基于matlab的fhss通信系统设计与实现

《基于matlab的fhss通信系统设计与实现》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

太原科技大学华科学院毕业设计（论文）目录摘要IIIABSTRACTV第1章绪论-1-1.1研究扩频通信的目的和意义-1-1.2扩频通信的应用发展-1-1.3FHSS通信-2-1.4设计内容及结构-4-第2章扩频通信-5-2.1扩频通信-5-2.1.1扩频通信的定义-5-2.1.2扩频通信的理论基础-5-2.2扩频通信方式-8-2.3随机序列码-8-第3章FHSS通信系统原理-11-3.1FHSS通信的概述-11-3.1.1FHSS系统的组成部分-11-3.2FHSS通信系统工作原理-12-3.2.1FHSS通信系统数学模型-12-3.2.2跳频图案-14-3.2.3FHSS通信抗干扰方式-16-3.2.4FHSS通信系统的同步-19-第4章FHSS通信系统仿真-23-4.1FHSS通信系统MATLAB仿真-23-4.2FHSS通信系统仿真模型-23-4.3仿真结果及分析-24-设计总结-27-参考文献-29-致谢-31-附录-33--38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）-38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）摘要扩频通信在军事领域长期的成功应用以及近年来在商业领域的异军突起，使其在通信技术中扮演重要的角色，而FHSS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。本文介绍了FHSS系统的基本工作过程，并利用MATLAB中的仿真系统实现FHSS系统的仿真并能直观地显示FHSS通信过程，其中涉及到PN码，频率合成器，BPSK调制解调等仿真系统。还介绍了系统设计方法与运行结果,通过仿真结果能直观地观察到FHSS通信系统的性能,有利于研究FHSS通信系统。关键词：FHSS扩频，通信系统，跳频系统，仿真-38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）-38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）MATLAB-basedFHSSCommunicationSystemDesignandImplementationABSTRACTFrequencyHoppingsystemisatypicalspreadspectrumcommunicationsystem.Ithasbeenverywidelyusedinmilitarycommunication,mobilecommunication,computerwirelessdatatransmission,wirelessLANandotherfields.ThispaperintroducesthebasicworkingprocessofFrequencyHoppingsystem.FrequencyHoppingsystemhavebeenemulatedandanalyzedbySystemofMATLAB.FHSScommunicationprocesswasdisplayedvisually.ThedesigningmethodsandrunningresultsofFHSScommunicationsystemweredescribed.ItcanhelptosdudytheprincipleofFHSScommunicationsystem.ThisarticledescribesthebasicworkprocessFHSSsystem,andusingMATLABsimulationsysteminthesimulationofFHSSsystemsandcandirectlydisplayFHSScommunicationprocess,involvingPNcode,frequencysynthesizer,BPSKmodulationanddemodulationandothersimulationsystems.Alsodescribesthedesignmethodsandoperatingresults,thesimulationresultscanbevisuallyobservedtheperformanceofFHSScommunicationssystem,conducivetoresearchFHSScommunicationsystem.Keywords:FHSS，Communicationsystem，FrequencyHoppingSystem，Simulation-38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）-38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）第1章绪论1.1研究扩频通信的目的和意义扩频通信[1]是通信的一个重要分支和信道通信系统的发展方向。扩频技术具有抗干扰能力强、保密性好、易于实现多址[2]通信等优点，因此该技术越来越受到人们的重视。近年来，随着超大规模集成电路技术、微处理器技术的飞速发展，以及一些新型元器件的应用，扩频通信在技术上已迈上了一个新的台阶，不仅在军事通信中占有重要地位，而且正迅速地渗透到了个人通信和计算机通信等民用领域，成为新世纪最有潜力的通信技术之一。因此研究扩频通信具有很深远的意义，本人通过毕业论文设计，进行深入地研究扩频通信技术及对它进行仿真应用，将所学的知识进行归纳与总结，从而巩固通信专业基础知识，为以后的个人学习和工作打下基础。1.2扩频通信的应用发展扩频技术由于其本身具备的优良性能而得到广泛应用，到目前为止，其最主要的两个应用领域仍是军事抗干扰通信和移动通信系统,而FHSS系统与直扩系统则分别是在这两个领域应用最多的扩频方式。一般而言，FHSS系统主要在军事通信中对抗故意干扰，在卫星通信中也用于保密通信，而直扩系统则主要是一种民用技术。对FHSS系统的分析，现在仍集中在其对抗各种干扰的性能方面，如对抗部分边带干扰以及多频干扰等。而直扩系统，即DS-CDMA[3]系统，在移动通信系统中的应用则成为扩频技术的主流。欧洲的GSM标准和北美的以CDMA技术为基础的IS-95都在第二代移动通信系统（2G）的应用中取得了巨大的成功。