基于MATLAB／s i m u l i n k的跳频扩频通信系统的仿真

孙云

（渤海大学 辽宁 锦州 121000）

基于MATLAB／s i m u l i n k的跳频扩频通信系统的仿真

孙云

（渤海大学 辽宁 锦州 121000）

随着我国科技的日新月异，随之而来就产生了很多新型的通信方式，如扩展频谱通信就是其中一种，而跳频通信则是扩展频谱通信当中的一种，跳频通信、扩展频谱通信、自适应通信、高速数字通信数据通信系统被称为“90年代的通信技术”由于跳频通信的抗干扰能力非常强，在多址通信性能方面表现也很好，故其在军事上面得到广泛的应用。本论文对跳频通信的基本原理进行了简单概述，接下来，利用Matlab提供的可视化工具Simulink建立了跳频通信系统仿真模型，通过本论文的研究及分析工作，希望对我国跳频扩频通信系统的仿真研究具有一定的借鉴意义。

扩展频谱通信；跳频通信；Matlab；仿真模型；抗干扰

前言

跳频是最常用的扩频方式之一，它的工作原理就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，换言之，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[2]。从频域上面来看，跳频信号的频谱是一个在很宽频带上以不间隔随机跳变的；从时域上面来看，跳频信号是一个多频率的频移键控信号[3]。跳频系统中的伪随机序列并不直接传送，而是用来选择信道的。

1.跳频数学模型建立及系统原理

跳频扩频通信的基本理论依据主要是根据信息论中的Shannon公式来的[4]，它的公式如下所示：

在上式中，对于参数c、B、P及N，它们所代表的含义分别如下。其中，N，表示为噪声功率；c，代表系统的信道容量（bits/s）；P，表示为信号的平均功率；对于B，则表示为系统的信道带宽（Hz）。通过上式可以很明确的知道，在一定的信道容量的条件下，可以用增加信道带宽的办法、或者减少发送信号功率的办法来减少信道带宽或者提高信道容量而增加发送信号功率的办法来提高信道容量[5]。

对于跳频系统，由于它的载波频率是在不断发生变化的，如果想要在接收机中对载波相位进行跟踪，则是非常困难的，因此，对于跳频系统所选用的调制方式一般是为可非相干解调方式，而频移键控FSK调制则是经常采用的方式。数据载波为a（t），数据速度为Ra，取值为+1和-1，进行移频键控调制（频率偏差为Δf）后输出的等效低通信号为b（t）[6]，如下式：

跳频扩频系统中伪随机序列控制下的瞬时频率为f（t）[7]，随着时间的不断改变，瞬时频率f（t）的取值在频率点fi，i=1,2,3,4…，N上发生改变[8]。那么，对于跳频载波信号，它的等效低通信号C（t）如下式：

对于跳频扩频系统，它主要是以跳频载波对数据调制信号的频率搬移过程[9]，通过该过程，跳频所输出的等效低频信号d（t）如下式；

在系统的接收端，以同步伪随机码控制的频率伪随机变化的载波和接收信号混频，通过该种方式所得到的输出信号bxj，如下式：

对于上式2-4，它的参数N（t）、I（t）所代表的含义如下：N（t），它表示噪声；I（t），它则表示干扰信号。用同步跳变的本地恢复载波对接收信号混频后，这样就能够得到解跳后的宽带干扰信号、噪声、以及窄带信号b（t）。针对跳频扩频通信系统来讲，它的系统原理图如下图2-1所示。

图2-1 跳频扩频系统原理图

3.跳频的主要技术指标及关键技术

对于一个跳频扩频系统来讲，其包括的主要技术指标有：①跳频频率的数目；②跳频的带宽；③跳频码的周期；④跳频的速率；⑤跳频系统的同步时间。对于这些技术指标，它们所代表的含义分别如下：①跳频频率的数目。跳频信号的处理增益也等于跳频点数。与抗单频干扰及多频干扰的能力有关。跳变的频率数目越多，抗单频、多频以及梳状干扰的能力就越强。②跳频的带宽。在通常情况之下，跳频的带宽是与抗部分频带的干扰能力有关系的。对于跳频带宽，其越宽，故其抗带宽干扰的能力就非常的强。因此，在一般情况下是希望能够全频段跳频的。③跳频码的周期。其将决定跳频图案延续时间的长度，这个指标与抗截获的能力是有一定关系的。如果跳频图案的延续时间越长，那么敌方破译就显得更加的困难，故抗截获的能力就越强。对于跳频码，它的周期能够长达10年或者比这还更长的时间。④跳频的速率。顾名思义，就是指每秒钟频率跳变的次数，决定跳频图案延续时间的长度。它与抗跟踪式干扰的能力是有一定关系的。如果跳速越快，那么，就表明抗跟踪式干扰的能力就越强。⑤跳频系统的同步时间。顾名思义，跳频系统的同步时间主要是指系统使收发双方的跳频图案完全同步，并且会建立通信所需要的时间。对于系统同步时间的长短，它将会对该系统的顽存程度造成直接的影响。因为，如果同步过程一旦被破坏，就不能够实现收、发跳频图案的完全同步，这样就会使得通信系统瘫痪。因此，希望同步建立的过程越短越好，越隐蔽越好。根据使用的环境不同，目前，对于同步时间可在秒或者几百毫秒的量级。

