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实践教学
兰州理工大学
计算机与通信学院
2014年秋季学期
通信系统综合训练
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
本次课程设计介绍了跳频通信系统的基本匸作过程，从跳频系统的结构组成、匸作原理、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。并利用Matlab 中的Simuliiik 仿真系统对跳频通信系统进行了仿真研究和理论分析。着重研究了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的工作方式及仿真设计并达到了预期结果。
关键词：跳频系统；扩频通｛a； Matlab; Simuliiik仿真
前言 (1)
1.跳频 (2)
1.1跳频通信系统简介及发展状况 (2)
1.2跳频通信系统的组成 (3)
1.2. 1跳频发送端 (3)
1.2. 2跳频接收端 (4)
13跳频通信系统关键技术 (5)
2.跳频通信理论基础 (6)
2.1跳频信号及频率合成器的设计 (6)
2.1.1伪随机码-m序列的产生 (6)
2.1.2频率合成器设计 (7)
2.2桃频调制 (7)
2.3跳频信号的解跳与解调 (8)
2.3.1跳频信号的解跳 (8)
2.3. 2跳频信号的解调 (9)
3.跳频通信系统仿真 (11)
3.1 Simuliiik 仿真介绍 (11)
3.2跳频通信系统仿真设计 (13)
3.3仿真流程图设计 (14)
3.4跳频系统模块设计仿真 (15)
3.5仿真各示波器的仿真结果 (19)
3.6系统抗干扰性能分析 (22)
总结 (23)
参考文献 (24)
前言
在科技的口益发展中，扩展频谱通信则是一种新型的通信方式。跳频通信是扩展频谱通信中的一种，跳频通信和白适应通信、扩展频谱通信以及高速数字数据通信系统被称为啰0 年代的通信技术”。由于扩展频谱通信、跳频通信极强的抗干扰能力和多址通信性能，使其在军事和民用上都得到越来越广泛的应用。本文讲述了扩频通信的基本概念和跳频系统的主要特点。
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，后来乂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。本次课设主要研究跳频扩频，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。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來。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。
扩频通信主要有以下儿种方式：直接序列扩频、桃频扩频和线性调频。
1?跳频
1.1跳频通信系统简介及发展状况
跳频通信是指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从实现通信技术來说跳频就是用伪随机码序列进行多频，选码，频移键控的通信方式即用伪随机序列构成跳频指令來控制频率合成器，并在多个频率中进行选择的频移键，是一种码控载频跳变的通信系统。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斥列调制，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，而且也是一频率桃变信号，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。
跳频通信的发展历程可概括为：40年代末理论先导，60年代研制攻关，70年代末产品问世，80年代逐步推广，90年代广泛应用，21世纪飞速发展。诚然，跳频通信是由电子对抗而首先应用于军事领域的。但是，它在民用通信的应用也越來越受到人们得密切关注。目前，跳频通信的理论和技术己经很成熟。
