基于跳頻的散射通信新方法與仿真研究

張之棟，安 寧，馬 宇

(國家電網(wǎng)公司東北分部，遼寧 沈陽 110000)

基于跳頻的散射通信又稱作擴頻通信，擴頻通信、光纖通信、衛(wèi)星通信是當(dāng)前三大主流通信模式。擴頻通信的本質(zhì)是將窄頻信號擴展到寬頻帶上，在接收端將寬頻帶信號還原到窄頻信號接收范圍內(nèi)，這種通信模式可以有效增加信號的抗干擾能力和越障能力，使信號的信噪比得到充分優(yōu)化，系統(tǒng)抗干擾性能得到提升。

復(fù)雜電磁環(huán)境是指無線通訊環(huán)境中有其他頻率或重疊頻率的電磁波。如變電站及發(fā)電站等環(huán)境中，某段頻率受到高壓電場激發(fā)效應(yīng)的影響，雖然其工頻電壓的頻率僅為50 Hz，但其激發(fā)電磁場中較容易出現(xiàn)可能干擾無線通信的次生電磁波。秦莉梅[1]從兼容性角度出發(fā)，研究了復(fù)雜電磁環(huán)境下的擴頻通信系統(tǒng)；石智永等[2]研究了電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用擴頻通信系統(tǒng)抵抗電網(wǎng)機房復(fù)雜電磁干擾的路徑；李勇等[3]研究了窄帶無線通信要求下使用擴頻通信進行干擾抑制的技術(shù)途徑。與普通無線通訊不同，軍用無線通訊面臨敵方的強電磁干擾，會使無線通信環(huán)境的復(fù)雜度進一步增加。羅明剛[4]研究了軍用復(fù)雜電磁環(huán)境下擴頻、跳頻無線通信的抗干擾原理并對其技術(shù)路徑進行了分析。在對擴頻通信接收機信號的分析中，劉艷等[5]使用了Logistic映射算法，朱光旭等[6]使用了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機器學(xué)習(xí)算法，高維珉等[7]使用了自適應(yīng)變速率硬件層控制方法。綜上可見，基于跳頻、擴頻通信的無線通信技術(shù)，不論是硬件還是軟件，均有巨大的技術(shù)提升空間，近年來對相關(guān)領(lǐng)域的信號研究成為了熱點。

本文基于跳頻通信系統(tǒng)的工作過程，從跳頻通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、工作原理、主要技術(shù)指標(biāo)等方面論述了跳頻的基本原理，并對跳頻通信系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)及其性能進行了仿真研究和理論分析。

1 擴頻通信的理論基礎(chǔ)

對擴頻通信的理論研究借助Simulink或SimuWorks仿真平臺，使用Simulink動態(tài)仿真軟件對數(shù)據(jù)進行回歸分析、頻域-時域分析、可視化分析，系統(tǒng)的可擴展性較強，且方便、直觀、靈活。為了對跳頻、擴頻過程進行仿真，本文研究了信號在擴頻通信過程中的數(shù)據(jù)特征，并使用Simulink軟件對信號進行數(shù)據(jù)分析。

從信息論的角度，Shannon方程展示了擴頻通信的基本原理：

(1)

式中：c為系統(tǒng)的信道容量，bit/s；B為系統(tǒng)的信道帶寬，Hz；P為發(fā)射機平均發(fā)射功率，W；N為信號收發(fā)系統(tǒng)的噪聲信號平均功率，W；lb為以2為底的對數(shù)。

式(1)中，系統(tǒng)的信道容量，即信號收發(fā)系統(tǒng)的有效信號傳輸能力，與信道中的信噪比和信道帶寬有關(guān)，在不影響信道容量的前提下減小信號發(fā)射機功率，則需要對信道帶寬進行有效擴充。擴頻通信對信道穩(wěn)定性和信道傳輸效率的積極意義即源于此。

根據(jù)上述Shannon方程，在信息傳輸效率保持不變的基礎(chǔ)上，需要對信號帶寬和信噪比進行權(quán)衡，通過控制發(fā)射機發(fā)射功率控制信號系統(tǒng)內(nèi)的信噪比，通過控制發(fā)射帶寬和接收帶寬控制信號系統(tǒng)的帶寬，最終實現(xiàn)復(fù)雜通信環(huán)境信號系統(tǒng)下的可靠通信。擴頻通訊的核心技術(shù)是發(fā)射機進行擴頻發(fā)射，接收機進行擴頻解調(diào)，雖然小范圍內(nèi)可能發(fā)生一些額外的頻率占用，但對信號系統(tǒng)的穩(wěn)定性有積極意義。擴頻通信過程中，接收機擴頻解調(diào)過程受偽隨機碼控制，以保持接受帶寬與發(fā)射機一致，即在擴頻通信中，發(fā)射機主動進行跳頻和擴頻，而接收機受到發(fā)射機控制，選擇接收帶寬，以實現(xiàn)擴頻解調(diào)過程中的數(shù)據(jù)恢復(fù)。