而在目前所有建议的第三代移动通信系统（3G）标准中（除了EDGE）都采用了某种形式的CDMA。因此CDMA技术成为目前扩频技术中研究最多的对象。从扩频技术的历史可以看出，每一次技术上的大发展都是由巨大的需求驱动的。军事通信抗干扰的驱动以及个人通信业务的驱动使得扩频技术的抗干扰性能和码分多址能力得到最大限度的挖掘。展望未来，第四代移动通信系统（4G）的驱动无疑会使扩频技术传输高速数据的能力得到更大的拓展。3G设计的目标主要是支持多媒体业务的高速数据传输，因此其研究主要集中在新标准和新硬件的开发。而对于3G以后的发展，不同的研究者有不同的观点。1、最大的灵活性,应该能够满足在任何时间和地点，通过任何设备都可以实现通信；2、降低成本，4G在实现比3G的传输速率高1~2-38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）个数量级的同时，还应该使成本降为3G时的1/10或1/100；3、个性化和综合化的业务，不仅仅是保证每个人都能通过一个终端进行通信，而要在人周围的家庭、办公室以及热点地区建立一个通用的信息环境，使每个人都可以根据需要以各种方式获得信息。衡量扩频系统的重要指标是扩频增益，在一定的传输带宽下，要提高有效数据的传输速率就要降低扩频增益，而扩频增益的下降也意味着扩频系统性能的降低，因此要提高传输数据速率，而且不降低扩频系统的性能（即保证一定的扩频增益），就只有提高传输带宽。超宽带(UWB)技术可以看作是一种将传输带宽极大扩展以获得高数据传输速率的扩频技术。UWB作为一种短距离通信技术在未来无线通信系统[4]的实现中扮演着重要的角色。1.3FHSS通信FHSS，跳频技术(Frequency-HoppingSpreadSpectrum)在同步、且同时的情况下，接受两端以特定型式的窄频载波来传送讯号，对于一个非特定的接受器，FHSS所产生的跳动讯号对它而言，也只算是脉冲噪声。FHSS所展开的讯号可依特别设计来规避噪声或One-to-Many的非重复的频道，并且这些跳频讯号必须遵守FCC的要求，使用75个以上的跳频讯号、且跳频至下一个频率的最大时间间隔(DwellTime)为400ms。　　FHSS就是用扩频的码序列去进行移频键控(FSK)调制，使载波的频率不断地跳变。FHSS系统的跳变频率有多个，多达几十各甚至上千个。传送的信息与这些扩频码的组合进行选择控制，在传送中不断跳变。在接收端，由于有与发送端完全相同的本地发生器发生完全相同的扩频码进行解扩，然后通过解调才能正确地恢复原有的信息。　　所谓FHSS，比较确切的意思是：用一定码序列进行选择的多频率频移键控。也就是说，用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率不断地跳变，所以称为FHSS。简单的频移键控如2FSK，只有两个频率，分别代表传号和空号。而FHSS系统则有几个、几十个、甚至上千个频率、由所传信息与扩频码的组合去进行选择控制，不断跳变。　　下图1.1为FHSS的原理示意图。发端信息码序列与扩频码序列组合以后按照不同的码字去控制频率合成器。-38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）信息调制器频率合成器射频调制器变频器中频带通信息解调器扩频码发生器器射频发生器频率合成器扩频码发生器器信息信息输出图1.1FHSS原理图　跳频图案的伪随机性和跳频图案的密钥量使FHSS系统具有保密性。即使是模拟话音的FHSS通信，只要另一方不知道所使用的跳频图案就具有一定的保密的能力。当跳频图案的密钥足够大时，具有抗截获的能力。　　由于载波频率是跳变的，具有抗单频及部分带宽干扰的能力。当跳变的频率数目足够多时，跳频带宽足够宽时，其抗干扰能力是很强。这也是它能在WLAN系统中得到广泛使用的原因。利用载波频率的快速跳变，具有频率分集的作用，从而使系统具有抗多径衰落的能力。条件是跳变的频率间隔具要大于相关带宽。利用跳频图案的的正交性可构成跳频码分多址系统，共享频谱资源，并具有承受过载的能力。　-38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）FHSS系统为瞬时窄带系统，能与现有的窄带系统兼容通信。即当FHSS系统处于某一固定载频时，可与现有的定频窄带系统建立通信。另外，FHSS系统对模拟信源和数字信源均适用。　　FHSS系统无明显的无近效应。这是因为当大功率信号只在某个频率上产生远近效应，当载波频率跳变至另一个频率时则不再受其影响。这一点，使FHSS系统在移动通信中易于得到应用与发展。FHSS系统也有其缺点和局限：　　1、信号的隐蔽性差。因为FHSS系统的接收机除跳频器外与普通超外差式接收机没有什么差别，它要求接收机输入端的信号噪声功率比是正值，而且要求信号功率远大于噪声功率。所以在频谱仪上是能够明显地看到跳频信号的频谱。特别是在慢速跳频时，跳频信号容易被另一方侦察、识别与截获。　　2、FHSS系统抗多频干扰及跟踪式干扰能力有限。当跳频的频率数目中有一半的频率被干扰时，对通信会产生严重影响，甚至中断通信。抗跟踪式干扰要求快速跳频，使干扰机跟踪不上而失效。　　3、快速跳频器的限制。产生宽的跳频带宽、快的跳频速率、伪随机性[5]好的跳频图案的跳频器在制作上遇到很多困难，且有些指标是相互制约的。因此，使得FHSS系统的各项优点也受到了局限。　　一种用RF载波在大量RF信道上跳频实现扩频的技术，它用随机或伪随机代码确定使用通道的序列。同DSSS一样，FHSS使用一个PN码。但是它不是将PN码调制到RF载波上，而是用这个PN码确定离散频率的次序。这些离散频率就成了RF载波。本质上，FHSS是一个RF系统，在这个系统中，RF载波不断跳变（这也是它名字的由来），从一个频点跳到另一人频点（在给定的频率范围内）。1.4设计内容及结构本设计主要研究设计FHSS通信系统，设计要求FHSS通信系统要具有抗干扰、FHSS同步等特性。对FHSS系统来说，抗干扰技术是FHSS通信系统中的关键技术。它增强了FHSS通信系统在恶劣情况下的使用能力，实现了保密通信，在增强信号处理能力上也起到了积极的促进作用。主要介绍了FHSS通信的理论基础和FHSS系统的原理及组成，进而对FHSS系统进行了深入精心的设计，设计了FHSS通信系统的MATLAB仿真，BPSK调制解调等仿真系统。全文共分五章，结构安排如下：第1章绪论介绍了课题研究的目的，扩频通信的应用发展及跳频通信的简介。第2章对扩频通信进行介绍，其中主要介绍了扩频通信的理论基础，扩频通信方式以及随机序列码。第3章介绍了跳频通信系统原理。本章主要介绍了跳频通信及系统组成部分，详细阐述了跳频通信的原理及跳频通信的抗干扰方式和跳频通信同步。