接收信號(hào)混頻后，這樣就能夠得到解跳后的寬帶干擾信號(hào)、噪聲、以及窄帶信號(hào)b（t）。針對(duì)跳頻擴(kuò)頻通信系統(tǒng)來講，它的系統(tǒng)原理圖如下圖2-1所示。

圖2-1 跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)原理圖

3.跳頻的主要技術(shù)指標(biāo)及關(guān)鍵技術(shù)

對(duì)于一個(gè)跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)來講，其包括的主要技術(shù)指標(biāo)有：①跳頻頻率的數(shù)目；②跳頻的帶寬；③跳頻碼的周期；④跳頻的速率；⑤跳頻系統(tǒng)的同步時(shí)間。對(duì)于這些技術(shù)指標(biāo)，它們所代表的含義分別如下：①跳頻頻率的數(shù)目。跳頻信號(hào)的處理增益也等于跳頻點(diǎn)數(shù)。與抗單頻干擾及多頻干擾的能力有關(guān)。跳變的頻率數(shù)目越多，抗單頻、多頻以及梳狀干擾的能力就越強(qiáng)。②跳頻的帶寬。在通常情況之下，跳頻的帶寬是與抗部分頻帶的干擾能力有關(guān)系的。對(duì)于跳頻帶寬，其越寬，故其抗帶寬干擾的能力就非常的強(qiáng)。因此，在一般情況下是希望能夠全頻段跳頻的。③跳頻碼的周期。其將決定跳頻圖案延續(xù)時(shí)間的長度，這個(gè)指標(biāo)與抗截獲的能力是有一定關(guān)系的。如果跳頻圖案的延續(xù)時(shí)間越長，那么敵方破譯就顯得更加的困難，故抗截獲的能力就越強(qiáng)。對(duì)于跳頻碼，它的周期能夠長達(dá)10年或者比這還更長的時(shí)間。④跳頻的速率。顧名思義，就是指每秒鐘頻率跳變的次數(shù)，決定跳頻圖案延續(xù)時(shí)間的長度。它與抗跟蹤式干擾的能力是有一定關(guān)系的。如果跳速越快，那么，就表明抗跟蹤式干擾的能力就越強(qiáng)。⑤跳頻系統(tǒng)的同步時(shí)間。顧名思義，跳頻系統(tǒng)的同步時(shí)間主要是指系統(tǒng)使收發(fā)雙方的跳頻圖案完全同步，并且會(huì)建立通信所需要的時(shí)間。對(duì)于系統(tǒng)同步時(shí)間的長短，它將會(huì)對(duì)該系統(tǒng)的頑存程度造成直接的影響。因?yàn)椋绻竭^程一旦被破壞，就不能夠?qū)崿F(xiàn)收、發(fā)跳頻圖案的完全同步，這樣就會(huì)使得通信系統(tǒng)癱瘓。因此，希望同步建立的過程越短越好，越隱蔽越好。根據(jù)使用的環(huán)境不同，目前，對(duì)于同步時(shí)間可在秒或者幾百毫秒的量級(jí)。

對(duì)于跳頻系統(tǒng)而言，其關(guān)鍵技術(shù)主要包括：頻率合成器的設(shè)計(jì)、跳頻圖案的設(shè)計(jì)、以及跳頻同步的實(shí)現(xiàn)三種。

4.對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真模型的建立

4.1 對(duì)Simulink仿真工具進(jìn)行概述

對(duì)于本論文跳頻通信系統(tǒng)的研究，所采用的仿真工具是基于MATLAB提供的仿真平臺(tái)Simulink。Simulink是一個(gè)用來對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包，它支持連續(xù)、離散、以及兩者混合的非線性系統(tǒng)、及線性系統(tǒng)，對(duì)于多速率系統(tǒng)也支持[10]。

用MATLAB函數(shù)進(jìn)行仿真與采用Simulink模塊框圖進(jìn)行仿真，這兩者之間還是存在較大差異的。在Simulink仿真中，對(duì)于所有的模塊，在每一個(gè)時(shí)間步長上面它們是同時(shí)執(zhí)行的，因此，我們也把這種仿真稱為時(shí)間流仿真。對(duì)于Simulink仿真軟件，在一般情況下它是具有如下5個(gè)特點(diǎn)的，并且這些特點(diǎn)也非常重要。

特點(diǎn)：①具有仿真與連接方面的功能；可以利用鼠標(biāo)器在模型窗口上畫出所需要的控制系統(tǒng)模型，然后再利用該軟件提供的相關(guān)功能來對(duì)系統(tǒng)直接進(jìn)行仿真，從而可以使得一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)輸入變得相當(dāng)?shù)娜菀?。②建模具有遞階結(jié)構(gòu)；用戶在建模的時(shí)候，可以從下到上或者從上到下的結(jié)果來建立模型，模型建立完成后，可以從最高級(jí)觀看模型，然后，再利用鼠標(biāo)雙擊其中的子系統(tǒng)模塊，這樣便可以查看下一級(jí)的內(nèi)容，從而，可以使得用戶了解整個(gè)模型的細(xì)節(jié)。③要進(jìn)行仿真非常方便；用兩種仿真方式，第一種是通過Simulink的菜單方式，直接點(diǎn)Simulation，然后再點(diǎn)擊start即可，非常的方便、快捷。第二種是在MATLAB命令窗口鍵入命令進(jìn)行仿真也很簡單，同時(shí)用戶可以通過屏幕觀察仿真的結(jié)果。另外，假如在仿真系統(tǒng)中采用一些畫圖模塊，如Scope模塊、GraphScope模塊等，那么，直接點(diǎn)擊模塊就可以觀察仿真。④對(duì)于建模是采用方框圖進(jìn)行的；采用此結(jié)構(gòu)畫模型圖，就像采用筆和紙來畫一樣的容易，其與普通的利用微分方程或是差分方程建模比具有直觀、靈活、方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。⑤在該仿真軟件里面包括很豐富的子模型庫；Simulink包含sinks、source、linear、connections、extra等諸多的子模型庫。對(duì)于每個(gè)子模型庫，它們又包含許多功能，同時(shí)用戶也可以創(chuàng)建或者定制所需要的模塊。用戶建模時(shí)可以根據(jù)自己所需要的模塊從相應(yīng)庫中找到所需要的。

