Simulink的跳頻通信系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)分析

趙娟， 蘇龔軍

(1. 商洛職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 職教中心， 陜西， 商洛 726000；2. 商洛市交通投資建設(shè)有限責(zé)任公司， 陜西， 商洛 726000)

0 引言

跳頻通信系統(tǒng)憑借自身較強(qiáng)的抗干擾作用，現(xiàn)階段被廣泛應(yīng)用于軍隊(duì)以及人們的日常生活，在戰(zhàn)爭時期，若沒有較強(qiáng)的通信設(shè)備，有可能造成軍事系統(tǒng)出現(xiàn)重大危機(jī)，在該背景下，跳頻通信技術(shù)正處于不斷升級狀態(tài)，而跳頻通信系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)有利于軍事基地抵御敵方的干擾信號輸出。為保證該系統(tǒng)的功能，本文將針對該系統(tǒng)的抗干擾性能進(jìn)行深入研究，通過理論分析以及仿真測試相結(jié)合的方式對本文進(jìn)行闡述。在人們?nèi)粘Ｉ钪?，頻率資源具有一定的限制，而多種設(shè)備的頻率維持在2.4 GHz，該頻率下的各種設(shè)備之間將形成一定的干擾，因此 ，通過多種信道進(jìn)行有效劃分可以避免該現(xiàn)象的發(fā)生，即使用跳頻通信技術(shù)對信號進(jìn)行阻礙，為跳頻通信系統(tǒng)今后的發(fā)展帶來廣泛意義。

1 跳頻通信系統(tǒng)技術(shù)分析及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 通信抗干擾技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

通信干擾的存在實(shí)際上是為了阻止雙方進(jìn)行有效溝通，通過破壞通信的方式攔截?cái)?shù)據(jù)信息，防止接收方接收到通信信號，可針對噪聲以及干擾信號等信息有目的地進(jìn)行篩選，將無用信息通過依附的方式附著在通信信道中，通過該方式有利于干擾通信方通過通信系統(tǒng)發(fā)送的無線通信電磁頻譜，從而實(shí)現(xiàn)抑制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、阻止敵方的接收機(jī)對通信方所發(fā)送的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行有效接收的目的，在敵方無法接收有效數(shù)據(jù)信息的情況下，將無法及時回復(fù)通信方，通過電子行動的方式有利于破壞信息傳輸。通信技術(shù)發(fā)展至今經(jīng)歷了較強(qiáng)時間段的戰(zhàn)術(shù)抗干擾策略，隨著技術(shù)的不斷升級，最終通過抗干擾技術(shù)實(shí)現(xiàn)抗干擾通信效果。從技術(shù)分析的角度可將通信抗干擾系統(tǒng)分為時域、空域、頻域以及糾錯編碼技術(shù)，不同的抗干擾技術(shù)中共同的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力相對于其他跳頻系統(tǒng)更強(qiáng)，可通過不斷跳變的方式對信息進(jìn)行干擾，阻止敵方截獲有效信息，除此之外，跳頻通信系統(tǒng)具有一定的正交特性，可以通過共享資源的方式，提高頻譜的使用率。隨著跳頻通信系統(tǒng)技術(shù)的不斷完善，跳頻系統(tǒng)的抗干擾手段漸漸成熟，具有一定的隱蔽性。

1.2 跳頻通信抗干擾系統(tǒng)的工作原理

跳頻通信系統(tǒng)指的是頻率跳變擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)，可通過二進(jìn)制的方式產(chǎn)生偽隨機(jī)碼，并將偽隨機(jī)碼以序列的形式進(jìn)行傳輸，通過該序列對載波頻率振蕩器進(jìn)行有序控制，最終使其產(chǎn)生隨著偽隨機(jī)碼跳動而進(jìn)行跳變的本振載波頻率，并將需要發(fā)送的信號通過本振載波頻率進(jìn)行傳輸。跳頻通信系統(tǒng)在跳變過程中主要將頻譜擴(kuò)展后的信息以信號的方式通過較寬的頻帶進(jìn)行跳變，在一定范圍內(nèi)進(jìn)行跳變的方式可以得知跳頻系統(tǒng)的抗干擾方式是通過不斷跳變的載波頻率對干擾信號進(jìn)行躲避實(shí)現(xiàn)的，頻率跳變系統(tǒng)簡化原理框圖如圖1所示。跳頻通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)抗干擾功能的基本原理是通過發(fā)射端的調(diào)制器將數(shù)據(jù)上傳至中頻振蕩器，由振蕩器發(fā)射出載波調(diào)制，最終形成跳頻信號，通過偽碼發(fā)生器將跳頻信號以序列的方式上傳至譯碼器，與頻率合成器共同協(xié)作產(chǎn)生跳頻本振信號，最終由接收端將接收發(fā)射端的信號上傳至混頻器，由濾波作用形成中頻信號，并對其進(jìn)行放大處理，最終進(jìn)入基帶信號的解調(diào)階段[1]。

