64_4523266_畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-跳頻通信仿真.doc

前 言當(dāng)今信息時(shí)代，如何有效的利用寶貴的頻帶資源，如何進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的信息通信是通信領(lǐng)域中至關(guān)重要的問(wèn)題。擴(kuò)頻通信正是在這種背景下迅速發(fā)展起來(lái)的?？煺{(diào)頻通信是擴(kuò)頻通信的一種實(shí)現(xiàn)方式，在抗干擾和保密性方面，它是擴(kuò)頻通信中很好的通信方式。在具體的實(shí)現(xiàn)上，跳頻通信是一個(gè)用戶的載波按某種跳頻圖案（偽隨機(jī)跳頻序列）在很寬的頻帶范圍內(nèi)隨機(jī)的跳變。由于頻率跳變的不確定性，所以很好的實(shí)現(xiàn)了保密通信。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，是用matlab實(shí)現(xiàn)快跳頻通信系統(tǒng)的仿真。matlab是一種功能強(qiáng)大的軟件，在統(tǒng)計(jì)、信號(hào)處理、人工智能以及通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在快跳頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，主要用到simulink和communication blocks兩個(gè)工具箱。在具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，還要結(jié)合用matlab語(yǔ)言編寫(xiě)的程序?qū)崿F(xiàn)整個(gè)過(guò)程的設(shè)計(jì)。這篇論文共分五章：第一章是緒論部分，主要介紹一些擴(kuò)頻通信的發(fā)展、概念、理論和應(yīng)用。第二章重點(diǎn)介紹快跳頻通信系統(tǒng)的性能分析，包括快跳頻通信系統(tǒng)的模型、主要特點(diǎn)，快跳頻圖案設(shè)計(jì)和偽隨機(jī)碼的選擇。第三章著重介紹快跳頻通信系統(tǒng)的仿真實(shí)現(xiàn)，主要包括在matlab環(huán)境下仿真框圖的實(shí)現(xiàn)以及功能?？焯l系統(tǒng)仿真模型各個(gè)部分的設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)思路。第四章給出在快跳頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中用到的源程序以及仿真的結(jié)果。本篇論文的總結(jié)將放在第五章。第一章 緒論11 概述擴(kuò)頻通信，即擴(kuò)展頻譜通信(spread spectrum communication)，它與光纖通信、衛(wèi)星通信，一同被譽(yù)為進(jìn)入信息時(shí)代的三大高技術(shù)通信傳輸方式。具有巨大的發(fā)展前景。擴(kuò)展頻譜通信（spread spectrum communication）的原理發(fā)表的很早，它是將待傳送的信息數(shù)據(jù)被偽隨機(jī)編碼也就是擴(kuò)頻序列調(diào)制，實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展以后再在信道中傳輸，接收端則采用與發(fā)送端完全相同的編碼進(jìn)行解調(diào)和相關(guān)處理，從而恢復(fù)出原始的信息數(shù)據(jù)。從這里我們可以看出，擴(kuò)展頻譜通信（以下簡(jiǎn)稱(chēng)擴(kuò)頻通信）作為一種新的通信方式與一般的常見(jiàn)的窄帶通信方式是不同的，它們剛好相反，它是在發(fā)送端經(jīng)過(guò)擴(kuò)展頻譜以后，在信道中進(jìn)行寬帶傳輸，然后在接收端進(jìn)行相關(guān)處理以及解擴(kuò)后恢復(fù)成窄帶后解調(diào)數(shù)據(jù)。恢復(fù)出原始信息數(shù)據(jù)。因此，擴(kuò)頻通信具有偽隨機(jī)編碼調(diào)制和相關(guān)處理兩個(gè)特點(diǎn)。也正是這兩個(gè)特點(diǎn)，使得擴(kuò)頻通信方式有許多優(yōu)點(diǎn):如抗干擾、抗噪音、抗多徑衰落、具有保密性、功率譜密度低，具有隱蔽性和低的截獲概率、可多址復(fù)用和任意選址、可以用于高精度測(cè)量等。正是由于擴(kuò)頻通信方式具有上述的優(yōu)點(diǎn)，所以擴(kuò)頻通信雖然是一種新型的通信方式，但是引起了人們的廣泛注意，得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。從擴(kuò)頻通信的應(yīng)用發(fā)展來(lái)看，真正開(kāi)始研究它的應(yīng)用的是在上個(gè)世紀(jì)50年代中期美國(guó)開(kāi)始的。剛開(kāi)始一直用于軍事通信領(lǐng)域，因?yàn)樵谲娛峦ㄐ胖?，一般通信方式在?qiáng)干擾存在的情況下，很難準(zhǔn)確的檢測(cè)出發(fā)送來(lái)的信號(hào)，由于擴(kuò)頻通信具有很好的保密信和抗干擾性，所以首先開(kāi)始了在軍事通信領(lǐng)域的應(yīng)用。成為擴(kuò)頻通信研究發(fā)展的開(kāi)端，從此，軍事通信機(jī)關(guān)對(duì)軍事通信、空間探測(cè)、衛(wèi)星偵察等方面廣泛應(yīng)用擴(kuò)頻通信技術(shù)。60年代以來(lái)，隨著民用通信事業(yè)的發(fā)展，頻帶擁擠問(wèn)題日益突出，成為通信技術(shù)發(fā)展上的一個(gè)突出的問(wèn)題。隨著信號(hào)處理技術(shù)、大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，編碼和相關(guān)處理能夠方便的進(jìn)行，通信技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了擴(kuò)頻通信理論、方法、技術(shù)等各方面的研究發(fā)展和應(yīng)用普及。軍事產(chǎn)品開(kāi)始向民用轉(zhuǎn)化。在80年代開(kāi)始在民用領(lǐng)域得到應(yīng)用。為了滿足日益增長(zhǎng)的民用通信容量的需求和有效地利用頻譜資源，各國(guó)都紛紛提出在數(shù)字峰窩移動(dòng)通信、衛(wèi)星移動(dòng)通信和未來(lái)的個(gè)人通信中采用擴(kuò)頻技術(shù)，擴(kuò)頻技術(shù)已廣泛應(yīng)用于蜂窩電話、無(wú)繩電話、微波通信、無(wú)線數(shù)據(jù)通信、遙測(cè)、監(jiān)控、報(bào)警等系統(tǒng)中。擴(kuò)頻通信理論方法、技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展，經(jīng)歷了幾個(gè)階段，第一階段是在1977年前后，在早期建立的擴(kuò)頻通信理論的基礎(chǔ)上，卓有成效的豐富和發(fā)展了擴(kuò)頻通信的理論、方法和實(shí)用技術(shù)，1977年8月的ieee通信匯刊的擴(kuò)頻通信專(zhuān)集和1978年在日本東京都舉行的國(guó)際無(wú)線通信咨詢委員會(huì)全會(huì)對(duì)擴(kuò)頻通信的專(zhuān)門(mén)研究集中反映了擴(kuò)頻通信的研究成果，開(kāi)始了世界性的對(duì)擴(kuò)頻通信的全面研究。第二個(gè)階段的顯著標(biāo)志是擴(kuò)頻通信開(kāi)始民用。