跳頻通信系統(tǒng)技術研究及MATLAB仿真

郭東軒++朱燕++王慶春

摘 要：跳頻通信技術具有較強的抗干擾性能和優(yōu)良的組網(wǎng)能力，是擴頻通信中的重點技術，是戰(zhàn)術通信領域應用最廣的抗干擾方法，提高軍事裝備的抗干擾能力。本文在闡述跳頻通信原理的基礎上，基于MATLAB的Simulink工具箱建立了跳頻通信系統(tǒng)的仿真模型，對跳頻通信系統(tǒng)在寬帶噪聲干擾環(huán)境下的工作機制進行了仿真，得到了噪聲干擾下的誤碼率-信噪比曲線，并將其和傳統(tǒng)的定頻通信進行比較，說明跳頻通信系統(tǒng)的抗干擾性能優(yōu)于定頻通信。

關鍵詞：跳頻通信；抗干擾性能；誤碼率；信噪比

中圖分類號：TN914.41 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）12-0026-02

跳頻通信技術（Frequency Hopping，F(xiàn)H）是擴頻通信技術的一種重要方式，除此之外擴頻通信還包括直接序列擴頻（Direct Sequence，DS）、跳時（Time Hopping，TH）、線性調頻和混合擴頻[1]。2016年6月16日藍牙技術聯(lián)盟發(fā)布了藍牙5.0的藍牙標準，它采用分散式網(wǎng)絡結構，支持點對點及點對多點通信，能夠連接多臺設備，基于跳頻和短包技術，使其擁有強抗干擾能力。在戰(zhàn)術通信中，跳頻技術因其良好的抗干擾性能一直作為重要的通信技術被應用于軍事裝備上[2]。因此，跳頻通信技術的研究對于無線傳輸領域和軍事通信方面都有著不可或缺的價值。

1 跳頻系統(tǒng)工作原理

跳頻擴頻系統(tǒng)將傳輸帶寬分為很多互不重疊的頻率點，按照信號時間間隔在一個或多個頻率點上發(fā)送信號，傳輸信號根據(jù)偽隨機發(fā)生器的輸出來選擇相應的頻率點。在發(fā)送端，信源產生的信息流與頻率合成器產生的載波進行調制后，得到射頻信號。頻率合成器產生的載波頻率受PN碼產生器產生的偽隨機碼控制，偽隨機碼序列改變一次，載波頻率隨之改變一次。偽隨機碼的碼元寬度為，則每隔時間，載波頻率跳變一次。跳頻系統(tǒng)的解調多采用非相干或者差分解調，因此調制方式多采用FM和MFSK等可進行非相干解調的調制方式[3]，本文仿真采用的是MFSK調制方式，其原理框圖如圖1所示。

在接收端，接收到的信號與干擾信號經高放濾波后送至混頻器。接收機的本振信號也是一種頻率跳變信號，跳變的規(guī)律由接收端的偽隨機碼控制，該偽隨機碼序列與發(fā)送端的偽隨機碼相同。兩個頻率合成器產生的頻率相對應且有一個頻差，為接收機的中頻[4]。只要收發(fā)雙方的偽隨機碼同步，就可以使收發(fā)雙方的頻率合成器產生的跳變頻率同步，經過混頻器后，就可以得到一個不變的中頻信號，對此中頻信號進行解調，就可以恢復出發(fā)送的信息。此時混頻器擔當解跳器的角色，只要收發(fā)雙方同步，就可將頻率跳變信號轉換為頻率為的中頻信號[5]。對于干擾信號而言，由于干擾信號頻率的變化與跳頻頻率的變化規(guī)律不同，與本地的頻率合成器產生的頻率不相關，因此，不能進入混頻器后面的中頻通道，不能對跳頻系統(tǒng)形成干擾，達到了抗干擾的目的。

2 跳頻系統(tǒng)的仿真建立

根據(jù)圖1的跳頻系統(tǒng)原理框圖，在MATLAB中，利用Simulink仿真工具搭建跳頻通信系統(tǒng)仿真模型，可動態(tài)模擬跳頻通信系統(tǒng)的工作過程，便于對跳頻系統(tǒng)的性能進行分析，搭建的跳頻系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。

圖2中使用的Simulink模塊設計如下：

（1）信源：用Bernoulli Binary Generator輸出一組獨立等概的二進制數(shù)字信號，從滿足跳頻通信系統(tǒng)對信源的要求，輸入的數(shù)據(jù)速率為100bps。

（2）調制與解調：利用M-FSK Modulator Baseband1和M-FSK Demodulator Baseband對信號進行2FSK調制和解調，設為2進制，頻率間隔為200KHz，每符號的采樣點為。

