基于MATLAB GUI的跳頻擴頻通信系統(tǒng)實驗教學平臺設(shè)計

蔡嘉麗 虞湘賓

摘? 要 擴頻通信是圍繞提高信息傳輸?shù)目煽啃远岢龅囊环N理論和技術(shù)。為了便于理解擴頻通信的概念，利用MATLAB GUI設(shè)計一種頻率跳變擴頻通信系統(tǒng)的仿真實驗演示平臺。該平臺可通過設(shè)置不同參數(shù)，展示通信系統(tǒng)中不同階段的仿真結(jié)果，直觀顯示信號在時域以及頻域上的變化，有助于理解跳頻擴頻通信系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞 跳頻擴頻通信系統(tǒng)；MATLAB GUI；實驗教學平臺

中圖分類號：G647.6? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）14-0028-07

Abstract Spread spectrum communication is a theory and techno-logy to improve the reliability of information transmission. In order to understand the concept of spread spectrum communication， MAT-LAB GUI is used to design a simulation experiment demonstration platform of frequency hopping spread spectrum （FH-SS） communi-cation system. The platform can show the simulation results of diffe-rent stages in the communication system according to different para-meter settings， and visually display the signal changes in the time domain and frequency domain， which is helpful to understand the FH-SS communication system.

Key words frequency hopping spread spectrum （FH-SS） communi-cation system; MATLAB GUI; experimental teaching platform

0? 引言

擴頻通信系統(tǒng)是一種在發(fā)送端將帶傳輸信息信號的頻譜利用偽噪聲編碼信號，即擴頻序列展寬，并成為寬頻帶信號，然后送入信道傳輸?shù)南到y(tǒng)。在接收端，采用相同的擴頻碼序列與接收信號進行解擴，恢復(fù)所傳輸?shù)男畔?，從而達到傳輸信息的目的。其中，擴頻系統(tǒng)采用的擴頻碼序列僅僅用于擴展信號頻譜，與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān)，且擴頻碼序列通常采用具有一定隨機性的偽隨機序列[1]，其統(tǒng)計特性類似于白噪聲，增強信息傳輸?shù)谋Ｃ苄浴?/p>

常規(guī)通信系統(tǒng)通常為了充分利用頻譜資源而盡量減少信號占用的頻帶，然而擴頻通信系統(tǒng)需要通過寬帶信號提高通信的安全性和可靠性。擴頻技術(shù)的理論基礎(chǔ)可以由信息論的香農(nóng)公式來描述：

C=Wlog2（1+S/N）? ? ? ? ? ? ? ?（1）

其中，C為系統(tǒng)容量，即系統(tǒng)能夠無差錯傳輸?shù)淖畲笮畔⑺俾?；W為傳輸帶寬；S/N表示信號噪聲的比值。可見擴頻系統(tǒng)是通過擴展頻譜來降低信噪比要求，即對于給定信噪比，擴頻系統(tǒng)可以通過增大傳輸帶寬降低信息差錯率，這也是擴頻通信的重要特點。相較于常規(guī)通信系統(tǒng)，擴頻系統(tǒng)的帶寬大幾百甚至幾千倍，所以在給定信噪比條件下，后者具有較強的抗干擾能力，保密性好，頻譜密度低，對其他系統(tǒng)干擾小[2]。因此，擴頻通信技術(shù)應(yīng)用于軍事保密和電子對抗系統(tǒng)，取得良好效果，在民用通信方面的應(yīng)用也越來越廣泛。

擴頻系統(tǒng)的指標包括處理增益和干擾容限。處理增益指的是輸出信噪比與輸入信噪比的比值，用于衡量系統(tǒng)的抗干擾性能。干擾容限為系統(tǒng)在正常工作時，接收機能夠承受的干擾信號比有用信號高出的分貝數(shù)，直接反映擴頻系統(tǒng)接收機可能抵抗的極限干擾強度，比處理增益更能反映系統(tǒng)的抗干擾能力。

