跳頻通信系統(tǒng)的仿真

PAGEPAGE33目錄第一章緒論 41.1研究背景和意義 41.2國內外研究現狀 41.3本文內容安排 5第二章跳頻通信理論基礎 62.1跳頻通信簡介 62.1.1跳頻通信系統(tǒng)的概述 62.1.2跳頻技術的應用背景和發(fā)展趨勢 62.2跳頻通信系統(tǒng)的結構組成 82.2.1跳頻系統(tǒng)的發(fā)送部分 82.2.2跳頻系統(tǒng)的接收部分 92.3跳頻的主要技術指標 102.4跳頻系統(tǒng)的關鍵技術 112.4.1跳頻合成器 112.4.2跳頻的調制方式 112.4.3跳頻系統(tǒng)的同步 112.5跳頻圖案的要求 112.6跳頻信號的解跳和解調 122.7本章小結 14第三章跳頻通信系統(tǒng)仿真 153.1MATLAB簡介 153.2Simulink仿真介紹 153.2.1Simulink基礎知識簡介 153.2.2Simulink的設計和開發(fā) 163.3跳頻系統(tǒng)仿真模型 173.3.12FSK信號的調制仿真 173.3.22FSK信號的解調仿真 193.3.3跳頻通信系統(tǒng)仿真模型的建立 213.3.4S－函數的仿真流程 223.3.5跳頻通信系統(tǒng)的仿真框圖 233.3.6仿真模型中示波器的仿真結果顯示 273.4誤碼率分析 293.5 本章小結 30第四章總結 31參考文獻: 32致謝 33摘要在科技的日益發(fā)展中，擴展頻譜通信是一種新型的通信方式。跳頻通信是擴展頻譜通信中的一種，跳頻通信和自適應通信、擴展頻譜通信以及高速數字數據通信系統(tǒng)被稱為“90年代的通信技術”。由于擴展頻譜通信、跳頻通信極強的抗干擾能力和多址通信性能，使其在軍事和民用上都得到越來越廣泛的應用。本文講述了擴頻通信的基本概念和跳頻系統(tǒng)的主要特點。重點介紹了跳頻技術的基本原理以及實現方法。在闡述跳頻通信基本原理和實現方法的基礎上，利用Matlab提供的可視化工具Simulink建立了跳頻通信系統(tǒng)仿真模型，詳細講述了各模塊的設計。在給定仿真條件下，對該跳頻通信系統(tǒng)在寬帶噪聲干擾工作機制下進行了仿真，得到了寬帶噪聲干擾下的誤碼率信噪比曲線。結果表明，跳頻通信系統(tǒng)的抗干擾能力優(yōu)于傳統(tǒng)的定頻通信，在戰(zhàn)術通信中有更高的可靠性?！娟P鍵詞】：擴展頻譜通信跳頻通信抗干擾誤碼率信噪比ABSTRACTInthedevelopmentofscienceandtechnology,thespreadspectrumcommunicationisakindofnewwaytocommunicate.Frequencyhoppingcommunicationisspreadspectrumcommunicationoffrequencyhoppingcommunicationandadaptivecommunication,spreadspectrumcommunicationandhighspeeddigitaldatacommunicationsystemknownas"90’scommunicationstechnology".Duetothespreadspectrumcommunication,frequencyhoppingcommunicationstronganti-interferenceabilityandmulti-accesscommunicationperformance,sothatinthemilitaryandcivilianuptogetmoreandmorewidely.Thispaperintroducedthespreadspectrumcommunicationofthebasicconceptsandfrequencyhoppingsystemmaincharacteristics.Frequencyhoppingcommunicationtechnologyhastheverystronganti-jammingability,sothefrequencyhoppingcommunicationhasalsospreadspectrumcommunicationtechnologyinthestudyofakey.Inthispaperthefrequencyhoppingcommunicationbasicprincipleandmethod,andonthebasisoftheuseofMatlabprovidevisualtoolsSimulinkestablishedthefrequencyhoppingcommunicationsystemsimulationmodel,thedetaileddesignofeachmoduleintellsthestory.Inagivensimulationconditions,thefrequencyhoppingcommunicationsysteminbroadbandnoiseundertheworkingmechanismissimulated,andgetthebroadbandnoiseberunderSignaltonoiseratecurve.Theresultsshowthatthefrequencyhoppingcommunicationsystemofanti-interferenceabilityisbetterthanthatoftraditionalfixedfrequencycommunicationincommunicationshavehighertacticsreliability.