跳频通信系统的建模与仿真

摘要：在Matlab/Simulink仿真的平台上，利用跳频通信基本原理，在给定仿真条件下，建立了跳频通信系统模型，对系统进行了仿真，得到了宽带噪声干扰下的误码率信噪比曲线。通过跳频仿真图形前后对比，得出跳频通信系统的抗干扰能力优于传统的定频通信，在现代通信中有更高可靠性的结论。

关键词：信噪比；跳频通信；仿真；误码率；抗干扰

中图分类号：TP301 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）07-1568-04

1 概述

根据整个以太网网络早就预设的程序，自由操控该网络内所有台站在一秒钟钟内在同一时间改变频率多次，这么一个过程就叫做跳频。同步信令从之前设定的基站周期性发出，从而达到指令所有的从站根据基站的频率作跳跃式改变[1]。

跳频短波通信相对卫星通信在安全性上更为可靠、精准。这个主要是由其所受的代理机构不能所决定。卫星通信一般都是由国家的相应机构所辖制，所以在一定程度上有局限性。而跳频短波通信是完全自主的，相对自主的多，也较之可靠。现今，普通数字式跳频十分普遍。例如边带跳频、智能跳频等都是在近年出现比较先进的跳频模式。跳频通信系统是一种典型扩展频谱通信系统，它在军事通信、移动通信、计算机无线数据传输和无线局域网等领域有着十分广泛的应用，已成为当前短波保密通信的一个重要的发展方向[2]。该文介绍了跳频通信系统的基本工作过程，从跳频系统的结构组成，工作原理，跳频通信系统的解跳、解调等方面阐述了跳频通信基本原理，并对跳频通信系统的抗干扰技术进行了仿真研究和理论分析。

2 跳频系统的建模与仿真

2.1 跳频系统基本原理

传统的频率跳变扩频系统叫做：多频、码选、频移键控。其基本思想是在频率域中，不断地改变发射频率进行收发双方预先约定好的通信。

根据图1得知：信号首先同载波一道经过调制器，然后进入频率合成器进行混频，在混频过程中，信号被放大，这时已变成已调信号，已调信号经频率合成器中的功率放大器放大后，最后经天线发射出去[3]。在收端，通常采用超外差式接收机，也就是说信号经过频率合成器比进入前要高一个中频，该信号经过频率合成器后输出一个稳定的中频信号，然后经过带通滤波器后，就只保留了需要的频带，最后再经解调器把信息恢复出来。

2.2 跳频系统的理论基础

跳频通信系统建立的基础是信息论中的香农公式，即：[C=Blog2（1+s/n）]，其中C 为系统的信道容量（bits/s），从公式中我们可以看到，在保证信道带宽C不变的前提下，带宽B和信噪比S/N是可以互换的[5]。所以从理论上而言，我们也就可以采用提高信号带宽方法来维持或者提高系统通信的性能[4]。 跳频通信正是在基于这么一个原理上而发展起来的一门新技术，目前在现代短距离数字通信（如卫星定位系统（GPS）、3G移动通信系统、无线局域网802.11a/b/g和蓝牙）等中用的甚是广泛[5]。跳频通信最大的不同就是在其接受端增加了扩频解调的过程。在接收机端，发送的跳频同本地恢复载波以同样的频率发生变化。就能得到解跳频信号，之后再解调跳频信号即可恢复数据[6]。跳频系统一般采用非相干解调频移键控FSK调制方式，由于在跳频通信系统接收机中跟踪载波相位很困难，所以一般采用非相干解调频移键控方式调制。

2.3跳频通信系统的建模

2.3.1 跳频通信系统模型建立的基本流程

1） 数学模型：根据图1跳频通信系统收发端基本原理，尽量将系统简化，确定系统整体功能，以便于将各个部分功能模块化，找出其关联，作出框架流程图[8][9]。

2） 仿真系统：根据Simulink/Matlab通信模型库所提供的各个功能模块，把所需要的模块拷贝调用到Untitled窗口，按照图1所作出的框架流程图进行连接，组建要仿真的通信系统模型。

3） 参数设置：设置系统参数（如系统运行时间。采样速率等）、功能模块参数（如正弦信号的频率、幅度、初相；低通滤波器的截止频率、通带增益、阻带衰减等）。

4） 观察仿真波形、数据：在整个系统模型中，设置一些关键点以便于了解整个功能模块的性能、以及对结果的分析。

5） 新模块的生成：对于在Simulnk/Matlab通信模型库中没有的功能模块，需要根据掌握的技术生成所需新的子模块，以便随时调用[5]。

2.3.2跳频通信系统仿真模型的建立

我们采用Simulink/Matlab建立的仿真模型如图3所示，可以实时地观测到系统在跳频前后信号的频谱变化，以实现现代通信的模拟仿真，为系统的设计和研究提供了强有力的研究平台[10]。

以跳频通信为基础的仿真模型中，信号处理的基本过程是：

1） 信号源生成准备待传送的有用信号。

2） 由伪随机码序列控制2FSK部分，与有用信号进行相乘运算。伪随机码元控制2SFK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，叠加上加性高斯噪声。

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 跳频通信系统仿真结果分析

3.1 仿真结果分析

4 结论

通过构建跳频系统和仿真，以及对误码率的分析。从而得出现代通信理论的理论依据正是基于跳频通信良好优点：

1） 综合考虑带宽和信噪比以寻求最佳参数，最大化的利用其抗干扰性能发挥；

2） 跳频通信的保密和无失真特征。

3） 跳频通信利用多种图案或时钟，从而在一个带宽内实现频率资源共享，提高频率利用率。

参考文献：

[1] 王玉德，王金新.基于MATLAB的跳频扩频通信系统的仿真研究[J].通信技术，2010（6）.

[2] 王俊年，吴劲峰.基于Matlab/Simulnk通信原理可视化动态仿真实验[J].甘肃农业大学学2003（6）.

[3] 李玲，陈强.浅谈MATLAB仿真在《通信原理》课程教学中的应用[J].四川教育学院学报，2006（12）.

[4] 李向莉.基于SIMULINK的通信原理可视化动态仿真[J].大众科技，2008（4）.

[5] 林森，刘玉珍，杨会玉.Simulink在通信原理课程教学中的应用探讨[J].大众科技， 2009（9）.

[6] 眭杨清，陈家福.跳频通信技术研究与仿真[J].微处理机，2012（6）.

[7] 王向鸿，赵海涛，关晓东.跳频扩频系统的Matlab模拟仿真实现[J].现代电子技术，2010（10）.

[8] 于洪涛.高速跳频同步方法分析与改进方案研究[D]. 哈尔滨工业大学，2009.

[9] 张帅帅.数据链跳频抗干扰技术研究与仿真分析[D].电子科技大学，2011.

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