跳频通信系统的研究与仿真

*******************实践教学*******************兰州理工大学计算机与通信学院2014年秋季学期通信综合训练课程设计题目：跳频通信系统的研究与仿真专业班级：姓名：学号：指导教师：成绩：摘要跳频通信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，已成为当前短波保密通信的一个重要发展方向。本文介绍了跳频通信系统的基本工作过程，从跳频系统的结构组成、工作原理、主要技术指标、跳频通信系统的解跳和解调等方面阐述了跳频通信基本原理,并对跳频通信系统的抗干扰技术及其性能进行了仿真研究和理论分析。本文从理论上分析了跳频通信系统的抗干扰性能,其组成部分包括信号生成部分、发送部分、接收部分、判决部分、跳频子系统模块五个部分,并以2FSK系统为例,给出了上述通信干扰样式下的误码率理论分析结果，并利用Matlab中的Simulink仿真系统实现跳频系统的仿真和分析，达到了预期的效果。关键词：扩频通信、跳频通信、MATLABSimulink仿真一、Simulink简介Simulink是MATLAB软件的应用，是一个对动态系统进行建模、仿真和对仿真结果进行分析的一个软件包，是在MATLAB中建立系统方框图和基于方框图的系统仿真环境。Simulink将工程中通用的方框图设计方法与仿真系统建模统一起来，其采用的是基于时间流的链路级仿真方法。这种系统中，仿真结果可以实时的通过可视化模块，将输入输出数据显示出来，可以更加方便地对系统进行可视化建模，使系统设计、模型检验和仿真调试工作更为方便。经过多年的应用，Mathwork公司开发出了很多工具箱，其中包括Simulink通信系统。此系统目前已成为科学研究和工程应用的软件工具包。Simulink能够完成大部分系统的动态仿真，提供了大量的内置模块，用户只需要知道模块的参数配置、输入输出等少数外部接口即可，而不必去关心其内部实现方式。这些模块都是图形化的。整个Simulink的建模过程都是在图形用户界面上完成的，这样可以使得用户把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。Simulink本身可以实现微分方程和差分方程的求解等复杂的数值计算问题，用户只需要根据问题类型及精度要求对求解器类型进行配置即可。通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来，就可以构成所需要的系统模型，从而进行系统仿真与分析。二、跳频通信简介2.1扩频通信系统概述扩频通信系统是一种信息处理传输系统，这种系统是利用伪随机码对被传输信号进行频谱扩展，使之占有远远超过被传输信息所必需的最小带宽。在接收机中利用同一码对接收信号进行同步相关处理以解扩和恢复数据。由于扩频技术尤其是调频具有很多优点：很强的抗干扰能力；低截获概率性；可用于具有选址能力的随机选址多用户通信系统中；较高的距离分辨力等等，因此，它的理论和实践发展非常迅速。扩频信号具有以下三个特性：1、扩频信号是不可预测的伪随机的宽带信号；2、扩频信号带宽远大于欲传输数据(信息)带宽；3、接收机中必须有与宽带载波同步的副本。扩频通信系统是最具有代表性的扩频通信技术的应用，它的基本工作方式有以下几种：(1)直接序列扩频系统(DSSS)直接序列扩频系统简称直接扩频(DSS)系统或直接序列(DS)系统。准确地说，这种系统应称为直接用编码序列对载波调制的系统。直接序列系统中用的编码序列通常是伪随机序列或伪噪声序列(PN码)。要传送的信息经数字化后变成二元数字序列，它和伪随机序列模二加(波形相乘)，合成复合码去调制载波。在直接序列系统中通常对载波进行相移键控调制，为了节省发射功率和提高发射机的工作效率，扩频系统中采用平衡调制器，抑制载波的平衡调制对提高扩频信号的抗侦破能力也有利。当扩频信号采用相移键控调制后由天线发射出去，在接收机中要有一个和发射机中的伪随机码同步的本地码，对接收信号进行解扩(也叫做缩谱)，解扩后的信号送到解调器取出传送的信息。