1982年美國(guó)第一次軍事通信會(huì)議，公開(kāi)展示了擴(kuò)頻通信在軍事通信中的主導(dǎo)作用，報(bào)告了擴(kuò)頻通信在軍事通信各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，并開(kāi)始了擴(kuò)頻通信的民用調(diào)查。這是擴(kuò)頻通信發(fā)展的第二個(gè)階段。擴(kuò)頻通信發(fā)展的第三個(gè)階段開(kāi)始于1985年5月美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)制定了民用公共安全、工業(yè)、科學(xué)與醫(yī)療和業(yè)余無(wú)限電采用擴(kuò)頻通信的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。以后世界各國(guó)相繼行動(dòng)，組織擴(kuò)頻通信專(zhuān)門(mén)研究機(jī)構(gòu)和學(xué)術(shù)團(tuán)體，開(kāi)始了擴(kuò)頻通信的深入研究和廣泛應(yīng)用，這就是擴(kuò)頻通信發(fā)展的第三個(gè)階段。近年來(lái)，第三代移動(dòng)通信的飛速發(fā)展，把擴(kuò)頻通信的研究、應(yīng)用和發(fā)展都推向了新的階段。12 擴(kuò)頻通信的基本概念和理論基礎(chǔ)121 擴(kuò)頻通信的定義所謂擴(kuò)頻通信，簡(jiǎn)單的可以這樣表述：擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，其信號(hào)所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大與所傳輸?shù)男畔⑺匦璧淖钚挘l帶的展寬通過(guò)編碼和調(diào)制的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，與所傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)無(wú)關(guān)，在接收端用相同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)及恢復(fù)所傳的信息數(shù)據(jù)。從這個(gè)定義中我們可以看到它包含了以下三個(gè)方面的含義：首先，信號(hào)的頻譜被擴(kuò)展寬了。在信息傳輸中，我們知道任何信息都需要一定的帶寬，稱(chēng)為信息帶寬。為了充分利用頻率資源，通常盡量采用大體相當(dāng)?shù)膸挼男盘?hào)來(lái)傳送信息，在無(wú)線電通信中，射頻信號(hào)的帶寬與所傳信息的帶寬是相比擬的，如我們熟悉的調(diào)幅信號(hào)傳送的語(yǔ)聲信號(hào)，其帶寬為語(yǔ)聲信息帶寬的兩倍，這被成為窄帶通信，而擴(kuò)頻通信信號(hào)帶寬與信息帶寬之比( 我們稱(chēng)之為處理增益)可以達(dá)到1001000倍，這就是我們常說(shuō)的寬帶通信。至于為什么要用這樣寬的頻帶的信號(hào)傳輸信息，在下面的理論分析中可以得到答案。其次，采用擴(kuò)頻碼序列調(diào)制方式展寬信號(hào)頻譜。我們知道，在時(shí)間上有限的信號(hào)，其頻譜是無(wú)限的。例如很窄的脈沖信號(hào)，其頻譜則很寬。信號(hào)的頻帶寬度與其持續(xù)時(shí)間近似成反比。1微秒的脈沖的帶寬約為1mhz。因此，如果用限窄的脈沖序列被所傳信息調(diào)制，則可產(chǎn)生很寬頻帶的信號(hào)。如直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)就是采用這種方法獲得擴(kuò)頻信號(hào)。這種很窄的脈沖碼序列，其碼速率是很高的，稱(chēng)為擴(kuò)頻碼序列。這里需要說(shuō)明的一點(diǎn)是所采用的擴(kuò)頻碼序列與所傳信息數(shù)據(jù)是無(wú)關(guān)的，也就是說(shuō)它與一般的正弦載波信號(hào)一樣，絲毫不影響信息傳輸?shù)耐该餍浴U(kuò)頻碼序列僅僅起擴(kuò)展信號(hào)頻譜的作用。第三，在接收端用相關(guān)解調(diào)來(lái)解擴(kuò)。正如在一般的窄帶通信中，已調(diào)信號(hào)在接收端都要進(jìn)行解調(diào)來(lái)恢復(fù)所傳的信息。在擴(kuò)頻通信中接收端則用與發(fā)送端相同的擴(kuò)頻碼序列與收到的擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解調(diào)，恢復(fù)所傳的信息。換句話說(shuō)，這種相關(guān)解調(diào)起到解擴(kuò)的作用。即把擴(kuò)展以后的信號(hào)又恢復(fù)成原來(lái)所傳的信息。這種在發(fā)端把窄帶信息擴(kuò)展成寬帶信號(hào)，而在收端又將其解擴(kuò)成窄帶信息的處理過(guò)程，會(huì)帶來(lái)一系列好處。弄清楚擴(kuò)頻和解擴(kuò)處理過(guò)程的機(jī)制，是理解擴(kuò)頻通信本質(zhì)的關(guān)鍵所在。c 長(zhǎng)期以來(lái)，人們總是想法使信號(hào)所占領(lǐng)譜盡量的窄，以充分利用十分寶貴的頻譜資源。為什么要用這樣寬頻帶的信號(hào)來(lái)傳送信息呢? 簡(jiǎn)單的回答就是主要為了通信的安全可靠。這可以用信息論和抗干擾理論的基本觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)明。在信息論中關(guān)于信道容量的香農(nóng)定理用數(shù)學(xué)表達(dá)式可以表示為：c wlog2(1十p/n) （1）從這個(gè)公式中我們可以得到：在給定信號(hào)功率p和白噪聲功率n的情況下，只要采用某種編碼系統(tǒng)，就能以任意小的差錯(cuò)概率，以接近于c的傳輸信息的速率來(lái)傳送信息。其中w為頻帶寬度，c為傳輸速率。這個(gè)公式暗示在保持信息傳輸速路c不變的條件下，可以用不同的頻帶寬度w和信噪比p/w來(lái)傳輸信息。也就是說(shuō)，頻帶w和信噪比p/w是可以互換的。如果增加頻帶寬度，就可以在較低的信噪比的情況下用相同的信息率以任意小的差錯(cuò)概率傳輸信息，甚至是在信號(hào)被噪聲淹沒(méi)的情況下，只要相應(yīng)的增加信號(hào)的帶寬，也能保持可靠的通信。這一公式指明了采用擴(kuò)展頻譜信號(hào)通信的優(yōu)越性，即用擴(kuò)展頻譜的方法換取信噪比的改善。擴(kuò)頻通信可行性的另一理論基礎(chǔ)，為柯捷爾尼可夫關(guān)于信息傳輸差錯(cuò)概公式： pow f(e/n。) （2）公式指出：差錯(cuò)概率pow是信號(hào)能量e與噪聲功率密度n。之比的函數(shù)。設(shè)信號(hào)頻帶寬度為w，信息時(shí)間為t。信號(hào)功率為pe/t,噪聲功率為nwno,信息帶寬為d f1/t，則上式可以表示為：powj f(tw.p/n) = f(p/n.w/d f )（3）。這個(gè)式子說(shuō)明：對(duì)于一定帶寬 df的信息而言，用gp值較大的寬帶信號(hào)來(lái)傳輸，可以提高通信抗干擾能力，保證強(qiáng)干擾條件下，通信的安全可靠。即式(4)與式(2)一樣，說(shuō)明信噪比和帶寬是可以互換的。13擴(kuò)頻通信的主要特點(diǎn)由于擴(kuò)頻通信大大擴(kuò)展了信號(hào)的頻譜，發(fā)送端用擴(kuò)頻碼序列調(diào)制，在接收端利用相關(guān)解調(diào)技術(shù)恢復(fù)出信息數(shù)據(jù)，所以它具有很多特點(diǎn)和其他通信方式所不能有的一系列優(yōu)良的性能，具體的說(shuō)它有以下的特點(diǎn)1 抗干擾性強(qiáng)頻通信系統(tǒng)的頻譜越寬，處理增益越高，抗干擾性能越強(qiáng)，從理論上講，擴(kuò)頻通信能把信號(hào)從噪聲淹沒(méi)中提取出來(lái)。