跳時通信系統(tǒng)仿真完整版

1、*實踐教學(xué)* 蘭州理工大學(xué)計算機與通信學(xué)院2014年秋季學(xué)期 通信系統(tǒng)綜合訓(xùn)練 題 目： 跳頻通信系統(tǒng)的研究與仿真 專業(yè)班級： 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 成 績： 摘要本次課程設(shè)計介紹了跳頻通信系統(tǒng)的基本工作過程，從跳頻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、工作原理、主要技術(shù)指標(biāo)、跳頻通信系統(tǒng)的解跳和解調(diào)等方面闡述了跳頻通信基本原理。并利用Matlab中的Simulink仿真系統(tǒng)對跳頻通信系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究和理論分析。著重研究了其組成部分包括信號生成部分、發(fā)送部分、接收部分、判決部分、跳頻子系統(tǒng)模塊五個部分的工作方式及仿真設(shè)計并達(dá)到了預(yù)期結(jié)果。 關(guān)鍵詞：跳頻系統(tǒng); 擴頻通信; Matlab; Simulink

2、仿真目 錄前言11. 跳 頻21.1跳頻通信系統(tǒng)簡介及發(fā)展?fàn)顩r21.2 跳頻通信系統(tǒng)的組成31.2.1 跳頻發(fā)送端31.2.2 跳頻接收端41.3 跳頻通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)52. 跳頻通信理論基礎(chǔ)62.1跳頻信號及頻率合成器的設(shè)計62.1.1偽隨機碼-m序列的產(chǎn)生62.1.2頻率合成器設(shè)計72.2 跳頻調(diào)制72.3跳頻信號的解跳與解調(diào)82.3.1 跳頻信號的解跳82.3.2 跳頻信號的解調(diào)93. 跳頻通信系統(tǒng)仿真113.1 Simulink 仿真介紹113.2 跳頻通信系統(tǒng)仿真設(shè)計133.3 仿真流程圖設(shè)計143.4 跳頻系統(tǒng)模塊設(shè)計仿真153.5 仿真各示波器的仿真結(jié)果193.6 系統(tǒng)抗干擾性能

3、分析22總結(jié)24參考文獻(xiàn)2521前言在科技的日益發(fā)展中，擴展頻譜通信則是一種新型的通信方式。跳頻通信是擴展頻譜通信中的一種，跳頻通信和自適應(yīng)通信、擴展頻譜通信以及高速數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信系統(tǒng)被稱為“90年代的通信技術(shù)”。由于擴展頻譜通信、跳頻通信極強的抗干擾能力和多址通信性能，使其在軍事和民用上都得到越來越廣泛的應(yīng)用。本文講述了擴頻通信的基本概念和跳頻系統(tǒng)的主要特點。擴頻通信是現(xiàn)代通信技術(shù)的熱點技術(shù)之一。擴頻通信最初用于軍事抗干擾通信，后來又在移動通信中得到廣泛的應(yīng)用。擴頻通信信息傳輸系統(tǒng)，有利于提高系統(tǒng)的抗干擾性能，改善性噪比。擴頻通信方式主要有：直接序列擴頻，跳頻擴頻，線性調(diào)頻。本次課設(shè)主要研究跳

4、頻擴頻，跳頻擴頻系統(tǒng)就是用偽隨機碼序列構(gòu)成跳頻指令來控制頻率合成器，在多個頻率中進(jìn)行有選擇的頻移鍵控。MATLAB的Simulink動態(tài)仿真環(huán)境很強大，具有方便、直觀、靈活的優(yōu)點。MATLAB集數(shù)值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示于一體，構(gòu)成了一個方便的、界面友好的用戶環(huán)境。在這個環(huán)境下，對所要求解的問題，用戶只需簡單地列出數(shù)學(xué)表達(dá)式，其結(jié)果便以人們十分熟悉的數(shù)值或圖形方式顯示出來。本文根據(jù)跳頻擴頻通信的原理，利用MATLAB提供的可視化仿真工具Simulink建立跳頻擴頻通信系統(tǒng)的仿真模型，研究擴頻通信的特性，為研究以擴頻通信為基礎(chǔ)的現(xiàn)代通信提供理論依據(jù)。擴頻通信主要有以下幾種方式：直接序