【Keywords】:spreadspectrumcommunication;Frequencyhoppingcommunication;Anti-interference;Thebiterrorrate;Signaltonoiserate第一章緒論1.1研究背景和意義跳頻通信是現代通信技術的熱點技術之一。跳頻通信最初用于軍事抗干擾通信，后來又在移動通信中得到廣泛的應用。跳頻通信信息傳輸系統(tǒng)，有利于提高系統(tǒng)的抗干擾性能，改善性噪比。跳頻通信方式主要有：直接序列擴頻，跳頻擴頻，線性調頻。本文主要研究跳頻通信系統(tǒng)，跳頻通信系統(tǒng)就是用偽隨機碼序列構成跳頻指令來控制頻率合成器，在多個頻率中進行有選擇的頻移鍵控。MATLAB的Simulink動態(tài)仿真環(huán)境很強大，具有方便、直觀、靈活的優(yōu)點[1]。MATLAB集數值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示于一體，構成了一個方便的、界面友好的用戶環(huán)境。在這個環(huán)境下，對所要求解的問題，用戶只需簡單地列出數學表達式，其結果便以人們十分熟悉的數值或圖形方式顯示出來[2]。本文根據跳頻擴頻通信的原理，利用MATLAB提供的可視化仿真工具Simulink建立跳頻擴頻通信系統(tǒng)的仿真模型，研究擴頻通信的特性，為研究以擴頻通信為基礎的現代通信提供理論依據。1.2國內外研究現狀目前，跳頻通信在民用通信中的應用，在GSM數字蜂窩系統(tǒng)中，跳頻技術可以提高抗衰落、抗干擾能力。跳頻技術對于靜態(tài)或慢速移動的移動臺具有很好的抗衰落效果，而對于快速移動的移動臺由于同一信道的兩個連接的突發(fā)脈沖序列其位置差已足以使他們與瑞利變化不相關，因此跳頻增益很小，這就是跳頻所具有的頻率分集。由于跳頻是頻率在不斷的變化，頻率的干擾是瞬時的，因此跳頻具有干擾分集。藍牙（Bluetooth）也采用跳頻技術來抗工業(yè)干擾。GSM系統(tǒng)基地臺工作在935MHz-960MHz，移動臺工作在890MHz-915MHz，信道分配采用TDMA方式，每載波分為8個時隙，采用跳頻技術實現分集接收，跳頻速率為271Hops/s。藍牙工作在ISM頻段（工業(yè)、科學、醫(yī)療頻段，在2.4GHz到2.48GHz之間），跳頻速率為1600Hops/s，頻帶寬度為1MHz，使用79個頻率或者23個頻率。所以跳頻通信因其秘密性和抗干擾性，國內外廣泛應用于軍事和民用領域,其工作方式一般以語音為主，也可傳輸數據。目前流行的藍牙技術和無線局域網技術都有跳頻技術的身影。隨著跳頻技術的不斷發(fā)展，其應用也會越來越廣泛。1.3本文內容安排本文主要研究跳頻通信系統(tǒng)的仿真,利用Matlab的Simulink仿真軟件進行跳頻通信系統(tǒng)的仿真。Simulink仿真軟件是我們大學期間主要學習過的軟件，是一個對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和對仿真結果進行分析的一個軟件包，是在MATLAB中建立系統(tǒng)方框圖和基于方框圖的系統(tǒng)仿真環(huán)境。所以用此軟件能更好的研究跳頻通信系統(tǒng)。首先是緒論，講解本文的相關知識，對跳頻通信有個簡單認識以及內容安排。第二部主要講解跳頻通信系統(tǒng)的基礎知識，對跳頻通信系統(tǒng)有個基本的了解。第三部分介紹相關仿真軟件和仿真的過程，包括仿真電路圖，仿真調試方法，電路圖分析。最后一部分是對本論文的一個總結。通過這四大部來研究，簡單而清晰。利用所學知識，并通過文獻搜索與學習，結合Matlab的Simulink仿真軟件。先建立仿真模型圖，再建立仿真框圖，最后進行仿真并且對跳頻通信系統(tǒng)的抗干擾能力的分析。按照這個基本技術路線一步一步進行下去，最后完成對跳頻通信系統(tǒng)的仿真。第二章跳頻通信理論基礎2.1跳頻通信簡介2.1.1跳頻通信系統(tǒng)的概述跳頻通信，即擴展頻譜通信與光纖通信、衛(wèi)星通信，一般被譽為進入信息時代的三大高技術通信傳輸方式，它是上世紀40年代發(fā)展起來的一種技術，用來為戰(zhàn)爭環(huán)境下的軍隊提供可靠安全的通信[3]。20世紀50年代，美國麻省理工學院研究成功NOMAC系統(tǒng)，成為了擴頻通信研究發(fā)展的開端。時至今日，隨著民用、軍用通信事業(yè)的發(fā)展，頻帶擁擠的矛盾日益突出。而信號處理技術、大規(guī)模集成電路和計算機技術的發(fā)展，推動了擴頻通信理論、方法、技術等方面的研究發(fā)展和應用普及。跳頻通信主要有以下幾種方式：直接序列擴頻、跳頻擴頻和線性調頻[4]。跳頻就是用偽隨機碼序列構成跳頻指令來控制頻率合成器，可以看成載波頻率不斷變化的多頻移頻鍵控[3]。跳頻指令由所傳遞的信息碼與偽隨機序列模二相加構成，其發(fā)送頻率由跳頻指令隨機選擇。