當(dāng)然，在接收端一般采用相關(guān)檢測(cè)或匹配濾波的方法提取信號(hào)。此外，對(duì)于單頻及多頻載波信號(hào)的干擾、其他偽隨機(jī)調(diào)制信號(hào)的干擾以及脈沖正弦信號(hào)的干擾等，擴(kuò)頻系統(tǒng)都有抑制干擾提高輸出信噪比的作用。特別是對(duì)抗敵人人為干擾方面，效果更是突出，這也是在軍事通信領(lǐng)域率先廣泛應(yīng)用的主要原因。簡(jiǎn)單的說(shuō)，如果信號(hào)帶寬展寬10倍，干擾方面需要在更寬的頻帶進(jìn)行干擾，分散了干擾功率。在總功率率不變的條件下，其干擾強(qiáng)度只有原來(lái)的1/10。要保持原有的干擾強(qiáng)度，必須加大10倍總功率，這在實(shí)際的戰(zhàn)場(chǎng)條件下有時(shí)是很難實(shí)現(xiàn)的。另外，由于在接收端采用擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)，即使采用同類(lèi)型信號(hào)進(jìn)行干擾，如果不能檢測(cè)出有用信號(hào)的碼序列，由于不同碼序列之間的相關(guān)性，干擾也起不了太大的作用。可以說(shuō)?？垢蓴_性是擴(kuò)頻通信最突出的優(yōu)點(diǎn)。2 隱蔽性好由于擴(kuò)頻信號(hào)在很寬的頻帶上被擴(kuò)頻，單位頻帶內(nèi)的功率很小，即信號(hào)的功率譜密度很低，所以應(yīng)用擴(kuò)頻碼序列擴(kuò)展頻譜的序列擴(kuò)頻系統(tǒng)，可在信道噪聲和熱噪聲的背景下在很低的信號(hào)功率譜密度上通信。信號(hào)既然被淹沒(méi)在噪聲里，敵方就很不容易發(fā)現(xiàn)有信號(hào)的存在，想進(jìn)一步檢測(cè)信號(hào)的參數(shù)就更困難了。因此，擴(kuò)頻信號(hào)具有很低的被截獲概率，這在軍事通信上是十分有用的，可以進(jìn)行隱蔽通信。再者，由于擴(kuò)頻信號(hào)具有很低的功率譜密度，對(duì)目前使用的各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小。近年來(lái)在民用通信上，各國(guó)都在研究和在原有窄帶通信的頻帶內(nèi)同時(shí)進(jìn)行擴(kuò)頻通信，大大提高了頻帶利用率。特別是對(duì)于一些信的通信服務(wù)，如個(gè)人通信服務(wù)，采用擴(kuò)頻碼分多址方式時(shí)，理論和實(shí)踐證明，不需要分配另外的頻段即可實(shí)現(xiàn)，因而引起了廣泛的重視。3 實(shí)現(xiàn)碼分多址我們知道，擴(kuò)頻通信提高了抗干擾性，但是卻付出了占用頻帶寬的代價(jià)。如果讓許多用戶共同使用這一寬頻帶，可大為提高頻帶利用率。由于在擴(kuò)頻通信中存在擴(kuò)頻碼序列之間優(yōu)良的自相關(guān)特性和互相關(guān)特性，在接收端利用相關(guān)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行解擴(kuò)，則在分配給不同用戶不同碼型的情況下可以區(qū)分不同用戶的信號(hào)，提取信號(hào)。這樣，在一個(gè)寬頻帶上，許多對(duì)用戶可以同時(shí)通話而不相互干擾，這與利用頻帶分割或時(shí)間分割方法實(shí)現(xiàn)多址通信的概念相類(lèi)似，即用不同的碼型進(jìn)行分割，所以成為碼分多址（cdma）。碼分多址方式雖然要占用較寬的頻帶，但是平均到每個(gè)用戶占用的頻帶來(lái)計(jì)算，其頻帶利用率是很高的。最近的研究表明，在數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信中，采用擴(kuò)頻碼分多址技術(shù)可以提高容量20倍，除此之外，采用碼分多址，還有利于組網(wǎng)、選呼、增加保密性、解決新用戶隨時(shí)入網(wǎng)等問(wèn)題。4抗多徑干擾在無(wú)線電通信的各個(gè)頻段，即短波、超短波、微波和光纖通信的光波中大量存在各種類(lèi)型的多徑干擾。長(zhǎng)期以來(lái)，抗多徑干擾問(wèn)題始終是一個(gè)難以解決的問(wèn)題之一。一般的方法是排除干擾或變害為利。前者是設(shè)法把最強(qiáng)的有用信號(hào)分離出來(lái)，排除其他路徑的干擾信號(hào)，這就是采用分集技術(shù)的基本思路。后者是設(shè)法把不同路徑來(lái)的延時(shí)的信號(hào)在接收端從時(shí)間上對(duì)齊相加，合并成較強(qiáng)的有用信號(hào)，這就是采用梳狀濾波器的基本思路。這兩種基本方法在擴(kuò)頻通信中都是很容易實(shí)現(xiàn)的。簡(jiǎn)單的說(shuō)。就是可以利用擴(kuò)頻碼序列之間的相關(guān)性，在接收端用相關(guān)技術(shù)從多徑信號(hào)中提取和分離出最強(qiáng)的有用信號(hào)，或把多個(gè)路徑來(lái)的同一碼序列的波形相加合成。另外，在跳頻通信系統(tǒng)中，由于用多個(gè)頻率的信號(hào)傳送同一信息，實(shí)際上起到了頻率分集的作用。因此，在目前民用數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信及有的軍事通信設(shè)備中經(jīng)常采用簡(jiǎn)單的跳頻技術(shù)作為抗多徑干擾的一種手段。5 能精確地定時(shí)和測(cè)距電磁波在空間地傳播速度是固定不變地光速，我們可以很自然地想到如果能夠精確測(cè)量電磁波在兩個(gè)物體之間傳播地時(shí)間，也就等于測(cè)量出了兩個(gè)物體之間的距。在擴(kuò)頻通信中如果擴(kuò)展頻譜很寬，意味著所采用的擴(kuò)頻碼速率很高，每個(gè)碼片占用的時(shí)間很短。當(dāng)發(fā)射出去的擴(kuò)頻信號(hào)在被測(cè)物體反射回來(lái)后在接收端調(diào)出擴(kuò)頻序列，比較收發(fā)兩端兩個(gè)碼序列的相位之差，就可以精確測(cè)出擴(kuò)頻信號(hào)往返的時(shí)間差，算出兩者之間的距離。測(cè)量的精確度決定于碼片的寬度，也就是擴(kuò)展頻譜的寬度。碼片越窄，精度越高。目前廣泛應(yīng)用的全球定位系統(tǒng)也就是利用擴(kuò)頻信號(hào)的這一特點(diǎn)來(lái)精確定位和定時(shí)的。1 4擴(kuò)頻通信的幾種方式 擴(kuò)頻通信的框圖結(jié)構(gòu)可以用如下的方框圖表示：信 道擴(kuò)頻調(diào)制信 源數(shù)據(jù)調(diào)制擴(kuò)頻編碼發(fā)生器 （發(fā)送部分的結(jié)構(gòu)框圖）同步時(shí)鐘信息接收數(shù)據(jù)解調(diào)擴(kuò)頻解調(diào)擴(kuò)頻編碼發(fā)生器 （接收部分的結(jié)構(gòu)框圖） 從上面的框圖結(jié)構(gòu)中我們可以看到與一般的通信方式不同，擴(kuò)頻通信增加了擴(kuò)頻調(diào)制和解擴(kuò)部分兩個(gè)環(huán)節(jié)。按工作方式我們可以把擴(kuò)頻通信劃分為如下幾種工作方式： 1 直接序列擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)（ds-ss） 這種擴(kuò)頻系統(tǒng)簡(jiǎn)稱(chēng)為直接序列（ds）系統(tǒng)，準(zhǔn)確的說(shuō)，這種系統(tǒng)應(yīng)該稱(chēng)為直接用編碼序列對(duì)載波調(diào)制的系統(tǒng)。直接序列系統(tǒng)中用的編碼序列通常是偽隨機(jī)序列或叫偽噪聲（pn）碼，要傳送的信息經(jīng)數(shù)字化后變成二元數(shù)字序列，它和偽隨機(jī)序列模2加后合成復(fù)合碼去調(diào)制載波。