圖1 頻率跳變系統(tǒng)簡化原理框圖

2 跳頻通信系統(tǒng)的主要抗干擾模式

2.1 五種干擾的特點(diǎn)和產(chǎn)生方式

對于不同的干擾信號應(yīng)通過不同的方式進(jìn)行處理，當(dāng)前常見的干擾形式主要分為5種，分別是寬帶阻塞式干擾、部分頻帶阻塞式干擾、梳狀阻塞式干擾、多頻連續(xù)波干擾以及跟蹤干擾，其中寬帶阻塞式干擾主要通過偵察的方式將需要干擾的頻段信息進(jìn)行識別，并通過自身的干擾功能對跳頻通信中較大頻段的數(shù)據(jù)信息采用無縫銜接的方式進(jìn)行固定或者輪流大功率壓制干擾，該方式在使用過程中操作簡單，具有較強(qiáng)的干擾效果，但在使用過程中將會干擾己方通信系統(tǒng)。部分頻帶阻塞式干擾的干擾方式在原理上與寬帶阻塞式干擾具有一定的類似性，二者之間最大的區(qū)別是部分頻帶阻塞式干擾方式主要通過對跳頻通信系統(tǒng)中的部分頻帶進(jìn)行集中處理，最終通過自身功能將其進(jìn)行干擾，在跳頻通信系統(tǒng)中的信號主要以寬帶信號而存在，因此，在寬帶信號遭受敵方攻擊時，通過部分頻帶阻塞式干擾方式可實(shí)際掌握該信號的分布方式，相對于寬帶阻塞式干擾，部分頻帶阻塞式干擾更具有集中性，可將頻段數(shù)據(jù)分成較小的頻段，并實(shí)施干擾。梳狀阻塞式干擾屬于上述兩種方式的折中產(chǎn)物，在應(yīng)用上可避免寬頻帶的大功率消耗以及部分頻帶的覆蓋率低等問題，梳狀阻塞式干擾在干擾原理中需要頻段信息以及頻率間隔的加持，通過二者之間共同作用，最終針對干擾信號實(shí)施瞄準(zhǔn)干擾，通過該方式有利于彌補(bǔ)其他干擾方式的漏洞，實(shí)現(xiàn)間斷式干擾，具有較高的抗干擾性能。多頻連續(xù)波干擾的作用原理是通過連續(xù)的方式對頻率進(jìn)行干擾，針對重疊的干擾信號通過跳頻系統(tǒng)進(jìn)行檢測，從中獲取該系統(tǒng)中最小的頻率間隔，將該信息通過連續(xù)波的最大干擾強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制，但在該過程中不確定干擾信號是否可以覆蓋全部跳頻頻點(diǎn)。跟蹤干擾主要通過對干擾信號進(jìn)行實(shí)時跟蹤的方式，實(shí)現(xiàn)對不斷跳變的信號進(jìn)行干擾，跟蹤干擾在實(shí)現(xiàn)過程中可通過二次調(diào)制的方式對跳頻信號進(jìn)行處理，提高通信頻帶的干擾強(qiáng)度，具有較強(qiáng)的干擾效果[2]。

2.2 干擾信道設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)通過干擾類型控制器對干擾信道的選通進(jìn)行控制，信道原理圖如圖2所示，從圖中可以看出本次設(shè)計(jì)的原理是將信號輸入至該系統(tǒng)中，并通過上述5種干擾方式模擬高斯噪聲信道遭受人為干擾過程中的狀態(tài)，在該系統(tǒng)中將加入干擾類型控制器，通過控制器對干擾方式進(jìn)行控制，通過多向開關(guān)將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行輸出。

圖2 信道原理圖

2.3 抗干擾性能分析

為保證跳頻通信系統(tǒng)在接收過程中信號與干擾之間可以進(jìn)行相互作用，將針對跳頻通信系統(tǒng)中的抗干擾性能進(jìn)行分析，部分頻帶干擾機(jī)干擾跳頻通信信號如圖3所示。

圖3 部分頻帶干擾機(jī)干擾跳頻通信信號

(1)

在式(1)的基礎(chǔ)上定義一個隨機(jī)變量Z，隨機(jī)變量Z表達(dá)的含義為每個Tb時間段內(nèi)的干擾狀態(tài)參數(shù)，并將隨機(jī)變量Z=1時的數(shù)據(jù)信號帶入干擾帶寬內(nèi)，在該過程中，若隨機(jī)變量Z等于0，表示的含義為信號不在干擾帶寬內(nèi)，通過上述信息最終將概率分布式定義為

