基于matlab的fhss通信系统设计的研究

通信专业课程设计二太原科技大学课程设计（论文）设计(论文)题目：基于MATLAB的FHSS通信系统设计的研究姓名__学号__班级_学院__指导教师__2011年月日太原科技大学课程设计（论文）任务书学院（直属系）：华科学院电子信息工程系时间：2011年月日学生姓名指导教师设计（论文）题目基于MATLAB的FHSS通信系统设计的研究主要研究内容主要研究FHSS通信系统的原理及基本工作过程，利用MATLAB中的仿真系统实现FHSS系统的仿真并能直观地显示FHSS通信过程。研究方法利用MATLAB中的仿真系统实现FHSS系统的仿真，从而直观地观察FHSS通信过程及系统性能。主要技术指标(或研究目标)要求FHSS通信系统要具有抗干扰、FHSS同步、误码率小等特性。教研室意见教研室主任（专业负责人）签字：年月日太原科技大学：名字起个什么I目录摘要.............................................................II第1章绪论...................................................-1-1.1扩频通信的应用发展.......................................-1-1.2FHSS通信................................................-1-1.3设计内容及结构..........................................-1-第2章FHSS通信系统原理......................................-4-2.1FHSS通信的概述..........................................-1-2.2FHSS通信系统工作原理....................................-1-2.2.1FHSS通信系统数学模型................................-1-2.2.2FHSS通信抗干扰方式..................................-1-2.2.3FHSS通信系统的同步..................................-1-第3章FHSS通信系统仿真......................................-1-3.1FHSS通信系统仿真模型....................................-1-3.2仿真结果及分析...........................................-1-第4章总结.................................................-1-参考文献.......................................................-1-附录...........................................................-1-太原科技大学：名字起个什么II基于MATLAB的FHSS通信系统设计的研究摘要FHSS系统是一种典型扩展频谱通信系统，它在军事通信、移动通信、计算机无线数据传输和无线局域网等领域有着十分广泛的应用。本文介绍了FHSS系统的基本工作过程，并利用MATLAB中的仿真系统实现FHSS系统的仿真并能直观地显示FHSS通信过程。还介绍了系统设计方法与运行结果,通过仿真结果能直观地观察到FHSS通信系统的性能,有利于研究FHSS通信系统。本设计针对FHSS通信系统技术指标的要求，对FHSS通信技术进行了比较全面和深入的研究，设计了低误码率的FHSS同步方案和抗干扰方案。所以本设计介绍了FHSS通信的理论基础和FHSS系统的原理及组成，进而对FHSS系统进行了深入精心的设计。其中主要设计了FHSS通信系统的MATLAB仿真，其中涉及到PN码，频率合成器，BPSK调制解调等仿真系统。关键词：FHSS扩频，通信系统，跳频系统，仿真太原科技大学：名字起个什么-1-第1章绪论1.1扩频通信的应用发展扩频通信，即扩展频谱通信技术（SpreadSpectrumCommunication），它的基本特点是其传输信息所用信号的带宽远大于信息本身的带宽。除此以外，扩频通信还具有如下特征；1、是一种数字传输方式；2、带宽的展宽是利用与被传信息无关的函数(扩频函数)对被传信息进行调制实现的；3、在接收端使用相同的扩频函数对扩频信号进行相关解调，还原出被传信息。扩频技术由于其本身具备的优良性能而得到广泛应用，到目前为止，其最主要的两个应用领域仍是军事抗干扰通信和移动通信系统,而FHSS系统与直扩系统则分别是在这两个领域应用最多的扩频方式。一般而言，FHSS系统主要在军事通信中对抗故意干扰，在卫星通信中也用于保密通信，而直扩系统则主要是一种民用技术。对FHSS系统的分析，现在仍集中在其对抗各种干扰的性能方面，如对抗部分边带干扰以及多频干扰等。而直扩系统，即DS-CDMA系统，在移动通信系统中的应用则成为扩频技术的主流。欧洲的GSM标准和北美的以CDMA技术为基础的IS-95都在第二代移动通信系统（2G）的应用中取得了巨大的成功。而在目前所有建议的第三代移动通信系统（3G）标准中（除了EDGE）都采用了某种形式的CDMA。因此CDMA技术成为目前扩频技术中研究最多的对象。从扩频技术的历史可以看出，每一次技术上的大发展都是由巨大的需求驱动的。军事通信抗干扰的驱动以及个人通信业务的驱动使得扩频技术的抗干扰性能和码分多址能力得到最大限度的挖掘。展望未来，第四代移动通信系统（4G）的驱动无疑会使扩频技术传输高速数据的能力得到更大的拓展。3G设计的目标主要是支持多媒体业务的高速数据传输，因此其研究主要集中在新标准和新硬件的开发。