Simulink的跳频通信系统抗干扰设计分析

赵娟， 苏龚军

(1. 商洛职业技术学院， 职教中心， 陕西， 商洛 726000；2. 商洛市交通投资建设有限责任公司， 陕西， 商洛 726000)

0 引言

跳频通信系统凭借自身较强的抗干扰作用，现阶段被广泛应用于军队以及人们的日常生活，在战争时期，若没有较强的通信设备，有可能造成军事系统出现重大危机，在该背景下，跳频通信技术正处于不断升级状态，而跳频通信系统的各项技术有利于军事基地抵御敌方的干扰信号输出。为保证该系统的功能，本文将针对该系统的抗干扰性能进行深入研究，通过理论分析以及仿真测试相结合的方式对本文进行阐述。在人们日常生活中，频率资源具有一定的限制，而多种设备的频率维持在2.4 GHz，该频率下的各种设备之间将形成一定的干扰，因此 ，通过多种信道进行有效划分可以避免该现象的发生，即使用跳频通信技术对信号进行阻碍，为跳频通信系统今后的发展带来广泛意义。

1 跳频通信系统技术分析及发展现状

1.1 通信抗干扰技术的发展现状

通信干扰的存在实际上是为了阻止双方进行有效沟通，通过破坏通信的方式拦截数据信息，防止接收方接收到通信信号，可针对噪声以及干扰信号等信息有目的地进行筛选，将无用信息通过依附的方式附着在通信信道中，通过该方式有利于干扰通信方通过通信系统发送的无线通信电磁频谱，从而实现抑制网络节点、阻止敌方的接收机对通信方所发送的数据信息进行有效接收的目的，在敌方无法接收有效数据信息的情况下，将无法及时回复通信方，通过电子行动的方式有利于破坏信息传输。通信技术发展至今经历了较强时间段的战术抗干扰策略，随着技术的不断升级，最终通过抗干扰技术实现抗干扰通信效果。从技术分析的角度可将通信抗干扰系统分为时域、空域、频域以及纠错编码技术，不同的抗干扰技术中共同的优点是抗干扰能力相对于其他跳频系统更强，可通过不断跳变的方式对信息进行干扰，阻止敌方截获有效信息，除此之外，跳频通信系统具有一定的正交特性，可以通过共享资源的方式，提高频谱的使用率。随着跳频通信系统技术的不断完善，跳频系统的抗干扰手段渐渐成熟，具有一定的隐蔽性。

1.2 跳频通信抗干扰系统的工作原理

跳频通信系统指的是频率跳变扩展频谱通信系统，可通过二进制的方式产生伪随机码，并将伪随机码以序列的形式进行传输，通过该序列对载波频率振荡器进行有序控制，最终使其产生随着伪随机码跳动而进行跳变的本振载波频率，并将需要发送的信号通过本振载波频率进行传输。跳频通信系统在跳变过程中主要将频谱扩展后的信息以信号的方式通过较宽的频带进行跳变，在一定范围内进行跳变的方式可以得知跳频系统的抗干扰方式是通过不断跳变的载波频率对干扰信号进行躲避实现的，频率跳变系统简化原理框图如图1所示。跳频通信系统实现抗干扰功能的基本原理是通过发射端的调制器将数据上传至中频振荡器，由振荡器发射出载波调制，最终形成跳频信号，通过伪码发生器将跳频信号以序列的方式上传至译码器，与频率合成器共同协作产生跳频本振信号，最终由接收端将接收发射端的信号上传至混频器，由滤波作用形成中频信号，并对其进行放大处理，最终进入基带信号的解调阶段[1]。

