基于matlab的fhss通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究

1、通信專業(yè)課程設(shè)計(jì)二 太原科技大學(xué)太原科技大學(xué) 課課 程程 設(shè)設(shè) 計(jì)（論計(jì)（論 文）文） 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)( (論文論文) )題目：題目：基于基于 MATLABMATLAB 的的 FHSSFHSS 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì) 的研究的研究 姓姓 名名 _ 學(xué)學(xué) 號(hào)號(hào) _ 班班 級(jí)級(jí)_ _ 學(xué)學(xué) 院院 _ 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 _ 2011 年 月 日 太原科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 學(xué)院（直屬系）：華科學(xué)院電子信息工程系 時(shí)間： 2011 年 月 日 學(xué) 生 姓 名指 導(dǎo) 教 師 設(shè)計(jì)（論文）題目 基于 MATLAB 的 FHSS 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究 主要研 究內(nèi)容 主要研究 FHSS 通信系統(tǒng)的原理及基

2、本工作過程，利用 MATLAB 中 的仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) FHSS 系統(tǒng)的仿真并能直觀地顯示 FHSS 通信過程。 研究方法 利用 MATLAB 中的仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) FHSS 系統(tǒng)的仿真，從而直觀地觀 察 FHSS 通信過程及系統(tǒng)性能。 主要技術(shù) 指標(biāo)(或研 究目標(biāo)) 要求 FHSS 通信系統(tǒng)要具有抗干擾、FHSS 同步、誤碼率小等特性。 教研室 意見 教研室主任（專業(yè)負(fù)責(zé)人）簽字： 年 月 日 太原科技大學(xué)：名字起個(gè)什么 I 目 錄 摘 要.II 第 1 章 緒論.- 1 - 1.1 擴(kuò)頻通信的應(yīng)用發(fā)展 .- 1 - 1.2 FHSS 通信 .- 1 - 1.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容及結(jié)構(gòu).- 1 - 第 2

3、章 FHSS 通信系統(tǒng)原理 .- 4 - 2.1 FHSS 通信的概述 .- 1 - 2.2 FHSS 通信系統(tǒng)工作原理 .- 1 - 2.2.1 FHSS 通信系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 .- 1 - 2.2.2 FHSS 通信抗干擾方式 .- 1 - 2.2.3 FHSS 通信系統(tǒng)的同步 .- 1 - 第 3 章 FHSS 通信系統(tǒng)仿真 .- 1 - 3.1 FHSS 通信系統(tǒng)仿真模型 .- 1 - 3.2 仿真結(jié)果及分析 .- 1 - 第 4 章 總結(jié) .- 1 - 參考文獻(xiàn).- 1 - 附錄.- 1 - 太原科技大學(xué)：名字起個(gè)什么 II 基于 MATLAB 的 FHSS 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究 摘 要

4、FHSS 系統(tǒng)是一種典型擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)，它在軍事通信、移動(dòng)通信、計(jì)算 機(jī)無線數(shù)據(jù)傳輸和無線局域網(wǎng)等領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用。本文介紹了 FHSS 系 統(tǒng)的基本工作過程，并利用 MATLAB 中的仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) FHSS 系統(tǒng)的仿真并能直 觀地顯示 FHSS 通信過程。還介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與運(yùn)行結(jié)果,通過仿真結(jié)果能 直觀地觀察到 FHSS 通信系統(tǒng)的性能,有利于研究 FHSS 通信系統(tǒng)。 本設(shè)計(jì)針對(duì) FHSS 通信系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的要求，對(duì) FHSS 通信技術(shù)進(jìn)行了比較 全面和深入的研究，設(shè)計(jì)了低誤碼率的 FHSS 同步方案和抗干擾方案。所以本設(shè) 計(jì)介紹了 FHSS 通信的理論基礎(chǔ)和 FHSS 系統(tǒng)的

5、原理及組成，進(jìn)而對(duì) FHSS 系統(tǒng)進(jìn) 行了深入精心的設(shè)計(jì)。其中主要設(shè)計(jì)了 FHSS 通信系統(tǒng)的 MATLAB 仿真，其中涉 及到 PN 碼，頻率合成器，BPSK 調(diào)制解調(diào)等仿真系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：FHSS 擴(kuò)頻，通信系統(tǒng)，跳頻系統(tǒng)，仿真 太原科技大學(xué)：名字起個(gè)什么 - 1 - 第 1 章 緒論 1.1 擴(kuò)頻通信的應(yīng)用發(fā)展 擴(kuò)頻通信，即擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)（Spread Spectrum Communication） ，它的 基本特點(diǎn)是其傳輸信息所用信號(hào)的帶寬遠(yuǎn)大于信息本身的帶寬。除此以外，擴(kuò) 頻通信還具有如下特征； 1、是一種數(shù)字傳輸方式； 2、帶寬的展寬是利用與被傳信息無關(guān)的函數(shù)(擴(kuò)頻函數(shù))