在接收端要有一個(gè)和發(fā)送端中的偽隨機(jī)碼同步的本地碼，對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)，解括后的信號(hào)送到解調(diào)器取出傳送的信息。2）跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)（fh_ss） 所謂跳頻，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(shuō)，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(chēng)為跳頻。更確切的說(shuō)因該叫做“多頻、碼選、頻移鍵控”系統(tǒng)。3） 跳時(shí)擴(kuò)頻系統(tǒng)（fh_ss）與跳頻相似，跳時(shí)(thtime hopping)是使發(fā)射信號(hào)在時(shí)間軸上跳變。首先把時(shí)間軸分成許多時(shí)片。在一幀內(nèi)哪個(gè)時(shí)片發(fā)射信號(hào)由擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行控制?？梢园烟鴷r(shí)理解為：用一定碼序列進(jìn)行選擇的多時(shí)片的時(shí)移鍵控。跳時(shí)也可以看成是一種時(shí)分系統(tǒng)，所不的地方在于它不是在一幀中固定分配一定位置的時(shí)片，而是由擴(kuò)頻碼序列控制的按一定規(guī)律跳變位置的時(shí)片。跳時(shí)系統(tǒng)的處理增益等于一幀中所分的時(shí)片數(shù)。跳時(shí)一般和跳頻結(jié)合起來(lái)使用，兩者一起構(gòu)成“跳頻跳時(shí)”系統(tǒng)4）混合式擴(kuò)頻系統(tǒng) 以上3中基本擴(kuò)頻方式中的兩種或多種結(jié)合起來(lái)，便構(gòu)成了一些混合擴(kuò)頻體制，如fh/ds、fh/th、ds/fh等，它們比單一的擴(kuò)頻、跳頻、跳時(shí)體制有更優(yōu)良的性能。第二章 快跳頻通信系統(tǒng)的性能分析 21 跳頻系統(tǒng)概述 211 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及信號(hào)傳輸過(guò)程跳頻通信系統(tǒng)（fh-ss）是一個(gè)用戶的載波頻率按某種跳頻圖案（偽隨機(jī)調(diào)頻序列）在很寬的頻帶范圍內(nèi)跳變的通信系統(tǒng)。如圖2.1所示。信息信號(hào)經(jīng)過(guò)波形調(diào)制（信息調(diào)制）后，送入載波調(diào)制。載波由跳變序列（偽隨機(jī)序列）控制跳變頻率合成器來(lái)產(chǎn)生，其頻率隨跳頻序列的值的改變而改變，因此，載波首先被跳變序列調(diào)制，稱(chēng)作調(diào)頻調(diào)制。跳變頻率合成器受跳頻序列控制，當(dāng)跳頻序列值改變一次時(shí)，則載波頻率跳變一次。跳頻序列習(xí)慣上被稱(chēng)作跳頻指令，跳變頻率合成器被稱(chēng)作跳頻合成器。信息信號(hào)經(jīng)過(guò)載波調(diào)制后形成跳頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)信道傳輸被接收機(jī)接收。接收機(jī)首先從發(fā)送來(lái)的調(diào)頻信號(hào)中提取跳頻同步信號(hào)，使接收機(jī)頻率本地偽隨機(jī)序列控制的頻率跳變與接收到的跳頻信號(hào)的頻率跳變同步。產(chǎn)生與發(fā)射機(jī)頻率完全同步一致的本地載波。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為解跳。再用本地載波與接收信號(hào)作解調(diào)（載波解調(diào)），可獲得攜帶有信息得信號(hào)，從而得到發(fā)射機(jī)發(fā)送來(lái)的信息，實(shí)現(xiàn)跳頻通信。信息解調(diào)解 擴(kuò)信 道擴(kuò)頻調(diào)制信息調(diào)制信號(hào)信息 跳變頻率合成器pn碼發(fā)生器跳變頻率合成器 pn碼發(fā)生器 同步電路 圖2。1 調(diào)頻通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖212 跳頻系統(tǒng)的幾個(gè)概念 1 為什么要跳頻 通常我們所接觸到的無(wú)線通信系統(tǒng)都是載波頻率固定的通信系統(tǒng)，如無(wú)線對(duì)講機(jī)，汽車(chē)移動(dòng)電話等，都是在指定的頻率上進(jìn)行通信，所以也稱(chēng)作定頻通信。這種定頻通信系統(tǒng)，一旦受到干擾就將使通信質(zhì)量下降，嚴(yán)重時(shí)甚至使通信中斷。例如：電臺(tái)的廣播節(jié)目，一般是一個(gè)發(fā)射頻率發(fā)送一套節(jié)目，不同的節(jié)目占用不同的發(fā)射頻率。有時(shí)為了讓聽(tīng)眾能很好地收聽(tīng)一套節(jié)目，電臺(tái)同時(shí)用幾個(gè)發(fā)射頻率發(fā)送同一套節(jié)目。這樣，如果在某個(gè)頻率上受到了嚴(yán)重干擾，聽(tīng)眾還可以選擇最清晰的頻道來(lái)收聽(tīng)節(jié)目，從而起到了抗干擾的效果。但是這樣做的代價(jià)是需要很多額譜資源才能傳送一套節(jié)目。如果在不斷變換的幾個(gè)載波頻率上傳送一套廣播節(jié)目，而聽(tīng)眾的收音機(jī)也跟隨著不斷地在這幾個(gè)頻率上調(diào)諧接收，這樣，即使某個(gè)頻率上受到了干擾，也能很好地收聽(tīng)到這套節(jié)目。這就變成了一個(gè)跳頻系統(tǒng)。另外在敵我雙方的通信對(duì)抗中，敵方企圖發(fā)現(xiàn)我方的通信頻率，以便于截獲所傳送的信息內(nèi)容，或者發(fā)現(xiàn)我方通信機(jī)所在的方位，以便于引導(dǎo)炮火摧毀。定頻通信系統(tǒng)容易暴露目標(biāo)且易于被截獲，這時(shí)，采用跳頻通信就比較隱蔽也難以被截獲。因?yàn)樘l通信是“打一槍換一個(gè)地方”的游擊通信策略、使敵方不易發(fā)現(xiàn)通信使用的頻率，一旦被敵方發(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)敵方摸不清“轉(zhuǎn)移規(guī)律”時(shí)，就很難截獲我方的通信內(nèi)容。因此，跳頻得到了廣泛的研究和應(yīng)用。2 什么是跳頻圖案為了不讓敵方知道我們通信使用的頻率，需要經(jīng)常改變載波頻率，即“打一槍換一個(gè)地方”似地對(duì)載波頻率進(jìn)行跳變，跳頻通信中載波頻率改變的規(guī)律，叫作跳頻圖案。通常我們希望頻率跳變的規(guī)律不被敵方所識(shí)破，所以需要隨機(jī)地改變以至無(wú)規(guī)律可循才好。但是若真的無(wú)規(guī)律可循的話，通信的雙方(或友軍)也將失去聯(lián)系而不能建立通信。因此，常采用偽隨機(jī)改變的跳頻圖案。 只有通信的雙方才知道此跳頻圖案，而對(duì)敵方則是絕對(duì)的機(jī)密。所謂“偽隨機(jī)”，就是“假”的隨機(jī)，其實(shí)是有規(guī)律性可循的，但當(dāng)敵方不知跳頻圖案時(shí)，就很難猜出其跳頻的規(guī)律來(lái)。 22 跳頻信號(hào)的發(fā)送和接收221 跳頻信號(hào)的發(fā)送 在傳統(tǒng)的定頻通信系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)中的主振蕩器的振蕩頻率是固定設(shè)置的，因而它的載波頻率是固定的。為了得到載波頻率是跳變的跳頻信號(hào)，要求主振蕩 器的頻率應(yīng)能遵照控制指令而改變。這種產(chǎn)生跳頻信號(hào)的裝置叫跳頻器。