64_4523266_畢業(yè)設計（論文）-跳頻通信仿真.doc

前 言當今信息時代，如何有效的利用寶貴的頻帶資源，如何進行準確可靠的信息通信是通信領域中至關重要的問題。擴頻通信正是在這種背景下迅速發(fā)展起來的?？煺{頻通信是擴頻通信的一種實現(xiàn)方式，在抗干擾和保密性方面，它是擴頻通信中很好的通信方式。在具體的實現(xiàn)上，跳頻通信是一個用戶的載波按某種跳頻圖案（偽隨機跳頻序列）在很寬的頻帶范圍內隨機的跳變。由于頻率跳變的不確定性，所以很好的實現(xiàn)了保密通信。在本次畢業(yè)設計中，是用matlab實現(xiàn)快跳頻通信系統(tǒng)的仿真。matlab是一種功能強大的軟件，在統(tǒng)計、信號處理、人工智能以及通信領域得到了廣泛的應用。在快跳頻系統(tǒng)的設計中，主要用到simulink和communication blocks兩個工具箱。在具體實現(xiàn)過程中，還要結合用matlab語言編寫的程序實現(xiàn)整個過程的設計。這篇論文共分五章：第一章是緒論部分，主要介紹一些擴頻通信的發(fā)展、概念、理論和應用。第二章重點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，快跳頻圖案設計和偽隨機碼的選擇。第三章著重介紹快跳頻通信系統(tǒng)的仿真實現(xiàn)，主要包括在matlab環(huán)境下仿真框圖的實現(xiàn)以及功能?？焯l系統(tǒng)仿真模型各個部分的設計原理和設計思路。第四章給出在快跳頻系統(tǒng)實現(xiàn)中用到的源程序以及仿真的結果。本篇論文的總結將放在第五章。第一章 緒論11 概述擴頻通信，即擴展頻譜通信(spread spectrum communication)，它與光纖通信、衛(wèi)星通信，一同被譽為進入信息時代的三大高技術通信傳輸方式。具有巨大的發(fā)展前景。擴展頻譜通信（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)被偽隨機編碼也就是擴頻序列調制，實現(xiàn)頻譜擴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行解調和相關處理，從而恢復出原始的信息數(shù)據(jù)。從這里我們可以看出，擴展頻譜通信（以下簡稱擴頻通信）作為一種新的通信方式與一般的常見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)過擴展頻譜以后，在信道中進行寬帶傳輸，然后在接收端進行相關處理以及解擴后恢復成窄帶后解調數(shù)據(jù)?；謴统鲈夹畔?shù)據(jù)。因此，擴頻通信具有偽隨機編碼調制和相關處理兩個特點。也正是這兩個特點，使得擴頻通信方式有許多優(yōu)點: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、可多址復用和任意選址、可以用于高精度測量等。正是由于擴頻通信方式具有上述的優(yōu)點，所以擴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)展和廣泛的應用。從擴頻通信的應用發(fā)展來看，真正開始研究它的應用的是在上個世紀50年代中期美國開始的。剛開始一直用于軍事通信領域，因為在軍事通信中，一般通信方式在強干擾存在的情況下，很難準確的檢測出發(fā)送來的信號，由于擴頻通信具有很好的保密信和抗干擾性，所以首先開始了在軍事通信領域的應用。成為擴頻通信研究發(fā)展的開端，從此，軍事通信機關對軍事通信、空間探測、衛(wèi)星偵察等方面廣泛應用擴頻通信技術。60年代以來，隨著民用通信事業(yè)的發(fā)展，頻帶擁擠問題日益突出，成為通信技術發(fā)展上的一個突出的問題。隨著信號處理技術、大規(guī)模集成電路和計算機技術的發(fā)展，編碼和相關處理能夠方便的進行，通信技術的發(fā)展，推動了擴頻通信理論、方法、技術等各方面的研究發(fā)展和應用普及。軍事產品開始向民用轉化。在80年代開始在民用領域得到應用。為了滿足日益增長的民用通信容量的需求和有效地利用頻譜資源，各國都紛紛提出在數(shù)字峰窩移動通信、衛(wèi)星移動通信和未來的個人通信中采用擴頻技術，擴頻技術已廣泛應用于蜂窩電話、無繩電話、微波通信、無線數(shù)據(jù)通信、遙測、監(jiān)控、報警等系統(tǒng)中。擴頻通信理論方法、技術和應用的發(fā)展，經(jīng)歷了幾個階段，第一階段是在1977年前后，在早期建立的擴頻通信理論的基礎上，卓有成效的豐富和發(fā)展了擴頻通信的理論、方法和實用技術，1977年8月的ieee通信匯刊的擴頻通信專集和1978年在日本東京都舉行的國際無線通信咨詢委員會全會對擴頻通信的專門研究集中反映了擴頻通信的研究成果，開始了世界性的對擴頻通信的全面研究。第二個階段的顯著標志是擴頻通信開始民用。1982年美國第一次軍事通信會議，公開展示了擴頻通信在軍事通信中的主導作用，報告了擴頻通信在軍事通信各個領域的應用，并開始了擴頻通信的民用調查。這是擴頻通信發(fā)展的第二個階段。擴頻通信發(fā)展的第三個階段開始于1985年5月美國聯(lián)邦通信委員會制定了民用公共安全、工業(yè)、科學與醫(yī)療和業(yè)余無限電采用擴頻通信的標準和規(guī)范。