6、對(duì)被傳信息進(jìn)行調(diào) 制實(shí)現(xiàn)的； 3、在接收端使用相同的擴(kuò)頻函數(shù)對(duì)擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解調(diào)，還原出被傳信 息。 擴(kuò)頻技術(shù)由于其本身具備的優(yōu)良性能而得到廣泛應(yīng)用，到目前為止，其最 主要的兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域仍是軍事抗干擾通信和移動(dòng)通信系統(tǒng),而 FHSS 系統(tǒng)與直擴(kuò) 系統(tǒng)則分別是在這兩個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用最多的擴(kuò)頻方式。一般而言，F(xiàn)HSS 系統(tǒng)主要在 軍事通信中對(duì)抗故意干擾，在衛(wèi)星通信中也用于保密通信，而直擴(kuò)系統(tǒng)則主要 是一種民用技術(shù)。對(duì) FHSS 系統(tǒng)的分析，現(xiàn)在仍集中在其對(duì)抗各種干擾的性能方 面，如對(duì)抗部分邊帶干擾以及多頻干擾等。而直擴(kuò)系統(tǒng)，即 DS-CDMA 系統(tǒng)，在 移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用則成為擴(kuò)頻技術(shù)的主流。歐洲的

7、 GSM 標(biāo)準(zhǔn)和北美的以 CDMA 技術(shù)為基礎(chǔ)的 IS-95 都在第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)（2G）的應(yīng)用中取得了巨大 的成功。而在目前所有建議的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)（3G）標(biāo)準(zhǔn)中（除了 EDGE） 都采用了某種形式的 CDMA。因此 CDMA 技術(shù)成為目前擴(kuò)頻技術(shù)中研究最多的對(duì) 象。從擴(kuò)頻技術(shù)的歷史可以看出，每一次技術(shù)上的大發(fā)展都是由巨大的需求驅(qū) 動(dòng)的。軍事通信抗干擾的驅(qū)動(dòng)以及個(gè)人通信業(yè)務(wù)的驅(qū)動(dòng)使得擴(kuò)頻技術(shù)的抗干擾 性能和碼分多址能力得到最大限度的挖掘。展望未來，第四代移動(dòng)通信系統(tǒng) （4G）的驅(qū)動(dòng)無疑會(huì)使擴(kuò)頻技術(shù)傳輸高速數(shù)據(jù)的能力得到更大的拓展。 3G 設(shè)計(jì)的目標(biāo)主要是支持多媒體業(yè)務(wù)的高速數(shù)據(jù)傳輸，因

8、此其研究主要集 中在新標(biāo)準(zhǔn)和新硬件的開發(fā)。而對(duì)于 3G 以后的發(fā)展，不同的研究者有不同的觀 點(diǎn)。 1、最大的靈活性,應(yīng)該能夠滿足在任何時(shí)間和地點(diǎn)，通過任何設(shè)備都可以 太原科技大學(xué)：名字起個(gè)什么 - 2 - 實(shí)現(xiàn)通信； 2、降低成本，4G 在實(shí)現(xiàn)比 3G 的傳輸速率高 12 個(gè)數(shù)量級(jí)的同時(shí)，還應(yīng)該 使成本降為 3G 時(shí)的 1/10 或 1/100； 3、個(gè)性化和綜合化的業(yè)務(wù)，不僅僅是保證每個(gè)人都能通過一個(gè)終端進(jìn)行通 信，而要在人周圍的家庭、辦公室以及熱點(diǎn)地區(qū)建立一個(gè)通用的信息環(huán)境，使 每個(gè)人都可以根據(jù)需要以各種方式獲得信息。 衡量擴(kuò)頻系統(tǒng)的重要指標(biāo)是擴(kuò)頻增益，在一定的傳輸帶寬下，要提高有效 數(shù)據(jù)

9、的傳輸速率就要降低擴(kuò)頻增益，而擴(kuò)頻增益的下降也意味著擴(kuò)頻系統(tǒng)性能 的降低，因此要提高傳輸數(shù)據(jù)速率，而且不降低擴(kuò)頻系統(tǒng)的性能（即保證一定 的擴(kuò)頻增益） ，就只有提高傳輸帶寬。超寬帶(UWB)技術(shù)可以看作是一種將傳輸 帶寬極大擴(kuò)展以獲得高數(shù)據(jù)傳輸速率的擴(kuò)頻技術(shù)。UWB 作為一種短距離通信技 術(shù)在未來無線通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)中扮演著重要的角色。 1.2 FHSS 通信 FHSS，跳頻技術(shù) （Frequency-Hopping Spread Spectrum）在同步、且同時(shí) 的情況下，接受兩端以特定型式的窄頻載波來傳送訊號(hào)，對(duì)于一個(gè)非特定的接 受器，F(xiàn)HSS 所產(chǎn)生的跳動(dòng)訊號(hào)對(duì)它而言，也只算是脈沖噪聲。FH

