電臺跳頻通信技術(shù)分析

王文娟 李緒凱 孫慧賢 王欣

摘要：在闡述跳頻通信技術(shù)基本原理和電臺跳頻通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成基礎(chǔ)上，介紹電臺跳頻系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)：頻率合成器、跳頻圖案及同步。應(yīng)用Simulink對電臺跳頻通信系統(tǒng)進行仿真，解釋各模塊的作用，列出了具體的模塊參數(shù)設(shè)置和參數(shù)設(shè)置的依據(jù)。通過對電臺跳頻系統(tǒng)仿真的分析結(jié)果得出，電臺的抗干擾性能與信道信噪比及相鄰電臺的干擾有關(guān)。對電臺跳頻通信技術(shù)的分析對認識電臺、使用電臺和提高電臺性能具有一定的理論價值。

關(guān)鍵詞：電臺；跳頻；通信技術(shù)；仿真；Matlab；Simulink

中圖分類號：TN914文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2019）21-63-4

0引言

無線通信傳輸過程中不可避免地會受到自然噪聲及人為噪聲的干擾。在軍事作戰(zhàn)中，敵對雙方為了降低對方的通信效能而人為地釋放強干擾，例如施放電磁干擾彈會對對方裝備的無線通信產(chǎn)生很大影響；另外，隨著竊聽技術(shù)的不斷進步，要求軍事裝備具有較高的通信保密性和隱蔽性，以提高信息傳輸?shù)陌踩浴Ｒ虼?，增強通信抗干擾性和提高軍用電臺的通信保密性能成為軍事通信專家研究的課題。跳頻通信系統(tǒng)作為擴頻通信的一個重要分類，以抗干擾能力強、信號發(fā)送功率低以及同一信道內(nèi)可傳輸多用戶信號等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于軍事通信、移動通信和室內(nèi)無線通信中，如GPS、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、藍牙、WiFi以及各類型軍用電臺。電臺的跳頻工作模式以其抗干擾性能好、隱蔽性強等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于點對點通信以及組網(wǎng)通信中。

1基本原理

1.1跳頻通信技術(shù)

美國數(shù)學(xué)家香農(nóng)被譽為信息論之父，早在20世紀40年代，他就在基于信息熵和噪聲的概率分布等基本的通信理論基礎(chǔ)上，利用數(shù)學(xué)推導(dǎo)的方法，推導(dǎo)出信道容量公式，即香農(nóng)公式：

由香農(nóng)公式可以得出，在穩(wěn)定信道容量的情況下，可以通過采用增大信道帶寬來換取信噪比/的降低，為強干擾下保證可靠通信提供了理論依據(jù)。

擴頻通信技術(shù)就是用比信號帶寬寬得多的頻帶寬度來傳輸信息的技術(shù)。擴頻通信系統(tǒng)是擴展頻譜通信系統(tǒng)的簡稱，是指待傳輸信息的頻譜用某個特定的擴頻函數(shù)擴展后成為寬頻帶信號，送入信道中進行傳輸，再在接收端利用一定手段將其壓縮，從而獲取傳輸信息的通信系統(tǒng)。擴頻通信系統(tǒng)按其工作方式的不同可以分為直接序列擴展頻譜系統(tǒng)（DSSS）、跳頻擴頻系統(tǒng)（FHSS）、跳時擴頻系統(tǒng)（THSS）和混合擴頻[1]。擴展頻譜系統(tǒng)必須滿足以下2條準則：①傳輸帶寬遠遠大于被傳送的原始信息帶寬；②傳輸帶寬主要由擴頻函數(shù)決定，擴頻函數(shù)常用偽隨機編碼信號。

1.2結(jié)構(gòu)組成

跳頻通信系統(tǒng)是將傳輸帶寬劃分為互不重疊的多個頻率點，收發(fā)雙方傳輸信號的載波頻率按照預(yù)定規(guī)律進行離散變化的通信方式，即通信中傳輸信號的載頻在不斷跳變，跳變的規(guī)律由偽隨機序列決定。從實現(xiàn)方式上看，跳頻系統(tǒng)的通信方式為碼序列進行的多進制頻移鍵控，也是一種偽隨機序列控制載頻跳變的通信系統(tǒng)。

電臺跳頻系統(tǒng)的數(shù)字調(diào)制方式為BFSK，根據(jù)BFSK的定義，二進制信號0和1分別用2種載波頻率0和1表示，調(diào)制器在某一時刻選擇0和1頻率中的一個進行調(diào)制。有的電臺采用最小頻移鍵控MSK或高斯最小頻移鍵控GMSK的調(diào)制方式，都屬于改進的FSK體制，能夠消除FSK調(diào)制方式中信號相位的不連續(xù)性，保證信號嚴格正交，并且GMSK的功率譜密度相對于MSK更加集中[2]。