以后世界各國相繼行動，組織擴頻通信專門研究機構和學術團體，開始了擴頻通信的深入研究和廣泛應用，這就是擴頻通信發(fā)展的第三個階段。近年來，第三代移動通信的飛速發(fā)展，把擴頻通信的研究、應用和發(fā)展都推向了新的階段。12 擴頻通信的基本概念和理論基礎121 擴頻通信的定義所謂擴頻通信，簡單的可以這樣表述：擴頻通信技術是一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻帶寬度遠大與所傳輸?shù)男畔⑺匦璧淖钚?，頻帶的展寬通過編碼和調制的方法來實現(xiàn)，與所傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)無關，在接收端用相同的擴頻碼進行相關解擴及恢復所傳的信息數(shù)據(jù)。從這個定義中我們可以看到它包含了以下三個方面的含義：首先，信號的頻譜被擴展寬了。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?shù)膸挼男盘杹韨魉托畔?，在無線電通信中，射頻信號的帶寬與所傳信息的帶寬是相比擬的，如我們熟悉的調幅信號傳送的語聲信號，其帶寬為語聲信息帶寬的兩倍，這被成為窄帶通信，而擴頻通信信號帶寬與信息帶寬之比( 我們稱之為處理增益)可以達到1001000倍，這就是我們常說的寬帶通信。至于為什么要用這樣寬的頻帶的信號傳輸信息，在下面的理論分析中可以得到答案。其次，采用擴頻碼序列調制方式展寬信號頻譜。我們知道，在時間上有限的信號，其頻譜是無限的。例如很窄的脈沖信號，其頻譜則很寬。信號的頻帶寬度與其持續(xù)時間近似成反比。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制，則可產生很寬頻帶的信號。如直接序列擴頻系統(tǒng)就是采用這種方法獲得擴頻信號。這種很窄的脈沖碼序列，其碼速率是很高的，稱為擴頻碼序列。這里需要說明的一點是所采用的擴頻碼序列與所傳信息數(shù)據(jù)是無關的，也就是說它與一般的正弦載波信號一樣，絲毫不影響信息傳輸?shù)耐该餍浴U頻碼序列僅僅起擴展信號頻譜的作用。第三，在接收端用相關解調來解擴。正如在一般的窄帶通信中，已調信號在接收端都要進行解調來恢復所傳的信息。在擴頻通信中接收端則用與發(fā)送端相同的擴頻碼序列與收到的擴頻信號進行相關解調，恢復所傳的信息。換句話說，這種相關解調起到解擴的作用。即把擴展以后的信號又恢復成原來所傳的信息。這種在發(fā)端把窄帶信息擴展成寬帶信號，而在收端又將其解擴成窄帶信息的處理過程，會帶來一系列好處。弄清楚擴頻和解擴處理過程的機制，是理解擴頻通信本質的關鍵所在。c 長期以來，人們總是想法使信號所占領譜盡量的窄，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來傳送信息呢? 簡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來說明。在信息論中關于信道容量的香農定理用數(shù)學表達式可以表示為：c wlog2(1十p/n) （1）從這個公式中我們可以得到：在給定信號功率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概率，以接近于c的傳輸信息的速率來傳送信息。其中w為頻帶寬度，c為傳輸速率。這個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來傳輸信息。也就是說，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概率傳輸信息，甚至是在信號被噪聲淹沒的情況下，只要相應的增加信號的帶寬，也能保持可靠的通信。這一公式指明了采用擴展頻譜信號通信的優(yōu)越性，即用擴展頻譜的方法換取信噪比的改善。擴頻通信可行性的另一理論基礎，為柯捷爾尼可夫關于信息傳輸差錯概公式： pow f(e/n。) （2）公式指出：差錯概率pow是信號能量e與噪聲功率密度n。之比的函數(shù)。設信號頻帶寬度為w，信息時間為t。信號功率為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）。這個式子說明：對于一定帶寬 df的信息而言，用gp值較大的寬帶信號來傳輸，可以提高通信抗干擾能力，保證強干擾條件下，通信的安全可靠。即式(4)與式(2)一樣，說明信噪比和帶寬是可以互換的。13擴頻通信的主要特點由于擴頻通信大大擴展了信號的頻譜，發(fā)送端用擴頻碼序列調制，在接收端利用相關解調技術恢復出信息數(shù)據(jù)，所以它具有很多特點和其他通信方式所不能有的一系列優(yōu)良的性能，具體的說它有以下的特點1 抗干擾性強頻通信系統(tǒng)的頻譜越寬，處理增益越高，抗干擾性能越強，從理論上講，擴頻通信能把信號從噪聲淹沒中提取出來。當然，在接收端一般采用相關檢測或匹配濾波的方法提取信號。此外，對于單頻及多頻載波信號的干擾、其他偽隨機調制信號的干擾以及脈沖正弦信號的干擾等，擴頻系統(tǒng)都有抑制干擾提高輸出信噪比的作用。特別是對抗敵人人為干擾方面，效果更是突出，這也是在軍事通信領域率先廣泛應用的主要原因。簡單的說，如果信號帶寬展寬10倍，干擾方面需要在更寬的頻帶進行干擾，分散了干擾功率。在總功率率不變的條件下，其干擾強度只有原來的1/10。要保持原有的干擾強度，必須加大10倍總功率，這在實際的戰(zhàn)場條件下有時是很難實現(xiàn)的。