10、SS 所展開的訊 號(hào)可依特別設(shè)計(jì)來規(guī)避噪聲或 One-to-Many 的非重復(fù)的頻道，并且這些跳頻訊 號(hào)必須遵守 FCC 的要求，使用 75 個(gè)以上的跳頻訊號(hào)、且跳頻至下一個(gè)頻率的最 大時(shí)間間隔（Dwell Time）為 400ms。 所謂 FHSS，比較確切的意思是：用一定碼序列進(jìn)行選擇的多頻率頻移鍵控。 也就是說，用擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行頻移鍵控調(diào)制，使載波頻率不斷地跳變，所以 稱為 FHSS。簡單的頻移鍵控如 2FSK，只有兩個(gè)頻率，分別代表傳號(hào)和空號(hào)。而 FHSS 系統(tǒng)則有幾個(gè)、幾十個(gè)、甚至上千個(gè)頻率、由所傳信息與擴(kuò)頻碼的組合去 進(jìn)行選擇控制，不斷跳變。 下圖 1.1 為 FHSS 的原理示

11、意圖。發(fā)端信息碼序列與擴(kuò)頻碼序列組合以后按 照不同的碼字去控制頻率合成器。 太原科技大學(xué)：名字起個(gè)什么 - 3 - 圖 1.1 FHSS 原理圖 跳頻圖案的偽隨機(jī)性和跳頻圖案的密鑰量使 FHSS 系統(tǒng)具有保密性。即使是 模擬話音的 FHSS 通信，只要另一方不知道所使用的跳頻圖案就具有一定的保密 的能力。當(dāng)跳頻圖案的密鑰足夠大時(shí)，具有抗截獲的能力。 由于載波頻率是跳變的，具有抗單頻及部分帶寬干擾的能力。當(dāng)跳變的頻 率數(shù)目足夠多時(shí)，跳頻帶寬足夠?qū)挄r(shí)，其抗干擾能力是很強(qiáng)。這也是它能在 WLAN 系統(tǒng)中得到廣泛使用的原因。利用載波頻率的快速跳變，具有頻率分集的 作用，從而使系統(tǒng)具有抗多徑衰落的能力。

12、條件是跳變的頻率間隔具要大于相 關(guān)帶寬。利用跳頻圖案的的正交性可構(gòu)成跳頻碼分多址系統(tǒng)，共享頻譜資源， 并具有承受過載的能力。 FHSS 系統(tǒng)為瞬時(shí)窄帶系統(tǒng)，能與現(xiàn)有的窄帶系統(tǒng)兼容通信。即當(dāng) FHSS 系 統(tǒng)處于某一固定載頻時(shí)，可與現(xiàn)有的定頻窄帶系統(tǒng)建立通信。另外，F(xiàn)HSS 系統(tǒng) 對(duì)模擬信源和數(shù)字信源均適用。 1.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容及結(jié)構(gòu) 本設(shè)計(jì)主要研究設(shè)計(jì) FHSS 通信系統(tǒng)，設(shè)計(jì)要求 FHSS 通信系統(tǒng)要具有抗干 擾、FHSS 同步、誤碼率小等特性。對(duì) FHSS 系統(tǒng)來說，抗干擾技術(shù)是 FHSS 通信 系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。它增強(qiáng)了 FHSS 通信系統(tǒng)在惡劣情況下的使用能力，實(shí)現(xiàn)了 保密通信，在增強(qiáng)信

13、號(hào)處理能力上也起到了積極的促進(jìn)作用。 論文結(jié)構(gòu)包括：FHSS 的介紹、FHSS 通信系統(tǒng)原理、FHSS 通信系統(tǒng)仿真和 仿真結(jié)果及分析等模塊。 太原科技大學(xué)：名字起個(gè)什么 - 4 - 第 2 章 FHSS 通信系統(tǒng)原理 2.1 FHSS 通信的概述 定頻通信系統(tǒng)容易暴露目標(biāo)且易于被截獲，這時(shí)，采用 FHSS 通信就比較隱 蔽也難以被截獲。因?yàn)?FHSS 通信是“打一槍換一個(gè)地方”的游擊通信策略、從 而不易發(fā)現(xiàn)通信使用的頻率，一旦被對(duì)方發(fā)現(xiàn)，通信的頻率也已經(jīng)“轉(zhuǎn)移”到 另外一個(gè)頻率上了。當(dāng)對(duì)方摸不清“轉(zhuǎn)移規(guī)律”時(shí)，就很難截獲我方的通信內(nèi) 容。 因此，F(xiàn)HSS 通信具有抗干擾、抗截獲的能力，并能作