第4章FHSS通信系统仿真，通过源程序对跳频通信系统进行仿真，得出结果，并对结果进行分析。-38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）第2章扩频通信2.1扩频通信2.1.1扩频通信的定义扩频通信，即扩展频谱通信技术（SpreadSpectrumCommunication），它的基本特点是其传输信息所用信号的带宽远大于信息本身的带宽。除此以外，扩频通信还具有如下特征:1、是一种数字传输方式；2、带宽的展宽是利用与被传信息无关的函数(扩频函数)对被传信息进行调制实现的；3、在接收端使用相同的扩频函数对扩频信号进行相关解调，还原出被传信息。2.1.2扩频通信的理论基础扩频通信的工作原理是先用周期性地址码或伪随机噪声序列码(PN)与信息信号相乘(即进行调制)得到扩频信号，它包含原始信息和地址码信息。再把扩频信号与载波相乘，得到数字微波信号，此信号的相位载有原始信息和地址码信息[6]。这个信号经过天线发射出去后在接收点接收，接收机收到此信号经解调、滤波得到扩频信号。扩频信号与接收机里的地址码(与发射机里的相同)相乘，称为解扩，得到原始信息信号。这些PN序列是具有多个码位的0,1序列(至少几十个bit)，它们是经过严格挑选的、具有良好的自相关性、但彼此间却近似相互正交、线性无关的。在众多的码型中，它们很容易识别出与自己相同的码型，而不容易与其他码型混淆。通常的调制技术都是在加性高斯白噪声信道中争取达到更好的功率效率或带宽效率。而扩频调制技术使用的传输带宽是传输所需的最小信号带宽的几个数量级。对于单个用户其带宽效率很低，扩展频谱的优点是很多用户可以共享带宽。根据香农信息理论，有扰连续信道的信道容量满足以下香农公式:（2-1）公式（2-1）表明，在给定的信号功率S和白噪声功率N的情况下，只要采用某种编码系统，就可以以任意小的差错概率、以接近C的信息传输速率来传送信息。同时也表明，在信道容量C一定时，频带宽度W和信噪比S/N之间可以彼此互换。也就是说，如果增加频带宽度，就可以在较低的信噪比情况下用相同的信息率以任意小的差错概率来传输信息。扩频通信正是利用了这一点，即用扩展频谱的方法来换取较好的信噪比。柯捷尔尼可夫理论公式为:（2-2）-38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）是误码率，E是每比特信号能量，是噪声功率谱密度。把此式适当改变一下就可以很容易看出其含义。设传输带宽为W，信号功率是,噪声功率，信号持续时间为T，信息信号带宽，将这些代入式（2-2）中可以得到:（2-3）上式说明，是由决定的。就是说传输一定带宽的信息，信噪比可以和带宽互换，此结果与香农定理完全一致。在扩频通信中，是处理增益，处理增益越大，越大，误码率越低，通信安全可靠性越好。总之，扩频通信是用宽的带宽来换取低的或，或者说用宽的带换取低的误码率，提高通信的抗干扰能力和增加通信的隐蔽性。这是扩展频谱通信的基本思想和理论据。依据这个理论我们就得到了扩频与解扩频基本过程如下。一般的无线扩频通信系统都要进行三次调制。一次调制为信息调制，二次调制为扩频调制，三次调制为射频调制。接收端有相应的射频解调，扩频解调和信息解调。根据扩展频谱的方式不同，扩频通信系统可分为：直接序列扩频（DS）、跳频（FH）、跳时（TH）、线性调频以及以上几种方法的组合。图2.1信息的频谱扩展过程所谓直接序列扩频（DS-DirectScquency），就是用高码率的扩频码序列在发端直接去扩展信号的频谱，在收端直接使用相同的扩频码序列对扩展的信号频谱进行解调，还原出原始的信息。直接序列扩频的频谱扩展和解扩过程在图上我们可以看出：-38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）图2.2扩频信号的解扩过程在发端，信息码经码率较高的PN码调制以后，频谱被扩展了。在收端，扩频信号经同样的PN码解调以后，信息码被恢复；信息码经调制、扩频传输、解调然后恢复的过程，类似与PN码进行了二次"模二相加"的过程。在以下的图2.3中我们还可以用能量面积图示概图2.3信号与噪声的功率密度念看出：待传信息的频谱被扩展了以后，能量被均匀地分布在较宽的频带上，功率谱密度下降；扩频信号解扩以后，宽带信号恢复成窄带信息，功率谱密度上升；相对与信息信号，脉冲干扰只经过了一次被模二相加的调制过程，频谱被扩展，功率谱密度下降，从而使有用信息在噪声干扰中被提取出来。-38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）2.2扩频通信方式1、直接序列扩频（DS）直接序列扩频(DirectSequence,DS)直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱，而在收端用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。2、频率跳变（FH）频率跳变调制(FrequencyHopping,FH)用较低比特率的伪随机序列的指令去控制载波的中心频率，离散的在一个给定的频带内跳变，形成一个宽带的离散频率谱。3、线性跳频(Chirp)线性跳频（Linearfrequency-hopping）如果发生的射频脉冲信号在一个周期内其载频的频率作线性变化，则称为线性调频。下面将对系统中用到的跳频技术做一更为详细的介绍。4、跳变时间(TH)跳时(TH－TimeHopping)是使发射信号在时间轴上跳变。首先把时间轴分成许多时片。在一帧内哪个时片发射信号由扩频码序列去进行控制。可以把跳时理解为：用一定码序列进行选择的多时片的时移键控。2.3随机序列码序列元素间有确定关系存在，但具有与随机序列[7]类似性质的一种特殊的离散信号形式，可表示为……其中可取值0，1或1，-1也可以取符号域中的元素。前者叫二元序列，后者叫元序列。但实用中最主要的还是前者。序列长度可以为有限，也可以为无穷。后者主要着重的是周期序列，即存在最小正整数，使对一切有，为周期。　　序列的各元素为相互独立且具有相同分布的随机变量时，称为随机序列。实际应用的主要是伪随机序列。它指序列元素间有确定关系存在，但具有与随机序列类似的下列性质：1、在有限长度或一周期内各元素的个数相差不超过1，即接近等概率；2、出现l个相同值或称l长游程的概率接近；3、相关函数在时为p,=0时不超过±1，式中-38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）为序列的长度或周期。实际上有时将大体满足以上条件的序列也称为伪随机序列。　