基于LabVIEW的跳頻抗干擾傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

徐招君，王明旭，肖友鵬，張 集，鞏 澳，魏俊玲，童崢嶸

（天津理工大學(xué)電氣電子工程學(xué)院，天津300384）

信息技術(shù)在現(xiàn)代軍事領(lǐng)域占有越來(lái)越重要的地位，成為決定戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)的一個(gè)關(guān)鍵因素。從早期使用廣為人知的莫爾斯密碼和英格瑪密碼等軍用碼進(jìn)行保密通信，到現(xiàn)在使用各種手段控制電磁頻譜不被敵方截獲干擾，足以看出信息保密性的重要意義。而跳頻技術(shù)，是一種實(shí)現(xiàn)載波頻率不斷跳變，從而有效避開(kāi)干擾的手段。王旭亮[1]對(duì)超短波中跳頻通信抗干擾技術(shù)進(jìn)行相關(guān)探究。齊劉宇等[2]通過(guò)分析跳頻通信的特點(diǎn)和硬件實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)，提出了一種可以實(shí)現(xiàn)跳頻通信的異步組網(wǎng)的硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案，給出了基于二進(jìn)制頻移鍵控（binary frequency shift keying，2FSK）的跳頻收發(fā)兩端的硬件邏輯和詳細(xì)信號(hào)流程設(shè)計(jì)，并在跳頻同步捕獲模塊做出了改進(jìn)，最后通過(guò)頻譜儀和干擾源等測(cè)試驗(yàn)證了接收端的抗干擾性能。丁海軍等[3]基于經(jīng)典通信對(duì)抗理論，建立了一種跳頻通信干擾分析模型，綜合定性分析與定量計(jì)算，研究相關(guān)干擾策略，并進(jìn)行了通信干擾仿真.

軟件定義無(wú)線(xiàn)電（software defined radio，SDR）是一種無(wú)線(xiàn)電通信技術(shù)。它采用可編程的硬件和可重構(gòu)的軟件，通過(guò)軟件的安裝與更新來(lái)升級(jí)通信系統(tǒng)的功能和接口協(xié)議，是一個(gè)通用性、拓展性、兼容性較高的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，減少了通信系統(tǒng)的搭建成本。編程軟件與硬件結(jié)合，可將理論模型與實(shí)踐驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新等有效結(jié)合起來(lái)，因此受到業(yè)界的廣泛關(guān)注[4-5]。孟梅梅等[6]利用美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司的USRP外設(shè)和LabVIEW編程環(huán)境，設(shè)計(jì)了多模式自適應(yīng)軟件無(wú)線(xiàn)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。紀(jì)藝娟等[7]設(shè)計(jì)了虛實(shí)結(jié)合的通信試驗(yàn)平臺(tái)，利用USRP和LabVIEW相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了在線(xiàn)實(shí)驗(yàn)、網(wǎng)絡(luò)交互式實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

本文設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的跳頻抗干擾傳輸系統(tǒng)，詳細(xì)描述了系統(tǒng)關(guān)鍵原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，并最終通過(guò)兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得出了此系統(tǒng)在不同干擾下傳輸?shù)恼`碼率，證明了其抗干擾性好、通信可靠性高的優(yōu)勢(shì)。

1 系統(tǒng)原理

1.1 多進(jìn)制相移鍵控

1.1.1 多進(jìn)制相移鍵控（multiple phase shift keying，MPSK）調(diào)制

MPSK作為一種誤碼率較低的數(shù)字調(diào)制技術(shù)相比于模擬調(diào)制技術(shù)用途更加廣泛。其輸入信號(hào)的信息是用載波相位表示，同時(shí)M種不同的狀態(tài)可以決定鏈路傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，從而可提高帶寬利用率。例如二進(jìn)制相移鍵控（binary phase shift keying，BPSK）、正交相移鍵控（quadrature phase shift keying，QPSK）、8PSK、16PSK等。