通常，跳頻器是由頻率合成器和跳頻指令發(fā)生器構(gòu)成的， 跳頻系統(tǒng)的頻率合成器輸出什么頻率的載波信號(hào)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)。跳頻器輸出的跳變的頻率序列，就是跳頻圖案。因此，有什么樣的跳頻指令就會(huì)產(chǎn)生什么樣的跳頻圖案?通常，是利用偽隨機(jī)發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生跳頻指令的，或者由軟件編程來(lái)產(chǎn)生跳頻指令。所以，跳頻系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是跳頻器，更具體地，是能產(chǎn)生頻譜純度好的快速切換的頻率合成器和偽隨機(jī)性好的跳頻指令發(fā)生器。由跳頻信號(hào)產(chǎn)生的過(guò)程可以看出，不論是數(shù)字的或模擬的定頻發(fā)送系統(tǒng)，在原理上，只要加裝上一個(gè)跳頻器就可變成一個(gè)跳頻的發(fā)送系統(tǒng)。但是在實(shí)際系統(tǒng)中尚需考慮信道機(jī)的通帶寬度。 222跳頻信號(hào)的接收 定頻信號(hào)的接收設(shè)備中，一般都采用超外差式的接收方法，即接收機(jī)本地振蕩器的頻率比所接收的外來(lái)信號(hào)的載波頻率相差一個(gè)中頻，經(jīng)過(guò)混頻后產(chǎn)生一個(gè)固定的中頻信號(hào)和混頻產(chǎn)生的組合波頻率成分。經(jīng)過(guò)中頻帶通濾波器的濾波作用，濾除組合波頻率成分，而使中頻信號(hào)進(jìn)入解調(diào)器。解調(diào)器的輸出就是所要傳送給收端的信息。跳頻信號(hào)的接收，其過(guò)程與定頻的相似。為了保證混頻后獲得中頻信號(hào)，要求頻率合成器的輸出頻率要比外來(lái)信號(hào)高出一個(gè)中頻。因?yàn)橥鈦?lái)的信號(hào)載波頻率是跳變的，則要求本地頻率合成器輸出的頻率也隨著外來(lái)信號(hào)的跳變規(guī)律而跳變，這樣才能通過(guò)混頻獲得一個(gè)固定的中頗信號(hào)。跳頻器產(chǎn)生的跳頻圖案應(yīng)當(dāng)與所要要高出一個(gè)中頻，并且要求收、發(fā)跳頻完全同步。所以，接收機(jī)中的跳頻器還需受同步指令的控制，以確定其跳頻的起、止時(shí)刻。 可以看出，跳頻器是跳頻系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，而跳頻同步則是跳頻系統(tǒng)的該心技術(shù)。223 正確接收跳頻信號(hào)的條件跳頻系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)跳頻通信，正確接收跳頻信號(hào)的條件是跳頻系統(tǒng)的同步。 跳頻系統(tǒng)的同步是關(guān)系到跳頻通信能否建立的關(guān)鍵。那么，怎樣才能實(shí)現(xiàn)通信雙方的跳頻同步呢? 同步的含義是：跳頻圖案相同, 跳變的頻率序列(也稱(chēng)頻率表)相同，跳變的起止時(shí)刻(也稱(chēng)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(kāi)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。（在本次快跳頻系統(tǒng)仿真中，發(fā)送端和接收端的擴(kuò)頻信號(hào)的同步是通過(guò)使用同一脈沖序列實(shí)現(xiàn)的）系統(tǒng)的同步包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容： 收端和發(fā)端產(chǎn)生的跳頻圖案相同，即有相同的跳頻規(guī)律。 收、發(fā)端的跳變頻率應(yīng)保證在接收端產(chǎn)生固定的中頻信號(hào)，即跳變的載波頻率與收端產(chǎn)生的本地跳變頻率相差一個(gè)中頻。 頻率跳變的起止時(shí)刻在時(shí)間上同步，即同步跳變，或相位一致。 在傳送數(shù)字信息時(shí)，還應(yīng)做到幀同步和位同步。 圖22 示出了跳頻同步的幾種情況： 其中，圖(a)只是跳頻圖案相同；圖(b)是跳頻圖案及跳頻頻率一致的情況；圖(c)為跳頻圖案、跳頻頻率以及跳頻起止時(shí)刻完全一致的同步情況。圖中黑色矩形塊代表接收端的跳頻圖案，帶有斜線的矩形塊代表發(fā)送端的跳頻圖案，即所要接收的外來(lái)信號(hào)的跳頻圖案。圖(b)和圖(c)中，接收端跳頻圖案的瞬時(shí)頻率比外來(lái)信號(hào)高出一個(gè)中頻。 224 跳頻信號(hào)的波形與定頻連續(xù)信號(hào)波形不同，跳頻信號(hào)的波形是不連續(xù)的，這是因?yàn)樘l器產(chǎn)生的跳變載波信號(hào)之間是不連續(xù)的。頻率合成器從接受跳頻指令開(kāi)始到完成頻 率的跳變需要一定的切換時(shí)間。為了保證其輸出的頻率純正而穩(wěn)定，防止雜散輻射，在頻率切換的瞬間是抑止發(fā)射機(jī)末級(jí)工作的。 頻率合成器從接受指令開(kāi)始建立振蕩到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間叫作建立時(shí)間；穩(wěn)定狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間叫駐留時(shí)間；從穩(wěn)定狀態(tài)到達(dá)振蕩消失的時(shí)間叫消退時(shí)間。從 建立到消退的整個(gè)時(shí)間叫作一個(gè)跳周期，記作th。建立時(shí)間加上消退時(shí)間叫作換頻時(shí)間。只有在駐留時(shí)間(記作td)內(nèi)才能有效地傳送信息。圖23給出頻率 合成器的換頻過(guò)程和載波信號(hào)的波形。 圖23 跳頻通信系統(tǒng)為了能更有效地傳送信息，要求頻率切換占用的時(shí)間越短越好。通常，換頻時(shí)間約為跳周期th的1/8 1/10。比如跳頻速率每秒500跳的系統(tǒng)，跳周期th2ms，其換頻時(shí)間為0.2ms左右。跳頻速率每秒20跳的系統(tǒng)，跳周期是50ms，其換頻時(shí)間約為5ms。 23 快跳頻系統(tǒng)的擴(kuò)頻碼序列和跳頻圖案的設(shè)計(jì)231 引言 具有良好的偽隨機(jī)特性和相關(guān)特性的編碼對(duì)于擴(kuò)頻通信和它的應(yīng)用是非常重要的。在跳頻通信中，抗干擾、抗截獲、信息數(shù)據(jù)隱蔽和保密、抗多徑干擾和抗衰落多址通信、實(shí)現(xiàn)同步和捕捉都是與編碼設(shè)計(jì)密切相關(guān)的。這些編碼被稱(chēng)為擴(kuò)頻編碼。能滿足上述要求的擴(kuò)頻編碼應(yīng)具有如下的理想特性： 1 有尖銳的自相關(guān)特性。 2 具有處處為零的互相關(guān)值。 3 不同的碼元數(shù)平衡相等。 4 有足夠多的編碼。 5 有盡可能大的復(fù)雜度。 然而，上述理想特性和目前任何編碼所不能達(dá)到的。所以在實(shí)際中，我們將把具有尖銳自相關(guān)和幾乎為零的互相關(guān)特性的碼稱(chēng)作序列，擴(kuò)頻編碼被稱(chēng)作擴(kuò)頻序列?；痉蠑U(kuò)頻序列理想特性的是偽隨機(jī)序列，最簡(jiǎn)單、最常用的是m序列。它有尖銳的自相關(guān)特性，有較小的互相關(guān)值，碼元平衡。但是m序列的序列數(shù)不多，序列復(fù)雜度不大。1976年r.gold提出了一類(lèi)序列:gold序列，它的自相關(guān)旁瓣值和互相關(guān)值與m序列的互相關(guān)值一樣，但是序列數(shù)目大大增加了。序列的復(fù)雜度也略有改善，因此，它是一種重要的擴(kuò)頻序列。