調制器將發(fā)送端的信息碼序列與偽隨機序列調制，頻率的合成由不同的跳頻圖案控制。在接收端，接收到的信號與噪聲經濾波后送至混頻器。接收機本振信號的跳變規(guī)律與發(fā)送端相同，而且也是一頻率跳變信號，接收機的中頻為兩個合成器產生的對應的頻率的頻差。要使收發(fā)雙方的跳頻與頻率合成器產生的跳變頻率同步，需要收發(fā)方的偽隨機碼同步。經混頻后，得到一個不變的中頻信號，將此中頻信號進行解調，就可恢復出發(fā)送的信息。2.1.2跳頻技術的應用背景和發(fā)展趨勢跳頻通信主要用于戰(zhàn)術無線電通信和民用移動通信，其工作方式一般以語音為主，也可傳輸數據。跳頻通信具有良好的組網能力、低截獲概率及抗干擾性,跳頻技術提高了軍事裝備的抗截獲和抗干擾能力,在軍事領域得到了極大的發(fā)展,向通信對抗提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。開展跳頻通信抗干擾技術的研究,尋求干擾跳頻通信的方法,己成了當前通信對抗領域十分緊迫而困難的任務之一[5]。隨著跳頻技術的不斷發(fā)展，其應用也越來越廣泛。在戰(zhàn)術中，電臺采用跳頻技術可以提高通信抗干擾能力。早在70年代，跳頻系統(tǒng)的研究就開始了，現已開發(fā)的跳頻的波段應用為：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)。跳頻速率和數據數率，隨著研究的不斷深入，也越來越高，現在美國Sanders公司的CHESS高速短波跳頻電臺已經實現了5000跳/秒的跳頻速率，最高數據數率可達到19200bps。此外，CHESS跳頻電臺以DSP為基礎，采用了差動跳頻（DFH)技術，與一般的跳頻電臺有所不同。CHESS跳頻電臺，通過現代數字處理技術，較好地解決了多徑衰落、短波系統(tǒng)帶寬有限、信號間相互干擾等問題。同時，它的瞬時信號對其信號的影響很小，因為其帶寬很窄。跳頻電臺可以實現更高跳速、更高數據速率，正是跳頻通信系統(tǒng)的未來發(fā)展方向，新型的跳頻電臺也已逐漸應用軟件無線電這個概念。當前的軍事通信中，短波自適應跳頻電臺已經占有了很重要的一部分。短波信道有許多固有特點，與VHF/UHF頻段不同，例如，受天氣變化、多徑時延、幅度衰落等因素的影響，信道條件變化不可捉摸。但是短波通信的可靠性，隨著各種新技術的出現，得到了技術上的保證，這些新技術中包括自適應跳頻技術。它通過自動搜索無干擾或未被占用的跳頻信道進行跳頻，分析波段上的頻率占用率，不僅降低了短波頻譜大量占用的影響，也避免了自然干擾。它會根據需要有效的適應惡劣環(huán)境，自動地改變跳頻序列。它在海灣戰(zhàn)爭中體現出了優(yōu)越性，因此引起了各國的高度重視。遠近效應，在現有的DS/CDMA系統(tǒng)中是一個很大的問題。由于遠近效應只發(fā)生在大功率信號的某個頻率上，當載波頻率跳變到另一個頻率時則不受影響，因此遠近效應在跳頻系統(tǒng)中并不明顯，這使得移動通信中易于應用和發(fā)展遠近效應。在數字蜂窩移動通信系統(tǒng)中，如果鏈路間采用低互相關的跳頻圖案異步跳頻，或者采用相互正交的跳頻圖案同步跳頻，可以完全消除或基本消除鏈路間的干擾，對提高系統(tǒng)的容量具有重要意義。此外，跳頻的頻率分配具有很大的靈活性，是瞬時窄帶系統(tǒng)，在現有頻率資源比較缺乏的條件下，這一特性具有重要意義。在組網技術中，跳頻的多址性能具有很重要的意義。加拿大Laval大學，提出了將快跳頻技術應用到光纖網絡中。該系統(tǒng)將傳統(tǒng)跳頻系統(tǒng)中的頻率合成器用Bragg光柵替代，跳速達到10G數量級。系統(tǒng)在比特誤碼率為10-9，30個用戶的條件下，數據速率為500Mb/s。在具有相同數量的用戶使用時，FFH/CDMA系統(tǒng)的比特誤碼率明顯優(yōu)于DS/CDMA系統(tǒng)，與采用非相干DS/CDMA技術的光纖網絡相比[6]。此外，跳頻技術在GSM、室內無線通信、無線局域網、水下通信、衛(wèi)星通信、微波、雷達等多個領域也得到了十分廣泛的應用[7]。跳頻系統(tǒng)本身也存在著一些局限和缺點，如跟蹤式干擾能力有限，信號隱蔽性差，以及抗多頻干擾性能不夠等，而另一種擴頻方式直接序列擴頻卻有較好的抗多頻干擾的能力和隱蔽性。這兩種擴頻技術結合起來，就構成了直接序列/跳頻擴展頻譜技術。這種技術在直接序列擴展頻譜系統(tǒng)的基礎上，又具有載波頻率跳變的功能。直擴系統(tǒng)所用的偽隨機序列和跳頻系統(tǒng)，在時間上是相互關聯的，使用同一個時鐘進行時序控制，因為它們用的偽隨機跳頻圖案由同一個偽隨機碼發(fā)生器生成。意大利Telettra公司的HydraV電臺是采用了直接序列/跳頻混合擴頻技術的第一代戰(zhàn)術電臺，采用了直接序列擴頻DBPSK調制方式，提高了電臺的抗干擾性能，比單獨采用跳頻技術多獲得9dB的處理增益[8]。此外，跳頻是瞬時窄帶系統(tǒng)，其頻率分配具有很大的靈活性，在現有頻率資源十分擁擠的條件下，研究跳頻通信技術具有重要意義。2.2跳頻通信系統(tǒng)的結構組成跳頻通信系統(tǒng)主要由發(fā)送端和接收端兩部分組成[9]。