(2)频率跳变扩频系统(FHSS)频率跳变扩频系统更确切地说应叫做“多频、码选、频移键控”系统。简单的频移键控通常只利用两个频率，例如用f1表示传号，f2表示空号。而频率跳变系统常常有成百上千甚至数万个频率可供选用，选用哪个频率由码决定。频率跳变系统主要由码发生器和频率合成器两部分组成，快速响应的频率合成器是频率跳变系统的关键部件。(3)时间跳变系统(THSS)在时间跳变扩频系统中，扩频码是用来控制发射机的通断的。对于m序列来说，由于0与1各占了约一半，时间跳变系统的发射占空比接近一半。(4)混合扩频系统上面的三种基本扩频系统各有优缺点，单独使用一种系统有时难以满足要求，将几种扩频方法结合起来就构成了混合扩频系统。常见的有频率跳变一直接序列混合系统、频率跳变一时间跳变系统、时间跳变一直接序列混合系统。2.2跳频通信系统概述扩频通信，即扩展频谱通信与光纤通信、卫星通信，一般被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式，它是上世纪40年代发展起来的一种技术，用来为战争环境下的军队提供可靠安全的通信。20世纪50年代，美国麻省理工学院研究成功NOMAC系统，成为了扩频通信研究发展的开端。时至今日，随着民用、军用通信事业的发展，频带拥挤的矛盾日益突出。而信号处理技术、大规模集成电路和计算机技术的发展，推动了扩频通信理论、方法、技术等方面的研究发展和应用普及。扩频通信主要有以下几种方式：直接序列扩频、跳频扩频和线性调频。跳频就是用伪随机码序列构成跳频指令来控制频率合成器，可以看成载波频率不断变化的多频移频键控。跳频指令由所传递的信息码与伪随机序列模二相加构成，其发送频率由跳频指令随机选择。调制器将发送端的信息码序列与伪随机序列调制，频率的合成由不同的跳频图案控制。在接收端，接收到的信号与噪声经滤波后送至混频器。接收机本振信号的跳变规律与发送端相同，而且也是频率跳变信号，接收机的中频为两个合成器产生的对应的频率的频差。要使收发双方的跳频与频率合成器产生的跳变频率同步，需要收发方的伪随机码同步。经混频后，得到一个不变的中频信号，将此中频信号进行解调，就可恢复出发送的信息。三、跳频通信系统的基本原理3.1跳频通信系统的结构组成跳频通信系统主要由发送端和接收端两大部分组成。在发送端，用信源产生的信息流去调制频率合成器产生的载频，得到射频信号，频率合成器产生的载频受伪随机码的控制按一定规律跳变。在接收端，接收端接收到的信号经高通滤波后送至混频器，在混频器与本振信号相乘并经中频带通滤波后，得到一个不变的中频信号，经中频放大器放大后，送到信息解调器恢复出原始信息信号。3.1.1跳频系统的发送部分发送端包括：信源、数据调制器、频率合成器、跳频序列发生器、高通滤波器、发送端天线等。其原理框图如图1所示：图1跳频通信系统发送端原理框图信源输出的是双极性二进制码，利用频率合成器合成载波信号。跳频系统通过伪随机地改变发送载波频率，用跳变的频率来调制基带信号，得到载波频率不断变化的射频信号，然后发送到信道中。在传统的定频通信系统中，载波频率是固定的，因为发射机中的主振荡器的振荡频率是固定设置的。一般要求主振荡器的频率应能遵照控制指令而改变，这样是为了得到载波频率是跳变的跳频信号。这种产生跳频信号的装置叫跳频器。通常，跳频系统的频率合成器输出什么频率的载波信号是受跳频指令控制的，跳频器是由频率合成器和跳频指令发生器构成的。在时钟的作用下，频率合成器不断地改变其输出载波的频率，跳频指令发生器不断地发出控制指令。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数据解调器信宿频率合成器跳频序列发生器高通滤波器发送出去，这就是跳频信号。跳频图案，就是跳频器输出的跳变的频率序列。跳频图案的产生取决于跳频指令。通常，跳频指令是利用伪随机发生器来产生的，或者由软件编程来产生此跳频指令。