另外，由于在接收端采用擴頻碼序列進行相關檢測，即使采用同類型信號進行干擾，如果不能檢測出有用信號的碼序列，由于不同碼序列之間的相關性，干擾也起不了太大的作用?？梢哉f。抗干擾性是擴頻通信最突出的優(yōu)點。2 隱蔽性好由于擴頻信號在很寬的頻帶上被擴頻，單位頻帶內的功率很小，即信號的功率譜密度很低，所以應用擴頻碼序列擴展頻譜的序列擴頻系統(tǒng)，可在信道噪聲和熱噪聲的背景下在很低的信號功率譜密度上通信。信號既然被淹沒在噪聲里，敵方就很不容易發(fā)現(xiàn)有信號的存在，想進一步檢測信號的參數(shù)就更困難了。因此，擴頻信號具有很低的被截獲概率，這在軍事通信上是十分有用的，可以進行隱蔽通信。再者，由于擴頻信號具有很低的功率譜密度，對目前使用的各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小。近年來在民用通信上，各國都在研究和在原有窄帶通信的頻帶內同時進行擴頻通信，大大提高了頻帶利用率。特別是對于一些信的通信服務，如個人通信服務，采用擴頻碼分多址方式時，理論和實踐證明，不需要分配另外的頻段即可實現(xiàn)，因而引起了廣泛的重視。3 實現(xiàn)碼分多址我們知道，擴頻通信提高了抗干擾性，但是卻付出了占用頻帶寬的代價。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。由于在擴頻通信中存在擴頻碼序列之間優(yōu)良的自相關特性和互相關特性，在接收端利用相關檢測技術進行解擴，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，提取信號。這樣，在一個寬頻帶上，許多對用戶可以同時通話而不相互干擾，這與利用頻帶分割或時間分割方法實現(xiàn)多址通信的概念相類似，即用不同的碼型進行分割，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，但是平均到每個用戶占用的頻帶來計算，其頻帶利用率是很高的。最近的研究表明，在數(shù)字蜂窩移動通信中，采用擴頻碼分多址技術可以提高容量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、解決新用戶隨時入網(wǎng)等問題。4抗多徑干擾在無線電通信的各個頻段，即短波、超短波、微波和光纖通信的光波中大量存在各種類型的多徑干擾。長期以來，抗多徑干擾問題始終是一個難以解決的問題之一。一般的方法是排除干擾或變害為利。前者是設法把最強的有用信號分離出來，排除其他路徑的干擾信號，這就是采用分集技術的基本思路。后者是設法把不同路徑來的延時的信號在接收端從時間上對齊相加，合并成較強的有用信號，這就是采用梳狀濾波器的基本思路。這兩種基本方法在擴頻通信中都是很容易實現(xiàn)的。簡單的說。就是可以利用擴頻碼序列之間的相關性，在接收端用相關技術從多徑信號中提取和分離出最強的有用信號，或把多個路徑來的同一碼序列的波形相加合成。另外，在跳頻通信系統(tǒng)中，由于用多個頻率的信號傳送同一信息，實際上起到了頻率分集的作用。因此，在目前民用數(shù)字蜂窩移動通信及有的軍事通信設備中經(jīng)常采用簡單的跳頻技術作為抗多徑干擾的一種手段。5 能精確地定時和測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量電磁波在兩個物體之間傳播地時間，也就等于測量出了兩個物體之間的距。在擴頻通信中如果擴展頻譜很寬，意味著所采用的擴頻碼速率很高，每個碼片占用的時間很短。當發(fā)射出去的擴頻信號在被測物體反射回來后在接收端調出擴頻序列，比較收發(fā)兩端兩個碼序列的相位之差，就可以精確測出擴頻信號往返的時間差，算出兩者之間的距離。測量的精確度決定于碼片的寬度，也就是擴展頻譜的寬度。碼片越窄，精度越高。目前廣泛應用的全球定位系統(tǒng)也就是利用擴頻信號的這一特點來精確定位和定時的。1 4擴頻通信的幾種方式 擴頻通信的框圖結構可以用如下的方框圖表示：信 道擴頻調制信 源數(shù)據(jù)調制擴頻編碼發(fā)生器 （發(fā)送部分的結構框圖）同步時鐘信息接收數(shù)據(jù)解調擴頻解調擴頻編碼發(fā)生器 （接收部分的結構框圖） 從上面的框圖結構中我們可以看到與一般的通信方式不同，擴頻通信增加了擴頻調制和解擴部分兩個環(huán)節(jié)。按工作方式我們可以把擴頻通信劃分為如下幾種工作方式： 1 直接序列擴展頻譜系統(tǒng)（ds-ss） 這種擴頻系統(tǒng)簡稱為直接序列（ds）系統(tǒng)，準確的說，這種系統(tǒng)應該稱為直接用編碼序列對載波調制的系統(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，它和偽隨機序列模2加后合成復合碼去調制載波。在接收端要有一個和發(fā)送端中的偽隨機碼同步的本地碼，對接收的信號進行解擴，解括后的信號送到解調器取出傳送的信息。2）跳頻擴頻系統(tǒng)（fh_ss） 所謂跳頻，比較確切的意思是：用一定碼序列進行選擇的多頻率頻移鍵控。也就是說，用擴頻碼序列去進行頻移鍵控調制，使載波頻率不斷地跳變，所以稱為跳頻。更確切的說因該叫做“多頻、碼選、頻移鍵控”系統(tǒng)。3） 跳時擴頻系統(tǒng)（fh_ss）與跳頻相似，跳時(thtime hopping)是使發(fā)射信號在時間軸上跳變。