14、到頻譜資源共享。所 以在現(xiàn)代通信中 FHSS 通信已顯示出巨大的優(yōu)越性。 FHSS 通信系統(tǒng)和其他通信系統(tǒng)一樣，也是分為信號(hào)的編碼、調(diào)制和放大等 過程的發(fā)送端。另一端就是信號(hào)的接收、放大、解調(diào)得到有用的信息。完成一 次 FHSS 通信就要分以上兩步進(jìn)行。 在發(fā)送端，被傳送的信號(hào)經(jīng)過調(diào)制器的相應(yīng)調(diào)制，便獲得載波頻率固定的 已調(diào)波信號(hào)，再與頻率合成器輸出的主載波頻率信號(hào)進(jìn)行混頻，其輸出的已調(diào) 波信號(hào)的載波頻率達(dá)到射頻通帶的要求，經(jīng)過高通濾波器后反饋至天線發(fā)射出 去。 FHSS 系統(tǒng)的頻率合成器輸出的載波信號(hào)的頻率是受跳頻指令（偽隨機(jī)序列）控 制的。在時(shí)鐘的作用下，跳頻指令發(fā)生器不斷地發(fā)出控制指令，

15、頻率合成器不 斷地改變其輸出載波的頻率。因此，混頻器輸出的已調(diào)波的載波頻率也將隨著 指令不斷地跳變，從而經(jīng)高通濾波器和天線發(fā)送出去的就是跳頻信號(hào)。 收信機(jī)通常采用超外差式接收機(jī)，使接收到的信號(hào)比接收端頻率合成器的 輸出信號(hào)低一個(gè)中頻，然后該接收信號(hào)與頻率合成器的輸出信號(hào)進(jìn)行混頻從而 實(shí)現(xiàn)解擴(kuò)，輸出一個(gè)固定中頻信號(hào)。之后經(jīng)中頻帶通濾波器濾波后，把不需要 的干擾抑制掉，經(jīng)解調(diào)器把傳送的信息恢復(fù)出來。FHSS 系統(tǒng)組成框圖如圖 2.1 所示。 太原科技大學(xué)：名字起個(gè)什么 - 5 - 圖 2.1 系統(tǒng)組成框圖 跳頻碼發(fā)生器是產(chǎn)生偽隨機(jī)序列的部分，用它產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列去控制頻率合 成器來產(chǎn)生我們所需要的

16、頻率。此外系統(tǒng)還有編碼、調(diào)制、解調(diào)等組成部分。 2.2 FHSS 通信系統(tǒng)工作原理 2.2.1 FHSS 通信系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 FHSS 通信是擴(kuò)展頻譜通信的一個(gè)分支，是一個(gè)“多頻、選碼、頻移鍵控” 系統(tǒng)，即用偽碼序列構(gòu)成跳頻指令來控制頻率合成器，并在多個(gè)頻率中進(jìn)行選 擇的頻移鍵控。具有“躲避”式抗干擾、易于解決遠(yuǎn)近問題、碼分多址、頻率 分集等特點(diǎn)。 頻率跳變系統(tǒng)主要由偽碼發(fā)生器和頻率合成器兩部分組成。發(fā)射機(jī)在一個(gè) 預(yù)定的頻率集中由偽碼序列控制頻率合成器使發(fā)射頻率隨機(jī)地由一個(gè)跳到另一 個(gè)。接收機(jī)中的頻率合成器也按相同的順序跳變，產(chǎn)生一個(gè)本振頻率，經(jīng)混頻 后，送到解調(diào)器解調(diào)出傳送的信息。圖 2.2

17、是 FHSS 系統(tǒng)相關(guān)處理的數(shù)學(xué)模型： 圖 2.2 FHSS 信號(hào)相關(guān)處理 設(shè))( 1 ts 為發(fā)送的跳頻信號(hào) )(cos)()( 01n tntmts （2-1） 其中:1,.,2 , 1 , 0Nn， )cos( 0n tN 為輸出的 FH 信號(hào)(令振幅 A=1)， 為 FHSS 合成器跳變間隔，每跳持續(xù)時(shí)間為 T，一般取T2 ， 太原科技大學(xué)：名字起個(gè)什么 - 6 - )(tm是待傳送的數(shù)字信息流， n 為初相 。)( 1 ts在信道中與其它地址信號(hào))( 1 ts , 噪聲)(tn以及千擾)(tj組合后進(jìn)入接收機(jī)的信號(hào))(tsr為： k j jr tjtntststs 2 1 )()()

18、()()( （2-2） 其中:)( 1 ts 為發(fā)射端的有用信號(hào):)(tsj 是其它地址信號(hào)(kj, 2 )， )(tsr進(jìn) 入 接收機(jī)與本地信號(hào))cos( rr tn 相乘后得: )cos()()()()()( 2 1rr k j jp tntjtntststs （2- 3） 式中: r 為本地頻率合成器的中心頻率，與 0 差一個(gè)中頻 1 。假設(shè)收發(fā)兩 端跳頻序列同步，將式（2-1）代入（2-3）得: )cos( )()()( )2cos()cos(2/1)( 2 01 rr k j j rnrrp tntjtnts tnttmts （2-4） 式中中頻是： r 是本地跳頻信號(hào)的初相 0 r