以QPSK為例，在發(fā)送端將輸入的二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列經(jīng)串－并轉(zhuǎn)換分組成2個(gè)并行數(shù)據(jù)流，再通過(guò)電平轉(zhuǎn)換將碼元信息映射為載波不同相位的分量，an、bn經(jīng)脈沖g（t）成形濾波得到I（t）、Q（t）信號(hào)，確定載波的相位條件，最后對(duì)cosωct和sinωct進(jìn)行調(diào)制，相加后即得到QPSK已調(diào)信號(hào)，如公式（1），然后將其送入射頻前端進(jìn)行發(fā)射[8]。

1.1.2 QPSK解調(diào)

接收端對(duì)QPSK信號(hào)采用相干解調(diào)法，QPSK信號(hào)最佳接收系統(tǒng)的接收信號(hào)為:

假設(shè)本地參考的同步載波為：

采用正交下變頻的方法，將eQPSK（t）分別與參考載波相乘，再經(jīng)過(guò)低通濾波來(lái)濾除載波的高頻分量，可得到同相和正交兩路信號(hào)，經(jīng)抽樣判決、電平轉(zhuǎn)換后，恢復(fù)成并聯(lián)的an、bn兩路信號(hào)，經(jīng)過(guò)并-串轉(zhuǎn)換后即可得到原來(lái)的比特序列[9]。

1.2 跳頻系統(tǒng)

跳頻通信是通信雙方或多方在同步算法和偽隨機(jī)跳頻算法的控制下，射頻頻率在約定的頻率表（集）內(nèi)以離散頻率的形式偽隨機(jī)且同步地跳變[10]。

在發(fā)送端，輸入的信息對(duì)頻率為fc的載波進(jìn)行調(diào)制，得到調(diào)制信號(hào)。獨(dú)立產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼，即跳頻序列，從跳頻頻率表中取出頻率控制碼，控制頻率合成器在不同的時(shí)隙內(nèi)輸出頻率跳變的本振信號(hào)[11]。用它對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行變頻，使變頻后的射頻信號(hào)頻率按照跳頻序列跳變，即為跳頻信號(hào)，跳頻系統(tǒng)發(fā)送端如圖1所示。

圖1 跳頻系統(tǒng)發(fā)送端Fig.1 Transmitter of frequency hopping system

在接收端，用與發(fā)送端相同的偽隨機(jī)碼控制本地頻率合成器產(chǎn)生的頻率，使之與發(fā)送端的載頻同步跳變，與接收信號(hào)混頻后進(jìn)入中頻頻帶內(nèi)，將頻率搬回fc實(shí)現(xiàn)解跳[12]。解跳后的調(diào)制信號(hào)，在本地載波作用下，經(jīng)解調(diào)后，恢復(fù)出信息。跳頻系統(tǒng)接收端如圖2所示。

圖2 跳頻系統(tǒng)接收端Fig.2 Receiver of frequency hopping system

由此可見(jiàn)，跳頻系統(tǒng)以在一定頻段內(nèi)不斷改變發(fā)射頻率的方式，增加帶寬，躲避干擾，提高抗噪能力。

1.3 ALOHA協(xié)議

ALOHA是夏威夷人表示致意的問(wèn)候語(yǔ)，這項(xiàng)研究計(jì)劃的目的是要解決夏威夷群島之間的通信問(wèn)題。ALOHA協(xié)議或稱(chēng)ALOHA網(wǎng)，是世界上最早的無(wú)線(xiàn)電計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)。

協(xié)議原理如下：發(fā)送端發(fā)完數(shù)據(jù)后進(jìn)入等待狀態(tài)，如果接收到來(lái)自接收端“確認(rèn)字符（acknowledge character，ACK）”信息，表示傳輸成功，進(jìn)而傳輸下一個(gè)數(shù)據(jù)包；如果“確認(rèn)字符”未到達(dá)，發(fā)送端等待固定時(shí)間后，再次重新傳輸這個(gè)數(shù)據(jù)包。用戶(hù)可以選擇重新傳輸次數(shù)（默認(rèn)4次），如果重新傳輸還是失敗，發(fā)送端將轉(zhuǎn)到下一個(gè)數(shù)據(jù)包的發(fā)送。

