跳頻通信系統(tǒng)研究與仿真

陳昌海，段恒利

（四川工商學(xué)院電子信息工程學(xué)院，四川 成都 611745）

引言

如今的信息時(shí)代，各種頻帶資源相當(dāng)緊張，如何在有限的頻帶范圍內(nèi)使得資源最大化利用是一個(gè)值得深思的問(wèn)題？因此跳頻通信技術(shù)在這個(gè)背景下應(yīng)運(yùn)而生。跳頻技術(shù)應(yīng)用廣泛，尤其是在軍工和移動(dòng)通信中。跳頻技術(shù)有很強(qiáng)的抗干擾特性，能較好的保護(hù)信息被竊情況。跳頻通信技術(shù)已應(yīng)用于生活各個(gè)方面，研究跳頻通信系統(tǒng)具有極其重要的意義[1]。

1 跳頻通信系統(tǒng)概述

1.1 跳頻通信原理

跳頻通信系統(tǒng)工作原理是收發(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，即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]。

采用跳頻技術(shù)是為了確保通信的安全性和抗干擾性，發(fā)送者和接收者互相約定按照規(guī)律發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。如果有第三方接收者跟蹤接收數(shù)據(jù)，它是完全不知道應(yīng)該按照怎樣規(guī)律來(lái)接收的，因?yàn)閿?shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程中是動(dòng)態(tài)變化的。即便它采用全面干擾方式，不僅不能完全接收解析數(shù)據(jù)，反而會(huì)浪費(fèi)大量時(shí)間資源，更有甚者會(huì)暴露自身信息。

1.2 跳頻基本模型

跳頻通信系統(tǒng)的基本模型有三個(gè)部分。分別是發(fā)送部分，信道和接收部分；發(fā)送部分主要包括了信源、卷積編碼、交織編碼、加擾碼、跳頻、調(diào)制；接收部分主要包括了解調(diào)、解跳頻、去擾碼、解交織、解卷積、信宿。

發(fā)送部分產(chǎn)生數(shù)據(jù)，由信源經(jīng)過(guò)卷積編碼、交織編碼、加擾碼、跳頻、調(diào)制操作后形成可發(fā)送數(shù)據(jù)。通信信道(Communication Channel)充當(dāng)數(shù)據(jù)交換橋梁，分為物理信道和邏輯信道。物理信道一般由具體實(shí)物組成，比如光纖、通信設(shè)備等；邏輯信道指在物理信道的基礎(chǔ)上，發(fā)送與接收數(shù)據(jù)信號(hào)的雙方通過(guò)中間結(jié)點(diǎn)所實(shí)現(xiàn)的邏輯通路，由此為傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)形成的邏輯通路，接收部分收到數(shù)據(jù)后，需要經(jīng)過(guò)解調(diào)、解跳頻、去擾碼、解交織、解卷積后形成最終的數(shù)據(jù)[3]。如圖1 所示。

圖1 跳頻通信系統(tǒng)基本模型

2 基于simulink的跳頻通信系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

仿真模型的總體設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 總體設(shè)計(jì)

在跳頻通信系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)的過(guò)程如下：

★在信源產(chǎn)生100Hz 的PN 序列發(fā)送信號(hào)。

★偽隨機(jī)碼序列經(jīng)2FSK 的調(diào)制信號(hào)，與初始信號(hào)做乘法運(yùn)算，偽隨機(jī)碼元控制2FSK 部分的載波頻率，在設(shè)計(jì)中使得載波的相位為零，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的跳頻通信[1]。

★將跳頻調(diào)制之后的跳頻信號(hào)發(fā)送到信道上進(jìn)行傳輸，疊加單音頻干擾源。

★接收信號(hào)端的解跳器中進(jìn)行解跳處理，解跳處理時(shí)要求發(fā)送端的隨機(jī)碼元與采用的偽隨機(jī)碼保持嚴(yán)格的同步。

