跳频扩频通信系统的Matlab防真和分析

防真和分析王靖琰中南大学信息与通信工程系，湖南长沙410008）E-mail：[e-mail]摘要：介绍了跳频扩频通信系统的原理。应用matlab语言防真和分析了一个1个频点的跳频通信系统的扩频通信过程；防真和分析了2个跳频信号跳频点的变化情况。关键词：跳频扩频；matlab；m序列1.引言扩频通信，即扩展频谱通信技术，是第三代移动通信系统的核心技术之一。扩频通信的应用是通信技术的一次重大突破。当前，无论是军事通信领域，还是商用通信领域，扩频通信技术都扮演着极其重要的角色。按照扩展频谱的方式不同，现有的扩频通信系统可以分为以下几种:1、直接序列(DS)系统；2、跳频(FH)系统；3、脉冲线性调制(Chirp)系统；4、跳时(TH)系统。因本设计是针对跳频扩频通信系统（FHSS）的防真，所以对FHSS做一下重点介绍。2.基本原理2.1跳频系统概述跳频扩频通信系统（FHSS）用扩频码去离散地控制射频振荡器的输出频率，使载波的频率随扩频码的变化而跳变，使载波工作的中心频率不断跳跃改变，具有抗干扰、抗截获的能力，并能作到频谱资源共享,所以在当前现代化的电子战中跳频通信已显示出巨大的优越性。其基本的结构框图如图。图1跳频扩频通信系统结构框图1、跳频技术指标与跳频系统性能的关系一般说来，希望跳频带宽要宽，跳频的频率数目要多，跳频的速率要快，跳频码的周期要长，跳频系统的同步时间要短。跳频带宽越宽，抗宽带干扰的能力越强。所以希望能全频段跳频。跳变的频率数目越多，抗单频、多频以及梳状干扰的能力越强。跳频的速率，是指每秒钟频率跳变的次数，它与抗跟踪式干扰的能力有关。跳速越快，抗跟踪式干扰的能力就-1-越强。跳频码的长度，将决定跳额图案延续时间的长度，这个指标与抗截获(破译)的能力有关。跳频图案延续时间越长，敌方破译越困难，抗截获的能力也越强。2、怎祥产生跳频信号通常，跳频器是由频率合成器和伪随机码产生器构成。在时钟的作用下，伪随机码产生器产生不同的随机码，频率合成器不断地改变其输出载波的频率。跳频器输出的跳变的频率序列，就是跳频图案。因此，有什么样的跳频指令就会产生什么样的跳频图案。常用的伪随机序列有m序列、GOLD码序列和R－S序列。在本设计中，利用m码序列产生伪随机序列。m码序列的产生原理伪随机码序列是一种具有类似白噪声统计特性的编码信号，通常作为扩频系统的扩展码。M码序列是移位寄存器序列。M码序列可以由移位寄存器加反馈产生，如图2所示。Cn是每个移位寄存器的初值，可以是1或0，An是第n级移位寄存器的反馈系数，An=0时表示无反馈，反馈线断开：An=1时表示有反馈，反馈线相连。这种结构的A0和An必须有反馈，否则n级最长线性反馈移位寄存器将简化为n-1级最长线性反馈移位寄存器。采用不同的反馈逻辑，即An的不同取值将产生不同的移位寄存序列。N级最长线性反馈移位寄存器的周期为2n-1，n为移位寄存器的级数。图2n级反馈移位寄存器的机构3、跳频电台的组网组网能力是现代通信的基本要求之一。跳频通信组网可分为正交跳频网和非正交跳频网。如果多个跳频通信所采用的跳频图案在时频域“棋盘”上相互不发生重叠，则称它们为正交跳频网；如果发生重叠，则称为非正交跳频网。如图3所示。图3正交跳频网和非正交跳频网的比较根据跳频网的同步方式，可分为同步网和异步网。正交跳频网为了保证跳频图案的正交，-2-要求全网严格的定时，采用同步网方式，所以它是正交跳频同步网。由于正交网的跳频图案不发生重叠，所以它不存在因跳频频率重合引起的网间干扰。而它可组网的数目最大等于跳频的频率数目。非正交网为了简化网络管理常采用异步网方式。由于非正交网的跳频图案会发生重叠，存在跳频频率重合的机会，所以会产生网间干扰。为了减少网间干扰就需要精心选择跳频图案，尽量减少图案发生重叠的机会，就是所谓的要尽量使跳频图案达到准正交。准正交异步跳频网不需要全网的定时同步，因此可以降低对定时精度的要求，且便于技术上实现。此外，它还有容易建立系统的同步、用户入网方便以及组网灵活等优点。因此，得到了大量的应用。利用跳频图案的不同，可以在一个宽的频带内容纳多个跳频通信相同同时工作，达到频谱资源共享目的，从而可以提高频谱的有效利用率。3.跳频扩频通信系统的设计与分析由于工作频段是88～94MHz，所以有6MHz的跳频带宽，同时信号带宽是25kHz，所以最多有6MHz/25kHz=240个跳频点，此处考虑到个信号频谱之间留出5kHz的防护带，所以有6MHz/（25kHz＋5kHz）=200个跳频150个。选择8位的m序列，共有255个状态，取其中的200个状态来决定跳频频率。设定跳频速率=200H/s。实验中，m序列直接调用MATLAB中的m序列生成器。在本系统中，信息序列在先经过FSK调制，经过截止频率为25kHz的低通滤波器后（把信号频率限制在25kHz），再进入混频器搬移到更高的频率发送出去，在接收端，用与发送端同步的跳频信号对其进行变频（跳频的解跳处理在此进行），取下边频，然后进行FSK的解调。4.实验仿真与分析4.1跳频序列与频率击中概率计算１、同步网（正交网）的情况：如图4，表示在1s时间间隔中，两个跳频器输出频率的跳频图案（80MHz到90MHz范围），发现没有频率重叠。00.10.20.30.40.50.60.70.80.918989.189.289.389.489.589.689.789.889.990跳频图案time(seconds)frequence(MHz)图4两个跳频器输出频率的跳频图案正交网中，只要两个伪随机码产生器的M序列只要初值选得不一样，就会产生不同的随机序列，由此决定跳频图案不发生重叠，所以不存在因跳频频率重合引起的网间干扰，可组网的数目最大等于200。