图1 频率跳变系统简化原理框图

2 跳频通信系统的主要抗干扰模式

2.1 五种干扰的特点和产生方式

对于不同的干扰信号应通过不同的方式进行处理，当前常见的干扰形式主要分为5种，分别是宽带阻塞式干扰、部分频带阻塞式干扰、梳状阻塞式干扰、多频连续波干扰以及跟踪干扰，其中宽带阻塞式干扰主要通过侦察的方式将需要干扰的频段信息进行识别，并通过自身的干扰功能对跳频通信中较大频段的数据信息采用无缝衔接的方式进行固定或者轮流大功率压制干扰，该方式在使用过程中操作简单，具有较强的干扰效果，但在使用过程中将会干扰己方通信系统。部分频带阻塞式干扰的干扰方式在原理上与宽带阻塞式干扰具有一定的类似性，二者之间最大的区别是部分频带阻塞式干扰方式主要通过对跳频通信系统中的部分频带进行集中处理，最终通过自身功能将其进行干扰，在跳频通信系统中的信号主要以宽带信号而存在，因此，在宽带信号遭受敌方攻击时，通过部分频带阻塞式干扰方式可实际掌握该信号的分布方式，相对于宽带阻塞式干扰，部分频带阻塞式干扰更具有集中性，可将频段数据分成较小的频段，并实施干扰。梳状阻塞式干扰属于上述两种方式的折中产物，在应用上可避免宽频带的大功率消耗以及部分频带的覆盖率低等问题，梳状阻塞式干扰在干扰原理中需要频段信息以及频率间隔的加持，通过二者之间共同作用，最终针对干扰信号实施瞄准干扰，通过该方式有利于弥补其他干扰方式的漏洞，实现间断式干扰，具有较高的抗干扰性能。多频连续波干扰的作用原理是通过连续的方式对频率进行干扰，针对重叠的干扰信号通过跳频系统进行检测，从中获取该系统中最小的频率间隔，将该信息通过连续波的最大干扰强度进行调制，但在该过程中不确定干扰信号是否可以覆盖全部跳频频点。跟踪干扰主要通过对干扰信号进行实时跟踪的方式，实现对不断跳变的信号进行干扰，跟踪干扰在实现过程中可通过二次调制的方式对跳频信号进行处理，提高通信频带的干扰强度，具有较强的干扰效果[2]。

2.2 干扰信道设计

本设计通过干扰类型控制器对干扰信道的选通进行控制，信道原理图如图2所示，从图中可以看出本次设计的原理是将信号输入至该系统中，并通过上述5种干扰方式模拟高斯噪声信道遭受人为干扰过程中的状态，在该系统中将加入干扰类型控制器，通过控制器对干扰方式进行控制，通过多向开关将数据信息进行输出。

图2 信道原理图

2.3 抗干扰性能分析

为保证跳频通信系统在接收过程中信号与干扰之间可以进行相互作用，将针对跳频通信系统中的抗干扰性能进行分析，部分频带干扰机干扰跳频通信信号如图3所示。

图3 部分频带干扰机干扰跳频通信信号

(1)

在式(1)的基础上定义一个随机变量Z，随机变量Z表达的含义为每个Tb时间段内的干扰状态参数，并将随机变量Z=1时的数据信号带入干扰带宽内，在该过程中，若随机变量Z等于0，表示的含义为信号不在干扰带宽内，通过上述信息最终将概率分布式定义为

P{Z=1}=ρ和P{Z=0}=1-ρ

为保证跳频通信系统的正向抗干扰能力，将针对该系统进行误码率讨论，该过程中只研究部分频带的干扰，将其他干扰定义为可忽略因素，假设在忽略其他因素干扰的情况下，且信号不在干扰宽带内，该状态下的系统将无误码产生时平均误码率为

(2)

在上述式子中可以得出FH/MFSK信号在传输过程中受到干扰的概率随着ρ的减少而逐渐降低，但遭遇干扰的FH/MFSK信号误码率处于升高状态，综合考虑，FH/MFSK信号的性能处于下降状态，针对ρ进行偏导数的计算，在计算过程中将ρ的数值定义为零，最终获得的关系式为

(3)

其中,y=KρEb/NJ。

通过相关计算，将式(1)带入至式(3)中可取得ρ的最大阈值将等于1，通过相关公式在无干扰状态下计算出最坏情况下的比特差错率为

(4)

对于部分频带噪声对FH/MFSK信号进行干扰时，可将最坏情况下的平均比特差错率为

(5)

3 跳频通信系统抗干扰性能模型建立

3.1 跳频通信系统模型

跳频通信系统实际上指的是通过将频率进行扩张方式实现通信联系，在一定意义上通过跳频系统可将工作频点处于不断变化的状态，并通过伪随机序列控制频率合成器产生不同频率的载波，为保证该系统可以正常输出载波信号，将在该系统中加入PN伪随机码，该系统中的接收端将根据系统传输的载波信号等数据信息进行解跳程序，该过程需要利用同步技术进行加持，通过同步技术的引用有利于该系统有效避免误码率的发生。针对跳频通信系统抗干扰性能进行测试，将通过模型建立的方式开展本次设计，在该设计中将利用Simulink对模型进行搭建，搭建完毕后，针对该模型将通过BPSK调制方式对随机信号进行处理，并实施跳频通信过程。初始步骤完成后，应针对跳频信号序列所形成的频谱进行扩展式的发送，在信息进行传输过程中，向该系统中加入高斯白噪声，跳频信号将通过该噪声的数据大小产生误码，通过相关计算最终可得出误码率的数值，进而判断出该通信系统中信道的传输性能[3]。