伪随机序列可用图中的反馈移位寄存器得到。图中表示反馈函数。级移位寄存器只能有（一般为）种状态,故经一定时间后会回到原来的某一状态,产生周期性输出,若反馈函数的输出与各输入间有线性关系存在,则为线性移位寄存器，否则为非线性移位寄存器。。。。图2.4序列发生器原理图对于线性移位寄存器序列有　(i＝0,1,…)（2-4）它当初始值全为零时输出恒为零。除去这种全零状态外，它最多可能取遍所有个非零状态，故最大周期为。一般情况下周期是的因子。　周期达到的序列称为最长线性移位寄存器序列，简称M序列，图中b就是三级M序列，它的输出为…，0，0，1，0，1，1，1,…。M序列完全满足伪随机序列的三点要求，特别是它的相关函数为　　(2-5)因而是典型的伪随机序列。M序列的周期一定是,实用上还需要有其他的周期,这可用非线性移位寄存器序列得到。级非线性移位寄存器序列的周期不大于，达到的序列称M序列。利用以上原理，我们要产生一个伪随机序列[8]直接去控制频率合成器合成载频频率。频率合成器每接到一个PN序列就会输出一组不断跳变的频率。这样只有相同的PN-38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）码才会输出相同跳变次序的频率。PN码不同时频率合成器输出的频率是不会有相同的周期性的。　-38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）第3章FHSS通信系统原理3.1FHSS通信的概述定频通信[9]系统容易暴露目标且易于被截获，这时，采用FHSS通信就比较隐蔽也难以被截获。因为FHSS通信是“打一枪换一个地方”的游击通信策略、从而不易发现通信使用的频率，一旦被对方发现，通信的频率也已经“转移”到另外一个频率上了。当对方摸不清“转移规律”时，就很难截获我方的通信内容。因此，FHSS通信具有抗干扰、抗截获的能力，并能作到频谱资源共享。所以在现代通信中FHSS通信已显示出巨大的优越性。3.1.1FHSS系统的组成部分FHSS通信系统和其他通信系统一样，也是分为信号的编码、调制和放大等过程的发送端。另一端就是信号的接收、放大、解调得到有用的信息。完成一次FHSS通信就要分以上两步进行。在发送端，被传送的信号经过调制器的相应调制，便获得载波频率固定的已调波信号，再与频率合成器输出的主载波频率信号进行混频，其输出的已调波信号的载波频率达到射频通带的要求，经过高通滤波器后反馈至天线发射出去。FHSS系统的频率合成器输出的载波信号的频率是受跳频指令（伪随机序列）控制的。在时钟的作用下，跳频指令发生器不断地发出控制指令，频率合成器不断地改变其输出载波的频率。因此，混频器输出的已调波的载波频率也将随着指令不断地跳变，从而经高通滤波器和天线发送出去的就是跳频信号。收信机通常采用超外差式接收机，使接收到的信号比接收端频率合成器的输出信号低一个中频，然后该接收信号与频率合成器的输出信号进行混频从而实现解扩，输出一个固定中频信号。之后经中频带通滤波器滤波后，把不需要的干扰抑制掉，经解调器把传送的信息恢复出来。FHSS系统组成框图如图3.1所示。-38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）编码器数字调制器混频器频率合成器跳频码产生器解码器时间同步器信道混频器数字解调器频率合成器跳频码产生器信息序列输出图3.1系统组成框图频率合成器[10]输出的最低频率min和最高频率max之间的变化范围指频率范围。用覆盖系数k=max/min表示（k又称之为波段系数）。如果覆盖系数k>2~3时,整个频段可以划分为几个分波段。在频率合成器中,分波段的覆盖系数一般取决于振荡器的特性。频率间隔（频率分辨率）频率合成器的输出是不连续的。两个相邻频率之间的最小间隔,就是频率间隔。频率间隔又称为频率分辨率。不同用途的频率合成器,对频率间隔的要求是不相同的。对短波单边带通信来说,现在多取频率间隔为100Hz,有的甚至取10Hz、1Hz乃至0.1Hz。对超短波通信来说,频率间隔多取50kHz、25kHz等。在一些测量仪器中,其频率间隔可达兆赫兹量级。频率转换时间是指频率合成器从某一个频率转换到另一个频率,并达到稳定所需要的时间。它与采用的频率合成方法有密切的关系。频率准确度是指频率合成器工作频率偏离规定频率的数值,即频率误差。而频率稳定度是指在规定的时间间隔内,频率合成器频率偏离规定频率相对变化的大小。跳频码发生器是产生伪随机序列的部分，用它产生的伪随机序列去控制频率合成器来产生我们所需要的频率。此外系统还有编码、调制、解调等组成部分。3.2FHSS通信系统工作原理3.2.1FHSS通信系统数学模型FHSS通信是扩展频谱通信的一个分支，是一个“多频、选码、频移键控”系统，即用伪码序列构成跳频指令来控制频率合成器，并在多个频率中进行选择的频移键控。具有-38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）“躲避”式抗干扰、易于解决远近问题、码分多址、频率分集等特点。频率跳变系统主要由伪码发生器和频率合成器两部分组成。发射机在一个预定的频率集中由伪码序列控制频率合成器使发射频率随机地由一个跳到另一个。接收机中的频率合成器也按相同的顺序跳变，产生一个本振频率，经混频后，送到解调器解调出传送的信息。图3.2是FHSS系统相关处理的数学模型：带通滤波解调干扰噪声n(t)图3.2FHSS信号相关处理设为发送的跳频信号（3-1）其中:，为输出的FH信号(令振幅A=1)，为FHSS合成器跳变间隔，每跳持续时间为T，一般取，是待传送的数字信息流，为初相。在信道中与其它地址信号,噪声以及千扰组合后进入接收机的信号为：（3-2）其中:为发射端的有用信号:是其它地址信号()，进入接收机与本地信号相乘后得:（3-3）式中:为本地频率合成器的中心频率，与差一个中频-38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）。假设收发两端跳频序列同步，将式（3-1）代入（3-3）得:（3-4）式中中频是：是本地跳频信号的初相。式（3-4）中的每次跳变使混频器输出一个固定中频，经中频滤波器后得到有用信号分量为:（3-5）将式(3-5)中的信号送入解调器中，即可解调出信息。而其它地址跳频信号、干扰信号、噪声不能在每次跳频时隙内都与本地输出信号混频成固定中频[11]。这样，相乘后就落在中频带通滤波器的通带之外，自然就不会对有用信号的解调发生影响。3.2.2跳频图案为了不让另一方知道我们通信使用的频率，需要经常改变载波频率，即“打一枪换一个地方”似地对载波频率进行跳变，FHSS通信中载波频率改变的规律，叫作跳频图案。