通過監(jiān)測信號傳輸環(huán)境的噪聲變化，本著最小發(fā)射功率和最大信噪比的決策目標(biāo)，發(fā)射機在跳頻過程中不斷變化載波頻率，而接收機跟蹤不斷變化的載波頻率有一定困難，因此跳頻接受機需要采用非相干的解調(diào)模式，如常用的FSK調(diào)制解調(diào)模式。該模式的核心公式為：

b(t)=exp(j·2πa(t)Δf)

(2)

式中：b(t)為等效的低通信號；a(t)為信號載波流的集合；Δf為跳頻過程中的頻率偏差；j為系數(shù)。

由式(2)計算確立跳頻載波條件下跳頻信道上的等效低通信號集c(t)：

c(t)=exp(j·2πf(t))

(3)

式中：f(t)為時間序列上通過偽隨機序列控制的瞬時發(fā)射功率。f(t)為偽隨機的跳點離散數(shù)據(jù)，其取值為fi,i=1,2,…,N。

在式(2)、(3)基礎(chǔ)上，計算發(fā)射機在時間序列上輸出的等效低通信號集d(t)：

d(t)=b(t)c(t)=exp[j·2π(a(t)Δf+f(t))]

(4)

根據(jù)前文分析，接收機應(yīng)對發(fā)射機發(fā)射頻率的偽隨機變化情況進行適應(yīng)性解調(diào)，其主要解調(diào)原理來自接收信號的混頻和解擴。其輸出信號集bsj可以寫作：

bsj=(d(t)+N(t)+I(t))c(t)=exp(j·2πa(t)Δf)+(N(t)+I(t))exp(-j·2πf(t))

(5)

式中：N(t)為噪聲信號的信號集；I(t)為干擾信號的信號集。

上述跳頻、擴頻、混頻過程，在考慮前置窄頻信號b(t)及相關(guān)噪聲干擾的前提下，其跳頻擴頻通信的實際過程，如圖1所示。

圖1中，發(fā)射機將混頻的數(shù)據(jù)經(jīng)過高通濾波后通過有源天線輸出，接收機接收到信號后，經(jīng)過信號混頻處理將信號帶寬壓縮到常規(guī)窄頻帶寬后，再進行帶通濾波，輸入到信號解調(diào)器中形成數(shù)字信號。

圖1 跳頻擴頻通信過程示意圖

2 仿真模型的建立

Simulink是一個用于信號分析的常用插件包，在MATLAB、CAE中均有應(yīng)用，通過在Simulink中構(gòu)建仿真方框圖進行仿真環(huán)境搭建，實現(xiàn)對信號系統(tǒng)的可視化模擬。常規(guī)信號分析中，在時域空間上構(gòu)建鏈路仿真系統(tǒng)，通過Simulink方框圖的方式構(gòu)建其鏈路仿真模型，在偽隨機碼的控制下實現(xiàn)對信號鏈路仿真的實時數(shù)字化、可視化處理，特別是在Simulink數(shù)據(jù)鏈路模擬仿真MATHWORK工具包的支持下，可以有效地提高仿真效率和仿真精度。

本文構(gòu)建的仿真模型方框圖如圖2所示。

在Simulink仿真環(huán)境下，構(gòu)建數(shù)據(jù)信號擴頻通信系統(tǒng)方框圖，對跳頻擴頻通信的動態(tài)工作過程進行全程仿真，在實時分析的過程中，觀察系統(tǒng)擴頻后的信號頻譜變化，在仿真實驗過程中，還可以對該過程進行實時調(diào)整，特別是寬度信號源、噪聲源、PN源等方框圖節(jié)點的仿真，從而在復(fù)雜的研究需求和設(shè)計需求下對模型進行持續(xù)優(yōu)化，以實現(xiàn)對跳頻擴頻過程的高保真仿真。

3 仿真結(jié)果

基于上述Simulink仿真環(huán)境，通過偽隨機數(shù)驅(qū)動的信號集對系統(tǒng)跳頻擴頻過程進行仿真分析，跳頻頻率為50跳/s，頻率錨定點設(shè)為64個，數(shù)據(jù)調(diào)制模式參照FSK標(biāo)準(zhǔn)，將其頻率設(shè)定為200 Hz(參照圖2)，控制機的采樣點數(shù)量設(shè)定為120個，在接收機中運用解決跳頻的方法跟蹤載波頻率的變化，仿真時間為1 000 s。跳頻前原始信號源的Q-f信號圖譜如圖3所示。

圖2 信號鏈路模擬仿真方框圖

圖3中，跳頻前原始數(shù)據(jù)在f(0)兩側(cè)構(gòu)成了一個f(±0.2)的窄頻帶信號，其余信號為系統(tǒng)雜波信號和衍波信號。該信號由Simulink的信號源模塊產(chǎn)生，與工程中實測的調(diào)制器原始信號的工頻基本一致。將該信號在Simulink中進行跳頻擴頻后，形成的信號圖譜如圖4所示。