★解調(diào)器的輸出結(jié)果通過(guò)解調(diào)恢復(fù)出發(fā)送信號(hào)。將恢復(fù)出的信號(hào)與其發(fā)送端的發(fā)送信號(hào)同時(shí)送入誤碼模塊進(jìn)行計(jì)算，得出系統(tǒng)誤碼率。

2.2 仿真實(shí)現(xiàn)

跳頻通信通信系統(tǒng)可大致分為發(fā)送部分，信道和接收部分，發(fā)送部分模塊主要是信號(hào)源編碼器、調(diào)制器、PN 序列發(fā)生器、混頻器；接收部分模塊主要是解跳器和解調(diào)器，用一個(gè)示波器（Scope）觀察發(fā)送端輸入波形與接收端輸出波形進(jìn)行對(duì)比，添加一個(gè)誤碼模塊分析系統(tǒng)誤碼率。然后將仿真模型拆分成PN 序列產(chǎn)生器、信源調(diào)制、跳頻、解跳、解調(diào)和誤碼率。

整個(gè)跳頻通信系統(tǒng)仿真模型如圖3 所示。

圖3 跳頻通信系統(tǒng)仿真模型

（1）PN 序列子系統(tǒng)

在整個(gè)跳頻通信系統(tǒng)中PN 序列產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列信號(hào)，作為跳頻載波頻率點(diǎn)的控制信號(hào)，用來(lái)控制跳頻系統(tǒng)中載波頻率的跳變，其性能的好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)性能的好壞。采用simulink 的PN Sequence Generator 模塊產(chǎn)生偽隨機(jī)序列信號(hào)，經(jīng)To Sample 模塊采取數(shù)據(jù)，最后通過(guò)Bit to Integer Converter 模塊輸出PN 序列；對(duì)于比較復(fù)雜的系統(tǒng)，就需要用模塊進(jìn)行封裝，使仿真系統(tǒng)簡(jiǎn)單簡(jiǎn)潔。模塊化的系統(tǒng)也容易檢查錯(cuò)誤、方便原理分析，因此就有必要對(duì)一些模塊進(jìn)行封裝；本次設(shè)計(jì)將PN 序列產(chǎn)生器封裝成一個(gè)子系統(tǒng)，將封裝的子系統(tǒng)命名為PN 模塊，PN 序列產(chǎn)生器子系統(tǒng)模塊如圖4 所示。

圖4 PN 序列產(chǎn)生器

PN 序列的特征多項(xiàng)式和初始值為m 序列，因?yàn)樵撔蛄腥菀桩a(chǎn)生且自相關(guān)性好，設(shè)置其采樣時(shí)間間隔為1/250s；并按幀輸出，每幀5 個(gè)樣值（5 個(gè)碼片）；輸出隨機(jī)整數(shù)的跳頻速率是250/5 ＝50 跳/s，即等于跳頻的速率；將幀格式轉(zhuǎn)換為取樣的信號(hào)，用Bit to Integer Converter 將碼片轉(zhuǎn)換為一個(gè)隨機(jī)整數(shù)輸出。由于需要將幀格式轉(zhuǎn)化為基于采樣的信號(hào)，因此參數(shù)Output signal 的值需要設(shè)置成Samplebased。通過(guò)Bit to Integer Converter 模塊將每5個(gè)碼片轉(zhuǎn)換為一個(gè)隨機(jī)整數(shù)輸出，作為跳頻載波頻率點(diǎn)的控制信號(hào)。

（2）信源調(diào)制

信源直接采用simulink 通信模塊中自帶的Bernoulli Binary Generator 模塊，Bernoulli Binary Generator 模塊位于Communications System Toolboxs 模塊庫(kù)中Comm Sources(信號(hào)源模塊)里面的 Random Data Sources 路徑下。