5、列擴頻、跳頻擴頻和線性調(diào)頻。1. 跳 頻1.1跳頻通信系統(tǒng)簡介及發(fā)展?fàn)顩r跳頻通信是指傳輸信號的載波頻率按照預(yù)定規(guī)律進(jìn)行離散變化的通信方式從實現(xiàn)通信技術(shù)來說跳頻就是用偽隨機碼序列進(jìn)行多頻，選碼，頻移鍵控的通信方式即用偽隨機序列構(gòu)成跳頻指令來控制頻率合成器，并在多個頻率中進(jìn)行選擇的頻移鍵，是一種碼控載頻跳變的通信系統(tǒng)。跳頻指令由所傳遞的信息碼與偽隨機序列模二相加構(gòu)成，其發(fā)送頻率由跳頻指令隨機選擇。調(diào)制器將發(fā)送端的信息碼序列與偽隨機序列調(diào)制，頻率的合成由不同的跳頻圖案控制。在接收端，接收到的信號與噪聲經(jīng)濾波后送至混頻器。接收機本振信號的跳變規(guī)律與發(fā)送端相同，而且也是一頻率跳變信號，接收機的中頻為兩個

6、合成器產(chǎn)生的對應(yīng)的頻率的頻差。要使收發(fā)雙方的跳頻與頻率合成器產(chǎn)生的跳變頻率同步，需要收發(fā)方的偽隨機碼同步。經(jīng)混頻后，得到一個不變的中頻信號，將此中頻信號進(jìn)行解調(diào)，就可恢復(fù)出發(fā)送的信息。跳頻通信的發(fā)展歷程可概括為：40年代末理論先導(dǎo)，60年代研制攻關(guān)，70年代末產(chǎn)品問世，80年代逐步推廣，90年代廣泛應(yīng)用，21世紀(jì)飛速發(fā)展。誠然，跳頻通信是由電子對抗而首先應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的。但是，它在民用通信的應(yīng)用也越來越受到人們得密切關(guān)注。目前，跳頻通信的理論和技術(shù)已經(jīng)很成熟。目前，跳頻通信在民用通信中的應(yīng)用，在GSM 數(shù)字蜂窩系統(tǒng)中，跳頻技術(shù)可以提高抗衰落、抗干擾能力。跳頻技術(shù)對于靜態(tài)或慢速移動的移動臺具有很

7、好的抗衰落效果，而對于快速移動的移動臺由于同一信道的兩個連接的突發(fā)脈沖序列其位置差已足以使他們與瑞利變化不相關(guān)，因此跳頻增益很小，這就是跳頻所具有的頻率分集。由于跳頻是頻率在不斷的變化，頻率的干擾是瞬時的，因此跳頻具有干擾分集。藍(lán)牙（Bluetooth）也采用跳頻技術(shù)來抗工業(yè)干擾。GSM系統(tǒng)基地臺工作在935MHz-960MHz，移動臺工作在890MHz-915MHz，信道分配采用TDMA方式，每載波分為8個時隙，采用跳頻技術(shù)實現(xiàn)分集接收，跳頻速率為271Hops/s。藍(lán)牙工作在ISM頻段（工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療頻段，在2.4GHz到2.48GHz之間），跳頻速率為1600Hops/s，頻帶寬度為1

8、MHz，使用79個頻率或者23個頻率。1.2 跳頻通信系統(tǒng)的組成 跳頻通信系統(tǒng)主要由發(fā)送端和接收端兩部分組成。在發(fā)送端，用信源產(chǎn)生的信息流去調(diào)制頻率合成器產(chǎn)生的載頻，得到射頻信號，頻率合成器產(chǎn)生的載頻受偽隨機碼的控制，按一定規(guī)律跳變。在接收端，接收端接收到的信號經(jīng)高通濾波后送至混頻器，在混頻器與本振信號相乘并經(jīng)中頻帶通濾波后，得到一個不變的中頻信號，經(jīng)中頻放大器放大后，送到信息解調(diào)器恢復(fù)出原信息信號。1.2.1 跳頻發(fā)送端發(fā)送端包括：信源、數(shù)據(jù)調(diào)制器、頻率合成器、跳頻序列發(fā)生器、高通濾波器、以及發(fā)送端天線等。其原理框圖如圖1.1所示：圖1.1 跳頻通信系統(tǒng)發(fā)送端原理框圖 信源輸出的是雙極性二進(jìn)