在發(fā)送端，用信源產生的信息流去調制頻率合成器產生的載頻，得到射頻信號，頻率合成器產生的載頻受偽隨機碼的控制，按一定規(guī)律跳變。在接收端，接收端接收到的信號經高通濾波后送至混頻器，在混頻器與本振信號相乘并經中頻帶通濾波后，得到一個不變的中頻信號，經中頻放大器放大后，送到信息解調器恢復出原信息信號。2.2.1跳頻系統(tǒng)的發(fā)送部分發(fā)送端包括：信源、數據調制器、頻率合成器、跳頻序列發(fā)生器、高通濾波器、以及發(fā)送端天線等[10]。其原理框圖如圖2-1所示：圖2-1跳頻通信系統(tǒng)發(fā)送端原理框圖信源輸出的是雙極性二進制碼，用頻率合成器合成載波信號。跳頻系統(tǒng)通過偽隨機地改變發(fā)送載波頻率，用跳變的頻率來調制基帶信號，得到載波頻率不斷變化的射頻信號，然后發(fā)送到信道中。在傳統(tǒng)的定頻通信系統(tǒng)中，載波頻率是固定的，因為發(fā)射機中的主振蕩器的振蕩頻率是固定設置的。一般要求主振蕩器的頻率應能遵照控制指令而改變，這樣是為了得到載波頻率是跳變的跳頻信號。這種產生跳頻信號的裝置叫跳頻器。通常，跳頻系統(tǒng)的頻率合成器輸出什么頻率的載波信號是受跳頻指令控制的，跳頻器是由頻率合成器和跳頻指令發(fā)生器構成的。在時鐘的作用下，頻率合成器不斷地改變其輸出載波的頻率，跳頻指令發(fā)生器不斷地發(fā)出控制指令。因此混頻器輸出的已調波的載波頻率，也將隨著指令不斷地跳變，從而經高通濾波器和天線發(fā)送出去，這就是跳頻信號。跳頻圖案，就是跳頻器輸出的跳變的頻率序列。跳頻圖案的產生取決于跳頻指令。通常，跳頻指令是利用偽隨機發(fā)生器來產生的，或者由軟件編程來產生此跳頻指令。所以，跳頻器是跳頻系統(tǒng)的關鍵部件，更具體地說，是能產生偽隨機性好的跳頻指令發(fā)生器和頻譜純度好的快速切換的頻率合成器。由跳頻信號產生的過程可以看出，在原理上，不論是模擬的或數字的定頻發(fā)送系統(tǒng)，只要加裝上一個跳頻器，就可變成一個跳頻的發(fā)送系統(tǒng)。但是，信道機的通帶寬度在實際系統(tǒng)中尚需考慮。2.2.2跳頻系統(tǒng)的接收部分接收端部分包括：高通濾波器、頻率合成器、跳頻序列發(fā)生器、帶通濾波器、同步電路、數據解調器、信宿以及接收端天線等[11]。其原理框圖如圖2-2所示：圖2-2跳頻系統(tǒng)接收端原理框圖定頻信號的接收設備中，接收方法一般都采用超外差式，即接收機本地振蕩器的頻率與所接收的外來信號的載波頻率產生頻差，即相差一個中頻。經過混頻后，混頻產生組合波頻率成分和一個固定的中頻信號。中頻帶通濾波器的濾波作用，將濾除組合波頻率成分，而使帶通中頻信號進入解調器。所要傳送給收端的信息即為解調器的輸出。跳頻信號的接收過程與定頻相似。要求頻率合成器的輸出頻率要比外來信號高出一個中頻，是為了保證混頻后獲得帶通中頻信號。要求本地頻率合成器輸出的頻率也隨著外來信號的跳變規(guī)律而跳變，是因為外來的信號載波頻率是跳變的，這樣才能通過混頻獲得一個固定的帶通中頗信號。跳頻器產生的跳頻圖案應當與所要求的高出一個中頻，并且收、發(fā)跳頻要求完全同步。所以，為了確定其跳頻的起、止時刻，接收機中的跳頻器還需受同步指令的控制。可以看出，跳頻系統(tǒng)的關鍵部件是跳頻器，同時跳頻系統(tǒng)的核心技術是跳頻同步。相關器中進入的接收信號，與本地信號相乘，再經過濾波器，得到的信號送入同步系統(tǒng)進行判決。同步系統(tǒng)將調整本地偽碼系統(tǒng)，直到濾波器輸出接收信號為止。如果系統(tǒng)未同步，則濾波器輸出的是噪聲信號。2.3跳頻的主要技術指標對于跳頻通信系統(tǒng)的技術性能，應注意下列各項指標：（1）跳頻帶寬跳頻帶寬，即為跳頻系統(tǒng)工作時的最高頻率與最低頻率之間所占的頻率寬度。跳頻帶寬越寬，跳頻的頻率數目越多，跳頻的速率越快，跳頻碼的周期越長，跳頻系統(tǒng)的同步時間越短，跳頻系統(tǒng)性能越好。跳頻部分頻帶的抗干擾能力，受跳頻帶寬大小的影響。跳頻帶寬越寬，跳頻系統(tǒng)抗寬帶干擾能力越強。(2)跳頻頻率數跳頻電臺工作時跳變的載波頻率點的數目，稱為跳頻頻率數目。跳頻的頻率數目，取決于抗單頻干擾及多頻干擾的能力。跳變頻率數目越多，抗疏狀干擾、單頻以及多頻干擾的能力越強。(3)跳頻速率跳頻速率，是指跳頻電臺載波跳變的速率，通常用每秒鐘頻率跳變的次數來表示。抗跟蹤式干擾的能力與它有關。跳頻速率越高，抗跟蹤式干擾的能力越強。(4)跳頻周期跳頻周期是指每一跳占據的時間。它等于跳頻駐留時間和信道切換時間之和，與跳頻速率成倒數關系。其周期長度決定跳頻圖案延續(xù)時間的長度，這個指標與抗截獲的能力有關。(5)跳頻系統(tǒng)的同步時間跳頻系統(tǒng)的同步時間，是指系統(tǒng)使收發(fā)雙方的跳頻圖案完全同步，并建立通信所需要的時間。同步建立時間越短越好、越隱蔽越好。2.4跳頻系統(tǒng)的關鍵技術2.4.1跳頻合成器在跳頻系統(tǒng)中，其核心部分是跳頻控制器，簡稱跳頻器，它的主要作用是產生受偽碼控制的隨機跳變的載波頻率。對跳頻控制器的主要要求有：要求輸出信號的頻譜要純，輸出頻率有很好的穩(wěn)定度和準確度；跳頻圖案要多，頻率跳變的隨機性要強；要求頻率轉換速度要快，輸出頻率數要多。跳頻控制器主要由頻率合成器和偽碼產生器組成。