通常我们希望频率跳变的规律不被另一方所识破，所以需要随机地改变以至无规律可循才好。但是若真的无规律可循的话，通信的双方也将失去联系而不能建立通信。因此，常采用伪随机改变的跳频图案。只有通信的双方才知道此跳频图案，而对另一方则是绝对的机密。所谓“伪随机”，就是“假”的随机，其实是有规律性可循的，但当另一方不知跳频图案时，就很难猜出其跳频的规律来。图3.3所示为一个跳频图案。图中横轴为时间，纵轴为频率。这个时间与频率的平面叫作时频域。也可将这个时频域看作一个棋盘，横轴上的时间段与纵轴上的频率段构成了棋盘格子。阴影线代表所布棋子的方案，就是跳频图案；它表明什么时间采用什么频率进行通信，时间不同频率也不同。-38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）图3.3跳频图案图3.3(a)中所示为一快跳频图案，它是在一个时间段内传送一个码位(比特)的信息。通常称此时间段叫跳频的驻留时间，称频率段为信道带宽。图3.3(b)所示则是一慢跳频图案，它是在一个跳频驻留时间内传送多个(此处3个)码位(比特)的信息。在时频域这个“模盘”上的一种布子方案就是一个跳频图案。当通信收发双方的跳频图案完全一致时，就可以建立FHSS通信了。图3.4所示就是建立FHSS通信的示意图。图3.4发射接收跳频图其中t表示时间，s表示空间，f-38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）表示频率。当收、发双方在空间上相距一定距离时，只要时频域上的跳额图案完全相重合，就表示收、发双方同步跳频地进行通信。　3.2.3FHSS通信抗干扰方式通信收、发双方的跳频图案是事先约定好的，或者是由发方通知收方的。这个跳频图案是另一方所不知道的。另一方若想于扰FHSS通信，有几种策略可供选择，举其二为例说明：干扰方式1，在某一个频率上施放长时间的大功率的干扰，即单频干扰。干扰方式2，在不同时间内在不同的频率上施放大功率的干扰。这些干扰方式和FHSS通信的关系正像二人对奕时相互“出子”一样，当双方的“布子”落在时一频域棋盘内的同一小格时，则干扰有效。因此，跟踪跳频图案施放的干扰策略就是最佳的干扰FHSS通信的策略了。图3.5给出了方式1和方式2的干扰策略与跳频图案的关系。图3.5跳频被干扰的方式图3.5中示出一种跳频图案，方式1干扰策略是在时间上连续的施放一个窄带干扰，即第l0个频率段以斜线表示的干扰带；方式2干扰策略是在第一个时间段用第一个频率段进行干扰，第二个时间段用第二个频率段进行干扰，依次下去，就形成了沿时频域模盘对角线上的于扰带。跳频图案中受到这两种干扰时就用全黑色方块来表示。由图中可以看出，干扰方式1只干扰了一个跳频驻留时间的通信，而干扰方式2则干扰了三个跳频驻留时间的通信。-38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）跳频图案的不同，其干扰的效果也不尽相同。当跳频图案的随机性越大时，跳频抗干扰的能力就越强；“棋盘”越大时，即频率和时间的乘积越大时，可容纳的随机图案也越多，跳频图案本身的随机性也越大，从而抗干扰能力也越强。所谓抗于扰能力强，实际上是指碰到干扰的概率小。现代电子战中，通信方采用跳频技术来分散干扰的影响，干扰方则想截获通信方的信号以减少于扰的盲目性，并尽量作到有的放矢，这就是跟踪式干扰策略。跟踪式干扰的有效干扰是有条件的，这个条件除功率因素外，还应当满足干扰椭圆的要求，如图3.6所示。图3.6转发干扰图中的通信方为收、发信机，干扰机用来对通信的信号进行侦听、处理，然后以同样的载波频率施放干扰。为了有效地干扰跳频系统，在通信频率跳到新的频率之前，干扰机必须完成从侦听到施放干扰的全过程。FHSS系统更换载频的跳频间隔时间，就是跳频信号在空间驻留的时间。根据收、发信机的距离d1，干扰机与发、收信机的距离d2和d3，以及跳频驻留时间和干扰机施放干扰的处理时间，可以得到以发射机和接收机为两个焦点的椭圆。只有当干扰机设置在这个椭圆内时，才能使干扰有效，如果干扰机设置在椭圆之外时，则此跟踪式干扰策略无效。显然，为了对付跟踪式干扰，希望跳频信号的驻留时间越短越好，让干扰机来不及施放干扰。考察一个系统的跳频技术性能，应注意下列各项指标：1、跳频带宽2、跳频频率的数目3、跳频的速率4、跳频码的长度(周期)5、FHSS系统的同步时间一般说来，希望跳频带宽要宽，跳频的频率数目要多，跳频的速率要快，跳频码的周期要长，FHSS系统的同步时间要短。跳频带宽的大小，与抗部分频带的干扰能力有关。跳频带宽越宽，抗宽带干扰的能力越强。-38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）跳频频率的数目，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越强。在一般的跳频电台中，跳频的频率数目不超过100个。跳频的速率，是指每秒钟频率跳变的次数，它与抗跟踪式干扰的能力有关。跳速越快，抗跟踪式干扰的能力就越强。一般在短波跳频电台中，其跳速目前不超过100跳／秒。在甚高频电台中，一般跳速在500跳／秒。FHSS系统的同步时间，是指系统使收发双方的FHSS图案完全同步并建立通信所需要的时间。系统同步时间的长短将影响该系统的顽存程度。因为同步过程一旦被另一方破环，不能实现收、发跳频图案的完全同步，则将使通信系统瘫痪。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，目前跳频电台的同步时间可在秒或几百毫秒的量级。当然，一个FHSS系统的各项技术指标应依照使用的目的、要求以及性能价格比等方面综合考虑才能作出最佳的选择。FHSS系统的特点，在很大程度上取决于它的扩展频谱机理。FHSS扩展频谱在机理上与直接序列扩展频谱大不相同。从图3-3的跳频图案上可以看出，每一跳频驻留时间的瞬时所占的信道带宽是窄带频谱，依照跳频图案随时间的变化，这些瞬时窄带频谱在一个很宽的频带内跳变，形成一个跳频带宽。由于跳频速率很快，从而在宏观上实现了频谱的扩展。图3.7所示是由频谱仪上观察到的跳频信号的频谱。图3.7频率跳变图中箭头所标示的，是载波频率跳变的过程。载波频率之间的频率间隔就是信道带宽，跳频的载波数目乘上信道带宽就是跳频带宽。因此，FHSS系统有如下特点：由于它是瞬时窄带系统，它易于与目前的窄带通信系统兼容。目前的通信系统不论是模拟调制的还是数字调制的，通常都是窄带的通信系统。如果给现有的窄带通信系统加装上能使其载波频率按照某种跳频图案跳变并能实现同步接收的装置，则可改造成为FHSS通信系统。