擴頻通信一般分為直接序列擴頻、跳頻擴頻、跳時擴頻以及線性調(diào)頻。直接序列擴頻系統(tǒng)，簡稱直擴系統(tǒng)，通過待傳輸信號與偽隨機碼序列相乘直接控制射頻信號的參數(shù)（如相位等）。直擴系統(tǒng)信號易產(chǎn)生，但對同步要求嚴格，其處理增益為直擴信號的擴頻倍數(shù)。跳頻擴頻的載波頻率受偽隨機碼控制，不斷隨機跳變，可以達到非常寬的通信帶寬，但設(shè)備復(fù)雜，其處理增益為跳頻可用的頻道數(shù)。與跳頻系統(tǒng)相似，跳時擴頻系統(tǒng)將信息碼發(fā)送的持續(xù)時間分成若干時隙，用擴頻碼隨機控制發(fā)射信號的發(fā)送時隙，其處理增益與占空比有關(guān)。跳時系統(tǒng)缺點在于需要準確的時間同步且抗干擾能力差。線性調(diào)頻系統(tǒng)是指載頻在給定時間間隔內(nèi)線性增大或減小，且不需要偽隨機碼調(diào)制。四種通信方式各有優(yōu)缺點，因此在實際應(yīng)用中需要根據(jù)具體情況采用特定系統(tǒng)或四種模式中不同組合形式的混合系統(tǒng)。

擴頻通信在通信領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，有必要了解其概念、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及優(yōu)勢等。然而擴頻通信課程內(nèi)容復(fù)雜寬泛、概念抽象難懂，學生對原理、公式的理解流于表面。為了提高學習效率，利用MATLAB GUI設(shè)計一個跳頻擴頻通信系統(tǒng)的實驗教學平臺，直觀地顯示信號在傳輸過程中時域和頻域上的波形變化。通過對該實驗教學平臺的學習和研究，學生不僅能夠充分了解跳頻擴頻通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理，而且可以發(fā)揮自主學習的主觀能動性，增強教學效果。

1? 跳頻擴頻通信系統(tǒng)

1.1? 系統(tǒng)模型

跳頻系統(tǒng)的載波受偽隨機碼控制，不斷隨機跳變，其原理如圖1所示。輸入信號經(jīng)載波調(diào)制后，利用偽隨機序列控制頻率合成器的輸出，將信號頻帶展寬后發(fā)送至信道。信號經(jīng)過信道，在接收端利用與發(fā)送端相同的載波信號進行相干解調(diào)，再進行解擴，即采用與發(fā)射端相同的隨機序列與接收信號相乘，恢復(fù)原始數(shù)據(jù)信息。頻率跳變是指借助擴頻碼序列發(fā)生器變化信息在頻帶傳輸過程中改變射頻頻率，達到展寬信道傳輸帶寬的目的。

在跳頻系統(tǒng)中，通常由偽隨機碼作為系統(tǒng)的擴頻碼來控制射頻載波振蕩器輸出信號的頻率，使發(fā)射信號的載波頻率隨著擴頻碼的變化而變化。

在頻率跳變擴頻通信系統(tǒng)中，通常采用跳頻圖案直觀表示跳變頻率改變的規(guī)律，可以分為快跳頻與慢跳頻。假設(shè)數(shù)據(jù)調(diào)制采用二進制相移鍵控（Binary Phase Shift?Keying，BPSK），Ta是一個信息碼元的比特寬度，每Ta輸出兩個相位中的一個，每隔Tc輸出信號的射頻頻率跳變到另一個頻率上。若Tc＞Ta，則稱為頻率慢跳變系統(tǒng)。

慢跳變系統(tǒng)的跳頻圖案如圖2所示，頻率合成器有8個頻率f1，f2，…，f8可供跳變，載波在每傳輸3 bit信息后跳變到新的頻率，完成頻帶展寬。

另一種情況下，若每個數(shù)據(jù)符號中射頻輸出信號的載波頻率多次跳變，即Tc＜Ta，則稱為頻率快跳變系統(tǒng)。如圖3所示，頻率合成器有16個頻率f1，f2，…，f16可供跳變，每傳輸1 bit信息，頻率跳變3次。

輸入信號的碼元寬度為Ta，Ta=1/Ra，Ra表示速率，則輸入信號a（t）可以表示為[4]：

其中an為信息碼，ga（t）為門函數(shù)，對輸入信號a（t）進行載波調(diào)制可得：

之后，利用和發(fā)送端一致的擴頻碼與r′（t）相乘進行解擴，得到r″（t）：

由上式第一項可以看出，能從接收信號中恢復(fù)出原始信號a（t），而第二項噪聲分量與擴頻碼相乘后頻帶展寬，使得單位頻帶內(nèi)的功率降低，從而提高信噪比和信干噪比[5]。

1.2? 擴頻碼

在擴頻通信系統(tǒng)中，通常使用偽隨機序列對傳輸信號進行頻譜擴展。擴頻通信的偽隨機序列選擇標準需要具有良好的相關(guān)特性、周期性、正交性，具有足夠多碼的數(shù)量，且易于產(chǎn)生、加工、復(fù)制和控制，從而避免干擾者從擴頻碼的一小部分重構(gòu)出整個擴頻碼序列，免于捕獲和跟蹤。特別的，在頻帶內(nèi)分布均勻、有大的跳頻距離也是對跳頻序列的要求。