对于跳频系统而言，其关键技术主要包括：频率合成器的设计、跳频图案的设计、以及跳频同步的实现三种。

4.对系统进行仿真模型的建立

4.1 对Simulink仿真工具进行概述

对于本论文跳频通信系统的研究，所采用的仿真工具是基于MATLAB提供的仿真平台Simulink。Simulink是一个用来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、以及两者混合的非线性系统、及线性系统，对于多速率系统也支持[10]。

用MATLAB函数进行仿真与采用Simulink模块框图进行仿真，这两者之间还是存在较大差异的。在Simulink仿真中，对于所有的模块，在每一个时间步长上面它们是同时执行的，因此，我们也把这种仿真称为时间流仿真。对于Simulink仿真软件，在一般情况下它是具有如下5个特点的，并且这些特点也非常重要。

特点：①具有仿真与连接方面的功能；可以利用鼠标器在模型窗口上画出所需要的控制系统模型，然后再利用该软件提供的相关功能来对系统直接进行仿真，从而可以使得一个非常复杂的系统输入变得相当的容易。②建模具有递阶结构；用户在建模的时候，可以从下到上或者从上到下的结果来建立模型，模型建立完成后，可以从最高级观看模型，然后，再利用鼠标双击其中的子系统模块，这样便可以查看下一级的内容，从而，可以使得用户了解整个模型的细节。③要进行仿真非常方便；用两种仿真方式，第一种是通过Simulink的菜单方式，直接点Simulation，然后再点击start即可，非常的方便、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的结果。另外，假如在仿真系统中采用一些画图模块，如Scope模块、GraphScope模块等，那么，直接点击模块就可以观察仿真。④对于建模是采用方框图进行的；采用此结构画模型图，就像采用笔和纸来画一样的容易，其与普通的利用微分方程或是差分方程建模比具有直观、灵活、方便等诸多优点。⑤在该仿真软件里面包括很丰富的子模型库；Simulink包含sinks、source、linear、connections、extra等诸多的子模型库。对于每个子模型库，它们又包含许多功能，同时用户也可以创建或者定制所需要的模块。用户建模时可以根据自己所需要的模块从相应库中找到所需要的。

4.2 模型建立

基于Simulink仿真软件建立起来的跳频扩频通信系统仿真模型，它能够对跳频扩频通信系统的整个工作过程进行实时监控及反映相关的问题，对于系统扩频前后的频谱，通过该仿真软件能够实时的观测，另外，如果要对仿真模型进行扩展，可以根据具体需要来进行研究和设计。下图4-1是系统的仿真模型图。

图4-1 系统仿真模型图

5.对仿真结果进行分析

为了更加准确的得到本论文研究的跳频扩频通信系统的仿真结果，所设定的仿真条件如下：采用伪随机整数信号控制系统的跳频载频[11]；对跳频点数设定为64个；对于跳频的频率间隔设定为50跳/秒；数据调制采用FSK，并且频率的间隔为200HZ；对于每个符号，它的采样点数为120；接收机中解跳用到的本地恢复载波良好的跟踪了发生载波频率变化[12]。我们把本次系统仿真实验的时间设定为1000s，通过仿真，得到的结果如下图5-1、5-2、5-3、及5-4所示。

图5-1 跳频前信号频谱图5-2 跳频后信号频谱

通过本次仿真实验的结果可以观察到，对于跳频信号，它的波形是不连续的。每一个跳频信号的驻留时间的瞬时所占的信道带宽是窄带频率[13]，对于本次仿真实验，跳频点数是为64个的，而对于频段是为-3～3kHz，最终结果是形成一个跳频带宽。由于跳频速率是非常快的，这就造成其在宏观上面实现了频谱的扩展。

图5-3 信道传输并受噪声干扰跳频接收信号频谱图5-4 解跳后信号频谱

6 。结束语

本论文首先对跳频扩频通信系统的工作原理，涉及到的相关理论知识进行了简单的介绍，接着，对Simulink仿真工具进行概述及对其进行相关模型的建立，最后，就是采用Simulink仿真软件对跳频扩频系统建立了仿真模型进行研究。在进行仿真实验前，设定了相关的仿真条件，如跳频点数、采样点数、跳频频率间隔等相关条件，这样设定的目的是为了保证仿真的实验结果更加准确。本论文在仿真研究的基础上面研究了跳频扩频通信系统的相关性能，希望本论文的相关研究工作能够为研究跳频通信为基础的现代通信理论提供一定的理论基础及参考价值[14]。

[1]陈高平等.扩频通信技术在CDMA中的应用[J].通信技术，2012，（07）：54-59.

[2]刘素心.基于MATLAB的通信系统的实验仿真设计[J].实验室科学，2014，（06）：100-107.

[3]曾兴雯等.扩展频谱通信及其多址技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2004：62-67.

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[5]陈海龙，李宏.基于MATLAB的伪随机序列的产生与分析[J].计算机仿真，2006，42（5）235-239.

[6]胡晓娇等.跳频通信系统抗干扰性能研究及仿真分析[D].华中科技大学，2006:125-129.

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[8]张瑞等.快速跳频系统研究及其基带实现[D].西北工业大学，2006：:12-19.

TP37

A

1009-5624（2016）05-0018-03

孙云（1994.～），女，辽宁省本溪人，锦州市太和区渤海大学 通信工程专业本科生