由于它是宏观的宽带系统，它具有扩展频谱的抗干扰能力。FHSS-38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）扩展频谱具有抗单频干扰、多频干扰的能力，还具有抗部分频带和宽带干扰的能力。图3.8给出单频干扰和部分频带干扰对FHSS信号影响的示意图。图3.8多种干扰利用跳频图案的不同，可以在一个宽的频带内容纳多个跳频通信相同同时工作，达到频谱资源共享目的，从而可以提高频谱的有效利用率。3.2.4FHSS通信系统的同步同步[12]的含义是：跳频图案相同,跳变的频率序列(也称频率表)相同，跳变的起止时刻(也称相位)相同。因此，为了实现收、发双方的跳频同步，收端首先必须获得有关发端的跳频同步的信息，它包括采用什么样的跳频图案，使用何种频率序列，在什么时刻从那一个频率上开始起跳，并且还需要不断地校正收端本地时钟，使其与发端时钟一致。在FHSS系统中，接收机本地频率合成器产生的跳变频率必须与发端的频率合成器产生的跳变频率严格同步。由于时钟漂移、收发信机之间的距离变化，在时间上有差异;又因为振荡器频率的漂移等不确定因素，所以同步的过程就是搜索和消除时间及频率偏差的过程，以保证收发双方的码相位和载波的一致性。FHSS系统的同步一般包括跳频图案的同步、帧同步、信息码元同步等。在这些同步中，关键是跳频图案的同步。跳频同步主要有以下几种方法:1、精确时钟定时法由于产生跳变频率的方法是一样的，所用的伪随机码是一样的。唯一不知道是时间。若收发双方都保持时间一致，且通信距离己知，则可保证跳频图案的同步。2、同步字头法将同步信息作为同步字头置于FHSS信号的最前面，或在信息的传输过程中离散地插入这种同步字。收端根据同步字头的特点，可以从接收到的FHSS信号中将它识别出来，作为调整本地时钟或伪随机码发生器的依据，从而使收发双方同步。3、匹配滤波器法-38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）匹配滤波器具有很强的信号处理能力，将其用于同步系统会使同步系统简化、同步时间缩短、同步性能提高。用匹配滤波器同步，一般是对同步字头进行匹配滤波，一旦输入的FHSS信号与匹配滤波器相匹配，就表示收到了同步字头，即完成了时间的同步，接收端就可以从此刻启动本地频率合成器，从而完成了跳频同步口为提高同步性能，多采用匹配滤波器组，如采用声表面波匹配滤波组。4、自同步法，也称同步信息提取法。这种方法是利用发端发送的数字信息序列中隐含的同步信息，在接收端将其提取出来从而获得同步信息实现跳频。数字FHSS系统是指传送数字话音或数据的FHSS通信系统。因此，它传送跳频同步信息是以数据帧的格式进行的。数字系统跳频同步方法也不外乎同步字头法，自同步法和参考时钟法。同步字头法，发端需发送含有同步信息的码字，收端解码后，依据同步信息使收端本地跳频器与发端同步。同步信息除位同步、帧同步外，主要应包括跳频图案的实时状态信息或实时的时钟信息，即所谓的“TOD”信息(TimeoftheDay)。为了保证TOD信息的正确接收，在如图3.9所示的同步信息数据帧格式中装有位同步和帧同步位。此外，对TOD信息位可采用差错控制技术，如纠错编码，相关编码或采用大数判决，以提高传输的可靠性。图3.9同步帧的结构自同步法，数字FHSS系统中，根据需要也可采用不同方法的组合。比如，自同步法具有同步信息隐蔽的优点，但是存在同步建立时间长的缺点；而同步字头法具有快速建立同步的优点而存在同步信息不够隐蔽的缺点。因此可将这两种方法进行组合，得到一个综合最佳的同步系统。图3.10所示的是等待自同步法的跳频同步过程。-38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）图3.10帧同步过程图中，接收端在频率f6上等待接收跳频信号；发送端发送的跳频信号的载波频率依次在f5、f1、f3、f4、f2、f6…上跳变。当发端信号的载频跳变至f6时，收端接收到跳频信号，这时称作同步捕获，即可从跳频信号中解出它所携带的同步字头内的同步信息。接着，就依照同步信息的指令开始同步跳频，即由等待阶段转入同步跳频的阶段，从而建立了FHSS系统的同步。-38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）-38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）第4章FHSS通信系统仿真4.1FHSS通信系统MATLAB仿真一般来说，通信电路与系统仿真[13]过程可以分为五个步骤：1、系统建模：根据要分析的通信电路与系统，建立相应的数学模型。2、仿真算法：找到合适的仿真算法。MATLAB已经被确认为准确、可靠的科学计算标准软件。3、仿真语言：应用仿真语言编写计算程序。MTLAB[14]语言有非常突出的优点，是通信电路与系统仿真首选的仿真语言。4、仿真计算：根据初步的仿真结果对该数学模型进行验证。5、系统仿真：进行系统仿真，并认真地分析仿真的结果。仿真算法、仿真语言和仿真程序构成了数字仿真软件。数学模型的正确性、仿真算法的可行性、仿真程序的准确性和可靠性，最后编制成一个成熟的仿真软件。4.2FHSS通信系统仿真模型信息序列经过调制器的BPSK调制，便获得载波频率固定的已调BPSK信号，再与频率合成器输出的跳变频率的信号进行混频，其输出的FHSS信号的载波频率达到射频通带的要求，经过高通滤波器后反馈至天线发射出去。而FHSS系统的频率合成器输出的载波信号的频率是受跳频指令控制的。在时钟的作用下，跳频指令发生器不断地发出控制指令，频率合成器不断地改变其输出载波的频率。因此，混频器输出的已调波的载波频率也将随着指令不断地跳变，从而经高通滤波器和天线发送出去的就是跳频信号如图3.1。在接收信号时收信机通常采用超外差式接收机，使接收到的信号比接收端频率合成器的输出信号低一个中频，然后该接收信号与频率合成器的输出信号进行混频从而实现解扩，输出一个固定中频信号。之后经中频带通滤波器滤波后，把不需要的干扰抑制掉，经解调器把传送的信息恢复出来。仿真参数：工作频段：1~40MHz；跳频间隔：0.1KHz；跳频范围：5MHz~6MHz；跳频速度：200h/s。码长：27-1=127位-38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）4.3仿真结果及分析图4.1发送端信号处理的各阶段信号图上图4.1是FHSS通信系统的发射端仿真结果。分别是原始信息序列，是一个幅度2V的方波信号。