9、制碼，用頻率合成器合成載波信號。跳頻系統(tǒng)通過偽隨機地改變發(fā)送載波頻率，用跳變的頻率來調(diào)制基帶信號，得到載波頻率不斷變化的射頻信號，然后發(fā)送到信道中。在傳統(tǒng)的定頻通信系統(tǒng)中，載波頻率是固定的，因為發(fā)射機中的主振蕩器的振蕩頻率是固定設(shè)置的。一般要求主振蕩器的頻率應(yīng)能遵照控制指令而改變，這樣是為了得到載波頻率是跳變的跳頻信號。這種產(chǎn)生跳頻信號的裝置叫跳頻器。通常，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，跳頻器是由頻率合成器和跳頻指令發(fā)生器構(gòu)成的。在時鐘的作用下，頻率合成器不斷地改變其輸出載波的頻率，跳頻指令發(fā)生器不斷地發(fā)出控制指令。因此混頻器輸出的已調(diào)波的載波頻率，也將隨著指令

10、不斷地跳變，從而經(jīng)高通濾波器和天線發(fā)送出去，這就是跳頻信號。跳頻圖案，就是跳頻器輸出的跳變的頻率序列。跳頻圖案的產(chǎn)生取決于跳頻指令。通常，跳頻指令是利用偽隨機發(fā)生器來產(chǎn)生的，或者由軟件編程來產(chǎn)生此跳頻指令。所以，跳頻器是跳頻系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，更具體地說，是能產(chǎn)生偽隨機性好的跳頻指令發(fā)生器和頻譜純度好的快速切換的頻率合成器。由跳頻信號產(chǎn)生的過程可以看出，在原理上，不論是模擬的或數(shù)字的定頻發(fā)送系統(tǒng)，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，信道機的通帶寬度在實際系統(tǒng)中尚需考慮。1.2.2 跳頻接收端 接收端部分包括：高通濾波器、頻率合成器、跳頻序列發(fā)生器、帶通濾波器、同步電路、數(shù)據(jù)解調(diào)

11、器、信宿以及接收端天線等。其原理框圖如圖1.2所示： 圖1.2 跳頻系統(tǒng)接收端原理框圖定頻信號的接收設(shè)備中，接收方法一般都采用超外差式，即接收機本地振蕩器的頻率與所接收的外來信號的載波頻率產(chǎn)生頻差，即相差一個中頻。經(jīng)過混頻后，混頻產(chǎn)生組合波頻率成分和一個固定的中頻信號。中頻帶通濾波器的濾波作用，將濾除組合波頻率成分，而使帶通中頻信號進(jìn)入解調(diào)器。所要傳送給收端的信息即為解調(diào)器的輸出。跳頻信號的接收過程與定頻相似。要求頻率合成器的輸出頻率要比外來信號高出一個中頻，是為了保證混頻后獲得帶通中頻信號。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，是因為外來的信號載波頻率是跳變的，這樣才能

12、通過混頻獲得一個固定的帶通中頗信號。跳頻器產(chǎn)生的跳頻圖案應(yīng)當(dāng)與所要求的高出一個中頻，并且收、發(fā)跳頻要求完全同步。所以，為了確定其跳頻的起、止時刻，接收機中的跳頻器還需受同步指令的控制。 可以看出，跳頻系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是跳頻器，同時跳頻系統(tǒng)的該心技術(shù)是跳頻同步。相關(guān)器中進(jìn)入的接收信號，與本地信號相乘，再經(jīng)過濾波器，得到的信號送入同步系統(tǒng)進(jìn)行判決。同步系統(tǒng)將調(diào)整本地偽碼系統(tǒng)，直到濾波器輸出接收信號為止。如果系統(tǒng)未同步，則濾波器輸出的是噪聲信號。1.3 跳頻通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)跳頻系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：頻率合成器設(shè)計，跳頻圖案的設(shè)計，跳頻同步的實現(xiàn)。1、頻率合成器跳頻頻率合成技術(shù)是跳頻通信的核心技術(shù)之一