首先把時間軸分成許多時片。在一幀內哪個時片發(fā)射信號由擴頻碼序列去進行控制?？梢园烟鴷r理解為：用一定碼序列進行選擇的多時片的時移鍵控。跳時也可以看成是一種時分系統(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片，而是由擴頻碼序列控制的按一定規(guī)律跳變位置的時片。跳時系統(tǒng)的處理增益等于一幀中所分的時片數(shù)。跳時一般和跳頻結合起來使用，兩者一起構成“跳頻跳時”系統(tǒng)4）混合式擴頻系統(tǒng) 以上3中基本擴頻方式中的兩種或多種結合起來，便構成了一些混合擴頻體制，如fh/ds、fh/th、ds/fh等，它們比單一的擴頻、跳頻、跳時體制有更優(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)結構及信號傳輸過程跳頻通信系統(tǒng)（fh-ss）是一個用戶的載波頻率按某種跳頻圖案（偽隨機調頻序列）在很寬的頻帶范圍內跳變的通信系統(tǒng)。如圖2.1所示。信息信號經(jīng)過波形調制（信息調制）后，送入載波調制。載波由跳變序列（偽隨機序列）控制跳變頻率合成器來產生，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制，稱作調頻調制。跳變頻率合成器受跳頻序列控制，當跳頻序列值改變一次時，則載波頻率跳變一次。跳頻序列習慣上被稱作跳頻指令，跳變頻率合成器被稱作跳頻合成器。信息信號經(jīng)過載波調制后形成跳頻信號，經(jīng)過信道傳輸被接收機接收。接收機首先從發(fā)送來的調頻信號中提取跳頻同步信號，使接收機頻率本地偽隨機序列控制的頻率跳變與接收到的跳頻信號的頻率跳變同步。產生與發(fā)射機頻率完全同步一致的本地載波。這個過程稱為解跳。再用本地載波與接收信號作解調（載波解調），可獲得攜帶有信息得信號，從而得到發(fā)射機發(fā)送來的信息，實現(xiàn)跳頻通信。信息解調解 擴信 道擴頻調制信息調制信號信息 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 調頻通信系統(tǒng)的結構框圖212 跳頻系統(tǒng)的幾個概念 1 為什么要跳頻 通常我們所接觸到的無線通信系統(tǒng)都是載波頻率固定的通信系統(tǒng)，如無線對講機，汽車移動電話等，都是在指定的頻率上進行通信，所以也稱作定頻通信。這種定頻通信系統(tǒng)，一旦受到干擾就將使通信質量下降，嚴重時甚至使通信中斷。例如：電臺的廣播節(jié)目，一般是一個發(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。有時為了讓聽眾能很好地收聽一套節(jié)目，電臺同時用幾個發(fā)射頻率發(fā)送同一套節(jié)目。這樣，如果在某個頻率上受到了嚴重干擾，聽眾還可以選擇最清晰的頻道來收聽節(jié)目，從而起到了抗干擾的效果。但是這樣做的代價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載波頻率上傳送一套廣播節(jié)目，而聽眾的收音機也跟隨著不斷地在這幾個頻率上調諧接收，這樣，即使某個頻率上受到了干擾，也能很好地收聽到這套節(jié)目。這就變成了一個跳頻系統(tǒng)。另外在敵我雙方的通信對抗中，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容，或者發(fā)現(xiàn)我方通信機所在的方位，以便于引導炮火摧毀。定頻通信系統(tǒng)容易暴露目標且易于被截獲，這時，采用跳頻通信就比較隱蔽也難以被截獲。因為跳頻通信是“打一槍換一個地方”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)“轉移”到另外一個頻率上了。當敵方摸不清“轉移規(guī)律”時，就很難截獲我方的通信內容。因此，跳頻得到了廣泛的研究和應用。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“打一槍換一個地方”似地對載波頻率進行跳變，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)律不被敵方所識破，所以需要隨機地改變以至無規(guī)律可循才好。但是若真的無規(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，常采用偽隨機改變的跳頻圖案。 只有通信的雙方才知道此跳頻圖案，而對敵方則是絕對的機密。所謂“偽隨機”，就是“假”的隨機，其實是有規(guī)律性可循的，但當敵方不知跳頻圖案時，就很難猜出其跳頻的規(guī)律來。 22 跳頻信號的發(fā)送和接收221 跳頻信號的發(fā)送 在傳統(tǒng)的定頻通信系統(tǒng)中，發(fā)射機中的主振蕩器的振蕩頻率是固定設置的，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，要求主振蕩 器的頻率應能遵照控制指令而改變。這種產生跳頻信號的裝置叫跳頻器。通常，跳頻器是由頻率合成器和跳頻指令發(fā)生器構成的， 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。