19、t 。 式（2-4）中TntnT) 1( 的每次跳變使混頻器輸出一個(gè)固定中頻，經(jīng)中 頻濾波器后得到有用信號(hào)分量為: )cos()(21)( 1112 ttmts （2-5） 將式(2-5)中的信號(hào)送入解調(diào)器中，即可解調(diào)出信息)(t。而其它地址跳頻 信號(hào)、干擾信號(hào)、噪聲不能在每次跳頻時(shí)隙內(nèi)都與本地輸出信號(hào)混頻成固定中 頻。這樣，相乘后就落在中頻帶通濾波器的通帶之外，自然就不會(huì)對(duì)有用信號(hào) 的解調(diào)發(fā)生影響。 2.2.2 FHSS 通信抗干擾方式 通信收、發(fā)雙方的跳頻圖案是事先約定好的，或者是由發(fā)方通知收方的。 這個(gè)跳頻圖案是另一方所不知道的。另一方若想于擾 FHSS 通信，有幾種策略可 供選擇，舉其

20、二為例說明： 干擾方式 1，在某一個(gè)頻率上施放長時(shí)間的大功率的干擾，即單頻干擾。 干擾方式 2，在不同時(shí)間內(nèi)在不同的頻率上施放大功率的干擾。 這些干擾方式和 FHSS 通信的關(guān)系正像二人對(duì)奕時(shí)相互“出子”一樣，當(dāng)雙 太原科技大學(xué)：名字起個(gè)什么 - 7 - 方的“布子”落在時(shí)一頻域棋盤內(nèi)的同一小格時(shí)，則干擾有效。因此，跟蹤跳 頻圖案施放的干擾策略就是最佳的干擾 FHSS 通信的策略了。 現(xiàn)代電子戰(zhàn)中，通信方采用跳頻技術(shù)來分散干擾的影響，干擾方則想截獲 通信方的信號(hào)以減少于擾的盲目性，并盡量作到有的放矢，這就是跟蹤式干擾 策略。跟蹤式干擾的有效干擾是有條件的，這個(gè)條件除功率因素外，還應(yīng)當(dāng)滿 足干擾

21、橢圓的要求，如圖 2.3 所示。 圖 2.3 轉(zhuǎn)發(fā)干擾 圖中的通信方為收、發(fā)信機(jī)，干擾機(jī)用來對(duì)通信的信號(hào)進(jìn)行偵聽、處理， 然后以同樣的載波頻率施放干擾。為了有效地干擾跳頻系統(tǒng)，在通信頻率跳到 新的頻率之前，干擾機(jī)必須完成從偵聽到施放干擾的全過程。 FHSS 系統(tǒng)的特點(diǎn)，在很大程度上取決于它的擴(kuò)展頻譜機(jī)理。FHSS 擴(kuò)展頻譜 在機(jī)理上與直接序列擴(kuò)展頻譜大不相同。每一跳頻駐留時(shí)間的瞬時(shí)所占的信道 帶寬是窄帶頻譜，依照跳頻圖案隨時(shí)間的變化，這些瞬時(shí)窄帶頻譜在一個(gè)很寬 的頻帶內(nèi)跳變，形成一個(gè)跳頻帶寬。由于跳頻速率很快，從而在宏觀上實(shí)現(xiàn)了 頻譜的擴(kuò)展。圖 2.4 所示是由頻譜儀上觀察到的跳頻信號(hào)的頻譜。

22、 圖 2.4 頻率跳變 圖中箭頭所標(biāo)示的，是載波頻率跳變的過程。載波頻率之間的頻率間隔就 是信道帶寬，跳頻的載波數(shù)目乘上信道帶寬就是跳頻帶寬。由于它是瞬時(shí)窄帶 系統(tǒng)，它易于與目前的窄帶通信系統(tǒng)兼容。 太原科技大學(xué)：名字起個(gè)什么 - 8 - 目前的通信系統(tǒng)不論是模擬調(diào)制的還是數(shù)字調(diào)制的，通常都是窄帶的通信 系統(tǒng)。如果給現(xiàn)有的窄帶通信系統(tǒng)加裝上能使其載波頻率按照某種跳頻圖案跳 變并能實(shí)現(xiàn)同步接收的裝置，則可改造成為 FHSS 通信系統(tǒng)。 由于它是宏觀的 寬帶系統(tǒng)，它具有擴(kuò)展頻譜的抗干擾能力。 FHSS 擴(kuò)展頻譜具有抗單頻干擾、 多頻干擾的能力，還具有抗部分頻帶和寬帶干擾的能力。圖 2.5 給出單頻

