基于matlab的跳频通信系统的仿真

1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：跳频系统;扩频通信;Matlab;Simulink仿真2目录第1章绪论........................................................11.1概述........................................................21.2跳频通信简介................................................11.2.1跳频通信系统概述.......................................11.2.2跳频技术的应用背景和发展趋势...........................21.3MATLAB简介.................................................31.4本文研究内容及章节安排......................................3第2章跳频通信系统的基本原理......................................42.1跳频通信系统的结构组成.....................................42.1.1跳频系统的发送部分.....................................42.1.2跳频系统的接收部分.....................................52.2跳频通信系统的性能指标......................................62.3跳频通信系统的调制方式......................................72.4频率合成器..................................................82.5跳频信号的解跳与解调........................................82.5.1跳频信号的解跳.........................................82.5.2跳频信号的解调.........................................9第3章跳频通信系统仿真及性能分析.................................1033.1Simulink基础知识和设计开发原理简介........................103.1.1Simulink基础知识简介.................................103.1.2Simulink的设计和开发................................113.2跳频通信系统仿真模型的建立.................................123.3S－函数的仿真流程..........................................123.4跳频通信系统的仿真框图.....................................133.5仿真模型中示波器的仿真结果显示.............................173.6基于源代码的跳频通信系统仿真...............................183.7误码率分析.................................................21第4章仿真的源程序................................................2第5章结论........................................................2参考文献...........................................................21第1章绪论1.1概述扩频通信是现代通信技术的热点技术之一。扩频通信最初用于军事抗干扰通信，后来又在移动通信中得到广泛的应用。扩频通信信息传输系统，有利于提高系统的抗干扰性能，改善性噪比。扩频通信方式主要有：直接序列扩频，跳频扩频，线性调频。本文主要研究跳频扩频，跳频扩频系统就是用伪随机码序列构成跳频指令来控制频率合成器，在多个频率中进行有选择的频移键控。MATLAB的Simulink动态仿真环境很强大，具有方便、直观、灵活的优点[8]。MATLAB集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。在这个环境下，对所要求解的问题，用户只需简单地列出数学表达式，其结果便以人们十分熟悉的数值或图形方式显示出来。本文根据跳频扩频通信的原理，利用MATLAB提供的可视化仿真工具Simulink建立跳频扩频通信系统的仿真模型，研究扩频通信的特性，为研究以扩频通信为基础的现代通信提供理论依据。1.2跳频通信简介1.2.1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[1]。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[4]。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[2]。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，而且也是一频率跳变信号，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。21.2.2跳频技术的应用背景和发展趋势跳频通信主要用于战术无线电通信和民用移动通信，其工作方式一般以语音为主，也可传输数据。跳频通信具有良好的组网能力、低截获概率及抗干扰性,跳频技术提高了军事装备的抗截获和抗干扰能力,在军事领域得到了极大的发展,向通信对抗提出了严峻的挑战。开展跳频通信抗干扰技术的研究,寻求干扰跳频通信的方法,己成了当前通信对抗领域十分紧迫而困难的任务之一[5]。随着跳频技术的不断发展，其应用也越来越广泛。在战术中，电台采用跳频技术可以提高通信抗干扰能力。早在70年代，跳频系统的研究就开始了，现已开发的跳频的波段应用为：在VHF波段(30—300MHz）的低端30—88MHz、UHF波段(300MHz以上）以及HF波段(1.5—30MHz)。跳频速率和数据数率，随着研究的不断深入，也越来越高，现在美国Sanders公司的CHESS高速短波跳频电台已经实现了5000跳/秒的跳频速率，最高数据数率可达到19200bps。此外，CHESS跳频电台以DSP为基础，采用了差动跳频（DFH)技术，与一般的跳频电台有所不同。CHESS跳频电台，通过现代数字处理技术，较好地解决了多径衰落、短波系统带宽有限、信号间相互干扰等问题。同时，它的瞬时信号对其信号的影响很小，因为其带宽很窄。跳频电台可以实现更高跳速、更高数据速率，正是跳频通信系统的未来发展方向，新型的跳频电台也已逐渐应用软件无线电这个概念。当前的军事通信中，短波自适应跳频电台已经占有了很重要的一部分。短波信道有许多固有特点，与VHF/UHF频段不同，例如，受天气变化、多径时延、幅度衰落等因素的影响，信道条件变化不可捉摸。但是短波通信的可靠性，随着各种新技术的出现，得到了技术上的保证，这些新技术中包括自适应跳频技术。它通过自动搜索无干扰或未被占用的跳频信道进行跳频，分析波段上的频率占用率，不仅降低了短波频谱大量占用的影响，也避免了自然干扰。它会根据需要有效的适应恶劣环境，自动地改变跳频序列。它在海湾战争中体现出了优越性，因此引起了各国的高度重视。远近效应，在现有的DS/CDMA系统中是一个很大的问题。由于远近效应只发生在大功率信号的某个频率上，当载波频率跳变到另一个频率时则不受影响，因此远近效应在跳频系统中并不明显，这使得移动通信中易于应用和发展远近效应。在数字蜂窝移动通信系统中，如果链路间采用低互相关的跳频图案异步跳频，或者采用相互正交的跳频图案同步跳频，可以完全消除或基本消除链路间的干扰，对提高系统的容量具有重要意义。此外，跳频的频率分配具有很大的灵活性，是瞬时窄带系统，在现有频率资源比较缺乏的条件下，这一特性具有重要意义。在组网技术中，跳频的多址性能具有很重要的意义。加拿大Laval大学，提出了将快跳频技术应用到光纤网络中。该系统将传统跳频系统中的频率合成器用Bragg光栅替代，跳速达到10G数量级。系统在比特误码率为10-9，30个用户的条件下，数据速率为500Mb/s。在具有相同数量的用户使用时，FFH/CDMA系统的比特误码率明显优于DS/CDMA系统，与采用非相干DS/CDMA技术的光纤网络相比。此外，跳频技术在GSM、室内无线通信、无线局域网、水下通信、卫星通信、微波、雷达等多个领域也得到了十分广泛的应用[3]。跳频系统本身也存在着一些局限和缺点，如跟踪式干扰能力有限，信号隐蔽性差，以及抗多频干扰性能不够等，而另一种扩频方式直接序列扩频却有较好的抗多频干扰的能力和隐蔽性。这两种3扩频技术结合起来，就构成了直接序列/跳频扩展频谱技术。这种技术在直接序列扩展频谱系统的基础上，又具有载波频率跳变的功能。直扩系统所用的伪随机序列和跳频系统，在时间上是相互关联的，使用同一个时钟进行时序控制，因为它们用的伪随机跳频图案由同一个伪随机码发生器生成。意大利Telettra公司的HydraV电台是采用了直接序列/跳频混合扩频技术的第一代战术电台，采用了直接序列扩频DBPSK调制方式，提高了电台的抗干扰性能，比单独采用跳频技术多获得9dB的处理增益。此外，跳频是瞬时窄带系统，其频率分配具有很大的灵活性，在现有频率资源十分拥挤的条件下，研究跳频通信技术具有重要意义。1.3MATLAB简介MATLAB诞生于20世纪70年代，具有其他仿真软件所无可比拟的矩阵运算能力和系统仿真能力。MATLAB可以实现算法、绘制函数和数据、创建用户界面、进行矩阵运算、连接其他编程语言的程序等，主要应用于控制设计、工程计算、图像处理、信号处理与通讯、金融建模设计与分析、信号检测等领域[9]。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。MATLA