常用的基于偽隨機序列的擴頻碼有m序列、M序列、Gold序列等[6]。m序列周期長、易于實現(xiàn)且隨機性好，通常使用在抗干擾要求不高的場合。m序列由r級移位寄存器產(chǎn)生，周期N=2r-1，如圖4所示[6]。

圖4中an-i（i=1，2，…，r）表示移位寄存器中每個寄存器的狀態(tài)，ci（i=1，2，…，r）表示第i個寄存器的反饋系數(shù)，取值均為0或1。圖4產(chǎn)生的序列可以表示為：

除了周期性、偽隨機性以外，m序列的特點還包括以下幾個方面。

1）均衡性。序列中“0”的個數(shù)和“1”的個數(shù)基本相同，僅相差一個，利用這一性質(zhì)可限制載波抑制度。

2）游程分布。一個序列中取值相同的一組連續(xù)元素稱為游程。在m序列中，長度為k的游程占游程總數(shù)的2-k，1＜k＜（r-2）。

3）移位相加性。序列與經(jīng)延遲移位后得到的另一序列相加，結(jié)果仍是原序列的m次延遲移位序列。

4）相關(guān)特性。m序列的自相關(guān)函數(shù)只有-1和1/N兩種取值。

m序列的不足在于其個數(shù)相對較少，而Gold碼序列正是對m序列的繼承，并且可用碼的數(shù)目又遠多于m序列，因此，Gold碼序列被廣泛應(yīng)用。Gold碼構(gòu)造原理如圖5所示，是由兩個相同長度和碼率的m序列模二加產(chǎn)生，具有良好的自相關(guān)性以及互相關(guān)性。

2? 實驗教學平臺及仿真結(jié)果

2.1? 實驗教學平臺

MATLAB軟件功能強大，計算和仿真能力出眾[7-8]。利用MATLAB GUI設(shè)計跳頻擴頻通信系統(tǒng)，能夠通過仿真結(jié)果直觀地顯示輸入信號在發(fā)送端或接收端等不同節(jié)點的變化過程。該平臺主要包括參數(shù)設(shè)置和仿真結(jié)果圖兩部分，如圖6所示，在參數(shù)設(shè)置面板可以設(shè)置參數(shù)，改變輸入信息速率、輸入信號比特數(shù)、擴頻碼長、信道信噪比等，點擊運行后，在仿真結(jié)果面板可以有選擇地觀察信號經(jīng)載波調(diào)制、擴頻調(diào)制、信道、解調(diào)和解擴等不同情況下時域和頻域的變化，從而更直接地了解各個階段的作用。

2.2? 仿真結(jié)果

仿真參數(shù)設(shè)置如圖7所示，6級反饋移位寄存器產(chǎn)生m序列作為擴頻碼，其周期為63，反饋系數(shù)為000111，初始狀態(tài)為000001，輸入信號速率為1 kb/s。圖7顯示其時域波形以及頻譜；圖8為BPSK調(diào)制后信號的時域圖和頻域圖，中心頻率遷移，說明達到載波調(diào)制效果；圖9為擴頻后的信號，相比于原始信號，頻帶被展開，達到擴頻效果。

擴頻后信號經(jīng)加性高斯白噪聲（Additive White Gau-ssian noise，AWGN）信道到達接收端，如圖10所示；對其進行解擴，恢復(fù)原始信號帶寬，如圖11所示；再對其解調(diào)，頻帶中心恢復(fù)至0，如圖12所示；經(jīng)譯碼判決后恢復(fù)出原始信息，解調(diào)后波形與圖7中原始信號波形相比大致吻合。

3? 結(jié)束語

利用MATLAB GUI設(shè)計跳頻擴頻通信系統(tǒng)的實驗教學平臺，有助于學生理解擴頻通信的概念、組成結(jié)構(gòu)等，能將輸入信號在載波調(diào)制、擴頻、解擴和解調(diào)等不同功能下的變化直觀顯示出來，從而更深入理解跳頻擴頻通信系統(tǒng)的工作原理，為學習擴頻通信課程打下基礎(chǔ)。

參考文獻

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[4]樊昌信.通信原理[M].5版.北京：國防工業(yè)出版社，2001.

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[6]劉元慧，許成謙，方汶銘.基于m-序列的跳頻序列集的構(gòu)造與二維相關(guān)性分析[J].電子與信息學報，2017（10）：2449-2455.

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[8]虞湘賓，儲君雅.Matlab在移動衰落信道中建模與仿真[J].教育教學論壇，2018（16）：274-276.