在時鐘的作用下，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。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產生什么樣的跳頻圖案?通常，是利用偽隨機發(fā)生器來產生跳頻指令的，或者由軟件編程來產生跳頻指令。所以，跳頻系統(tǒng)的關鍵部件是跳頻器，更具體地，是能產生頻譜純度好的快速切換的頻率合成器和偽隨機性好的跳頻指令發(fā)生器。由跳頻信號產生的過程可以看出，不論是數(shù)字的或模擬的定頻發(fā)送系統(tǒng)，在原理上，只要加裝上一個跳頻器就可變成一個跳頻的發(fā)送系統(tǒng)。但是在實際系統(tǒng)中尚需考慮信道機的通帶寬度。 222跳頻信號的接收 定頻信號的接收設備中，一般都采用超外差式的接收方法，即接收機本地振蕩器的頻率比所接收的外來信號的載波頻率相差一個中頻，經(jīng)過混頻后產生一個固定的中頻信號和混頻產生的組合波頻率成分。經(jīng)過中頻帶通濾波器的濾波作用，濾除組合波頻率成分，而使中頻信號進入解調器。解調器的輸出就是所要傳送給收端的信息。跳頻信號的接收，其過程與定頻的相似。為了保證混頻后獲得中頻信號，要求頻率合成器的輸出頻率要比外來信號高出一個中頻。因為外來的信號載波頻率是跳變的，則要求本地頻率合成器輸出的頻率也隨著外來信號的跳變規(guī)律而跳變，這樣才能通過混頻獲得一個固定的中頗信號。跳頻器產生的跳頻圖案應當與所要要高出一個中頻，并且要求收、發(fā)跳頻完全同步。所以，接收機中的跳頻器還需受同步指令的控制，以確定其跳頻的起、止時刻。 可以看出，跳頻器是跳頻系統(tǒng)的關鍵部件，而跳頻同步則是跳頻系統(tǒng)的該心技術。223 正確接收跳頻信號的條件跳頻系統(tǒng)要實現(xiàn)跳頻通信，正確接收跳頻信號的條件是跳頻系統(tǒng)的同步。 跳頻系統(tǒng)的同步是關系到跳頻通信能否建立的關鍵。那么，怎樣才能實現(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(也稱頻率表)相同，跳變的起止時刻(也稱相位)相同。因此，為了實現(xiàn)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，在什么時刻從那一個頻率上開始起跳，并且還需要不斷地校正收端本地時鐘，使其與發(fā)端時鐘一致。（在本次快跳頻系統(tǒng)仿真中，發(fā)送端和接收端的擴頻信號的同步是通過使用同一脈沖序列實現(xiàn)的）系統(tǒng)的同步包括以下幾項內容： 收端和發(fā)端產生的跳頻圖案相同，即有相同的跳頻規(guī)律。 收、發(fā)端的跳變頻率應保證在接收端產生固定的中頻信號，即跳變的載波頻率與收端產生的本地跳變頻率相差一個中頻。 頻率跳變的起止時刻在時間上同步，即同步跳變，或相位一致。 在傳送數(shù)字信息時，還應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，即所要接收的外來信號的跳頻圖案。圖(b)和圖(c)中，接收端跳頻圖案的瞬時頻率比外來信號高出一個中頻。 224 跳頻信號的波形與定頻連續(xù)信號波形不同，跳頻信號的波形是不連續(xù)的，這是因為跳頻器產生的跳變載波信號之間是不連續(xù)的。頻率合成器從接受跳頻指令開始到完成頻 率的跳變需要一定的切換時間。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)射機末級工作的。 頻率合成器從接受指令開始建立振蕩到達穩(wěn)定狀態(tài)的時間叫作建立時間；穩(wěn)定狀態(tài)持續(xù)的時間叫駐留時間；從穩(wěn)定狀態(tài)到達振蕩消失的時間叫消退時間。從 建立到消退的整個時間叫作一個跳周期，記作th。建立時間加上消退時間叫作換頻時間。只有在駐留時間(記作td)內才能有效地傳送信息。圖23給出頻率 合成器的換頻過程和載波信號的波形。 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間越短越好。通常，換頻時間約為跳周期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，其換頻時間約為5ms。 23 快跳頻系統(tǒng)的擴頻碼序列和跳頻圖案的設計231 引言 具有良好的偽隨機特性和相關特性的編碼對于擴頻通信和它的應用是非常重要的。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、實現(xiàn)同步和捕捉都是與編碼設計密切相關的。這些編碼被稱為擴頻編碼。能滿足上述要求的擴頻編碼應具有如下的理想特性： 1 有尖銳的自相關特性。 2 具有處處為零的互相關值。 3 不同的碼元數(shù)平衡相等。 4 有足夠多的編碼。 5 有盡可能大的復雜度。 然而，上述理想特性和目前任何編碼所不能達到的。所以在實際中，我們將把具有尖銳自相關和幾乎為零的互相關特性的碼稱作序列，擴頻編碼被稱作擴頻序列?；痉蠑U頻序列理想特性的是偽隨機序列，最簡單、最常用的是m序列。它有尖銳的自相關特性，有較小的互相關值，碼元平衡。但是m序列的序列數(shù)不多，序列復雜度不大。1976年r.gold提出了一類序列:gold序列，它的自相關旁瓣值和互相關值與m序列的互相關值一樣，但是序列數(shù)目大大增加了。