23、干擾 和部分頻帶干擾對(duì) FHSS 信號(hào)影響的示意圖。 圖 2.5 多種干擾 利用跳頻圖案的不同，可以在一個(gè)寬的頻帶內(nèi)容納多個(gè)跳頻通信相同同時(shí) 工作，達(dá)到頻譜資源共享目的，從而可以提高頻譜的有效利用率。 2.2.3 FHSS 通信系統(tǒng)的同步 同步的含義是：跳頻圖案相同,跳變的頻率序列(也稱頻率表)相同，跳變的 起止時(shí)刻(也稱相位)相同。因此，為了實(shí)現(xiàn)收、發(fā)雙方的跳頻同步，收端首先 必須獲得有關(guān)發(fā)端的跳頻同步的信息，它包括采用什么樣的跳頻圖案，使用何 種頻率序列，在什么時(shí)刻從那一個(gè)頻率上開始起跳，并且還需要不斷地校正收 端本地時(shí)鐘，使其與發(fā)端時(shí)鐘一致。 在 FHSS 系統(tǒng)中，接收機(jī)本地頻率合成器產(chǎn)

24、生的跳變頻率必須與發(fā)端的頻率 合成器產(chǎn)生的跳變頻率嚴(yán)格同步。由于時(shí)鐘漂移、收發(fā)信機(jī)之間的距離變化， 在時(shí)間上有差異;又因?yàn)檎袷幤黝l率的漂移等不確定因素，所以同步的過程就是 搜索和消除時(shí)間及頻率偏差的過程，以保證收發(fā)雙方的碼相位和載波的一致性。 FHSS 系統(tǒng)的同步一般包括跳頻圖案的同步、幀同步、信息碼元同步等。在這些 同步中，關(guān)鍵是跳頻圖案的同步。跳頻同步主要有以下幾種方法: 1、精確時(shí)鐘定時(shí)法 由于產(chǎn)生跳變頻率的方法是一樣的，所用的偽隨機(jī)碼是一樣的。唯一不知 道是時(shí)間。若收發(fā)雙方都保持時(shí)間一致，且通信距離己知，則可保證跳頻圖案 的同步。 太原科技大學(xué)：名字起個(gè)什么 - 9 - 2、 同步字頭

25、法 將同步信息作為同步字頭置于 FHSS 信號(hào)的最前面，或在信息的傳輸過程中 離散地插入這種同步字。收端根據(jù)同步字頭的特點(diǎn)，可以從接收到的 FHSS 信號(hào) 中將它識(shí)別出來，作為調(diào)整本地時(shí)鐘或偽隨機(jī)碼發(fā)生器的依據(jù)，從而使收發(fā)雙 方同步。 3、匹配濾波器法 匹配濾波器具有很強(qiáng)的信號(hào)處理能力，將其用于同步系統(tǒng)會(huì)使同步系統(tǒng)簡 化、同步時(shí)間縮短、同步性能提高。用匹配濾波器同步，一般是對(duì)同步字頭進(jìn) 行匹配濾波，一旦輸入的 FHSS 信號(hào)與匹配濾波器相匹配，就表示收到了同步字 頭，即完成了時(shí)間的同步，接收端就可以從此刻啟動(dòng)本地頻率合成器，從而完 成了跳頻同步口為提高同步性能，多采用匹配濾波器組，如采用聲表面

26、波匹配 濾波組。 4、自同步法，也稱同步信息提取法。 這種方法是利用發(fā)端發(fā)送的數(shù)字信息序列中隱含的同步信息，在接收端將 其提取出來從而獲得同步信息實(shí)現(xiàn)跳頻。 數(shù)字 FHSS 系統(tǒng)是指傳送數(shù)字話音或數(shù)據(jù)的 FHSS 通信系統(tǒng)。因此，它傳送 跳頻同步信息是以數(shù)據(jù)幀的格式進(jìn)行的。數(shù)字系統(tǒng)跳頻同步方法也不外乎同步 字頭法，自同步法和參考時(shí)鐘法。 同步字頭法，發(fā)端需發(fā)送含有同步信息的碼字，收端解碼后，依據(jù)同步信 息使收端本地跳頻器與發(fā)端同步。同步信息除位同步、幀同步外，主要應(yīng)包括 跳頻圖案的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息或?qū)崟r(shí)的時(shí)鐘信息，即所謂的“TOD”信息（Time of the Day） 。為了保證 TOD 信息的

27、正確接收，在如圖 2.6 所示的同步信息數(shù)據(jù)幀 格式中裝有位同步和幀同步位。此外，對(duì) TOD 信息位可采用差錯(cuò)控制技術(shù)，如 糾錯(cuò)編碼，相關(guān)編碼或采用大數(shù)判決，以提高傳輸?shù)目煽啃浴?圖 2.6 同步幀的結(jié)構(gòu) 自同步法，數(shù)字 FHSS 系統(tǒng)中，根據(jù)需要也可采用不同方法的組合。比如， 太原科技大學(xué)：名字起個(gè)什么 - 10 - 自同步法具有同步信息隱蔽的優(yōu)點(diǎn)，但是存在同步建立時(shí)間長的缺點(diǎn)；而同步 字頭法具有快速建立同步的優(yōu)點(diǎn)而存在同步信息不夠隱蔽的缺點(diǎn)。因此可將這 兩種方法進(jìn)行組合，得到一個(gè)綜合最佳的同步系統(tǒng)。 太原科技大學(xué)：名字起個(gè)什么 - 11 - 第 3 章 FHSS 通信系統(tǒng)仿真 3.1 FH