圖3 跳頻前的信號圖譜 圖4 跳頻后的信號圖譜

圖4中，信號在f(+0)方向基本無頻率擴展，但其峰值被拉長到f(-1.6)，即系統(tǒng)帶寬從0.4 kHz擴頻到了1.6 kHz，帶寬擴大了4倍。但是，從圖4與圖3中可以看到，其衍波部分的Q-f周期變短，衍波復(fù)雜度有顯著增加。由于上述仿真并未考慮干擾信號對信號質(zhì)量的影響，因此啟動PN發(fā)生器在信號中加入干擾源后，接收機接收到的信號圖譜如圖5所示。

圖5中，干擾信號疊加后，接收機所接收到的信號帶寬為f(-1.8)～f(+0.4)，響應(yīng)帶寬為2.2 kHz，其中，f(0)～f(+0.4)及f(-1.6)～f(-1.8)的信號超出了發(fā)射機發(fā)射的信號源的帶寬，理論上這一部分的信噪比較低。接收機接收的干擾信號在f(0)和f(+0.5)附近形成了兩個干擾信號波峰，這種干擾信號可以通過低通濾波進行有效濾除。因此，在擴頻通信過程中，更應(yīng)該考慮對噪聲信號的識別和濾除。對接收機接收的信號進行解調(diào)，獲得的信號如圖6所示。

圖5 干擾下的信號圖譜 圖6 解調(diào)后的信號圖譜

經(jīng)過信號解調(diào)，最終在f(±0.2)上形成了一個核心峰值(圖6)，且該峰值的數(shù)據(jù)可視化圖形表現(xiàn)較為平滑，受到的干擾較少，但在f(+0.2)～f(+2.2)區(qū)間上，構(gòu)成了較寬頻帶的噪聲信號，通過后置低通濾波器可以對該部分信號有效濾波，但仍給信號處理過程帶來一定的負(fù)面壓力。

4 結(jié)果討論

4.1 擴頻通信在一定程度上增加了信號接收機的噪聲

通過仿真分析可知，擴頻通信信號源的峰值頻率和接收機最終輸出的信號頻率均處于f(±0.2)區(qū)間上，但信號解調(diào)后，在f(+0.2)～f(+2.2)區(qū)間上構(gòu)成了一個頻帶較寬的噪聲信號，且這一信號的功率在+5 dB以上。在后續(xù)信號處理中，需要將這部分噪聲信號有效濾除，才可以確保信號的可用性和可靠性。在當(dāng)前技術(shù)條件下，使用低通濾波器可以有效濾除這部分噪聲信號，但低通濾波器也可能帶來主要信號的失真。在實際處理過程中，通過對不同信號的頻域分析，可以使用軟件提取f(±0)信號，這在擴頻通信過程中是必備的措施。

理論上該噪聲的主要來源是在信號傳輸過程中進行了跳頻和擴頻，更大帶寬上的數(shù)據(jù)進行重新解調(diào)整合后，會因為模擬信號本身的噪聲疊加及通信蝴蝶效應(yīng)，產(chǎn)生了一定程度的噪聲功率放大，同時產(chǎn)生了部分系統(tǒng)電噪聲,而且因為無線傳輸過程中可能需要跳頻，會在局部擴大對信號帶寬資源的占用需求，導(dǎo)致局部無線電環(huán)境進一步復(fù)雜化。雖然大帶寬信號傳輸過程帶來的干擾稀釋作用可能造成一部分干擾被有效屏蔽甚至通過跳頻隔離掉噪聲源，但這一過程可能會給空間區(qū)域內(nèi)的其他無線信號傳輸帶來一定程度的干擾和頻率占用影響。

4.2 擴頻通信保障了信號接收機的接收效率

仿真分析中，信號源的信號發(fā)射功率為+18 dB，而接收機的實際接收信號功率為+16 dB，信號源的噪聲信號為負(fù)功率信號，信號功率約為-5 dB，部分噪聲信號達(dá)到-40 dB，而接收機的噪聲信號為正功率信號，信號功率最大為+5 dB，背景噪聲信號約為+2 dB。擴頻通信確保了在復(fù)雜電磁環(huán)境下信號接收機的接收效率，特別是本文實驗環(huán)境下，信號接收效率達(dá)到了88.9%。因為擴頻系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲信號，有效避開了f(±0.2)的核心信號頻率，使其對核心信號的信噪比影響降到最低，且在后續(xù)信號處理過程中可以使用軟件高保真地提取相關(guān)信息。

5 結(jié)束語

本文對跳頻通信系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)及其性能進行了仿真研究和理論分析，對通信質(zhì)量，通信中的干擾與雜波、衍波、噪聲等進行有效模擬。采用擴頻系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲信號，有效避開了f(±0.2)的核心信號頻率，使其對核心信號的信噪比影響降到最低?；赟imulink仿真，對擴頻通信系統(tǒng)進行了優(yōu)化。由本文的研究可以看出，選擇適合的擴頻通信信號頻率，可以對信號的調(diào)制解調(diào)算法進行有效的優(yōu)化。