通過(guò)將標(biāo)識(shí)標(biāo)頭與每個(gè)數(shù)據(jù)包一起封裝，實(shí)現(xiàn)了上述ALOHA協(xié)議。標(biāo)頭由目標(biāo)地址、源地址、ACK標(biāo)志、數(shù)據(jù)包ID、同步標(biāo)志等組成。然后在每個(gè)有效負(fù)載的開(kāi)頭追加標(biāo)頭，每個(gè)數(shù)據(jù)包排隊(duì)，并為每個(gè)成功的ACK發(fā)送一個(gè)接一個(gè)的數(shù)據(jù)包。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

發(fā)送端將數(shù)據(jù)進(jìn)行MPSK調(diào)制后通過(guò)天線(xiàn)發(fā)送出去，經(jīng)過(guò)信道干擾與人為干擾后，接收端接收到信號(hào)并解調(diào)出信息；接收端在正確收到數(shù)據(jù)后會(huì)發(fā)送一個(gè)反饋信號(hào)“ACK”，發(fā)送端只有在收到正確反饋后才會(huì)進(jìn)行下一個(gè)數(shù)據(jù)包的發(fā)送，若等待超時(shí)，則重新發(fā)送此包。當(dāng)重發(fā)次數(shù)大于給定的次數(shù)，則為了保證系統(tǒng)傳輸有效性，轉(zhuǎn)而發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)包。傳輸系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 傳輸系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of transmission system

2.2 發(fā)送端設(shè)計(jì)

發(fā)送端從指定的文件路徑中讀取文件后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行截取，每次截取200個(gè)字符，并進(jìn)行包封裝，然后將封裝的數(shù)據(jù)包送到調(diào)制處進(jìn)行MPSK調(diào)制，再將調(diào)制的信號(hào)通過(guò)跳頻技術(shù)發(fā)射。此后，如果發(fā)送端接收到了接收端發(fā)送的ACK回執(zhí)，則繼續(xù)發(fā)送下個(gè)數(shù)據(jù)包；如果沒(méi)有收到，則重傳本次數(shù)據(jù)包。若在規(guī)定最大的重傳次數(shù)內(nèi)未收到回執(zhí)，則放棄此數(shù)據(jù)包，進(jìn)行下個(gè)數(shù)據(jù)包的發(fā)送。發(fā)送端流程圖如圖4所示。

圖4 發(fā)送端流程圖Fig.4 Flow chart of transmitter

2.3 接收端設(shè)計(jì)

接收端等待接收數(shù)據(jù)，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的MPSK解調(diào)，并在數(shù)據(jù)包相應(yīng)位置檢查IP地址是否為發(fā)送端，如果不符合便直接丟棄此數(shù)據(jù)包，繼續(xù)等待；如果符合，則發(fā)送ACK回執(zhí)給發(fā)送端，并計(jì)算前后兩個(gè)成功接收包的序號(hào)之差，從而判斷是否需要填充數(shù)據(jù)以及儲(chǔ)存數(shù)據(jù)包中的信息。最后收到有末尾結(jié)束標(biāo)志的數(shù)據(jù)包結(jié)束等待，將所有緩存數(shù)據(jù)寫(xiě)入文件，從而可以計(jì)算誤碼率，接收端流程圖如圖5所示。

圖5 接收端流程圖Fig.5 Flow chart of receiver

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了更好地體現(xiàn)設(shè)計(jì)基于ALOHA協(xié)議的跳頻抗干擾模型的魯棒性，選取了多組對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

3.1 定頻傳輸與跳頻傳輸

首先設(shè)置傳輸初始參數(shù)：選取1 000 000個(gè)字符，IQ Rate設(shè)置為800 kHz，發(fā)射功率與干擾功率分別為5 dBm和9 dBm，數(shù)據(jù)包的最大重傳次數(shù)設(shè)置為4次。