冃前，跳频通信在民用通信中的应用，在GSM数字蜂窝系统中，跳频技术可以提高抗衰落、抗干扰能力。跳频技术对于静态或慢速移动的移动台具有很好的抗衰落效果，而对于快速移动的移动台由于同一信道的两个连接的突发脉冲序列其位置差己足以使他们与瑞利变化不相关，因此跳频增益很小，这就是跳频所具有的频率分集。由于跳频是频率在不断的变化，频率的干扰是瞬吋的，因此跳频具有干扰分集。蓝牙(Bluetooth)也采用跳频技术來抗匸业干扰。GSM系统基地台工作在935MHZ-960MH乙移动台【:作在890MHz?915MHz,信道分配采用TDMA方式，每载波分为8个时隙，采用跳频技术实现分集接收，跳频速率为271Hops/s,蓝牙工作在ISM频段(工业、科学、医疗频段，在2.4GHz到2.48GHz之间)，跳频速率为1600Hops/s,频带宽度为1MH乙使用79个频率或者23个频率。
1.2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信息信号。
12.1跳频发送端
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、以及发送端天线等。其原理框图如图1.1所示：
图1 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，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，用跳变的频率來调制基带信号，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抬令。因此混频器输出的己调波的载波频率，也将随若抬令不断地跳变，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斥列。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來产生的，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。
1.2.2跳频接收端
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、信宿以及接收端天线等。其原理框图如图1.2所示：
图1.2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來信号高出一个中频，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，是因为外來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离出一个中频，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，同时桃频系统的该心技术是跳频同步。
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。如果系统耒同步, 则滤波器输出的是噪声信号。
13跳频通信系统关键技术
跳频系统的关键技术主要包括：频率合成器设计，跳频图案的设计，跳频同步的实现。
1、频率合成器
跳频频率合成技术是跳频通信的核心技术之一。比如在跳频通信中，抗干扰能力与其跳频速率有着密切的关系，跳频速率越高，起抗干扰能力就越强，具有捷变宽带性能的频率合成器是决定跳速的关键部件之一。频率合成是指由一个基准频率源经过变换，处理后产生一系列离散频率技术。频率合成器能输出许多与基准频率源同样高稳定度和准确度的输出信号, 且能短时间内从某一频率跳变到另一频率。
目前频率合成主要有三种方法：即直接模拟合成法（DAS）,锁相环合成法（PLL）和直接数字合成法（DDS） o
本系统采用的是直接数字合成法（DDS）,直接数字合成是最近儿年迅速发展起來的一种新的频率合成方法，与其他频率合成方法相比，它的优点是：简单可靠、控制方便、相位连续、频率分辨率高、频率转换速度快。
2、跳频图案
跳频图案用于控制载波频率随时间的变化规律，其性能对跳频系统的性能有重大影响。
3、跳频同步
在前面的跳频系统数学模型中，是假设接收端与发送端是同步的，在实际通信中要实现正确的信息传递他们必须相互同步，必须在相同的时刻使用相同的频率，要实现这一点必须通过同步系统，这是跳频系统的关键之一。同步性能的好坏对于整个通信系统性能有极大的影响，因此，要求同步系统具有较强的隐蔽性和可靠性，具有较高的同步概率较短的同步时间以及不存在明显的射频特征等特点。