在本次的快跳頻系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)中，擴(kuò)頻碼就是采用gold序列。在本節(jié)中重點(diǎn)介紹gold序列的實(shí)現(xiàn)。 232 gold序列的實(shí)現(xiàn) gold在提出gold序列時(shí)指出：給定移位寄存器級(jí)數(shù)r時(shí)，總可以找到一對(duì)互相關(guān)函數(shù)值是最小的碼序列，采用移位相加的方法構(gòu)成新碼組，其互相旁瓣都很小，而且在相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)均是有界的。由上述可見(jiàn)，r級(jí)移位寄存器產(chǎn)生的兩個(gè)m序列可以相對(duì)移位2-1位，模2相加就可得到2-1個(gè)gold序列，再加上原來(lái)的兩個(gè)m序列共有21個(gè)gold碼。這樣，用gold碼作為地址碼，地址數(shù)可以大大超過(guò)用m序列作地址碼的數(shù)量。產(chǎn)生gold碼可以用兩種方法，一種是對(duì)應(yīng)于優(yōu)選對(duì)的兩個(gè)移位寄存器串連成2r級(jí)的線性移位寄存器；另外一種方法是將兩個(gè)移位寄存器并聯(lián)然后模2加。在本次的設(shè)計(jì)中，gold碼的實(shí)現(xiàn)就是采用第二種方法的。在gold碼序列中，有平衡gold碼和非平衡gold碼之分，所謂平和gold碼是指碼序列中1比0的個(gè)數(shù)僅多一個(gè)的碼，而非平衡gold碼就是0和1個(gè)數(shù)之差不再是1的碼。在擴(kuò)頻通信中尤其是在直接擴(kuò)頻通信中，擴(kuò)頻碼的0、1平衡性直接影響載波抑制度，在跳頻通信中，碼的不平衡性將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的系能。因此在實(shí)際的調(diào)頻通信中，我們一般采用平衡的gold碼序列。 為了產(chǎn)生平衡gold碼需要選擇兩個(gè)原始的m序列的特定的相對(duì)狀態(tài)，即所謂的特征相位。當(dāng)序列處于特征相位時(shí)，對(duì)該序列每隔一位進(jìn)行抽樣所得的抽樣序列仍為原序列。（這方面的更詳細(xì)的論述請(qǐng)參考國(guó)防工業(yè)出版社的擴(kuò)譜通信）。在求得序列的特征相位以后，還要研究?jī)蓚€(gè)處于特征相位的m序列優(yōu)選對(duì)的相位關(guān)系，這樣才能尋找平衡gold碼。233 跳頻圖案的設(shè)計(jì)1） 跳頻圖案和跳頻頻率表跳頻圖案是由跳頻指令控制頻率合成器所產(chǎn)生的頻率序列。跳頻系統(tǒng)中，跳頻帶寬和可供跳變的頻率(頻道)數(shù)目都是預(yù)先定好的。 比如說(shuō)，跳頻帶寬為5mhz，跳頻頻率的數(shù)目是64個(gè)，頻道間隔是25khz。這樣，在5mhz帶寬內(nèi)可供選用的頻道數(shù)遠(yuǎn)大于64個(gè)，那么你怎樣選擇出64個(gè)頻率來(lái)呢? 這就是所謂的跳頻頻率表。 根據(jù)電波傳播條件、電磁環(huán)境條件以及敵方干擾的條件等因素來(lái)制定一張或幾張具有64個(gè)頻率的頻率表，即f1，f2，f64，另一張可以是f1，f2,f64。如果采用f1，f2，f64這張頻率表，那么跳頻指令發(fā)生器則是根據(jù)這張頻率表向頻率合成器發(fā)出指令進(jìn)行跳頻的。那么又怎樣在這64個(gè)頻率中做到偽隨機(jī)地跳頻呢? 這是由跳頻指令發(fā)生器和頻率合成器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。跳頻指令發(fā)生器主要是一個(gè)偽碼發(fā)生器。偽碼發(fā)生器在時(shí)鐘脈沖的推動(dòng)下，不斷地改變碼發(fā)生器的狀態(tài)。不同的狀態(tài)對(duì)應(yīng)于一張?zhí)l頻率表中的一個(gè)頻率。64種狀態(tài)則對(duì)應(yīng)64個(gè)頻率。再根據(jù)此頻率，按照頻率合成器可變分頻器、置位端的要求，轉(zhuǎn)換成控制頻率合成器的跳頻指令。由于偽碼發(fā)生器的狀態(tài)是偽隨機(jī)地變化，所以頻率合成器輸出的頻率也在64個(gè)頻率點(diǎn)上偽隨機(jī)的跳變，便生成了偽隨機(jī)地跳頻圖案。當(dāng)頻率表不同時(shí)，雖然用同一個(gè)偽碼發(fā)生器，實(shí)際所產(chǎn)生的跳頻圖案也是不同的。2) 跳頻圖案的選擇 一個(gè)好的跳頻圖案應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)： 圖案本身的隨機(jī)性要好，要求參加跳頻的每個(gè)頻率出現(xiàn)的概率相同。隨機(jī)性好，抗干擾能力也強(qiáng)。 圖案的密鑰量要大，要求跳頻圖案的數(shù)目要足夠多。這樣抗破譯的能力強(qiáng)。 各圖案之間出現(xiàn)頻率重疊的機(jī)會(huì)要盡量的小，要求圖案的正交性要好。這樣將有利于組網(wǎng)通信和多用戶的碼分多址。 上面談過(guò)，跳頻圖案的性質(zhì)，主要是依賴于偽碼的性質(zhì)。所以選擇偽碼序列成為獲得好的跳頻圖案的關(guān)鍵。常見(jiàn)的偽隨機(jī)碼序列除了上面介紹的gold碼以外，常用到的還有m序列，m序列，rs序列。下面簡(jiǎn)單介紹一下這三種常用偽隨機(jī)序列的特點(diǎn)：m序列的優(yōu)點(diǎn)是容易產(chǎn)生，自相關(guān)特性好，且是偽隨機(jī)的。但是可供使用的跳頻圖案少，互相關(guān)特性不理想，又因它采用的是線性反饋邏輯，就容易被敵人破譯碼的序列，即保密性、抗截獲性差。由于這些原因，在跳頻系統(tǒng)中不采用m序列作為跳頻指令碼。 m序列是非線性序列，可用的跳頻圖案很多，跳頻圖案的密鑰量也大，并有較好的自相關(guān)和互相關(guān)特性，所以它是較理想的跳頻指令碼。其缺點(diǎn)是硬件產(chǎn)生時(shí)設(shè)備較復(fù)雜。 rs序列的硬件產(chǎn)生比較簡(jiǎn)單，可以產(chǎn)生大量的可用跳頻圖案，很適于用作跳頻指令碼序列。 第三章 快跳頻通信系統(tǒng)的仿真實(shí)現(xiàn)31 matlab語(yǔ)言與仿真環(huán)境介紹311 matlab仿真環(huán)境 matlab是美國(guó)math works公司推出的用于數(shù)值計(jì)算和信號(hào)處理的數(shù)學(xué)計(jì)算軟件包，與其他高級(jí)語(yǔ)言（basic、fortran、c 等）相比，不僅語(yǔ)法規(guī)則更為簡(jiǎn)單，而且在解決工程問(wèn)題和科研教學(xué)的輔助方面更加直觀、簡(jiǎn)潔和高效。正因?yàn)槿绱耍艿搅藢?zhuān)業(yè)研究人員的廣泛重視。隨著版本的不斷升級(jí)，matlab的功能越來(lái)越強(qiáng)大，應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛。在matlab中，不同應(yīng)用領(lǐng)域的專(zhuān)用庫(kù)函數(shù)和模板匯集起來(lái)作為工具箱添加到matlab的軟件包中。借助這些工具箱，各個(gè)領(lǐng)域和各個(gè)層次的科研人員可以直觀、方便地進(jìn)行分析、計(jì)算和設(shè)計(jì)仿真，大大的提高了工作的效率。目前在matlab中推出的工具箱主要有信號(hào)處理、控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖象處理、小波分析、通信系統(tǒng)等。而且還在不斷增加新的功能。在這篇論文中，要用到的是matlab在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，學(xué)習(xí)simulink模塊的應(yīng)用和communications blockset的應(yīng)用。