28、SS 通信系統(tǒng)仿真模型 信息序列經(jīng)過調(diào)制器的 BPSK 調(diào)制，便獲得載波頻率固定的已調(diào) BPSK 信號(hào)， 再與頻率合成器輸出的跳變頻率的信號(hào)進(jìn)行混頻，其輸出的 FHSS 信號(hào)的載波頻 率達(dá)到射頻通帶的要求，經(jīng)過高通濾波器后反饋至天線發(fā)射出去。而 FHSS 系統(tǒng) 的頻率合成器輸出的載波信號(hào)的頻率是受跳頻指令控制的。在時(shí)鐘的作用下， 跳頻指令發(fā)生器不斷地發(fā)出控制指令，頻率合成器不斷地改變其輸出載波的頻 率。 因此，混頻器輸出的已調(diào)波的載波頻率也將隨著指令不斷地跳變，從而經(jīng) 高通濾波器和天線發(fā)送出去的就是跳頻信號(hào)如圖 3.1。 圖 3.1 FHSS 系統(tǒng)仿真模型 在接收信號(hào)時(shí)收信機(jī)通常采用超外差式接

29、收機(jī)，使接收到的信號(hào)比接收端 頻率合成器的輸出信號(hào)低一個(gè)中頻，然后該接收信號(hào)與頻率合成器的輸出信號(hào) 進(jìn)行混頻從而實(shí)現(xiàn)解擴(kuò)，輸出一個(gè)固定中頻信號(hào)。之后經(jīng)中頻帶通濾波器濾波 后，把不需要的干擾抑制掉，經(jīng)解調(diào)器把傳送的信息恢復(fù)出來。 仿真參數(shù)：工作頻段：140MHz；跳頻間隔：0.1KHz；跳頻范圍： 5MHz6MHz；跳頻速度：200h/s；碼長：27-1=127 位。 3.2 仿真結(jié)果及分析 下圖 3.2 是 FHSS 通信系統(tǒng)的發(fā)射端仿真結(jié)果。分別是原始信息序列，是一 個(gè)幅度 2V 的方波信號(hào)。第二個(gè)波形是方波和余弦波進(jìn)行 BPSK 調(diào)制后的 BPSK 信 號(hào)波形，幅度還是 2V。第三個(gè)圖形是

30、將要混頻 BPSK 信號(hào)的不同頻率的跳頻頻 率。最后就是混頻以后的 FHSS 信號(hào)，這個(gè)信號(hào)經(jīng)過發(fā)送，就可以在信道中傳播。 太原科技大學(xué)：名字起個(gè)什么 - 12 - 從圖中可以顯著的看到 FHSS 信號(hào)在隨機(jī)的改變其載頻的頻率，無法去預(yù)測 下一跳的具體載頻頻率，從而保證了通信的保密性和抗干擾性等性能。 圖 3.2 發(fā)送端信號(hào)處理的各階段信號(hào)圖 FFT 是離散傅立葉變換的快速算法，作 FFT 變換的目就是從時(shí)域到頻域的 轉(zhuǎn)換,圖3.3下圖是將 FHSS 信號(hào)變換到頻域。可以看到 FHSS 信號(hào)的幅度和相位 特性兩個(gè),幅度代表能量,觀察幅度的分布就知道 FHSS 信號(hào)能量的分布.在3000 個(gè)采樣

31、點(diǎn)上除直流分量外其余頻點(diǎn)上幅度最大的是80Hz 分量。 太原科技大學(xué)：名字起個(gè)什么 - 13 - 圖 3.3 FHSS 信號(hào)及其頻域值 圖 3.4 接收端信號(hào)處理的各階段信號(hào)圖 上圖是接收端從仿真的信道中得到的 FHSS 信號(hào)。信號(hào)在信道中傳播之后就 帶有了很多雜波和干擾信號(hào)，但在 FHSS 的同步系統(tǒng)中只有一個(gè)可以同步解擴(kuò)的 太原科技大學(xué)：名字起個(gè)什么 - 14 - 信號(hào)分量。在 FHSS 同步系統(tǒng)捕捉到這一同步信號(hào)后，其余分量就會(huì)被丟棄，從 而避免了多徑干擾等多種干擾。 在解擴(kuò)當(dāng)中同樣可以把各種噪聲的頻譜擴(kuò)展的很寬，而在提取有用信號(hào)是， 信息是在一個(gè)很窄帶寬上，其中的噪聲功率密度就已經(jīng)很小