2 ?跳频通信理论基础
2.1跳频信号及频率合成器的设计
2丄1伪随机码-m 序列的产生
伪随机序列也称作伪码。它是具有近似伪随机序列（噪声）的性质，而乂能按一定规律 （周期）产生和复制的序列。因为伪随机序列是只能产生而不能复制的，所以称其是“伪”的 随机序列。
常用的伪随机序列有m 序列、M 序列和R ?S 序列。
m 序列乂叫做最大长度线性反馈移位寄存器序列，m 序列产生器的一般结构如图2?5所 示，其中1,2,3…，n 是移位寄存器的编号，￡ （匸1,2,3,..」）是各移位寄存器的状态，G 对 应齐移位寄存器的反馈系数，q=l 表示该级移位寄存器参加反馈，c 严0表示该级移位寄存器
不参加反馈。图中co 和c…不能等于0,因为co=l 意味着移位寄存器无反馈，而c…=（）意味着 反馈移位寄存器要蜕化为ml 或更少级的反馈移位寄存器。
由图可见，第一级移位寄存器在下一时刻的状态是由相关移位寄存器在当前时刻的状态 经反馈后共同决定的，即反馈系数为：
3k = +。玄―+???+ C n a k-n 这是一个线性递归函数。只有当输出圧列的长度等于K=2”?l 才属于m 序列反馈移位寄 存器。下面介绍m 序列的一些特点。
任一m 序列的循环移位仍是一m 斥列，m 序列与其本身循环移位而得到的序列模二相 加仍是一m 序列。
m 焊列的优点是周期偶函数，周期为KJ,其中Tp 为m 焊列的每位（比特）宽度，K 为 m 序列的长度。白相关函数的主峰远大于其他部分，当K 很大和T P 很小的时候，白相关函数 趋向于冲击
CoQ
输岀 (2-1)
输岀 >
图11反馈移位寄存器结构
函数，即近似于白噪声的自相关特性。
m斥列的有点是产生容易和自相关性特性优良，不足之处是当移位寄存器级数n —定时，改变反馈连接方式能得到的不同m序列数目N比较少。N可用以下公式计算：
N二①(才-％(2.2)这里◎为欧拉函数。
如果反馈逻辑中的运算含有乘法运算或其他逻辑运算，则称作非线性反馈逻辑。由非线性反馈逻辑和移位寄存器构成的序列发生器所能产生最大长度序列，就叫做最大长度非线性移位寄存器序列，或叫做M序列，M序列的最大长度是图1.5给出一个七级的M序列发生器的框图。可以看出，与线性反馈逻辑不同之处在于增加了“与门”运算，与门具有乘法性质。
2.1.2频率合成器设计
在跳频系统中，其核心部分是跳频控制器，简称跳频器，它的主要作用是产生受伪码控制的随机跳变的载波频率。对跳频控制器的主要要求有：
(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)跳频图案要多，频率跳变的随机性要强：
(3)要求频率转换速度要快，输出频率数要多。
跳频控制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。所谓频率合成器是以一个或少屋的标准频率，导出多个或大量的输出频率。频率合成器通常可分为直接式频率合成器、间接式频率合成器及直接数字式频率合成器三类。
2.2跳频调制
根据数字调制信号中，在二进制时有振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)三种基本信号形式。其中FSK是信息传输中使用得较早的一种调制方式，它的优点是实现起来比较容易，抗噪声与抗衰减的性能比较好。在低速数据传输中得到广泛的应用, 同时在跳频通信系统中也比较的实用。本次课设跳频通信系统采用2FSK调制方式。
调制方式：M进制的MFSK调制
一般的BFSK信号具有如下形式(2进制FSK)调制：