第二个波形是方波和余弦波进行BPSK调制后的BPSK信号波形，幅度还是2V。第三个图形是将要混频BPSK信号的不同频率的跳频频率。最后就是混频以后的FHSS信号，这个信号经过发送，就可以在信道中传播。从图中可以显著的看到FHSS信号在随机的改变其载频的频率，无法去预测下一跳的具体载频频率，从而保证了通信的保密性和抗干扰性等性能。-38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）图4.2FHSS信号及其频域值FFT[15]是离散傅立叶变换的快速算法，作FFT变换的目就是从时域到频域的转换,图4.2是将FHSS信号变换到频域。可以看到FHSS信号的幅度和相位特性两个,幅度代表能量,观察幅度的分布就知道FHSS信号能量的分布.共有3000个采样点。-38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）图4.3接收端信号处理的各阶段信号图上图是接收端从仿真的信道中得到的FHSS信号。信号在信道中传播之后就带有了很多杂波和干扰信号，但在FHSS的同步系统中只有一个可以同步解扩的信号分量。在FHSS同步系统捕捉到这一同步信号后，其余分量就会被丢弃，从而避免了多径干扰等多种干扰。在解扩当中同样可以吧各种噪声的频谱扩展的很宽，误码率越低，安全性越好，而在提取有用信号时，信息是在一个很窄带宽上，其中的噪声功率密度就已经很小了。FHSS信号经过同步解扩就是BPSK信号了，信号再进行BPSK解调，就恢复出了接收到的有用信息序列。-38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）设计总结通过本次FHSS通信系统仿真设计我又学到了不少的知识和技能：第一，学会了使用MATLAB软件编写程序来实现一些简单的通信系统。深入了解和掌握了程序设计的基本方法。第二，比较系统的学习了扩频通信，重点掌握了FHSS通信系统的原理以及设计要求。第三，深刻的了解了跳频通信的优点并将这些特点在设计中做了充分的考虑和体现，使设计的FHSS系统具有较高的通信能力和抗干扰能力。设计是在我充分利用了FHSS通信的理论的基础上，又发了挥通信课程知识的潜力，通过设计构想、理论论证、理论设计、仿真设计、仿真程序构架和设计等过程从而实现了FHSS通信系统的仿真。从仿真的过程和结果再结合现实生活我得出了如下一些结论：　　1、通信系统的设计思想是整个设计的主体，在有了好的思想之后再加上正确的理论引导就是一个可行的方案了。2、设计要反复推敲每一步的可行性和合理性，只有这样出来的结果才经得起实际的考验。3、本设计实现的是FHSS通信系统。在程序的运行和结果分析中可以看出系统很好的实现了设计的要求，充分体现了FHSS通信系统一些良好的特性。-38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）-38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）参考文献[1]朱近康.扩展频谱通信及应用[M].合肥:中国科技大学出版社,1993[2]胡健栋,郑朝辉,龙必起,等.码分多址与个人通信[M].北京:人民邮电出版社,1996.[3]朱近康.CDMA通信技术[M].北京:人民邮电出版社,2001.36～128.[4]达新宇,孟涛.现代通信新技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2003[5]梅文华,杨义先.跳频通信地址编码理论[M].北京:国防工业出版社,1996[6]朱华,黄辉宁,李永庆,梅文博.随机信号分析[M].北京:北京理工大学出版社,2005．[7]曹志刚.现代通信原理[M].北京:清华大学出版社,2000[8]王兴亮.数字通信原理与技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2003[9]DRFrey.Chaoticdigitalencoding:Anapproachtosecurecommunication[J].IEEETrans.oncircuitsandsystemsII,1993,40(10):660-666.[10]LingCong,WuXiaofu,SunSonggeng.Ageneralefficientmethodforchaoticsignalestimation[J].IEEETrans.onSignalProcessing,1999,47(5):1424-1428.[11]樊昌信.通信原理[M].北京:国防工业出版社,1998．[12]谭楚梁.通信系统的计算机仿真[M].北京:北京邮电学院出版社,1989[13]张志勇等编著.掌握和精通MATLAB[M].北京:北京航空航天大学出版社.1997[14]陈萍.现代通信实验系统的计算机仿真[M].北京:国防工业出版社,2003[15]王世一.数字信号处理[M].北京:北京工业学院出版社,1987-38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）-38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）致谢本次毕业设计是在刘丽老师的精心指导和帮助下完成的。做论文设计时，由于自己经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导和同学们的帮助，想要完成这个设计是难以想象的。首先，我要感谢我的指导老师刘老师。半年来，刘老师对我的学业倾注了大量的心血，使我在获取知识的同时，综合能力得到较大的提高。学位论文从选题到实验到最后定稿，刘老师都精心的指导和帮助。刘老师那渊博精深的知识，务实严谨、精益求精的治学态度和一丝不苟的工作作风，深深的感染了我，也让我改变了粗心大意，做事马马乎乎的坏毛病。我相信这对我以后的工作和学习都有很大的帮助。我还要感谢和我一起做毕业设计的同学们。一人遇到困难时，大家都一起讨论一起修改，“一人有难大家帮”，难题一会儿就解决了。如果没有大家的帮助，我的毕业设计也不会进行的那么顺利。这也让我感受到了集体的温暖！我也要感谢大学四年来所有的老师，为我们打下牢固的专业知识基础，才让我们有能力完成这次毕业设计。最后谢谢母校四年来对我的培养！