這兩個(gè)模塊的工作界面如下所示： 圖3。1 simulink工作窗口可以看到，在sumulink中，包含有七個(gè)模塊庫(kù)，分別為信源庫(kù)（sources library）、信宿庫(kù)（sink library）離散庫(kù)（discrete library）、線性庫(kù)（linear library）非線性庫(kù)(nonlinear library)、連接庫(kù)（continuous）、數(shù)學(xué)庫(kù)（math library）、信號(hào)與系統(tǒng)庫(kù)（signals&systems library）、專(zhuān)用模塊和工具箱集合（blocksets&toolboxes）共10個(gè)模塊庫(kù)。另外，在simulink工作窗口的右下還有一個(gè)demos圖標(biāo)，它提供仿真的各種例子。雙擊某個(gè)庫(kù)的圖標(biāo)，可以進(jìn)入下一級(jí)的窗口，窗口中排列這該模塊庫(kù)包含的圖標(biāo)以及名稱(chēng)。如下頁(yè)所示是通信模塊的工作窗口，我們可以看到，這個(gè)工作窗口包含有信源（comm source）、信宿（comm sink）、信源編碼（source code）、信道編碼（channel code）、調(diào)制與解調(diào)（munication）、信道（channel）、同步（synchronication）等9個(gè)模塊庫(kù)，與simulink一樣，也包含有一個(gè)demos模塊?？梢苑奖愕膶?duì)各種實(shí)例進(jìn)行演示。 圖 3。2 communications blockset 工作窗口 312 matlab語(yǔ)言介紹 mablab語(yǔ)言是一種高效率的用于科學(xué)工程計(jì)算的高級(jí)語(yǔ)言，與c、c+、rortran等高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言相比，matlab不但在數(shù)學(xué)語(yǔ)言的表達(dá)與解釋方面表現(xiàn)出人機(jī)交互的高度一致，而且具有作為優(yōu)秀高技術(shù)計(jì)算環(huán)境所不可缺少的很多特征：1高質(zhì)量、高可靠的數(shù)值計(jì)算能力。 2基于向量、數(shù)組和矩陣的高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。 3高級(jí)圖形和可視化數(shù)據(jù)處理能力。 4廣泛解決各學(xué)科專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)復(fù)雜問(wèn)題的能力。 5支持科學(xué)和工程計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放式、可擴(kuò)充結(jié)構(gòu)。 6跨平臺(tái)兼容，可以和c語(yǔ)言、c+語(yǔ)言相互調(diào)用。同c語(yǔ)言一樣，在matlab語(yǔ)言中提供了4種決策或者說(shuō)控制流結(jié)構(gòu)，它們是：for循環(huán)，white循環(huán)，ifelseend結(jié)構(gòu)和switchcase結(jié)構(gòu)，它們的用法和c語(yǔ)言中這幾種結(jié)構(gòu)的用法相似但是由于這些結(jié)構(gòu)經(jīng)常包含大量的matlab命令，所以經(jīng)常出現(xiàn)在m文件中,一般結(jié)構(gòu)如下：1 for循環(huán)的一般形式：while expression 2 while循環(huán)的一般形for x = array commands commandsend end3 if-else-end結(jié)構(gòu)：if expression 4 switch-case結(jié)構(gòu)switch expresscommands case test1 commands end case test2,test3 commands end 313 simulink的核心s函數(shù)matlab最受人們歡迎的特點(diǎn)之一是其具有開(kāi)放性，也就是說(shuō)用戶可以通過(guò)對(duì)工具包源文件的修改或加入自己編寫(xiě)的文件去構(gòu)成新的用戶專(zhuān)用工具包，為了修改和編寫(xiě)源文件，就必須熟悉和掌握simulink中的s函數(shù)（s-function）.s-函數(shù)是simulink的核心，它具有的表現(xiàn)形式有三種：（1） 框圖形式（2） m文件形式（3） mex文件形式（c語(yǔ)言或fortran語(yǔ)言子程序）一旦simulink窗口中的仿真框圖建立好，simulink即利用該框圖的信息生成一個(gè)s函數(shù)，用來(lái)代表simulink模型。有時(shí)標(biāo)準(zhǔn)模塊庫(kù)中現(xiàn)有的模塊不能滿足用戶的需要，為了完成某個(gè)特定的功能或進(jìn)行一種特定的數(shù)學(xué)運(yùn)算，我們可以用標(biāo)準(zhǔn)的matlab語(yǔ)言編寫(xiě)m文件，也可以用c語(yǔ)言，但是如果用c語(yǔ)言必須用matlab/bin目錄下的批處理comex.bat將其編譯成ms-windows下的動(dòng)態(tài)鏈接文件，才可以在matlab下直接調(diào)用。1 s函數(shù)的仿真工作原理s函數(shù)與simulink非線性庫(kù)中的s函數(shù)模塊配合使用。將s函數(shù)模塊從非線性庫(kù)中拷貝到用戶自己的模塊框圖中，然后在模塊的對(duì)話框中定義調(diào)用的s函數(shù)的名稱(chēng)，則該模塊完成的功能由調(diào)用的s函數(shù)決定。在每個(gè)simulink模塊中都有三個(gè)基本參數(shù)，輸入矢量u，輸出矢量y和狀態(tài)矢量x。三者的連接關(guān)系如圖33所示 x 輸入矢量 狀態(tài)矢量 輸出矢量 圖 33 simulink模塊基本參數(shù)輸入矢量、輸出矢量和狀態(tài)矢量的數(shù)學(xué)關(guān)系如下 y=f(t,x,u) x=f(t,x,u) x=f(t,x,u)2 s函數(shù)的仿真流程在仿真的特定階段，simulink反復(fù)調(diào)用模型文件中的每個(gè)模塊，控制它們完成特定的功能，如計(jì)算輸出、更新離散狀態(tài)值和計(jì)算狀態(tài)導(dǎo)數(shù)等，為了執(zhí)行初始化或中止仿真任務(wù)，在仿真的開(kāi)始部分和結(jié)束部分還要調(diào)用一些附加過(guò)程。下圖給出了simulink進(jìn)行一次仿真的完整流程。在結(jié)束時(shí)執(zhí)行所需的任務(wù)定位零交點(diǎn)計(jì)算輸出計(jì)算導(dǎo)數(shù)計(jì)算導(dǎo)數(shù)最大步長(zhǎng)計(jì)算離散狀態(tài)最大步長(zhǎng)計(jì)算輸出計(jì)算下次抽樣時(shí)間用于抽樣時(shí)間可變模塊初始化模塊 仿真環(huán)積分最小時(shí)間步長(zhǎng) 34 仿真的工作流程圖3 simulink的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)simulink模型具有層級(jí)結(jié)構(gòu)，非常有利于建造和管理一個(gè)大型系統(tǒng)。為了便于實(shí)現(xiàn)分層設(shè)計(jì)，在simulink模塊庫(kù)中的非線性字庫(kù)中含有一種專(zhuān)用的模塊子系統(tǒng)模塊，同時(shí)simulink還為子系統(tǒng)模塊提供了封裝（mask）功能。