m(t)= \[1S sin((w+d11Aw)t) nTb w±Aw 对应叫取1和0的频率。 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fi ,而对应于载波 频率2 o 信息码元的宽度记为耳,则2FSK 调制信号的表达式如式(2.2)所示： 其产生原理图如图1.3所示: 2.3跳频信号的解跳与解调 跳频信号的解跳与解调包括两个方面：首先是跳频信号的解跳(解扩)，解跳后信号频 率集中在窄带滤波器通带之内。接着是对解跳后的信号进行解调，得到发送的信息。在跳频 系统中一般不采用相干解调器，因为在频率合成器中难以保证齐个频率跳变信号之间的相干 性。所以跳频系统中的解调器不用锁相环路，而采用包络检波器。 2.3.1跳频信号的解跳 跳频系统的接收机，应对发対信号进行相应的反变换。首先，为了完成解跳功能，将每个接 S (t) = f Ac o sv^t [Acosw>t (2.4) 图2.2 2FSK 产生框图 时域波形如图1.4所示: S(t)A 图2 3 2FSK 信号波形 收到的跳频信号切普（Chip ）变换到窄带滤波器的通带内。为了恢复发射端的原始信息流， 需要再将已解跳的信号送到基带解调器。双通道“传号?空号”跳频接收机的原理框图如图2.4 所示： 图2.4双通道传号/空号跳频接收机原理框图 在二进制的FH 发射机里，数据的传输采用2FSK 时，是用发射某个频率（切普）表示“传 号”，而发射另一个频率表示“空号”來实现的。对于每一个信息比特，无论只发一个切普，还 是发多个切普（每个切普都一定是两个频率中的一个），接收机应能判断两个频率中哪一个是 有用信号。因此，接收机必须能够同时观测两个交替信道，或者先对一个取样，然后紧接着 对另一个取样。 2.3.2跳频信号的解调 在跳频系统屮，多采用非相干的包络检测器。典型的非相干跳频解调器如图2.5所示 : 数据输出 图25非相十跳频解胡彌 这个解调器适用于每比特信息多个频率切普的接收机，其中切普判决是根据顺序而来的每一对切普进行的。这个解调器设计成适合于“1”和切”频道的顺仔取样。也就是说，本地频率合成器把发射“1”所对应的频率插到接收机的积分清洗电路判决器中，而后紧跟着是一个与发射对应的频率。每次交替都占用半个切普周期取样。 3?跳频通信系统仿真 3.1 Simulink仿真介绍 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。 本文中跳频通信系统的仿真工具选择MATLAE提供的仿真平台SimuliiikoSimuliiik是一个用來对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样速率的多速率系统。 用Simulink模块框图进行?仿真和用Matlab函数进行?仿真有比校人的区别。在Aimuliiik 仿真中，框图中的每一个模块在每个时间步长上执行一次，也就是说，所有的模块在每一个时间步长上同时执行，这种仿真被称为时间流仿真；而在Matlab仿真中，函数按照数据流的顺序依次执行，这就意味着处理的数据首先要经过一个运算阶，然后再激活下一个运算阶，这种仿真被称为数据流仿真。 Simulink仿真软件主要有以下5个特点： 1、具有仿真与连接功能 可以利用鼠标器在模型窗口上画出所需的控制系统模型，然后利用该软件提供的功能来对系统直接进行仿真，使得一个很复杂系统的输入变得相当容易。 2、用方框图进行建模 采用此结构画模型就像用笔和纸来画一样容易，其与普通的利用微分方程或是差分方程建模比具有直观、方便、活等优点。 3、建模具有递阶结构 用户在建模时可以从上到下或从下到上的结果建立模型，建完后可以从最高级开始观看模型，然后用鼠标双击其中的子系统模块，来査看下一级的内容，从而，用户可以了解整个模型的细节。4、仿真方便 用两种仿真方式，第一种是通过Simulation的菜单方式，直接点Simulation,然后在点Start即可，非常方便、快捷。第二种是在MATLAB命令窗口键入命令进行仿真也很简单，同时用户可以通过屏幕观察仿真结果。另外，若在仿真系统中采用一些画图模块如Scope模块、GiaphScope模块等，那么直接点击模块就可观看仿真结果了。 5、具有丰富的子模型库 Simulink 包含sinks （输出方式）、source（输入源）、liiiear（线性环节）、comiections（连接与接口）、extra （其他环节）等子模型库。而每个子模型库乂包含许多功能块，同时用户也可以定制或创建所需模块。用户建模时可根据自己所需模块从相应库中找的找到。 3.2跳频通信系统仿真设计 根据前面对跳频通信基本原理的介绍，得到如图2?1所示的跳频系统仿真原理框图，由于本 文主要讨论的是跳频通信最为一种通信体制，因此在利用Simuliiik仿真匸具搭建跳频通信系统仿 真模型时假设收发双方的跳频码序列己经同步，亦即收发双方的跳频频率己经取得了同步图3.1所示： 图3 1系统仿貞模型 在跳频通信系统仿真模型中，信号的处理过程为： （1）由信源端生成准备传送的有用信号。 （2）由伪随机码序列控制2FSK部分，然后与有用信号进行相乘运算。伪随机码元控制2FSK部分 的载波的频率，在设计中使得载波的相位为零，进而可以实现信号的跳频通信。 （3）将经过跳频调制的信号，经过信道传输，叠加上信道噪声，加性高斯噪声为其信道噪声。 （4）接收信号，在接收端的相关器中进行相关处理，相关处理时要求发送端的随机码字与采用的伪随机码保持严格的同步，其中伪随机生成模块产生相应的伪随机码。 （5）相关器的输出结果利用计数器进行统计，然后完成比较，判决过程，恢复出原始信号。 （6）将恢复出的有用信号与其发送端的原始信号同时送入误码仪进行比较，计算出误码率。 3.3仿真流程图设计 Simiilink 在仿真的特定阶段，控制模块完成特定的功能，同时反复调用模型文件中的每 个模块，如更新离散状态值、计算状态导数和计算输出等，为了中止仿真任务或考执行初始 化，仿真的开始部分以及结束部分还需要调用一些附加过程。 Simuliiik 进行一次仿真的完整流程图，如图3.2所示： 对于此仿真流程，先将模块初始化，再进入仿真环。在仿真环中，先计算出下次抽样时 间用于可变模块的抽样时间，然后再计算最大步长输出、最大步长离散状态、导数及输出计 算，在仿真环的最后进行零交点定位。其中，积分最小步长时间为导数、输出、再到导数的 时间。最后，结束程序，完成所执行的任务。 仿貞环 分 小 长 枳最步 图3 2仿真的工作流程图 3.4跳频系统模块设计仿真 利用Matlab中的Simuliiik对跳频通信系统进行模型建立，跳频扩展频谱通信系统的仿真框图如图3.3所示： 图3 3跳频通信系统的仿真结构框图 跳频通信系统，将其中的2FSK调制部分，2FSK解调部分，跳频子系统分别进行封装, 封装之后的跳频通信系统的仿真结构框图如图3.4所示： 图3 4含有封装子系统的跳频通信系统的仿真结构框图 各部分的详细结构和设计介绍如下： （1）信源模块 信号生成部分是利用随机整数信号发生器（Random-integer Generator）來产生，该模块的参数设置是产生二进制随机序列信号，采样时间设为1,即1秒产生一个码元。它产生的是频率为1HZ 的二进制随机信号。在发射端，将信息数据经通常的信息调制后变为带宽Bn的调制信号，受伪随机码控制的可变频率合成器与本振合成发射载波频率，是发射机在带宽氏内, 不同的时间间隔To输出按伪随机码规律跳变的不同载频的载波信号，形成跳频信号。信源仿真参数如图2.5 图3 5信源参数设置图 （2）2FSK调制仿真模块 由信源产生的二进制随机信号，先通过频率键控來产生?个2FSK信号（发送“1”所用的裁波频率为fi=6HZ:发送勺”所用的载波频率为f2=4HZ）0在进行跳频调制时，把跳频子系统 模块产生的信号与产生的2FSK信号进行相乘（即跳频调制），产生的信号即为跳频调制信号, 然后把跳频调制信号经过信道发送过去。在本文中采用的是二进制频移键控（2FSK） , 2FSK 信号是由频率分别为fl和fl的两个载波对信号源进行频率上的控制而成的2FSK信号产生 ^Jsimulink仿真模型如图3.6所示: ?en era tori 图3 6 2FSK调制子系统仿真结构框图 （3）2FSK解调仿真模块 由于本文跳频系统的仿真中没有考虑同步电路，因此接收端的本地跳频序列控制频率合成器产生跳变的频率直接由发射端连接过來参与解跳，与接收信号相乘后通过一个低通滤波器即完成了解跳。由于跳频频率不断跳变，发送与接收之间要保持相位相干是很困难的，因此采用2FSK非相干解调在接收端用跳频子系统模块产生的跳频信号与经过信道后接收的跳频调制信号进行乘法运算，也就是对其进行解跳，将得到桃频解调信号，如仿真结构框图中的跳频解调信号所示。接着，对其进行2FSK相干解调，两个带通滤波器将分别滤出频率为fl及血的信号，输出信号分别与相应的相干载波相乘，然后提取出含有基带数字信息的低频信号，这一过程分别需要将其相应信号通过低通滤波器。仿真图如图3.7所示： birtt er Analpfl Filter D?ign3 (4)误码率统计模块
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