-38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）-38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）附录FHSS发送端仿真程序%By程金石%FrequencyHoppingSpreadSpectrumclcclears=round(rand(1,25));%生成20bitssignal=[];carrier=[];t=[0:2*pi/119:2*pi];%Creating60samplesforonecosinefork=1:25ifs(1,k)==0sig=-ones(1,120);%120minusonesforbit0elsesig=ones(1,120);%120onesforbit1endc=cos(t);carrier=[carrierc];signal=[signalsig];endsubplot(4,1,1);plot(signal);axis([-1003100-1.51.5]);title('bfit原始的比特序列');bpsk_sig=signal.*carrier;%调制信号subplot(4,1,2);plot(bpsk_sig)axis([-1003100-1.51.5]);-38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）title('bfit原始信号的BPSK调制');t1=[0:2*pi/9:2*pi];t2=[0:2*pi/19:2*pi];t3=[0:2*pi/29:2*pi];t4=[0:2*pi/39:2*pi];t5=[0:2*pi/59:2*pi];t6=[0:2*pi/119:2*pi];c1=cos(t1);c1=[c1c1c1c1c1c1c1c1c1c1c1c1];c2=cos(t2);c2=[c2c2c2c2c2c2];c3=cos(t3);c3=[c3c3c3c3];c4=cos(t4);c4=[c4c4c4];c5=cos(t5);c5=[c5c5];c6=cos(t6);spread_signal=[];forn=1:25c=randint(1,1,[16]);switch(c)case(1)spread_signal=[spread_signalc1];case(2)spread_signal=[spread_signalc2];case(3)spread_signal=[spread_signalc3];case(4)spread_signal=[spread_signalc4];-38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）case(5)spread_signal=[spread_signalc5];case(6)spread_signal=[spread_signalc6];endendsubplot(4,1,3)plot([1:3000],spread_signal);axis([-1003100-1.51.5]);title('bfit跳频信号的几个频率');freq_hopped_sig=bpsk_sig.*spread_signal;subplot(4,1,4)plot([1:3000],freq_hopped_sig);axis([-1003100-1.51.5]);title('bfit跳频扩频信号');%FFT算法figure,subplot(2,1,1)plot([1:3000],freq_hopped_sig);axis([-1003100-1.51.5]);title('bfit跳频扩频信号及其FFT算法');subplot(2,1,2);plot([1:3000],abs(fft(freq_hopped_sig)));FHSS接收端仿真程序clcclear%接收信号s=round(rand(1,25));signal=[];carrier=[];t=[0:2*pi/119:2*pi];-38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）fork=1:25ifs(1,k)==0sig=-ones(1,120);elsesig=ones(1,120);endc=cos(t);carrier=[carrierc];signal=[signalsig];endsubplot(4,1,1);plot(signal);axis([-1003100-1.51.5]);title('bfit解调出的信息序列');bpsk_sig=signal.*carrier;subplot(4,1,2);plot(bpsk_sig)axis([-1003100-1.51.5]);title('bfit解扩后的BPSK信号');t1=[0:2*pi/9:2*pi];t2=[0:2*pi/19:2*pi];t3=[0:2*pi/29:2*pi];t4=[0:2*pi/39:2*pi];t5=[0:2*pi/59:2*pi];t6=[0:2*pi/119:2*pi];c1=cos(t1);c1=[c1c1c1c1c1c1c1c1c1c1c1c1];c2=cos(t2);c2=[c2c2c2c2c2c2];c3=cos(t3);-38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）c3=[c3c3c3c3];c4=cos(t4);c4=[c4c4c4];c5=cos(t5);c5=[c5c5];c6=cos(t6);spread_signal=[];forn=1:25c=randint(1,1,[16]);switch(c)case(1)spread_signal=[spread_signalc1];case(2)spread_signal=[spread_signalc2];case(3)spread_signal=[spread_signalc3];case(4)spread_signal=[spread_signalc4];case(5)spread_signal=[spread_signalc5];case(6)spread_signal=[spread_signalc6];endendsubplot(4,1,3)plot([1:3000],spread_signal);axis([-1003100-1.51.5]);title('bfit同步的FHSS频率');freq_hopped_sig=bpsk_sig.*spread_signal;subplot(4,1,4)-38- 太原科技大学华科学院毕业设计（论文）plot([1:3000],freq_hopped_sig);axis([-1003100-1.51.5]);title('bfit接收到的FHSS信号');-38-