模塊的采樣時(shí)間等于輸入數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)率倒數(shù)，由于信源的數(shù)據(jù)速率為100bps，因此采樣時(shí)間是1/100，輸出數(shù)據(jù)類(lèi)型選擇為二進(jìn)制，便于觀察。由于跳頻系統(tǒng)中載頻不斷改變，在接收機(jī)中跟蹤載波相位較為困難，所以跳頻系統(tǒng)中一般不采用相干方式解調(diào)的方式，如PSK等，而采用一些可非相干解調(diào)的調(diào)制方式，最常用的是FSK 調(diào)制，因此基帶信號(hào)的調(diào)制采用M-FSK Modulator Baseband 模塊，通過(guò)對(duì)信源產(chǎn)生的二進(jìn)制采用2FSK 方式進(jìn)行調(diào)制，因此M-ary 的值設(shè)置為2（調(diào)制元數(shù)），設(shè)置頻率間隔100Hz，跳頻后的帶寬為1600Hz，其帶通信號(hào)的頻率變化范圍就在-800~800Hz，為了使仿真觀測(cè)的頻譜范圍在-2000~2000Hz，信號(hào)的采樣率設(shè)置為4000 次/s，所以調(diào)制時(shí)傳輸數(shù)據(jù)碼元的仿真采樣點(diǎn)數(shù)為40，復(fù)信號(hào)等于頻率間隔與采樣點(diǎn)數(shù)之積4000。輸出的數(shù)據(jù)類(lèi)型選擇為double 類(lèi)型。

（3）跳頻

跳頻載波同樣采用M-FSK Modulator Baseband模塊，跳頻模塊調(diào)制元數(shù)32，可以通過(guò)此模塊改變跳頻的頻率間隔和調(diào)制的元數(shù)來(lái)控制跳頻后的帶寬，輸入數(shù)據(jù)類(lèi)型為整數(shù)型，頻率間隔為50Hz，因此理論上可以算出跳頻后的帶寬應(yīng)為50*32=1600Hz,數(shù)值類(lèi)型為連續(xù)，每個(gè)符號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)是80，這樣該模塊將輸出在32 個(gè)頻點(diǎn)上跳頻速率為50 次/s 的偽隨機(jī)跳頻載波信號(hào)，輸出的數(shù)據(jù)類(lèi)型為二進(jìn)制，采樣率與2FSK信息調(diào)制的輸出信號(hào)相同，為4000 次/s。

將基帶調(diào)制與跳頻載波相乘，發(fā)送端混頻器得到發(fā)送部分輸入信號(hào)再送入信道上傳輸，接下來(lái)建立信道模型，采用AWGN Channel 模塊，AWGN Channel 模塊的Initial seed 是67，方法為1。

為了分析系統(tǒng)誤碼率，判斷系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，加入了150Hz 的單音頻干擾源，采用Sine Wave 模塊疊加在信道上對(duì)信號(hào)進(jìn)行干擾，Sine Wave 模塊的幅度是1，偏差是0，頻率為2*pi*150，階段是0，采樣時(shí)間為1/4000。

（4）解跳

跳頻系統(tǒng)的解跳，應(yīng)首先對(duì)接收到的跳頻信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的反變換，將同步后的混頻器與經(jīng)過(guò)信道的混頻器相乘得到跳頻解跳載波。跳頻同步采用Math Function 模塊，Math Function 模塊功能值選擇共軛，輸出信號(hào)類(lèi)型為自動(dòng)，采樣時(shí)間為-1，完成相應(yīng)的解跳。

（5）解調(diào)

將解跳后的信號(hào)經(jīng)過(guò)2FSK 解調(diào)得到最終的跳頻解調(diào)結(jié)果，其設(shè)置與信息調(diào)制器對(duì)應(yīng)，2FSK 解調(diào)采用M-FSK Demodulator Baseband 模塊，M-FSK Demodulator Baseband 的M-ary 值為2，頻率間隔為100，每個(gè)符號(hào)樣本數(shù)為40。