32、了。 FHSS 信號(hào)經(jīng)過同步解擴(kuò)就是 BPSK 信號(hào)了，信號(hào)再進(jìn)行 BPSK 解調(diào)，就恢 復(fù)出了接收到的有用信息序列。 太原科技大學(xué)：名字起個(gè)什么 - 15 - 第 4 章 總結(jié) 通過本次 FHSS 通信系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)，第一；學(xué)會(huì)了更好的使用 MATLAB 軟 件的編寫來實(shí)現(xiàn)一些簡單的通信系統(tǒng)，深入了解和掌握了課程設(shè)計(jì)的基本方法。 第二比較系統(tǒng)的學(xué)習(xí)了擴(kuò)頻通信，掌握了 FHSS 通信系統(tǒng)的原理及設(shè)計(jì)要求。 第三，深刻的了解了調(diào)頻通信的優(yōu)點(diǎn)并將這些特點(diǎn)在設(shè)計(jì)中做了充分的考慮和 體現(xiàn)，使設(shè)計(jì)的 FHSS 通信系統(tǒng)具有較高的通信能力和抗干擾能力。 設(shè)計(jì)是在充分利用 FHSS 通信原理的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計(jì)

33、構(gòu)思、理論論證、 理論設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)仿真、仿真程序框架和設(shè)計(jì)等過程從而實(shí)現(xiàn)了 FHSS 通信系統(tǒng)的 仿真，從仿真過程和結(jié)果中可以看出系統(tǒng)很好的實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的要求，充分體現(xiàn) 了 FHSS 通信系統(tǒng)的一些良好的特性。 太原科技大學(xué)：名字起個(gè)什么 - 16 - 參考文獻(xiàn) 1 王興亮.數(shù)字通信原理與技術(shù)M.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003 2 劉穎.數(shù)字通信原理與技術(shù)M.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2002 3 郭文斌.通信原理-基于 Matlab 的計(jì)算機(jī)仿真M.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006 4 宋兆基、徐流美.MATLAB6.0 在科學(xué)計(jì)算中的應(yīng)用M.北京：清華大學(xué)出版社 2005 5 韋崗.

34、通信系統(tǒng)建模與仿真M.電子工業(yè)出版社，2007 6 梅文華,楊義先.跳頻通信地址編碼理論M.北京: 國防工業(yè)出版社，1996 7 曹志剛.現(xiàn)代通信原理M.北京：清華大學(xué)出版社，2000 8 陳萍,等.現(xiàn)代通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真M.北京: 國防工業(yè)出版社，2003 太原科技大學(xué)：名字起個(gè)什么 - 17 - 附錄 1.FHSS 發(fā)送端仿真程序 clc clear s=round(rand(1,25); signal=; carrier=; t=0:2*pi/119:2*pi; for k=1:25 if s(1,k)=0 sig=-ones(1,120); else sig=ones(1,120

35、); end c=cos(t); carrier=carrier c; signal=signal sig; end subplot(4,1,1); plot(signal); axis(-100 3100 -1.5 1.5); title(原始的比特序列); bpsk_sig=signal.*carrier; % 調(diào)制信號(hào) subplot(4,1,2); plot(bpsk_sig) axis(-100 3100 -1.5 1.5); title(原始信號(hào)的 BPSK 調(diào)制); t1=0:2*pi/9:2*pi; t2=0:2*pi/19:2*pi; t3=0:2*pi/29:2*pi; t

36、4=0:2*pi/39:2*pi; 太原科技大學(xué)：名字起個(gè)什么 - 18 - t5=0:2*pi/59:2*pi; t6=0:2*pi/119:2*pi; c1=cos(t1); c1=c1 c1 c1 c1 c1 c1 c1 c1 c1 c1 c1 c1; c2=cos(t2); c2=c2 c2 c2 c2 c2 c2; c3=cos(t3); c3=c3 c3 c3 c3; c4=cos(t4); c4=c4 c4 c4; c5=cos(t5); c5=c5 c5; c6=cos(t6); spread_signal=; for n=1:25 c=randint(1,1,1 6); sw

37、itch(c) case(1) spread_signal=spread_signal c1; case(2) spread_signal=spread_signal c2; case(3) spread_signal=spread_signal c3; case(4) spread_signal=spread_signal c4; case(5) spread_signal=spread_signal c5; case(6) spread_signal=spread_signal c6; end end subplot(4,1,3) plot(1:3000,spread_signal); a

38、xis(-100 3100 -1.5 1.5); 太原科技大學(xué)：名字起個(gè)什么 - 19 - title(跳頻信號(hào)的幾個(gè)頻率); freq_hopped_sig=bpsk_sig.*spread_signal; %跳頻擴(kuò)頻信號(hào) subplot(4,1,4) plot(1:3000,freq_hopped_sig); axis(-100 3100 -1.5 1.5); title(跳頻擴(kuò)頻信號(hào)); % FFT 算法 figure,subplot(2,1,1) plot(1:3000,freq_hopped_sig); axis(-100 3100 -1.5 1.5); title(跳頻擴(kuò)頻信號(hào)及其 FFT 算法); subplot(2,1,2); plot(1:30