（3）偽隨機碼發(fā)生器：利用PN Sequence Generator作為偽隨機碼序列發(fā)生器，信源產生的二進制信號經過2FSK調制后與偽隨機序列產生的載波相乘完成跳頻，采樣時間間隔設置為1/250s，并設置按幀輸出，每幀5個樣值，幀格式轉化為基于采樣的信號后，用Bit to Integer Converter將每5個碼片轉化為一個隨機整數(shù)輸出作為控制跳頻載波頻率的信號，速率為250/5=50個/s。

（4）跳頻器：采用M-FSK Modulator Baseband2完成，調制元數(shù)為32，頻率間隔500KHz，每符號采樣個數(shù)為，這樣將輸出在32個頻點上跳頻速率為50次/s的偽隨機跳頻載波信號。

（5）信道及干擾：傳輸信道為加性高斯白噪聲信道，對跳頻系統(tǒng)的干擾主要分為：寬帶噪聲干擾、部分頻帶噪聲干擾、多頻干擾及跟蹤式干擾[6]。本文主要對跳頻系統(tǒng)在寬帶噪聲下的工作性能進行分析。

（6）解跳：經過噪聲干擾的信號與跳頻器輸出經過同步后的偽隨機跳頻載波相乘來實現(xiàn)解跳[2]。

（7）誤碼率的計算：由Error Rate Calculation模塊完成，Tx端口接收發(fā)送端輸入信號，Rx端口接收接收方的輸入信號，用Delay模塊進行延遲，設置為1。

為了更加直觀的對跳頻系統(tǒng)的性能進行分析，在保持各參數(shù)不變的情況下另搭建一未采用跳頻技術的常規(guī)BFSK系統(tǒng)，系統(tǒng)模型如圖3所示。

3 系統(tǒng)仿真結果及分析

利用Simulink工具搭建的跳頻通信系統(tǒng)仿真模型采用2FSK調制方式，輸入信號幅度為1，跳頻點數(shù)為32個，跳頻速率為50跳/s，分別在2FSK跳頻系統(tǒng)和常規(guī)BFSK系統(tǒng)的高斯信道中加入寬帶噪聲干擾，可以得到跳頻系統(tǒng)和BFSK系統(tǒng)在寬帶噪聲干擾下的誤碼率，仿真結果如圖4所示。

在其它參數(shù)保持不變，改變信噪比大小，可得到如圖4所示的誤碼率-信噪比曲線，其中藍色的曲線為2FSK調制解調的跳頻系統(tǒng)模型的仿真結果，紅色虛線為未采用跳頻的普通BFSK系統(tǒng)在寬帶干擾下改變信噪比得到的誤碼率曲線。

通過比較圖4中的兩曲線可發(fā)現(xiàn)，當信噪比為-10dB時，跳頻系統(tǒng)的誤碼率為0.04，而BFSK系統(tǒng)的誤碼率在0.5左右，根本無法傳遞信息，當信噪比高于-5dB時，跳頻系統(tǒng)的誤碼率趨近于0，BFSK系統(tǒng)的誤碼率緩慢開始下降，在干擾所致的誤碼率相同時，跳頻系統(tǒng)所要求的信噪比比BFSK系統(tǒng)大約低16dB左右，說明跳頻系統(tǒng)的抗干擾性能高于普通的BFSK系統(tǒng)，跳頻技術可以顯著提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

4 結語

本文闡述了跳頻擴頻通信的基本原理和其實現(xiàn)方法，利用MATLAB提供的可視化工具箱Simulink建立了跳頻擴頻通信系統(tǒng)仿真模型，對該擴頻系統(tǒng)在寬帶噪聲的干擾環(huán)境下進行仿真，得出誤碼率-信噪比曲線并進行分析，分析結果說明跳頻技術可以顯著提高系統(tǒng)的抗干擾能力。隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，無論是基于直接擴頻通信系統(tǒng)的WIFI還是以跳頻擴頻通信系統(tǒng)為基礎的藍牙，都在不斷的發(fā)展創(chuàng)新，在今后的科技發(fā)展中將越來越重要。

參考文獻

[1]田日才.擴頻通信[M].清華大學出版社，2014.

[2]葉尚元.跳頻通信系統(tǒng)的MATLAB仿真[J].數(shù)據(jù)通信，2016（4）：41-46.

[3]胡曉嬌.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，2006.

[4]劉克飛，楊東凱，吳江.跳頻通信系統(tǒng)的Simulink仿真實現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真學報，2009， 21（24）：7969-7973.

[5]暴宇，李新民.擴頻通信技術及應用[M].西安電子科技大學出版社，2011.

[6]寇治剛.跳頻通信系統(tǒng)干擾技術研究與仿真[D].西安電子科技大學，2010.