因此跳頻器的關鍵是頻率合成器。所謂頻率合成器是以一個或少量的標準頻率，導出多個或大量的輸出頻率。頻率合成器通?？煞譃橹苯邮筋l率合成器、間接式頻率合成器及直接數字式頻率合成器三類。2.4.2跳頻的調制方式跳頻通信系統(tǒng)一般采用FSK、ASK、PSK等非相干解調的調制方式，尤其以2FSK方式最為常用，本文跳頻通信系統(tǒng)采用2FSK調制方式。2.4.3跳頻系統(tǒng)的同步跳頻系統(tǒng)的同步是跳頻通信能否建立的關鍵。同步的含義是：跳變圖案相同、跳變的頻率序列（也稱頻率表）相同、跳變的起止時刻（也稱相位）相同。因此為了實現收發(fā)雙方的跳頻同步，收端首先必須獲得有關發(fā)端的跳頻同步信息，包括采用什么樣的跳頻圖案，使用何種頻率序列，在什么時候從哪一個頻率上開始起跳，并且還需要不斷的校正收端本地時鐘，使其和發(fā)端一致。2.5跳頻圖案的要求載波頻率跳變的規(guī)律叫做跳頻圖案，跳頻圖案是由跳頻指令控制頻率合成器所產生的頻率序列，是跳頻通信技術中的一個關鍵問題。對跳頻圖案的要求包括：1、每個跳頻圖案跳變的頻率在被傳輸的全部平帶內；2、周期很長，要求達到實際通信中圖案不重復；3、保密性高，為了實現多址通信要求，提高跳頻系統(tǒng)的保密性能要求在給定的允許重合數下，構成跳頻序列集合中的序列數目盡可能的多；4、隨機性好，因為由偽隨機碼控制頻率合成器產生的頻率，在所用的頻率集中是隨機出現的，而且出現得概率應該是均等的，否則在某些頻率上出現概率明顯大于其他頻率，則在此頻率上遭到的干擾機會就更多，對系統(tǒng)的影響就更大；5、跳頻序列集合中的任意跳頻序列，在允許的延時和頻率漂移條件下，各種跳頻圖案間可能重疊的頻隙數最小。2.6跳頻信號的解跳和解調跳頻信號的解跳。跳頻系統(tǒng)的接收機，應對發(fā)射信號進行相應的反變換。首先，為了完成解跳功能，將每個接收到的跳頻信號切普（Chip）變換到窄帶濾波器的通帶內。為了恢復發(fā)射端的原始信息流，需要再將已解跳的信號送到基帶解調器。解跳乘法器及其后的帶通濾波器，能否從接收信號中提取有用信號的能力，將影響跳頻接收機的性能[12]。雙通道“傳號-空號”跳頻接收機的原理框圖如圖2-3所示：圖2-3雙通道傳號/空號跳頻接收機原理框圖在二進制的FH發(fā)射機里，數據的傳輸采用2FSK時，是用發(fā)射某個頻率(切普)表示“傳號”，而發(fā)射另一個頻率表示“空號”來實現的。對于每一個信息比特，無論只發(fā)一個切普，還是發(fā)多個切普(每個切普都一定是兩個頻率中的一個)，接收機應能判斷兩個頻率中哪一個是有用信號。因此，接收機必須能夠同時觀測兩個交替信道，或者先對一個取樣，然后緊接著對另一個取樣。跳頻信號的解調。在跳頻系統(tǒng)中，多采用非相干的包絡檢測器。典型的非相干跳頻解調器如圖2-4所示：這個解調器適用于每比特信息多個頻率切普的接收機，其中切普判決是根據順序而來的每一對切普進行的。這個解調器設計成適合于“1”和“0”頻道的順序取樣。也就是說，本地頻率合成器把發(fā)射“1”所對應的頻率插到接收機的積圖2-4非相干跳頻解調器分清洗電路判決器中，而后緊跟著是一個與發(fā)射“0”對應的頻率。每次交替都占用半個切普周期取樣。2.7本章小結跳頻通信系統(tǒng)簡介出發(fā)，從它的發(fā)展歷程和應用行業(yè)以及它的發(fā)展趨勢出發(fā)，跳頻通信因其抗干擾性，廣泛應用于軍事和民用領域。目前流行的藍牙技術和無線局域網技術都有跳頻技術的身影。跳頻通信系統(tǒng)因其可以提高抗衰落和秘密性以及抗干擾性，隨著跳頻技術的不斷發(fā)展，其應用也會越來越廣泛。后面講解到它的結構由發(fā)送部分和接收部分組成，跳頻的主要技術指標有跳頻帶寬、跳頻頻率數、跳頻速率、跳頻周期、跳頻系統(tǒng)的同步時間。跳頻帶寬越寬，跳頻系統(tǒng)抗寬帶干擾能力越強跳頻速率與周期成反比。跳頻系統(tǒng)中，其核心部分是跳頻控制器，跳頻控制器的關鍵是頻率合成器。解跳和解調，通過跳頻系統(tǒng)的接收機來進行講解。第三章跳頻通信系統(tǒng)仿真3.1MATLAB簡介MATLAB誕生于20世紀70年代，具有其他仿真軟件所無可比擬的矩陣運算能力和系統(tǒng)仿真能力。MATLAB可以實現算法、繪制函數和數據、創(chuàng)建用戶界面、進行矩陣運算、連接其他編程語言的程序等，主要應用于控制設計、工程計算、圖像處理、信號處理與通訊、金融建模設計與分析、信號檢測等領域[9]。MATLAB的基本數據單位是矩陣，它的指令表達式與數學、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，FORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點,使MATLAB成為一個強大的數學軟件[13]。MATLAB是英文MATrixLABoratory(矩陣實驗室)的縮寫.它是美國的MathWorks公司推出的用于數值計算和圖形處理的數學計算環(huán)境[14]。該軟件包括:矩陣計算、數值分析、建模和系統(tǒng)控制、數字信號處理等應用程序。MATLAB語言簡潔、緊湊、使用方便,有豐富的運算符號和庫函數,還具有結構化的控制語句和面向對象編程的特點。