由于空間中存在各種各樣的電磁干擾，會(huì)對(duì)發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生不可估計(jì)的影響，為了使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，對(duì)每組數(shù)據(jù)進(jìn)行5次測(cè)量，然后取平均值，得到最終的定、跳頻對(duì)比組誤碼率如表1所示。

表1 定、跳頻對(duì)比組誤碼率Tab.1 Bit error rate of fixed-frequency and frequency-hopping comparison group

在定頻傳輸實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)于88~108 MHz中不同的頻點(diǎn)，除了已有的廣播電臺(tái)的干擾，人為加入了一定功率的相應(yīng)頻率干擾，故其信號(hào)傳輸受到較大影響，誤碼率升高。例如88 MHz、99 MHz這些頻點(diǎn)，由于頻率與電臺(tái)頻率非常接近，信道串?dāng)_較為嚴(yán)重，故其誤碼率很高。而對(duì)于94 MHz、96 MHz這些頻點(diǎn)，其頻率與電臺(tái)頻率頻差較大，受電臺(tái)影響小，但由于人為加入的干擾，其誤碼率雖然降低，但仍不夠理想。

而在跳頻傳輸實(shí)驗(yàn)中，由于發(fā)射頻率在88~108 MHz之間不斷跳變，且跳變速率快，傳輸帶寬很大，抗噪性好，受定頻干擾的影響很小，故其傳輸可靠性高，誤碼率小，達(dá)到10-4數(shù)量級(jí)，較為理想。

綜上所述，本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的跳頻傳輸?shù)目垢蓴_性能比定頻傳輸好，通信系統(tǒng)的可靠性更高。

3.2有無(wú)ALOHA協(xié)議

在實(shí)驗(yàn)3.1部分，已經(jīng)得出跳頻傳輸?shù)目垢蓴_性能比定頻傳輸要好，所以在此實(shí)驗(yàn)中，皆采用跳頻傳輸方式。為更好體現(xiàn)ALOHA協(xié)議對(duì)通信系統(tǒng)可靠性的提升，提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，使用不同的干擾功率進(jìn)行跳頻干擾測(cè)試。

設(shè)置傳輸基本參數(shù)與實(shí)驗(yàn)3.1部分基本一致，唯一不同在于本組對(duì)比實(shí)驗(yàn)采用了-3 dBm、1 dBm、5 dBm、9 dBm、13 dBm五種功率的干擾。

同樣，為了使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，對(duì)每組數(shù)據(jù)進(jìn)行5次測(cè)量，然后取平均值，得到最終的有無(wú)ALOHA協(xié)議對(duì)比組誤碼率如表2所示、其傳輸誤碼率曲線(xiàn)圖如圖6所示。

表2 有無(wú)ALOHA協(xié)議對(duì)比組誤碼率Tab.2 Bit error rate with and without ALOHA protocol comparison group

圖6 有無(wú)ALOHA協(xié)議的傳輸誤碼率曲線(xiàn)圖Fig.6 Diagrams of transmission bit error rate with or without ALOHA protocol

當(dāng)不使用ALOHA協(xié)議時(shí)，由于干擾引起的接收端數(shù)據(jù)丟失，導(dǎo)致其誤碼率增大。而使用ALOHA協(xié)議時(shí)，如果接收端數(shù)據(jù)包丟失，則發(fā)送端會(huì)重新發(fā)送數(shù)據(jù)包，即重傳機(jī)制，這樣就保證了接收端數(shù)據(jù)的完整性，使誤碼率降低，達(dá)到10-4數(shù)量級(jí)。

綜上所述，使用ALOHA協(xié)議進(jìn)一步提高了通信系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié)論

本文基于LabVIEW和USRP軟件無(wú)線(xiàn)電平臺(tái)，提出了一種使用ALOHA協(xié)議的跳頻抗干擾傳輸系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，使用ALOHA協(xié)議的跳頻抗干擾傳輸系統(tǒng)在人為干擾的環(huán)境下，誤碼率仍可達(dá)到10-4數(shù)量級(jí)，證明了其抗干擾性好，通信可靠性高，在軍事通訊，無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。