電臺的跳頻通信系統(tǒng)主要由發(fā)送端、信道和接收端3部分組成。在發(fā)送端，信息序列通過編碼器首先進行二進制編碼，二進制信號通過FSK調(diào)制器后得到中頻信號。PN序列發(fā)生器得到的m bit可控制頻率合成器產(chǎn)生2 -1個不同頻率的載波，使其按照特定的方式跳變，中頻信號與此載波信號進行混頻得到射頻信號，利用功率放大器提高信號的發(fā)射功率，最后通過天線發(fā)射出去。接收端天線收到信號后，同樣有一個與發(fā)送端相同的PN序列發(fā)生器，用于控制頻率合成器產(chǎn)生與接收信號載波同步的跳變載波，混頻器將信號進行下變頻，完成解跳，得到中頻信號，中頻信號通過FSK解調(diào)輸出二進制序列，再進行解碼輸出電臺所需信號，其結(jié)構(gòu)組成框圖如圖1所示。

1.3關(guān)鍵技術(shù)

從電臺跳頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成框圖上可以得出，混頻器輸出的跳頻信號除了與輸入信號有關(guān)，還受頻率合成器輸出跳變載波的影響。因此，影響跳頻系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)有頻率合成器、跳頻圖案和同步等。

（1）頻率合成器

頻率合成器通過對一個基準的頻率源進行處理，得到各種不同頻率的信號。跳頻信號波形并不是在時間上連續(xù)不間斷地跳，而是存在建立的時間和消退的時間，而保持在某一跳變頻率上的時間稱為駐留時間。頻率合成器的輸出載波信號需要在很短的時間內(nèi)從一個頻率快速跳變到另一個頻率[3]，以縮短建立時間和消退時間，還需要輸出高穩(wěn)定度和準確的載波信號，提高系統(tǒng)的可靠性。

（2）跳頻圖案

跳頻圖案用來控制載波頻率隨時間不斷變化的方式，對跳頻電臺的性能影響較大。陸基通信車輛上往往安裝多部同類型電臺[4]。

（3）同步

跳頻同步包括跳頻頻率同步、跳頻序列同步、跳變起止時間同步以及時鐘同步。電子戰(zhàn)中，同步信息的傳遞也應(yīng)隱蔽、快速。電臺跳頻同步通過設(shè)置參數(shù)來完成。設(shè)置收發(fā)電臺的多個參數(shù)一致，使得跳頻頻率相同、跳頻頻表的起始位置相同，從而達到收發(fā)雙發(fā)的同步。

2仿真及結(jié)果分析

2.1模型建立

依據(jù)電臺跳頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成框圖，確定系統(tǒng)由中頻信號產(chǎn)生模塊、PN序列發(fā)生器、跳頻載波產(chǎn)生模塊、跳頻模塊、信道、解跳模塊和解調(diào)模塊組成。為了統(tǒng)計系統(tǒng)誤碼率和便于觀察信號頻譜及波形，增加誤碼率計算模塊、頻譜儀及示波器[5-6]，仿真模型如圖2所示，設(shè)置模擬數(shù)據(jù)速率為100 bps，調(diào)制采用2FSK，頻率間隔100 Hz。跳速為50跳/s，跳頻頻點數(shù)為32。

2.2參數(shù)設(shè)置

二進制信源由貝努利二進制序列發(fā)生器產(chǎn)生，采樣周期設(shè)為0.01 s，對應(yīng)數(shù)據(jù)速率為100 bps。利用MFSK模塊進行2FSK調(diào)制，調(diào)制元數(shù)設(shè)為2，頻率間隔100 Hz，單個符號的采樣點數(shù)為40，因此得到的中頻信號采樣速率為4 000次/s。PN序列發(fā)生器采樣周期設(shè)為0.004，每幀的采樣點數(shù)為5，每幀占0.02 s，即50幀/s。幀格式轉(zhuǎn)換為基于取樣的信號，將二進制轉(zhuǎn)換為整形信號，因每幀采樣點數(shù)為5，故輸出的隨機整數(shù)為0～31，作為跳頻載波頻率點的控制信號。跳頻載波由MFSK產(chǎn)生，跳頻頻點數(shù)為32，將該模塊設(shè)置調(diào)制元數(shù)設(shè)為32，頻率間隔50 Hz，單個符號的采樣點數(shù)為80，選擇速率設(shè)置為從輸入繼承。50幀/s對應(yīng)50跳/s，而每一跳采樣點為80，采樣率為4 000次/s。將中頻信號與跳頻載波信號進行相乘實現(xiàn)跳頻擴頻。