1) 子系統(tǒng)模塊當(dāng)一個(gè)動(dòng)態(tài)模型包含許多環(huán)節(jié)時(shí)，可以把系統(tǒng)按功能分塊，每一塊建立一個(gè)子系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)中使用子系統(tǒng)，可以降低模型的復(fù)雜度，減少窗口中的模塊數(shù)，并易于對(duì)模型進(jìn)行擴(kuò)充和修改。具體而言，可以采用“自頂向下”的設(shè)計(jì)方式，也可以采用“自底向上”底設(shè)計(jì)方式。詳細(xì)的設(shè)計(jì)步驟將在快跳頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中介紹2） 封裝功能具有封裝功能是simulink模塊一個(gè)非常有用的特點(diǎn)，通過(guò)封裝可以為子系統(tǒng)建立用戶自定義的對(duì)話框和圖標(biāo)，可以在當(dāng)前窗口中隱藏子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容，用簡(jiǎn)單的圖標(biāo)來(lái)代替子系統(tǒng)。另一方面，由于子系統(tǒng)中的每個(gè)模塊都有一個(gè)對(duì)話框，進(jìn)行仿真的時(shí)候要分別定義參數(shù)，比較麻煩。而封裝功能可以簡(jiǎn)化用戶定義仿真參數(shù)的過(guò)程，同時(shí)也可以使仿真模型有一個(gè)更友好的界面。3）設(shè)計(jì)用戶自定義模塊創(chuàng)建一個(gè)用戶自定義的simulink模塊的步驟為：（1） 根據(jù)算法和公式編寫(xiě)核心部分的s-函數(shù)。（2） s函數(shù)經(jīng)過(guò)通用s函數(shù)模塊處理后，轉(zhuǎn)化為用戶自創(chuàng)建的模塊。（3） 根據(jù)要求的功能構(gòu)造用戶子系統(tǒng)，包括輸入端口、輸出端口、s函數(shù)模塊和其它一些附加功能模塊。 （4） 利用simulink中的封裝功能將子系統(tǒng)封裝起來(lái)，生成用戶自定義的封裝對(duì)話框和圖標(biāo)，為整個(gè)子系統(tǒng)提供統(tǒng)一的設(shè)置。這樣就完成了用戶自定義的simulink模塊，并能完成所要求的功能。32 快跳頻系統(tǒng)的仿真框圖及功能 3。3 快跳頻通信系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)框圖如圖3，3所示，該跳頻通信系統(tǒng)按功能可以劃分為六個(gè)部分，信號(hào)產(chǎn)生部分、發(fā)送部分、跳頻擴(kuò)頻調(diào)制部分、信道部分、接收部分和結(jié)果分析部分。各部分的具體結(jié)構(gòu)都封裝在子系統(tǒng)中，各部分的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)將在下面的敘述中給予介紹信號(hào)在系統(tǒng)中的處理過(guò)程為：（1） 由信源端生成準(zhǔn)備傳送的有用信號(hào)。（2） 由偽隨機(jī)碼序列控制mfsk部分，然后與有用信號(hào)進(jìn)行相乘運(yùn)算。偽隨機(jī)碼元控制msfk部分的載波的頻率（在設(shè)計(jì)中使得載波的相位為零）。從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的跳頻通信。（3） 將經(jīng)過(guò)跳頻調(diào)制的信號(hào)經(jīng)過(guò)信道傳輸（信道是rayleigh&awgn信道）疊加上信道噪聲，信道噪聲為加性高斯噪聲。 （4） 接收端的相關(guān)器對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，相關(guān)處理時(shí)采用的偽隨機(jī)碼與發(fā)送端的隨機(jī)碼字保持嚴(yán)格的同步，未隨機(jī)碼仍然由偽隨機(jī)生成模塊來(lái)長(zhǎng)生 （5） 利用一個(gè)計(jì)數(shù)器對(duì)相關(guān)器的輸出結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，然后完成比較，判決過(guò)程，恢復(fù)出原始信號(hào)。 （6） 將恢復(fù)出的有用信號(hào)與發(fā)送端的原始信號(hào)同時(shí)送入誤碼儀進(jìn)行比較，計(jì)算出誤碼率。33 快跳頻通信模型各部分介紹331 信號(hào)生成部分如圖35為發(fā)送信號(hào)的生成模塊，其中，最左邊的脈沖模塊可以生成脈沖矢量，在設(shè)計(jì)中，設(shè)定脈沖模塊輸出二維脈沖信號(hào)，信號(hào)頻率取為1hz和10hz。其中，頻率為1hz的脈沖作為碼元同步信號(hào)，10hz的脈沖作為切普同步信號(hào)，碼元信號(hào)為方波，碼元同步信號(hào)送至接收部分的比較判決模塊，用于恢復(fù)出原始的信息碼元，切普同步信號(hào)用于同步生成偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼，在圖3-4中兩個(gè)偽隨機(jī)碼元生成模塊采用同一個(gè)切普同步信號(hào)，保證了用于擴(kuò)頻的偽隨機(jī)碼和用于解擴(kuò)的偽隨機(jī)碼的完全同步。（當(dāng)然在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，切普同步信號(hào)需要從接收信號(hào)中提取，是接收設(shè)備中非常關(guān)鍵的部分，本例中的切普同步是由前端提供的） 35 發(fā)送信號(hào)生成模塊框圖 1 跳頻調(diào)制部分1） 偽隨機(jī)碼（gold碼序列）的生成在設(shè)計(jì)中，偽隨機(jī)碼采用gold碼序列，在第二章的論述中我們已經(jīng)知道gold碼可以由m序列經(jīng)過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)產(chǎn)生，在本設(shè)計(jì)中采用第二種的實(shí)現(xiàn)方法。即兩個(gè)m序列經(jīng)過(guò)模2加運(yùn)算以后產(chǎn)生gold序列。原理框圖的結(jié)構(gòu)如下 圖32 gold碼生成的原理框圖在這部分的設(shè)計(jì)中，gold碼的設(shè)計(jì)利用s函數(shù)，采用matlab語(yǔ)言編寫(xiě)程序，采用的算法就是根據(jù)上面的原理圖，用matlab語(yǔ)言參照s函數(shù)的模板程序編寫(xiě)一個(gè)m序列的生成程序，然后構(gòu)建自己的動(dòng)態(tài)仿真模塊。兩個(gè)模塊的輸出經(jīng)過(guò)模2加以后產(chǎn)生gold序列。下面具體介紹一下如何利用s函數(shù)、子系統(tǒng)和封裝功能來(lái)開(kāi)發(fā)自己的simulink模塊。（1）在matlab工作窗口中鍵入simulink命令，打開(kāi)simulink標(biāo)準(zhǔn)模塊庫(kù)，從它的file菜單中選取new命令，創(chuàng)建新的方框圖窗口。（2）雙擊模塊庫(kù)中的fanctions&tables庫(kù)的模塊圖標(biāo)，將其中的sfunction模塊用鼠標(biāo)拖入方框圖窗口中。（3）用matlab語(yǔ)言編寫(xiě)產(chǎn)生m序列的程序。m文件形式的s函數(shù)在matlabr11toolboxsimulinkblocks子目錄下有一個(gè)模板文件funtmpl.m文件。參照它的格式編寫(xiě)文件，當(dāng)然也可以采用其它形式來(lái)編寫(xiě)，利用上面的編寫(xiě)方式可以很清晰的了仿真的具體流程。（關(guān)于s函數(shù)的工作原理在前面的敘述中已