所以，跳频器是跳频系统的关键部件，更具体地说，是能产生伪随机性好的跳频指令发生器和频谱纯度好的快速切换的频率合成器。由跳频信号产生的过程可以看出，在原理上，不论是模拟的或数字的定频发送系统，只要加装上一个跳频器，就可变成一个跳频的发送系统。但是，信道机的通带宽度在实际系统中尚需考虑。3.1.2跳频系统的接收部分接收端部分包括：高通滤波器、频率合成器、跳频序列发生器、带通滤波器、同步电路、数据解调器、信宿和接收端天线等。其原理框图如图2所示：高通滤波器数据解调器信宿频率合成器跳频序列发生器同步电路带通滤波器图2跳频系统接收端原理框图定频信号的接收设备中，接收方法一般情况下都采用超外差式，即接收机本地振荡器的频率与所接收的外来信号的载波频率产生频差，即相差一个中频。经过混频后，混频产生组合波频率成分和一个固定的中频信号。中频带通滤波器的滤波作用，将滤除组合波频率成分，而使带通中频信号进入解调器。所要传送给收端的信息即为解调器的输出。跳频信号的接收过程与定频相似。要求频率合成器的输出频率要比外来信号高出一个中频，是为了保证混频后获得带通中频信号。要求本地频率合成器输出的频率也随着外来信号的跳变规律而跳变，是因为外来的信号载波频率是跳变的，这样才能通过混频获得一个固定的带通中颇信号。跳频器产生的跳频图案应当与所要求的高出一个中频，并且收、发跳频要求完全同步。所以，为了确定其高通滤波器数据解调器信宿频率合成器跳频序列发生器同步电路带通滤波器跳频的起、止时刻，接收机中的跳频器还需受同步指令的控制。可以看出，跳频系统的关键部件是跳频器，同时跳频系统的核心技术是跳频同步。相关器中进入的接收信号，与本地信号相乘，再经过滤波器，得到的信号送入同步系统进行判决。同步系统将调整本地伪码系统，直到滤波器输出接收信号为止。如果系统未同步，则滤波器输出的是噪声信号。3.2跳频通信系统的性能指标跳频通信系统的性能指标有以下几点：(1)跳频带宽跳频带宽，是跳频系统工作时的最高频率与最低频率之间所占的频率宽度。跳频带宽越宽，跳频的速率越快，跳频的频率数目越多，跳频系统的同步时间越短，跳频码的周期越长，跳频系统性能越好。跳频部分频带的抗干扰能力，受跳频带宽大小的影响，跳频带宽越宽，跳频系统抗宽带干扰能力越强。(2)跳频速率跳频速率，即为跳频电台载波跳变的速率，通常用每秒钟频率跳变的次数来表示。抗跟踪式干扰的能力与它有关，跳频速率越高，抗跟踪式干扰的能力越强。(3)跳频频率数跳频频率数，就是跳频电台工作时跳变的载波频率点的数目。跳频的频率数目，取决于抗单频干扰及多频干扰的能力。跳变频率数目越多，抗疏状干扰、单频以及多频干扰的能力就越强。(4)跳频系统的同步时间跳频系统的同步时间，是系统使收发双方的跳频图案完全同步，并建立通信所需要的时间。同步建立时间越短越好、越隐蔽越好。(5)跳频周期跳频周期，即为每一跳占据的时间。它等于跳频驻留时间和信道切换时间之和，与跳频速率成倒数关系。其周期长度决定跳频图案延续时间的长度，这个指标与抗截获的能力有关。3.3跳频通信系统的调制方式跳频通信系统一般采用ASK、FSK等非相干解调的调制方式，特别以2FSK方式最为常用，本文跳频通信系统采用2FSK调制方式。在二进制频移键控调制方式中，二进制数字信号“1”对应于载波频率1f，“0”对应于载波频率2f。信息码元的宽度记为T，则2FSK调制信号的表达式如式(1)。TdttATdttAts0,2cos0,1cos)(（1）其产生原理图如图3所示：图32FSK产生框图时域波形如图4所示：S(t)图42FSK信号波形3.4频率合成器在跳频系统中，其核心部分就是跳频器，它的主要作用是产生受伪码控制的随机跳变的载波频率。对跳频器的主要要求有：(1)要求输出信号的频谱要纯，输出频率有很好的稳定度和准确度；(2)频率转换速度要快，输出频率数要多；(3)要求跳频图案要多，频率跳变的随机性要强；跳频器主要由频率合成器和伪码产生器组成。因此跳频器的关键是频率合成器。频率合成器，是给微波扫频信号提供一定分辨力的频率参考信号，并对微波信号输出频率进行逐点锁定，以