MATLAB的基本數據單位是矩陣，它的指令表達式與數學、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，FORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MathWorks也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點,使MATLAB成為一個強大的數學軟件[15]。隨著其版本的不斷提高,各種工具箱的擴充和完善,MATLAB的功能越來越強,從而被廣泛應用于仿真技術、自動控制和數字信號處理等領域。3.2Simulink仿真介紹3.2.1Simulink基礎知識簡介Simulink是MATLAB軟件的應用，是一個對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和對仿真結果進行分析的一個軟件包，是在MATLAB中建立系統(tǒng)方框圖和基于方框圖的系統(tǒng)仿真環(huán)境。Simulink將工程中通用的方框圖設計方法與仿真系統(tǒng)建模統(tǒng)一起來，其采用的是基于時間流的鏈路級仿真方法。這種系統(tǒng)中，仿真結果可以實時的通過可視化模塊，將輸入輸出數據顯示出來，可以更加方便地對系統(tǒng)進行可視化建模，使系統(tǒng)設計、模型檢驗和仿真調試工作更為方便。經過多年的應用，MATHWORK公司開發(fā)出了很多工具箱，其中包括Simulink通信系統(tǒng)[16]。此系統(tǒng)目前已成為科學研究和工程應用的軟件工具包[15]。Simulink能夠完成大部分系統(tǒng)的動態(tài)仿真，提供了大量的內置模塊，用戶只需要知道模塊的參數配置、輸入輸出等少數外部接口即可，而不必去關心其內部實現方式[16]。這些模塊都是圖形化的。整個Simulink的建模過程都是在圖形用戶界面上完成的，這樣可以使得用戶把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構建，而非語言的編程上。Simulink本身可以實現微分方程和差分方程的求解等復雜的數值計算問題，用戶只需要根據問題類型及精度要求對求解器類型進行配置即可。通過對這些基本模塊的調用，再將它們連接起來，就可以構成所需要的系統(tǒng)模型，從而進行系統(tǒng)仿真與分析。3.2.2Simulink的設計和開發(fā)Simulink非常有利于建造和管理一個大型系統(tǒng)，其模型具有層級結構。Simulink模塊庫中的非線性字庫中含有一種專用的模塊子系統(tǒng)模塊，這樣是為了便于實現分層設計，同時Simulink還為子系統(tǒng)模塊提供了封裝（MASK）功能[17]。（1)子系統(tǒng)模塊動態(tài)模型包含許多環(huán)節(jié)時，可以把此系統(tǒng)按功能分塊，其中每一塊都可以建立一個子系統(tǒng)。在設計中使用子系統(tǒng)，可以減少窗口中的模塊數，降低模型的復雜度，并易于對模型進行修改和擴充。具體地說，可以采用“自頂向下”的設計方式，也可以采用“自底向上”底設計方式。詳細的設計步驟將在快跳頻系統(tǒng)設計中介紹。（2）封裝功能Simulink通過封裝可以為子系統(tǒng)建立用戶自定義的圖標和對話框，具有封裝功能是Simulink模塊一個十分實用的特點，可以用簡單的圖標來代替子系統(tǒng)，從而在當前窗口中隱藏子系統(tǒng)的設計內容。此外，子系統(tǒng)中的每個模塊都有一個對話框，因此仿真的時候，需要分別定義參數，這相對來說，比較麻煩。而封裝功能，可以使仿真模型有一個更友好的界面，可以簡化用戶定義仿真參數的過程。（3）用戶自定義模塊的設計用戶自定義Simulink模塊的設計步驟為：1、根據公式和算法編寫核心部分的S-函數。2、通用S－函數模塊處理S－函數后，可以轉化為用戶自創(chuàng)建的模塊。3、根據要求的功能，可以構造用戶子系統(tǒng)，其中包括S－函數模塊、輸入端口、輸出端口和一些其它的附加功能模塊。（4）利用Simulink中的封裝功能，將子系統(tǒng)封裝起來，其生成用戶自定義的圖標和封裝對話框，將為整個子系統(tǒng)進行統(tǒng)一的設置。這樣，就完成了用戶自定義的Simulink模塊，其中包含的子系統(tǒng)能完成所要求的功能。3.3跳頻系統(tǒng)仿真模型我們大學期間主要學過三種調制方式,分別是:2ASK(二進制數字調制法)、2PSK(二進制相移鍵控)、2FSK（二進制移頻鍵控）。本文利用的是2FSK這種調制方式進行仿真。3.3.12FSK信號的調制仿真(1)建立2FSK信號調制模型。2FSK信號時由頻率分別為和的兩個載波對信號源進行頻率上的控制而形成的，其中和是兩個頻率有明顯差別的且都遠大于信號源頻率的載波信號。2FSK信號產生的simulink仿真模型圖如圖3-1所示。圖3-12FSK信號調制仿真模型圖（2）參數設置。其中sinewave和sinewave1是兩個頻率分別為和的載波，PulseGenerator模塊是信號源，NOT實現方波的反相，經相乘器和相加器生成2FSK信號。本來信號源序列是用“0”、“1”信號產生，在此為了方便仿真就選擇了基于采樣的PulseGenerator信號模塊。