-3-２、异步网（非正交网）的情况：非正交网中，两个电台选择频率是随机的，而且相互独立，所以发生跳频频率重合的概率是1/255×1/2554%。4.2跳频信号频谱搬移的仿真在仿真过程中，由于跳频点频率很高，在MHz数量级上，仿真时的采样频率要比它大，同时为了波形不失真，采样频率要10MHz以上，所以在仿真时，适当把载波的频率和跳频点的频率降低到kHz数量级上，既可提高仿真速度，又不影响仿真结果及其分析。如图5，是FSK调制信号的频谱先后搬移到1000kHz、1030kHz、1120kHz三个频率上的情况，蓝色是第一跳，红色是第二跳，黑色是第三跳。95010001050110011501002003004005006007008009001000经过带通滤波的混频信号频谱frequency(Hz)95010001050110011502004006008001000经过带通滤波的混频信号频谱950100010501100115020040060080010009501000105011001150200400600800frequency(Hz)图5跳频信号在3个频率上频谱搬移的情况5.源程序clcclearall%---------扩频通信过程---------------%---------只仿真一个频点的情况---------------%---------初始化---------------Ts=0.00001;fs=1/Ts;EndTime=2-Ts;%2s%---------产生信息序列(双极性不归零码)---------------Tm=0.25;fm=1/Tm;%码率[u,time]=gensig('square',2*Tm,EndTime,Ts);y=2*(u-0.5);figure(1)plot(time,y);title('信息序列')xlabel('time(seconds)')axis([02-22])%---------FSK调制---------------T0=0.1;f0=1/T0;T1=0.2;f1=1/T1;[u0,time]=gensig('sin',T0,EndTime,Ts);[u1,time]=gensig('sin',T1,EndTime,Ts);y0=u0.*sign(-y+1);y1=u1.*sign(y+1);SignalFSK=y0+y1;%FSK信号-4-调制的频谱---------------nfft=fs+1;Y=fft(SignalFSK,nfft);PSignalFSK=Y.*conj(Y)/nfft;f=fs*(0:nfft/2)/nfft;figure(2);plot(f,PSignalFSK(1:nfft/2+1))title('FSK调制后的频谱')xlabel('frequency(Hz)')axis([0100-infinf])%---------FSK调制后，低通滤波---------------cof_low=fir1(64,25/fs);SignalFSK_l=filter(cof_low,1,SignalFSK);figure(3)plot(time,SignalFSK_l);title('FSK调制后经过低通滤波的波形')xlabel('time(seconds)')axis([02-22])YSignalFSK_l=fft(SignalFSK_l,nfft);PSignalFSK_l=YSignalFSK_l.*conj(YSignalFSK_l)/nfft;f=fs*(0:nfft/2)/nfft;figure(4);plot(f,PSignalFSK_l(1:nfft/2+1))title('FSK调制后经过低通滤波的频谱')xlabel('frequency(Hz)')axis([0100-infinf])%---------混频--------------fc=1000;Tc=1/fc;%频点:1000[Carrier,time]=gensig('sin',Tc,EndTime,Ts);%产生扩频载波MixSignal=SignalFSK_l.*Carrier;figure(6)plot(time,MixSignal);title('混频后的波形')xlabel('time(seconds)')axis([02-22])%---------带通滤波--------cof_band=fir1(64,[fc-12.5,fc+12.5]/fs);yMixSignal=filter(cof_band,1,MixSignal);figure(7)plot(time,yMixSignal);title('经过带通滤波的混频信号')xlabel('time(seconds)')axis([02-22])YMixSignal=fft(yMixSignal,nfft);PMixSignal=YMixSignal.*conj(YMixSignal)/nfft;f=fs*(0:nfft/2)/nfft;figure(8);plot(f,PMixSignal(1:nfft/2+1))title('经过带通滤波的混频信号频谱')xlabel('frequency(Hz)')axis([8001200-infinf])%----------传输信道--------------Sign_send=yMixSignal;Sign_rec=Sign_send;%----------传输信道----------------5-接收端---------------%----------解扩----------------fc=1000;Tc=1/fc;[Carrier,time]=gensig('si