序列的復雜度也略有改善，因此，它是一種重要的擴頻序列。在本次的快跳頻系統(tǒng)仿真設計中，擴頻碼就是采用gold序列。在本節(jié)中重點介紹gold序列的實現(xiàn)。 232 gold序列的實現(xiàn) gold在提出gold序列時指出：給定移位寄存器級數(shù)r時，總可以找到一對互相關函數(shù)值是最小的碼序列，采用移位相加的方法構成新碼組，其互相旁瓣都很小，而且在相關函數(shù)和互相關函數(shù)均是有界的。由上述可見，r級移位寄存器產生的兩個m序列可以相對移位2-1位，模2相加就可得到2-1個gold序列，再加上原來的兩個m序列共有21個gold碼。這樣，用gold碼作為地址碼，地址數(shù)可以大大超過用m序列作地址碼的數(shù)量。產生gold碼可以用兩種方法，一種是對應于優(yōu)選對的兩個移位寄存器串連成2r級的線性移位寄存器；另外一種方法是將兩個移位寄存器并聯(lián)然后模2加。在本次的設計中，gold碼的實現(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的個數(shù)僅多一個的碼，而非平衡gold碼就是0和1個數(shù)之差不再是1的碼。在擴頻通信中尤其是在直接擴頻通信中，擴頻碼的0、1平衡性直接影響載波抑制度，在跳頻通信中，碼的不平衡性將嚴重影響系統(tǒng)的系能。因此在實際的調頻通信中，我們一般采用平衡的gold碼序列。 為了產生平衡gold碼需要選擇兩個原始的m序列的特定的相對狀態(tài)，即所謂的特征相位。當序列處于特征相位時，對該序列每隔一位進行抽樣所得的抽樣序列仍為原序列。（這方面的更詳細的論述請參考國防工業(yè)出版社的擴譜通信）。在求得序列的特征相位以后，還要研究兩個處于特征相位的m序列優(yōu)選對的相位關系，這樣才能尋找平衡gold碼。233 跳頻圖案的設計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)目都是預先定好的。 比如說，跳頻帶寬為5mhz，跳頻頻率的數(shù)目是64個，頻道間隔是25khz。這樣，在5mhz帶寬內可供選用的頻道數(shù)遠大于64個，那么你怎樣選擇出64個頻率來呢? 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制定一張或幾張具有64個頻率的頻率表，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)出指令進行跳頻的。那么又怎樣在這64個頻率中做到偽隨機地跳頻呢? 這是由跳頻指令發(fā)生器和頻率合成器來實現(xiàn)的。跳頻指令發(fā)生器主要是一個偽碼發(fā)生器。偽碼發(fā)生器在時鐘脈沖的推動下，不斷地改變碼發(fā)生器的狀態(tài)。不同的狀態(tài)對應于一張?zhí)l頻率表中的一個頻率。64種狀態(tài)則對應64個頻率。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)是偽隨機地變化，所以頻率合成器輸出的頻率也在64個頻率點上偽隨機的跳變，便生成了偽隨機地跳頻圖案。當頻率表不同時，雖然用同一個偽碼發(fā)生器，實際所產生的跳頻圖案也是不同的。2) 跳頻圖案的選擇 一個好的跳頻圖案應考慮以下幾點： 圖案本身的隨機性要好，要求參加跳頻的每個頻率出現(xiàn)的概率相同。隨機性好，抗干擾能力也強。 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。 各圖案之間出現(xiàn)頻率重疊的機會要盡量的小，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，跳頻圖案的性質，主要是依賴于偽碼的性質。所以選擇偽碼序列成為獲得好的跳頻圖案的關鍵。常見的偽隨機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。下面簡單介紹一下這三種常用偽隨機序列的特點：m序列的優(yōu)點是容易產生，自相關特性好，且是偽隨機的。但是可供使用的跳頻圖案少，互相關特性不理想，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，并有較好的自相關和互相關特性，所以它是較理想的跳頻指令碼。其缺點是硬件產生時設備較復雜。 rs序列的硬件產生比較簡單，可以產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)的仿真實現(xiàn)31 matlab語言與仿真環(huán)境介紹311 matlab仿真環(huán)境 matlab是美國math works公司推出的用于數(shù)值計算和信號處理的數(shù)學計算軟件包，與其他高級語言（basic、fortran、c 等）相比，不僅語法規(guī)則更為簡單，而且在解決工程問題和科研教學的輔助方面更加直觀、簡潔和高效。正因為如此，受到了專業(yè)研究人員的廣泛重視。隨著版本的不斷升級，matlab的功能越來越強大，應用范圍也越來越廣泛。在matlab中，不同應用領域的專用庫函數(shù)和模板匯集起來作為工具箱添加到matlab的軟件包中。