各參數設置如下圖3-2所示。圖（b）中，其幅度為1，頻率為1，采樣時間為0.002，載波為單精度信號；圖（c）可見，幅度也為1，頻率為2，采樣時間同為0.002，載波為單精度信號。（a）信號源模塊參數（b）載波sinewave參數設置（c）載波sinewave1參數設置圖3-2模塊參數設置圖（3）調制仿真及波形。各點的時間波形如圖3-3所示。由上往下的波形依次是原始信號、正弦載波周期為1Hz的載波信號、周期為2Hz的正弦載波，調制后的2FSK信號。圖3-32FSK調制仿真波形圖3.3.22FSK信號的解調仿真（1）建立2FSK解調系統(tǒng)模型。兩個帶通濾波器分別將2FSK信號上下分頻為和，再經過與載波相乘，經過低通濾波器后兩路信號疊加，再經抽樣判決器解調出原始信號。2FSK信號解調模型如圖3-4所示。圖3-42FSK信號解調仿真模型圖（2）帶通濾波器的參數設置，具體設置如圖3-5和圖3-6。圖3-5DigitalFilterDesign的參數設置圖3-6DigitalFilterDesign1的參數設置設置參數后，經仿真得到圖3-7的波形。2FSK廣泛用于數據率低于1200bit/s的數據通信。這種信號的非相干解調方式不必利用信號的相位信息，因此特別適合應用于衰落信道/隨參信道的場合。圖3-72FSK解調仿真波形圖3.3.3跳頻通信系統(tǒng)仿真模型的建立基于Simulink建立的跳頻通信系統(tǒng)的仿真模型，可以實時地觀測到系統(tǒng)跳頻前后信號的頻譜變化，并且能夠反映跳頻通信系統(tǒng)的動態(tài)工作過程，還可以根據需要設計和研究相應的跳頻仿真模型，實現現代通信的模擬仿真，為系統(tǒng)的設計和研究提供了強有力的研究平臺，此系統(tǒng)以跳頻通信為基礎，仿真模型如圖3-8所示：在跳頻通信系統(tǒng)仿真模型中,信號的處理過程為：（1）由信源端生成準備傳送的有用信號。（2）由偽隨機碼序列控制2FSK部分，然后與有用信號進行相乘運算。偽隨機碼元控制2SFK部分的載波的頻率，在設計中使得載波的相位為零，進而可以實現信號的跳頻通信。（3）將經過跳頻調制的信號，經過信道傳輸，疊加上信道噪聲，加性高斯噪聲為其信道噪聲。（4）接收信號，在接收端的相關器中進行相關處理，相關處理時要求發(fā)送端的隨機碼字與采用的偽隨機碼保持嚴格的同步，其中偽隨機生成模塊產生相應的偽隨機碼。（5）相關器的輸出結果利用計數器進行統(tǒng)計，然后完成比較，判決過程，恢復出原始信號。（6）將恢復出的有用信號與其發(fā)送端的原始信號同時送入誤碼儀進行比較，計算出誤碼率。圖3-8系統(tǒng)仿真模型3.3.4S－函數的仿真流程Simulink在仿真的特定階段，控制模塊完成特定的功能，同時反復調用模型文件中的每個模塊，如更新離散狀態(tài)值、計算狀態(tài)導數和計算輸出等，為了中止仿真任務或者執(zhí)行初始化，仿真的開始部分以及結束部分還需要調用一些附加過程。對于此仿真流程，先將模塊初始化，再進入仿真環(huán)。在仿真環(huán)中，先計算出下次抽樣時間用于可變模塊的抽樣時間，然后再計算最大步長輸出、最大步長離散狀態(tài)、導數及輸出計算，在仿真環(huán)的最后進行零交點定位。其中，積分最小步長時間為導數、輸出、再到導數的時間。最后，結束程序，完成所執(zhí)行的任務。Simulink進行一次仿真的完整流程圖，如圖3-9所示：圖3-9Simulink進行一次仿真的完整流程圖3.3.5跳頻通信系統(tǒng)的仿真框圖利用Matlab中的Simulink對跳頻通信系統(tǒng)進行模型建立。跳頻通信系統(tǒng)，將其中的2FSK調制部分，2FSK解調部分，跳頻子系統(tǒng)分別進行封裝，封裝之后的跳頻通信系統(tǒng)的仿真結構框圖如圖3-10所示：圖3-10含有封裝子系統(tǒng)的跳頻通信系統(tǒng)的仿真結構框圖圖3-112FSK調制子系統(tǒng)仿真結構框圖圖3-122FSK解調子系統(tǒng)仿真結構框圖圖3-13跳頻子系統(tǒng)仿真結構框圖其中，2FSK解調子系統(tǒng)，跳頻子系統(tǒng)結構框圖分別如圖3-5中的圖3-11、圖3-12、圖3-13所示。該跳頻通信系統(tǒng)按功能可以劃分為五個部分：信號生成部分、發(fā)送部分、跳頻調制部分、接收部分和判決部分，各部分的詳細結構和設計介紹如下：（1）信號生成部分信號生成部分是利用隨機整數信號發(fā)生器（Random-integerGenerator）來產生，該模塊的參數設置是產生二進制隨機序列信號，采樣時間設為1，即1秒產生一個碼元。它產生的是頻率為1HZ的二進制隨機信號。（2）發(fā)送部分由信源產生的二進制隨機信號，先通過頻率鍵控來產生一個2FSK信號（發(fā)送“1”所用的載波頻率為f1=1HZ；發(fā)送“0”所用的載波頻率為f2=3HZ）。在進行跳頻調制時，把跳頻子系統(tǒng)模塊產生的信號與產生的2FSK信號進行相乘（即跳頻調制），產生的信號即為跳頻調制信號，然后把跳頻調制信號經過信道發(fā)送過去。信道是疊加有加性高斯白噪聲的信道。（3）接收部分在接收端，用跳頻子系統(tǒng)模塊產生的跳頻信號與經過信道后接收的跳頻調制信號進行乘法運算，也就是對其進行解跳，將得到跳頻解調信號，如仿真結構框圖中的跳頻解調信號所示。