4.2 模型建立

基于Simulink仿真軟件建立起來的跳頻擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真模型，它能夠?qū)μl擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的整個(gè)工作過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及反映相關(guān)的問題，對(duì)于系統(tǒng)擴(kuò)頻前后的頻譜，通過該仿真軟件能夠?qū)崟r(shí)的觀測，另外，如果要對(duì)仿真模型進(jìn)行擴(kuò)展，可以根據(jù)具體需要來進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。下圖4-1是系統(tǒng)的仿真模型圖。

圖4-1 系統(tǒng)仿真模型圖

5.對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析

為了更加準(zhǔn)確的得到本論文研究的跳頻擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真結(jié)果，所設(shè)定的仿真條件如下：采用偽隨機(jī)整數(shù)信號(hào)控制系統(tǒng)的跳頻載頻[11]；對(duì)跳頻點(diǎn)數(shù)設(shè)定為64個(gè)；對(duì)于跳頻的頻率間隔設(shè)定為50跳/秒；數(shù)據(jù)調(diào)制采用FSK，并且頻率的間隔為200HZ；對(duì)于每個(gè)符號(hào)，它的采樣點(diǎn)數(shù)為120；接收機(jī)中解跳用到的本地恢復(fù)載波良好的跟蹤了發(fā)生載波頻率變化[12]。我們把本次系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)的時(shí)間設(shè)定為1000s，通過仿真，得到的結(jié)果如下圖5-1、5-2、5-3、及5-4所示。

圖5-1 跳頻前信號(hào)頻譜圖5-2 跳頻后信號(hào)頻譜

通過本次仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以觀察到，對(duì)于跳頻信號(hào)，它的波形是不連續(xù)的。每一個(gè)跳頻信號(hào)的駐留時(shí)間的瞬時(shí)所占的信道帶寬是窄帶頻率[13]，對(duì)于本次仿真實(shí)驗(yàn)，跳頻點(diǎn)數(shù)是為64個(gè)的，而對(duì)于頻段是為-3～3kHz，最終結(jié)果是形成一個(gè)跳頻帶寬。由于跳頻速率是非?？斓?，這就造成其在宏觀上面實(shí)現(xiàn)了頻譜的擴(kuò)展。

圖5-3 信道傳輸并受噪聲干擾跳頻接收信號(hào)頻譜圖5-4 解跳后信號(hào)頻譜

6 。結(jié)束語

本論文首先對(duì)跳頻擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的工作原理，涉及到的相關(guān)理論知識(shí)進(jìn)行了簡單的介紹，接著，對(duì)Simulink仿真工具進(jìn)行概述及對(duì)其進(jìn)行相關(guān)模型的建立，最后，就是采用Simulink仿真軟件對(duì)跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)建立了仿真模型進(jìn)行研究。在進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)前，設(shè)定了相關(guān)的仿真條件，如跳頻點(diǎn)數(shù)、采樣點(diǎn)數(shù)、跳頻頻率間隔等相關(guān)條件，這樣設(shè)定的目的是為了保證仿真的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確。本論文在仿真研究的基礎(chǔ)上面研究了跳頻擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的相關(guān)性能，希望本論文的相關(guān)研究工作能夠?yàn)檠芯刻l通信為基礎(chǔ)的現(xiàn)代通信理論提供一定的理論基礎(chǔ)及參考價(jià)值[14]。

[1]陳高平等.擴(kuò)頻通信技術(shù)在CDMA中的應(yīng)用[J].通信技術(shù)，2012，（07）：54-59.

[2]劉素心.基于MATLAB的通信系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)仿真設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2014，（06）：100-107.

[3]曾興雯等.擴(kuò)展頻譜通信及其多址技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004：62-67.

[4]宋永東等.基于MATLAB的2DPSK低頻感應(yīng)通信系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)[J].通信技術(shù)，2009，42（09）25-29.

[5]陳海龍，李宏.基于MATLAB的偽隨機(jī)序列的產(chǎn)生與分析[J].計(jì)算機(jī)仿真，2006，42（5）235-239.

[6]胡曉嬌等.跳頻通信系統(tǒng)抗干擾性能研究及仿真分析[D].華中科技大學(xué)，2006:125-129.

[7]李建新等.現(xiàn)代通信系統(tǒng)分析與仿真一MATLAB通信工具箱[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2009：225-229.

[8]張瑞等.快速跳頻系統(tǒng)研究及其基帶實(shí)現(xiàn)[D].西北工業(yè)大學(xué)，2006：:12-19.

TP37

A

1009-5624（2016）05-0018-03

孫云（1994.～），女，遼寧省本溪人，錦州市太和區(qū)渤海大學(xué) 通信工程專業(yè)本科生