借助這些工具箱，各個領域和各個層次的科研人員可以直觀、方便地進行分析、計算和設計仿真，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處理、控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡、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)中的應用，學習simulink模塊的應用和communications blockset的應用。這兩個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，包含有七個模塊庫，分別為信源庫（sources library）、信宿庫（sink library）離散庫（discrete library）、線性庫（linear library）非線性庫(nonlinear library)、連接庫（continuous）、數(shù)學庫（math library）、信號與系統(tǒng)庫（signals&systems library）、專用模塊和工具箱集合（blocksets&toolboxes）共10個模塊庫。另外，在simulink工作窗口的右下還有一個demos圖標，它提供仿真的各種例子。雙擊某個庫的圖標，可以進入下一級的窗口，窗口中排列這該模塊庫包含的圖標以及名稱。如下頁所示是通信模塊的工作窗口，我們可以看到，這個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）、調制與解調（munication）、信道（channel）、同步（synchronication）等9個模塊庫，與simulink一樣，也包含有一個demos模塊。可以方便的對各種實例進行演示。 圖 3。2 communications blockset 工作窗口 312 matlab語言介紹 mablab語言是一種高效率的用于科學工程計算的高級語言，與c、c+、rortran等高級程序設計語言相比，matlab不但在數(shù)學語言的表達與解釋方面表現(xiàn)出人機交互的高度一致，而且具有作為優(yōu)秀高技術計算環(huán)境所不可缺少的很多特征：1高質量、高可靠的數(shù)值計算能力。 2基于向量、數(shù)組和矩陣的高級程序設計語言。 3高級圖形和可視化數(shù)據(jù)處理能力。 4廣泛解決各學科專業(yè)領域內復雜問題的能力。 5支持科學和工程計算標準的開放式、可擴充結構。 6跨平臺兼容，可以和c語言、c+語言相互調用。同c語言一樣，在matlab語言中提供了4種決策或者說控制流結構，它們是：for循環(huán)，white循環(huán)，ifelseend結構和switchcase結構，它們的用法和c語言中這幾種結構的用法相似但是由于這些結構經(jīng)常包含大量的matlab命令，所以經(jīng)常出現(xiàn)在m文件中,一般結構如下：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結構：if expression 4 switch-case結構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之一是其具有開放性，也就是說用戶可以通過對工具包源文件的修改或加入自己編寫的文件去構成新的用戶專用工具包，為了修改和編寫源文件，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語言或fortran語言子程序）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s函數(shù)，用來代表simulink模型。有時標準模塊庫中現(xiàn)有的模塊不能滿足用戶的需要，為了完成某個特定的功能或進行一種特定的數(shù)學運算，我們可以用標準的matlab語言編寫m文件，也可以用c語言，但是如果用c語言必須用matlab/bin目錄下的批處理comex.bat將其編譯成ms-windows下的動態(tài)鏈接文件，才可以在matlab下直接調用。1 s函數(shù)的仿真工作原理s函數(shù)與simulink非線性庫中的s函數(shù)模塊配合使用。將s函數(shù)模塊從非線性庫中拷貝到用戶自己的模塊框圖中，然后在模塊的對話框中定義調用的s函數(shù)的名稱，則該模塊完成的功能由調用的s函數(shù)決定。在每個simulink模塊中都有三個基本參數(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)學關系如下 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反復調用模型文件中的每個模塊，控制它們完成特定的功能，如計算輸出、更新離散狀態(tài)值和計算狀態(tài)導數(shù)等，為了執(zhí)行初始化或中止仿真任務，在仿真的開始部分和結束部分還要調用一些附加過程。下圖給出了simulink進行一次仿真的完整流程。在結束時執(zhí)行所需的任務定位零交點計算輸出計算導數(shù)計算導數(shù)最大步長計算離散狀態(tài)最大步長計算輸出計算下次抽樣時間用于抽樣時間可變模塊初始化模塊 仿真環(huán)積分最小時間步長 34 仿真的工作流程圖3 simulink的設計和開發(fā)simulink模型具有層級結構，非常有利于建造和管理一個大型系統(tǒng)。