（6）誤碼率

誤碼率的計(jì)算是保證一個(gè)通信系統(tǒng)傳輸可靠性，如果誤碼率越高，則系統(tǒng)較為不可靠。其計(jì)算等于傳輸過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤的點(diǎn)數(shù)除以總傳輸點(diǎn)數(shù)。誤碼率分析采用Error Rate Calculation 模塊，Error Rate Calculation 模塊的接受延遲為0，比較延遲為0，比較模式為整個(gè)系統(tǒng)。

3 仿真主要數(shù)據(jù)分析

通過(guò)對(duì)跳頻通信系統(tǒng)的仿真調(diào)試和參數(shù)的設(shè)置，接下來(lái)進(jìn)行跳頻系統(tǒng)仿真各個(gè)波形圖和頻譜進(jìn)行了分析如下。對(duì)于跳頻通信系統(tǒng)而言，點(diǎn)擊simulink 仿真界面上方的Run 按鈕開(kāi)始運(yùn)行仿真系統(tǒng)，得到的PN碼的波形如圖5 所示。

圖5 PN 波形

在圖5 中，因?yàn)镻N 序列發(fā)生器設(shè)置的采樣時(shí)間為1/250，所以波形變化比較快，上面波形只截取了部分，放大波形可以看出PN 碼在進(jìn)行高低電平的變化，且變化的幅度不一樣但是變化始終在一個(gè)范圍內(nèi)進(jìn)行高低電平的跳變。

跳頻通信系統(tǒng)經(jīng)過(guò)2FSK調(diào)制后得到的頻譜如圖6所示。

圖6 跳頻通信系統(tǒng)經(jīng)2FSK 調(diào)制頻譜

在圖6 中，可以看出采樣的頻率-2 到2KHz 之間共4KHz，能量強(qiáng)度在-70 到20dBm 之間波動(dòng)，以0kHz 為對(duì)稱(chēng)軸；用標(biāo)尺測(cè)量經(jīng)2FSK 信息調(diào)制輸出的頻譜頻率間隔約為0.1KHz，即100Hz，如圖7 所示。

圖7 2FSK 調(diào)制的頻譜頻率間隔

用標(biāo)尺測(cè)量經(jīng)2FSK 信息調(diào)制輸出的頻譜頻率間隔約1.6KHz，即1600Hz，如圖8 所示。

圖8 經(jīng)跳頻后的擴(kuò)頻帶寬

經(jīng)過(guò)跳頻后的輸出的頻帶帶寬為1600Hz，跳頻后的頻帶帶寬擴(kuò)大了16 倍，符合計(jì)算的理論值，在接收端得到更寬的頻帶資源。

為了驗(yàn)證跳頻通信系統(tǒng)抗干擾性，對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行抗干擾分析。更改干擾源的個(gè)數(shù)以及干擾源參數(shù)加以驗(yàn)證。如果干擾源只有1 個(gè)的條件下稱(chēng)為單音頻干擾，如果干擾源有多個(gè)的條件下成為多音頻干擾。如果干擾越強(qiáng)的情況下，整個(gè)系統(tǒng)的誤碼率還不高說(shuō)明系統(tǒng)抗干擾性強(qiáng)；相反，如果干擾越強(qiáng)的情況下，整個(gè)系統(tǒng)誤碼率逐漸上升說(shuō)明系統(tǒng)抗干擾性弱[6]。單音頻干擾的誤碼率分析如圖9：

圖9 單音頻干擾誤碼率

通過(guò)觀察跳頻通信系統(tǒng)經(jīng)過(guò)單音頻干擾下的誤碼率圖幅，得到最終的總體誤碼率為0.00027，誤碼率比較低，說(shuō)明本次設(shè)計(jì)的跳頻通信系統(tǒng)較為理想。

4 結(jié)語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)采用simulink 進(jìn)行了跳頻通信系統(tǒng)的建模仿真，觀察到了擴(kuò)頻后的頻譜帶寬與誤碼率參數(shù)，驗(yàn)證了跳頻通信系統(tǒng)的高帶寬與抗干擾性。