接著，對其進行2FSK相干解調，兩個帶通濾波器將分別濾出頻率為f1及f2的信號，輸出信號分別與相應的相干載波相乘，然后提取出含有基帶數字信息的低頻信號，這一過程分別需要將其相應信號通過低通濾波器。（4）判決部分通過對上下兩支路的低頻信號進行比較作出判決，從而完成解調信號的判決。該判決部分由比較器、常數發(fā)生器以及誤碼率計算部分組成。比較器將門限值與碼元的相關峰值進行比較，若相關峰大于門限則該碼元判為“1”，其余的均判為“0”。設上支路信號為X1（t），下支路信號為X2（t）。當X1（t）大于X2（t）時，判為“1”；當X1（t）小于X2（t）時，則判為“0”。誤碼率的計算過程是由一個誤碼儀來實現的。它將發(fā)送端的信息碼元經過一定延遲后與接收端恢復出的碼元進行比較，若兩者不同則認為碼元傳輸錯誤，最后將誤碼個數除以總的傳輸碼元個數，即得到誤碼率。在圖中的誤碼率計算部分，上面的輸入信號是發(fā)送端的原始信息，下面的輸入信號是接收端恢復出的信號，送入誤碼儀以后完成比較、統(tǒng)計和圖形用戶界面的生成功能。從誤碼率計算的顯示模塊可以看到該快跳頻通信系統(tǒng)的誤碼率為0.05。在統(tǒng)計系統(tǒng)的誤碼率時，門限值的設定很重要，設定不同的門限值，會得到不同的誤碼率。對于不同的系統(tǒng)，門限值的設定是不同的，在本設計中，門限值的取值為2。（5）跳頻子系統(tǒng)模塊跳頻子系統(tǒng)的設計是這次畢業(yè)設計的關鍵。快跳頻通信是指頻率的跳變速度大于信息傳輸速率的通信系統(tǒng)。在本次設計中，為了便于觀察各點信號，特設信息的傳輸速率1bit/s，頻率的跳變速度為2h/s。在跳頻子系統(tǒng)中，跳頻信號的產生過程：PNSepuenceGenerator產生采樣周期為0.5，周期為15個碼元的m序列。通過Buffer將單列的二進制序列編排為2列二進制數，通過BittoIntegerConverter后變?yōu)檎麛?。通過初值設為2的Unbuffer及Zero-OrderHold（采樣時間設為0.1）后，偽隨機序列發(fā)生器產生的二進制序列變成了與之相應的整數，饋送到VCO的控制輸入端。3.3.6仿真模型中示波器的仿真結果顯示跳頻通信系統(tǒng)仿真模型，進行Simulink模型仿真后，各示波器的結果顯示分別如圖3-14、圖3-15、圖3-16所示：圖3-14示波器Scope的仿真結果由圖2-3可知，信源發(fā)送信號為雙極性二進制碼，發(fā)送端的隨機信號發(fā)生器所產生的二進制信號的信息速率為1bit/s，載波頻率在偽碼控制下不斷隨機跳變，產生跳頻調制信號，發(fā)送信號經過調制后2FSK調制信號如圖所示，相應的跳頻解調信號也如示波器Scope所示，從圖中還可知跳頻調制信號和解調信號基本相似，存在一定的誤碼率。圖3-15示波器Scope1的仿真結果圖3-16示波器Scope2的仿真結果圖3-15所示，將發(fā)送信號和接收信號的示波器顯示進行了對比，可以看出，發(fā)送信號和接收信號的波形相同，恢復的信號基本正確，誤碼率為0.05。當然，由于系統(tǒng)中疊加有噪聲，各種濾波器的設計存在一定的缺陷使得濾波特性不理想，以及仿真圖中有些部件的參數設置存在誤差等原因，在最終的判決恢復時，使得恢復序列存在一些誤碼。這也是這次快跳頻通信系統(tǒng)仿真設計中需要進一步完善的地方。圖3-16所示，示波器顯示了m序列信號波形，即Simulink仿真模型中產生的跳頻序列；同時顯示了VCO的輸入電壓值和輸出頻率，簡明易懂。由上圖中(b)圖可知，VCO的輸入電壓值在一秒內（也就是一個碼元周期內）發(fā)生兩次變化，對應的它所控制的VCO的輸出頻率在一秒內也發(fā)生兩次變化（即頻率的跳變速度為2h/s）。由于頻率的跳變速度大于發(fā)送信號的信息速率，因而用這種跳變頻率去調制、解調2FSK信號時，就實現了簡單的快跳頻通信。3.4誤碼率分析此跳頻通信系統(tǒng)中，設置高斯白噪聲信號的頻率為200MHz，為了更好地進行分析，分別在調制信號頻率為f=200MHz，50MHz，5MHz，0.5MHz等頻率點上進行仿真。經過仿真，并將不同信噪比下的誤碼率曲線繪制在同一幅圖像上，得到的結果如圖3-17所示：圖3-17信噪比-誤碼率理論關系曲線圖圖3-18信噪比-誤碼率仿真關系曲線圖由圖可知，跳頻通信系的抗干擾性能與被干擾的頻段有關，即誤碼率與信噪比有關。隨著信噪比的增大，誤碼率大體呈下降趨勢，反之亦然。對于跳頻通信系統(tǒng)而言，寬帶噪聲干擾雖然功耗大，干擾效率較低，但只要頻段覆蓋準確，信噪比保持一定比值，跳頻通信系統(tǒng)的抗干擾性能和保密性能將最終得到實現。圖中，實際誤碼率曲線與理論誤碼率曲線基本吻合，仿真基本正確，存在一定的誤差。通過仿真，可以驗證，誤碼率隨著信噪比的遞增而遞減，從而可以綜合考慮帶寬與信噪比，尋求最佳參數，最大發(fā)揮跳頻通信系統(tǒng)的抗干擾性能，實現保密與無失真通信。本章小結本章實現了基于Matlab的跳頻通信系統(tǒng)的跳頻仿真和對該系統(tǒng)的跳頻檢測，并在仿真結果的基礎上分析研究了跳頻通信系統(tǒng)的性能，達到了預期的效果。通過構建跳頻系統(tǒng)和仿真，可以看出對于跳頻信號的頻率跳變，起到最主要作用的是壓控振蕩器。決定振蕩器的頻率就是振蕩頻