P{Z=1}=ρ和P{Z=0}=1-ρ

為保證跳頻通信系統(tǒng)的正向抗干擾能力，將針對該系統(tǒng)進(jìn)行誤碼率討論，該過程中只研究部分頻帶的干擾，將其他干擾定義為可忽略因素，假設(shè)在忽略其他因素干擾的情況下，且信號不在干擾寬帶內(nèi)，該狀態(tài)下的系統(tǒng)將無誤碼產(chǎn)生時平均誤碼率為

(2)

在上述式子中可以得出FH/MFSK信號在傳輸過程中受到干擾的概率隨著ρ的減少而逐漸降低，但遭遇干擾的FH/MFSK信號誤碼率處于升高狀態(tài)，綜合考慮，F(xiàn)H/MFSK信號的性能處于下降狀態(tài)，針對ρ進(jìn)行偏導(dǎo)數(shù)的計(jì)算，在計(jì)算過程中將ρ的數(shù)值定義為零，最終獲得的關(guān)系式為

(3)

其中,y=KρEb/NJ。

通過相關(guān)計(jì)算，將式(1)帶入至式(3)中可取得ρ的最大閾值將等于1，通過相關(guān)公式在無干擾狀態(tài)下計(jì)算出最壞情況下的比特差錯率為

(4)

對于部分頻帶噪聲對FH/MFSK信號進(jìn)行干擾時，可將最壞情況下的平均比特差錯率為

(5)

3 跳頻通信系統(tǒng)抗干擾性能模型建立

3.1 跳頻通信系統(tǒng)模型

跳頻通信系統(tǒng)實(shí)際上指的是通過將頻率進(jìn)行擴(kuò)張方式實(shí)現(xiàn)通信聯(lián)系，在一定意義上通過跳頻系統(tǒng)可將工作頻點(diǎn)處于不斷變化的狀態(tài)，并通過偽隨機(jī)序列控制頻率合成器產(chǎn)生不同頻率的載波，為保證該系統(tǒng)可以正常輸出載波信號，將在該系統(tǒng)中加入PN偽隨機(jī)碼，該系統(tǒng)中的接收端將根據(jù)系統(tǒng)傳輸?shù)妮d波信號等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行解跳程序，該過程需要利用同步技術(shù)進(jìn)行加持，通過同步技術(shù)的引用有利于該系統(tǒng)有效避免誤碼率的發(fā)生。針對跳頻通信系統(tǒng)抗干擾性能進(jìn)行測試，將通過模型建立的方式開展本次設(shè)計(jì)，在該設(shè)計(jì)中將利用Simulink對模型進(jìn)行搭建，搭建完畢后，針對該模型將通過BPSK調(diào)制方式對隨機(jī)信號進(jìn)行處理，并實(shí)施跳頻通信過程。初始步驟完成后，應(yīng)針對跳頻信號序列所形成的頻譜進(jìn)行擴(kuò)展式的發(fā)送，在信息進(jìn)行傳輸過程中，向該系統(tǒng)中加入高斯白噪聲，跳頻信號將通過該噪聲的數(shù)據(jù)大小產(chǎn)生誤碼，通過相關(guān)計(jì)算最終可得出誤碼率的數(shù)值，進(jìn)而判斷出該通信系統(tǒng)中信道的傳輸性能[3]。

3.2 建立干擾信道模型

經(jīng)過數(shù)據(jù)分析可知，跳頻系統(tǒng)在實(shí)際操作過程中仍存在多種類型的干擾，因此，本文將根據(jù)不同類型的干擾建立干擾信道模型，其中寬帶阻塞式干擾在通信過程中屬于最常見，也是最簡單的干擾類型，通過強(qiáng)大的信號功率可實(shí)現(xiàn)阻塞性干擾。部分頻帶阻塞干擾在針對干擾信號進(jìn)行工作過程中應(yīng)使用多個發(fā)射機(jī)才可達(dá)到寬帶阻塞干擾的作用效果，但該干擾方式在作戰(zhàn)期間具有一定優(yōu)勢，可保護(hù)自身不被暴露。梳狀阻塞干擾可在多個高斯噪聲發(fā)生器的作用下，將跳頻信號傳輸至帶通濾波器，在濾波器的作用下產(chǎn)生不同的噪聲干擾，在該系統(tǒng)中可加入放大器，通過放大器對噪聲大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，為保證該系統(tǒng)的良好性能，將在該系統(tǒng)中加入9個高斯噪聲發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)梳狀干擾模型。在多頻連續(xù)波干擾中可通過多個頻率信號共同作用，并通過跳頻頻點(diǎn)的方式進(jìn)行定頻干擾，而跟蹤干擾在通信系統(tǒng)中屬于最有效的干擾方式之一，跟蹤干擾模型如圖4所示。