而对于3G以后的发展，不同的研究者有不同的观点。1、最大的灵活性,应该能够满足在任何时间和地点，通过任何设备都可以实太原科技大学：名字起个什么-2-现通信；2、降低成本，4G在实现比3G的传输速率高1~2个数量级的同时，还应该使成本降为3G时的1/10或1/100；3、个性化和综合化的业务，不仅仅是保证每个人都能通过一个终端进行通信，而要在人周围的家庭、办公室以及热点地区建立一个通用的信息环境，使每个人都可以根据需要以各种方式获得信息。衡量扩频系统的重要指标是扩频增益，在一定的传输带宽下，要提高有效数据的传输速率就要降低扩频增益，而扩频增益的下降也意味着扩频系统性能的降低，因此要提高传输数据速率，而且不降低扩频系统的性能（即保证一定的扩频增益），就只有提高传输带宽。超宽带(UWB)技术可以看作是一种将传输带宽极大扩展以获得高数据传输速率的扩频技术。UWB作为一种短距离通信技术在未来无线通信系统的实现中扮演着重要的角色。1.2FHSS通信FHSS，跳频技术（Frequency-HoppingSpreadSpectrum）在同步、且同时的情况下，接受两端以特定型式的窄频载波来传送讯号，对于一个非特定的接受器，FHSS所产生的跳动讯号对它而言，也只算是脉冲噪声。FHSS所展开的讯号可依特别设计来规避噪声或One-to-Many的非重复的频道，并且这些跳频讯号必须遵守FCC的要求，使用75个以上的跳频讯号、且跳频至下一个频率的最大时间间隔（DwellTime）为400ms。所谓FHSS，比较确切的意思是：用一定码序列进行选择的多频率频移键控。也就是说，用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率不断地跳变，所以称为FHSS。简单的频移键控如2FSK，只有两个频率，分别代表传号和空号。而FHSS系统则有几个、几十个、甚至上千个频率、由所传信息与扩频码的组合去进行选择控制，不断跳变。下图1.1为FHSS的原理示意图。发端信息码序列与扩频码序列组合以后按照不同的码字去控制频率合成器。太原科技大学：名字起个什么-3-图1.1FHSS原理图跳频图案的伪随机性和跳频图案的密钥量使FHSS系统具有保密性。即使是模拟话音的FHSS通信，只要另一方不知道所使用的跳频图案就具有一定的保密的能力。当跳频图案的密钥足够大时，具有抗截获的能力。由于载波频率是跳变的，具有抗单频及部分带宽干扰的能力。当跳变的频率数目足够多时，跳频带宽足够宽时，其抗干扰能力是很强。这也是它能在WLAN系统中得到广泛使用的原因。利用载波频率的快速跳变，具有频率分集的作用，从而使系统具有抗多径衰落的能力。条件是跳变的频率间隔具要大于相关带宽。利用跳频图案的的正交性可构成跳频码分多址系统，共享频谱资源，并具有承受过载的能力。FHSS系统为瞬时窄带系统，能与现有的窄带系统兼容通信。即当FHSS系统处于某一固定载频时，可与现有的定频窄带系统建立通信。另外，FHSS系统对模拟信源和数字信源均适用。1.3设计内容及结构本设计主要研究设计FHSS通信系统，设计要求FHSS通信系统要具有抗干扰、FHSS同步、误码率小等特性。对FHSS系统来说，抗干扰技术是FHSS通信系统中的关键技术。它增强了FHSS通信系统在恶劣情况下的使用能力，实现了保密通信，在增强信号处理能力上也起到了积极的促进作用。论文结构包括：FHSS的介绍、FHSS通信系统原理、FHSS通信系统仿真和仿真结果及分析等模块。太原科技大学：名字起个什么-4-第2章FHSS通信系统原理2.1FHSS通信的概述定频通信系统容易暴露目标且易于被截获，这时，采用FHSS通信就比较隐蔽也难以被截获。因为FHSS通信是“打一枪换一个地方”的游击通信策略、从而不易发现通信使用的频率，一旦被对方发现，通信的频率也已经“转移”到另外一个频率上了。当对方摸不清“转移规律”时，就很难截获我方的通信内容。因此，FHSS通信具有抗干扰、抗截获的能力，并能作到频谱资源共享。所以在现代通信中FHSS通信已显示出巨大的优越性。FHSS通信系统和其他通信系统一样，也是分为信号的编码、调制和放大等过程的发送端。另一端就是信号的接收、放大、解调得到有用的信息。完成一次FHSS通信就要分以上两步进行。在发送端，被传送的信号经过调制器的相应调制，便获得载波频率固定的已调波信号，再与频率合成器输出的主载波频率信号进行混频，其输出的已调波信号的载波频率达到射频通带的要求，经过高通滤波器后反馈至天线发射出去。FHSS系统的频率合成器输出的载波信号的频率是受跳频指令（伪随机序列）控制的。在时钟的作用下，跳频指令发生器不断地发出控制指令，频率合成器不断地改变其输出载波的频率。因此，混频器输出的已调波的载波频率也将随着指令不断地跳变，从而经高通滤波器和天线发送出去的就是跳频信号。收信机通常采用超外差式接收机，使接收到的信号比接收端频率合成器的输出信号低一个中频，然后该接收信号与频率合成器的输出信号进行混频从而实现解扩，输出一个固定中频信号。之后经中频带通滤波器滤波后，把不需要的干扰抑制掉，经解调器把传送的信息恢复出来。FHSS系统组成框图如图2.1所示。图2.1系统组成框图太原科技大学：名字起个什么-5-跳频码发生器是产生伪随机序列的部分，用它产生的伪随机序列去控制频率合成器来产生我们所需要的频率。此外系统还有编码、调制、解调等组成部分。2.2FHSS通信系统工作原理2.2.1FHSS通信系统数学模型FHSS通信是扩展频谱通信的一个分支，是一个“多频、选码、频移键控”系统，即用伪码序列构成跳频指令来控制频率合成器，并在多个频率中进行选择的频移键控。具有“躲避”式抗干扰、易于解决远近问题、码分多址、频率分集等特点。频率跳变系统主要由伪码发生器和频率合成器两部分组成。发射机在一个预定的频率集中由伪码序列控制频率合成器使发射频率随机地由一个跳到另一个。接收机中的频率合成器也按相同的顺序跳变，产生一个本振频率，经混频后，送到解调器解调出传送的信息。图2.2是FHSS系统相关处理的数学模型：图2.2