基于MATLAB的跳频通信系统的仿真设计.docx

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基于MATLAB的跳频通信系统的仿真设计

1绪论

1.1研究背景及意义

在现代通信中遇到的一个很重要的问题就是抗干扰问题。

随着通信事业的迅速发展，各类通信网的建立，使得有限频率资源更加拥挤，相互之间的干扰更加严重，如何防止和降低这种相互之间的干扰，成为一大难题。

跳频通信是现代通信技术的热点技术之一。

跳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。

跳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。

MATLAB的动态仿真环境很强大，具有方便、直观、灵活的优点。

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。

基于MATLAB所建立的跳频通信系统的仿真模型,能够反映频跳通信系统的动态工作过程,可进行波形观察、频谱分析和性能分析等，同时能根据研究和设计的需要扩展仿真模型，实现以跳频通信为基础的现代通信的模拟仿真，为系统的研究和设计提供强有力的平台。

1.2跳频通信系统概述

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[6]。

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[7]。

跳频系统可分快跳频和慢跳频两种。

如果跳频系统的跳频速率高于信息调制器输出的符号速率，一个信息符号需要占据多个跳频时隙，则称为快跳频。

如果跳频速率低于信息调制器输出的符号速率，一个跳频时隙里可以传输多个信息符号，则称为慢跳频[8]。

2跳频通信系统的基本原理

跳频是最常用的扩频方式之一，其工作原理是指收发双方传输信号的载波频率按照预定规律进行离散变化的通信方式，也就是说通信中使用的载波频率受伪随机变化码的控制而随机跳变。

从时域上来看，跳频信号是一个多频率的频移键控信号；从频域上来看，跳频信号的频谱是一个在很宽频带上以不等间隔随机跳变的。

在介绍跳频系统之前先了解一下扩频通信系统。

2.1扩频通信系统的概述

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。

2.1.1扩频通信的特点及工作方式

扩频通信的特点：

a）由于扩频信号的不可预测性，扩频系统具有很高的抗干扰能力。

因为干扰者难以通过观察改善其干扰性能，而只能采用发射与被干扰信号不匹配的干扰技术。

b）扩频信号的功率被非常均匀地分布在很宽的频率范围内，以致被传输信号功率密度很低，侦察接收机难以检测。

因此，扩频系统具有低截获概率性。

c）通过对宽带扩频信号的相关检测，可以使扩频系统具有很高的距离鉴别力。

众所周知，信号的检测性能决定于信号的能量，扩频信号实质上可看成是连续波信号。

因而，扩频信号易于解决作用距离远和距离鉴别力高的矛盾，并且可不模糊测速，可用于抗多路径干扰。

d）扩频通信系统具有良好的码分多址通信能力。

e）可对不同的用户使用不同的码，其它用户无法窃听他们的通信，因而扩频通信系统具有较高的保密性。

扩频通信系统技术所研究的-丰要问题是性能度量、扩频码的设计与产牛及其性能、扩频信号的截获和跟踪以及扩频系统的干扰抑制能力等。

扩频通信基本的工作方式有以下几种：

a）直接序列扩频系统（DSSS）

b）频率跳变扩频系统（FHSS）

c）时间跳变系统（THSS）

d）混合扩频系统

2.1.2跳频通信系统的优点

a）抗干扰性强

跳频通信抗干扰的机理是“打一枪换一个地方"的游击策略，敌方很难搞清楚我方的跳频规律，因而具有较强的抗干扰能力。

一方面，跳频指令是伪随机码，其周期可长达几年甚至更长的时间；另一方面，跳变的频率个数可以达到成千上万。

因此，敌方即使在某一频率上或某几个频率上施放长时间的干扰也是无济于事的。

另外，跳频频率受伪随机码控制而不断跳变，在每一个频率的驻留时间内，所占信道的带宽是很窄的。

由于频率跳变的速率非常快，从宏观上看，跳频系统又是宽带系统，即扩展了频谱。

事实上，跳频的带宽就是频率的数目与每个频率所占信道带宽的乘积，因而抗干扰性强是跳频通信最突出的特点。

b）频谱利用率高

人们早已认识到频谱资源十分宝贵，因此，提高频谱利用率也是现代通信的基本要求之一。

跳频通信可以利用不同的跳频图案或时钟，在一定带宽内容纳多个跳频通信系统同时工作，达到频谱资源共享的目的，从而大大提高频谱利用率。

c）易于实现码分多址

多址通信是指许多用户组成一个通信网，网内任何两个用户都可建立通信，并且多对用户同时通信时又互不干扰。

应用跳频通信可以很容易地组成这样一个多址通信网，网内各用户都被赋予一个互不相同的地址码，这个地址码恰似电话号码，每个用户只能收到其他用户按其地址码发来的信号才可判别出是有用信号，

对其他用户发来的信号，则不会被解调出来。

d）兼容性

对于跳频通信而言，兼容的含义是指一个跳频通信系统可以与一个不跳频的窄带通信系统在定频上建立通信。

显而易见，兼容的好处在于先进的跳频电台可与常规的定频电台瓦通，跳频电台在研制上比较容易实现（只要将常规电台加装跳频模块即可变成跳频电台）。

2.2跳频通信系统的组成

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[12]。

2.2.1跳频通信系统的发送部分

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2.1所示：

图2.1　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。

2.2.2跳频通信系统的接收部分

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2.2所示：

图2.2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频信号。

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。

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。

2.3跳频通信系统的数学模型

跳频系统的数学模型如下图2.3所示。

在发送端，输入信息码序列进行基带调制得到频带宽度为Bm的调制信号m（t）。

独立产生的伪随机码序列作为跳频序列去控制频率合成器，使其输出频率按不同的跳频图案或指令随机跳跃的变化。

调制信号m（t）对随机载频进行调制，得到跳频信号Si（t），可表示为：

Si（t）=m（t）cos[（w0+nw△）t+φn]式（2-1）

式（2-1）中w△为跳频频率间隔，w0+nw△和nj为在nTc

图2.3跳频通信系统的数学模型

跳频系统接收到的信号，即接收信号S（t）为：

S（t）=Si（t）+J（t）+n（t）式（2-2）

在接收端，为了对输入信号解跳，需要有与发端相同的本地伪码发生器生成的跳频指令去控制本地频率合成器，使其输出的本振信号频率随发方频率相应的跳变，跳变的本振信号对接收到的跳频信号进行变频，再通过低通滤波器，实现解跳，得到调制信号m（t）。

图2-3中Sp（t）即为：

Sp（t）=[Si（t）+J（t）+n（t）]cos[（w0+nwD）t+φn]式（2-3）

经低通滤波器后，可得

So（t）=1/2m（t）+n'（t）+J'（t）式（2-4）

n'（t）分量为噪声n（t）对m（t）接收造成的影响，由于n（t）为高斯白噪声，经混频后，噪声分量与一般的非跳频系统一样，没有变化，即跳频系统对白噪声没有处理增益；对于干扰分量J'（t），由于干扰J（t）不知道跳频频率的变化规律，即不能得到跳频系统的频率信息，经混频后，不能进入解调器，也不能形成干扰，从而达到了抗干扰的目的。

2.4跳频通信的主要技术指标

一个跳频系统的主要技术指标包括：

a）跳频带宽

b）跳频频率的数目

c）跳频的速率

d）跳频码的长度（周期）

e）跳频系统的同步时间

一般来说，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。

跳频带宽的大小，与抗部分频带的干扰能力有关。

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。

跳频频率的数目，与抗单频干扰及多频干扰的能力有关。