電臺在工作時必將受到其他干擾源的影響，通常情況下，相鄰電臺的干擾最大，因此仿真時引入150 Hz的加性單頻正弦信號作為干擾源，幅度設(shè)為1。接收端跳頻載波為發(fā)送端跳頻載波信號的共軛信號，將數(shù)學(xué)函數(shù)設(shè)置為取共軛conj，本地跳頻載波與接收信號相乘后完成解擴，得到中頻信號。中頻信號進行解調(diào)恢復(fù)出原始基帶信號，該信號與發(fā)送數(shù)字信號相比，延遲一個碼元時間間隔0.01 s，因此將信源數(shù)字信號通過延遲器后，再與接收端恢復(fù)的數(shù)字信號進行對比，得出誤碼率。為了更好地觀察信號頻譜，將頻譜儀的緩沖器大小設(shè)置為4 000。

2.3仿真結(jié)果分析

將AWGN信道的信噪比設(shè)置為-10 dB，觀察各頻譜儀的顯示頻譜如圖3所示，圖3（a）為2FSK調(diào)制輸出的頻率間隔為100 Hz的中頻信號頻譜。圖3（b）為跳頻擴頻后的信號頻譜，由于該跳頻模塊為32個跳頻頻點，頻率間隔為50 Hz，因此擴頻帶寬為1 600 Hz。圖3（c）為經(jīng)過信道后受信道干擾和單頻干擾信號影響的接收端接收信號，可見正弦單頻干擾信號譜線。圖3（d）為解跳信號，可看作是解跳后恢復(fù)的窄帶信號頻率，及單頻干擾源及噪聲被再次擴頻后的擴頻信號的總和。

在.M文件中編寫程序，設(shè)置信道信噪比取值范圍為-40～-15，通過多次調(diào)用圖2的仿真模型，得到不同信噪比條件下的誤碼率，從而繪制系統(tǒng)誤碼率與信道信噪比的關(guān)系曲線，如圖4（a）所示。由曲線可看出，跳頻系統(tǒng)的誤碼率受信道信噪比的影響，信噪比越大，誤碼率越低，系統(tǒng)抗干擾能力越強。

設(shè)置信道信噪比為-15 dB不變，單頻干擾信號頻率取值范圍為0～1 200 Hz，通過多次調(diào)用圖2的仿真模型，得到不同單頻干擾信號條件下的誤碼率，繪制系統(tǒng)誤碼率與單頻干擾信號頻率的關(guān)系曲線，如圖4（b）所示。由曲線可看出，跳頻系統(tǒng)的誤碼率同樣受到干擾源頻率的影響，對于電臺的跳頻系統(tǒng)，需保證信噪比保持在一定數(shù)值，且跳頻頻段盡量與相鄰電臺不重疊，抗干擾性能將會大大增強。雖然仿真與實際電臺跳頻工作狀態(tài)存在差異，但從結(jié)果上看，基本符合理論曲線，驗證該仿真的正確性。

3結(jié)束語

本文首先介紹跳頻通信系統(tǒng)的基本原理，在建立電臺跳頻通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成基礎(chǔ)上，列出電臺跳頻的關(guān)鍵技術(shù)。利用Matlab/Simulink對電臺跳頻通信系統(tǒng)進行仿真，給出主要的參數(shù)設(shè)置，通過仿真波形驗證系統(tǒng)仿真的可靠性。分析結(jié)果表明，跳頻通信系統(tǒng)的抗干擾能力較強，保密性好。但是，跳頻擴頻系統(tǒng)也存在一些缺點，例如發(fā)射功率大，容易被敵方察覺電臺的存在，跳速不高時容易被跟蹤等。因此還應(yīng)不斷分析研究電臺跳頻技術(shù)，提高其性能，使其抗干擾性和保密性得到全面提升。

參考文獻

[1]鄧奮發(fā). MATLAB通信系統(tǒng)建模與仿真（第2版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2018：415-420.

[2]樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008： 234-242.

[3]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.

[4]田錦，謝擁軍，邱揚，等.共址跳頻系統(tǒng)組網(wǎng)優(yōu)化[J].電子科技大學(xué)學(xué)報，2009，38（3）：354-358.

[5]邵玉斌.Matlab/Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真實例分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[6]趙宏圖，茅艷.通信原理Matlab仿真教程[M].北京：人民郵電出版社，2010：323-325.