圖4 跟蹤干擾模型

4 基于Simulink的跳頻通信系統(tǒng)抗干擾性能仿真分析

4.1 寬頻帶阻塞干擾

通過分析可知，寬頻帶阻塞干擾主要由均值為0，方差為1的高斯噪聲通過干擾而產(chǎn)生的，通過頻譜分析可知，寬頻帶阻塞干擾可分布于整個系統(tǒng)中，為保證該系統(tǒng)的抗干擾性能，將針對該系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，在仿真分析過程中，將向該系統(tǒng)中加入不同類別的干擾信號，共分為兩類，分別是非人為干擾以及人為干擾信號，通過寬帶阻塞式干擾針對干擾信號進(jìn)行工作的特點(diǎn)中可以分析出，隨著干擾強(qiáng)度的不斷增大，誤碼率出現(xiàn)明顯增大現(xiàn)象，可通過功率對抗方式克服干擾信號帶來的影響，除此之外，可通過擴(kuò)展跳頻系統(tǒng)帶寬的方式對信號頻率的寬度進(jìn)行擴(kuò)展，該狀態(tài)下的跳頻通信系統(tǒng)為保證自身抗干擾性能，將通過擴(kuò)大干擾信號功率的方式實(shí)現(xiàn)干擾性能，但擴(kuò)大系統(tǒng)功率在一定程度上將暴露自己的存在，為改善該現(xiàn)象的發(fā)生，將通過部分干擾的方式進(jìn)行處理，從而形成部分頻帶阻塞干擾[4]。

4.2 部分頻帶阻塞干擾

部分頻帶阻塞干擾主要通過高斯噪聲發(fā)生器與帶通濾波器共同作用下，對跳頻信號產(chǎn)生一定的干擾信號，因此，本次分析中將針對跳頻信號的傳輸過程對帶寬進(jìn)行確定，該方法有利于濾波器參數(shù)的設(shè)置，促使干擾信號在跳頻通信系統(tǒng)的頻帶數(shù)據(jù)之內(nèi)進(jìn)行跳動，通過對部分頻帶阻塞干擾進(jìn)行仿真分析可以看出，對于該類型的干擾應(yīng)通過功率對抗的方式進(jìn)行處理，除此之外，應(yīng)針對帶寬進(jìn)行有效擴(kuò)展，或者通過對頻率數(shù)進(jìn)行增加的方式實(shí)現(xiàn)部分頻帶阻塞干擾方式的抗干擾性能，介于上述抗干擾方式，還可針對部分頻帶阻塞干擾進(jìn)行空閑信道搜索技術(shù)的引用，該技術(shù)可有效避免頻帶阻塞干擾的影響[5]。

4.3 多頻連續(xù)波干擾

通過該干擾的產(chǎn)生方式中可以看出多頻連續(xù)波干擾進(jìn)行跳頻信號處理時，將產(chǎn)生一定的干擾信號，此類干擾信號在時域中處于相互重疊狀態(tài)，并且該干擾方式可通過連續(xù)波的作用下形成定頻干擾，應(yīng)保持干擾頻點(diǎn)與跳頻頻點(diǎn)重合，實(shí)現(xiàn)抗干擾功能。通過分析可知，為保證該系統(tǒng)的干擾概率，應(yīng)將干擾方的功率處于增大的狀態(tài)下方可實(shí)現(xiàn)，而針對被干擾的系統(tǒng)可以通過對跳頻頻點(diǎn)數(shù)進(jìn)行提高，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的有效干擾模式。

5 總結(jié)

跳頻通信實(shí)際上指的是擴(kuò)頻通信中的一種通信方式，該系統(tǒng)主要通過本文主要通過二進(jìn)制的方式產(chǎn)生偽隨機(jī)碼，并將偽隨機(jī)碼以序列的形式進(jìn)行傳輸，通過該序列對載波頻率振蕩器進(jìn)行有序控制，最終使其產(chǎn)生隨著偽隨機(jī)碼跳動而進(jìn)行跳變的本振載波頻率，并將需要發(fā)送的信號通過本振載波頻率進(jìn)行傳輸。在跳頻通信系統(tǒng)作用原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行抗干擾方式分析，并通過構(gòu)建系統(tǒng)模型的方式計(jì)算誤碼率的性能，除此之外，本文將基于Simulink軟件的作用下對跳頻通信系統(tǒng)的抗干擾性能進(jìn)行測試分析，通過不同程度的參數(shù)數(shù)據(jù)對干擾環(huán)境下的跳頻通信系統(tǒng)進(jìn)行測試，最終得到抗干擾措施，在今后的研究過程中，將針對仿真系統(tǒng)進(jìn)行不斷完善，具有重要意義。