為了便于實現(xiàn)分層設計，在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，同時simulink還為子系統(tǒng)模塊提供了封裝（mask）功能。1) 子系統(tǒng)模塊當一個動態(tài)模型包含許多環(huán)節(jié)時，可以把系統(tǒng)按功能分塊，每一塊建立一個子系統(tǒng)。在設計中使用子系統(tǒng)，可以降低模型的復雜度，減少窗口中的模塊數(shù)，并易于對模型進行擴充和修改。具體而言，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） 封裝功能具有封裝功能是simulink模塊一個非常有用的特點，通過封裝可以為子系統(tǒng)建立用戶自定義的對話框和圖標，可以在當前窗口中隱藏子系統(tǒng)的設計內容，用簡單的圖標來代替子系統(tǒng)。另一方面，由于子系統(tǒng)中的每個模塊都有一個對話框，進行仿真的時候要分別定義參數(shù)，比較麻煩。而封裝功能可以簡化用戶定義仿真參數(shù)的過程，同時也可以使仿真模型有一個更友好的界面。3）設計用戶自定義模塊創(chuàng)建一個用戶自定義的simulink模塊的步驟為：（1） 根據(jù)算法和公式編寫核心部分的s-函數(shù)。（2） s函數(shù)經(jīng)過通用s函數(shù)模塊處理后，轉化為用戶自創(chuàng)建的模塊。（3） 根據(jù)要求的功能構造用戶子系統(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，生成用戶自定義的封裝對話框和圖標，為整個子系統(tǒng)提供統(tǒng)一的設置。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)的仿真結構框圖如圖3，3所示，該跳頻通信系統(tǒng)按功能可以劃分為六個部分，信號產生部分、發(fā)送部分、跳頻擴頻調制部分、信道部分、接收部分和結果分析部分。各部分的具體結構都封裝在子系統(tǒng)中，各部分的詳細結構和設計將在下面的敘述中給予介紹信號在系統(tǒng)中的處理過程為：（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mfsk部分，然后與有用信號進行相乘運算。偽隨機碼元控制msfk部分的載波的頻率（在設計中使得載波的相位為零）。從而實現(xiàn)信號的跳頻通信。（3） 將經(jīng)過跳頻調制的信號經(jīng)過信道傳輸（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） 接收端的相關器對接收信號進行相關處理，相關處理時采用的偽隨機碼與發(fā)送端的隨機碼字保持嚴格的同步，未隨機碼仍然由偽隨機生成模塊來長生 （5） 利用一個計數(shù)器對相關器的輸出結果進行統(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。33 快跳頻通信模型各部分介紹331 信號生成部分如圖35為發(fā)送信號的生成模塊，其中，最左邊的脈沖模塊可以生成脈沖矢量，在設計中，設定脈沖模塊輸出二維脈沖信號，信號頻率取為1hz和10hz。其中，頻率為1hz的脈沖作為碼元同步信號，10hz的脈沖作為切普同步信號，碼元信號為方波，碼元同步信號送至接收部分的比較判決模塊，用于恢復出原始的信息碼元，切普同步信號用于同步生成偽隨機擴頻碼，在圖3-4中兩個偽隨機碼元生成模塊采用同一個切普同步信號，保證了用于擴頻的偽隨機碼和用于解擴的偽隨機碼的完全同步。（當然在實際的通信系統(tǒng)中，切普同步信號需要從接收信號中提取，是接收設備中非常關鍵的部分，本例中的切普同步是由前端提供的） 35 發(fā)送信號生成模塊框圖 1 跳頻調制部分1） 偽隨機碼（gold碼序列）的生成在設計中，偽隨機碼采用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)過串聯(lián)或并聯(lián)產生，在本設計中采用第二種的實現(xiàn)方法。即兩個m序列經(jīng)過模2加運算以后產生gold序列。原理框圖的結構如下 圖32 gold碼生成的原理框圖在這部分的設計中，gold碼的設計利用s函數(shù)，采用matlab語言編寫程序，采用的算法就是根據(jù)上面的原理圖，用matlab語言參照s函數(shù)的模板程序編寫一個m序列的生成程序，然后構建自己的動態(tài)仿真模塊。兩個模塊的輸出經(jīng)過模2加以后產生gold序列。下面具體介紹一下如何利用s函數(shù)、子系統(tǒng)和封裝功能來開發(fā)自己的simulink模塊。（1）在matlab工作窗口中鍵入simulink命令，打開simulink標準模塊庫，從它的file菜單中選取new命令，創(chuàng)建新的方框圖窗口。（2）雙擊模塊庫中的fanctions&tables庫的模塊圖標，將其中的sfunction模塊用鼠標拖入方框圖窗口中。（3）用matlab語言編寫產生m序列的程序。m文件形式的s函數(shù)在matlabr11toolboxsimulinkblocks子目錄下有一個模板文件funtmpl.m文件。參照它的格式編寫文件，當然也可以采用其它形式來編寫，利用上面的編寫方式可以很清晰的了仿真的具體流程。（關于s函數(shù)的工作原理在前面的敘述中已