3.2 建立干扰信道模型

经过数据分析可知，跳频系统在实际操作过程中仍存在多种类型的干扰，因此，本文将根据不同类型的干扰建立干扰信道模型，其中宽带阻塞式干扰在通信过程中属于最常见，也是最简单的干扰类型，通过强大的信号功率可实现阻塞性干扰。部分频带阻塞干扰在针对干扰信号进行工作过程中应使用多个发射机才可达到宽带阻塞干扰的作用效果，但该干扰方式在作战期间具有一定优势，可保护自身不被暴露。梳状阻塞干扰可在多个高斯噪声发生器的作用下，将跳频信号传输至带通滤波器，在滤波器的作用下产生不同的噪声干扰，在该系统中可加入放大器，通过放大器对噪声大小进行调节，为保证该系统的良好性能，将在该系统中加入9个高斯噪声发生器，实现梳状干扰模型。在多频连续波干扰中可通过多个频率信号共同作用，并通过跳频频点的方式进行定频干扰，而跟踪干扰在通信系统中属于最有效的干扰方式之一，跟踪干扰模型如图4所示。

图4 跟踪干扰模型

4 基于Simulink的跳频通信系统抗干扰性能仿真分析

4.1 宽频带阻塞干扰

通过分析可知，宽频带阻塞干扰主要由均值为0，方差为1的高斯噪声通过干扰而产生的，通过频谱分析可知，宽频带阻塞干扰可分布于整个系统中，为保证该系统的抗干扰性能，将针对该系统进行仿真分析，在仿真分析过程中，将向该系统中加入不同类别的干扰信号，共分为两类，分别是非人为干扰以及人为干扰信号，通过宽带阻塞式干扰针对干扰信号进行工作的特点中可以分析出，随着干扰强度的不断增大，误码率出现明显增大现象，可通过功率对抗方式克服干扰信号带来的影响，除此之外，可通过扩展跳频系统带宽的方式对信号频率的宽度进行扩展，该状态下的跳频通信系统为保证自身抗干扰性能，将通过扩大干扰信号功率的方式实现干扰性能，但扩大系统功率在一定程度上将暴露自己的存在，为改善该现象的发生，将通过部分干扰的方式进行处理，从而形成部分频带阻塞干扰[4]。

4.2 部分频带阻塞干扰

部分频带阻塞干扰主要通过高斯噪声发生器与带通滤波器共同作用下，对跳频信号产生一定的干扰信号，因此，本次分析中将针对跳频信号的传输过程对带宽进行确定，该方法有利于滤波器参数的设置，促使干扰信号在跳频通信系统的频带数据之内进行跳动，通过对部分频带阻塞干扰进行仿真分析可以看出，对于该类型的干扰应通过功率对抗的方式进行处理，除此之外，应针对带宽进行有效扩展，或者通过对频率数进行增加的方式实现部分频带阻塞干扰方式的抗干扰性能，介于上述抗干扰方式，还可针对部分频带阻塞干扰进行空闲信道搜索技术的引用，该技术可有效避免频带阻塞干扰的影响[5]。

4.3 多频连续波干扰

通过该干扰的产生方式中可以看出多频连续波干扰进行跳频信号处理时，将产生一定的干扰信号，此类干扰信号在时域中处于相互重叠状态，并且该干扰方式可通过连续波的作用下形成定频干扰，应保持干扰频点与跳频频点重合，实现抗干扰功能。通过分析可知，为保证该系统的干扰概率，应将干扰方的功率处于增大的状态下方可实现，而针对被干扰的系统可以通过对跳频频点数进行提高，从而实现系统的有效干扰模式。

5 总结

跳频通信实际上指的是扩频通信中的一种通信方式，该系统主要通过本文主要通过二进制的方式产生伪随机码，并将伪随机码以序列的形式进行传输，通过该序列对载波频率振荡器进行有序控制，最终使其产生随着伪随机码跳动而进行跳变的本振载波频率，并将需要发送的信号通过本振载波频率进行传输。在跳频通信系统作用原理的基础上进行抗干扰方式分析，并通过构建系统模型的方式计算误码率的性能，除此之外，本文将基于Simulink软件的作用下对跳频通信系统的抗干扰性能进行测试分析，通过不同程度的参数数据对干扰环境下的跳频通信系统进行测试，最终得到抗干扰措施，在今后的研究过程中，将针对仿真系统进行不断完善，具有重要意义。