13、。比如在跳頻通信中，抗干擾能力與其跳頻速率有著密切的關(guān)系，跳頻速率越高，起抗干擾能力就越強，具有捷變寬帶性能的頻率合成器是決定跳速的關(guān)鍵部件之一。頻率合成是指由一個基準(zhǔn)頻率源經(jīng)過變換，處理后產(chǎn)生一系列離散頻率技術(shù)。頻率合成器能輸出許多與基準(zhǔn)頻率源同樣高穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的輸出信號，且能短時間內(nèi)從某一頻率跳變到另一頻率。目前頻率合成主要有三種方法：即直接模擬合成法（DAS），鎖相環(huán)合成法（PLL）和直接數(shù)字合成法（DDS）。本系統(tǒng)采用的是直接數(shù)字合成法（DDS），直接數(shù)字合成是最近幾年迅速發(fā)展起來的一種新的頻率合成方法，與其他頻率合成方法相比，它的優(yōu)點是：簡單可靠、控制方便、相位連續(xù)、頻率分辨率高、

14、頻率轉(zhuǎn)換速度快。2、跳頻圖案跳頻圖案用于控制載波頻率隨時間的變化規(guī)律，其性能對跳頻系統(tǒng)的性能有重大影響。3、跳頻同步在前面的跳頻系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型中，是假設(shè)接收端與發(fā)送端是同步的，在實際通信中要實現(xiàn)正確的信息傳遞他們必須相互同步，必須在相同的時刻使用相同的頻率，要實現(xiàn)這一點必須通過同步系統(tǒng)，這是跳頻系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。同步性能的好壞對于整個通信系統(tǒng)性能有極大的影響，因此，要求同步系統(tǒng)具有較強的隱蔽性和可靠性，具有較高的同步概率較短的同步時間以及不存在明顯的射頻特征等特點。2. 跳頻通信理論基礎(chǔ)2.1跳頻信號及頻率合成器的設(shè)計2.1.1偽隨機碼-m序列的產(chǎn)生偽隨機序列也稱作偽碼。它是具有近似偽隨機序列（噪

15、聲）的性質(zhì)，而又能按一定規(guī)律（周期）產(chǎn)生和復(fù)制的序列。因為偽隨機序列是只能產(chǎn)生而不能復(fù)制的，所以稱其是“偽”的隨機序列。常用的偽隨機序列有m 序列、M 序列和R-S 序列。m 序列又叫做最大長度線性反饋移位寄存器序列，m 序列產(chǎn)生器的一般結(jié)構(gòu)如圖2-5 所示，其中1,2,3，n 是移位寄存器的編號，ak-i（i=1,2,3,n）是各移位寄存器的狀態(tài)，ci 對應(yīng)各移位寄存器的反饋系數(shù)，ci=1 表示該級移位寄存器參加反饋，ci=0 表示該級移位寄存器不參加反饋。圖中c0 和cn 不能等于0，因為c0=1 意味著移位寄存器無反饋，而cn=0 意味著反饋移位寄存器要蛻化為n-1 或更少級的反饋移位寄

16、存器。圖2.1反饋移位寄存器結(jié)構(gòu)由圖可見，第一級移位寄存器在下一時刻的狀態(tài)是由相關(guān)移位寄存器在當(dāng)前時刻的狀態(tài)經(jīng)反饋后共同決定的，即反饋系數(shù)為： (2.1) 這是一個線性遞歸函數(shù)。只有當(dāng)輸出序列的長度等于K=2n-1 才屬于m 序列反饋移位寄存器。下面介紹m 序列的一些特點。任一m 序列的循環(huán)移位仍是一m 序列，m 序列與其本身循環(huán)移位而得到的序列模二相加仍是一m 序列。m 序列的優(yōu)點是周期偶函數(shù)，周期為KTp，其中Tp 為m 序列的每位（比特）寬度，K 為m 序列的長度。自相關(guān)函數(shù)的主峰遠(yuǎn)大于其他部分，當(dāng)K 很大和TP 很小的時候，自相關(guān)函數(shù)趨向于沖擊函數(shù)，即近似于白噪聲的自相關(guān)特性。m 序列

17、的有點是產(chǎn)生容易和自相關(guān)性特性優(yōu)良，不足之處是當(dāng)移位寄存器級數(shù)n 一定時，改變反饋連接方式能得到的不同m 序列數(shù)目N 比較少。N 可用以下公式計算： （2.2）這里(*)為歐拉函數(shù)。如果反饋邏輯中的運算含有乘法運算或其他邏輯運算，則稱作非線性反饋邏輯。由非線性反饋邏輯和移位寄存器構(gòu)成的序列發(fā)生器所能產(chǎn)生最大長度序列，就叫做最大長度非線性移位寄存器序列，或叫做M 序列，M 序列的最大長度是2n。圖1.5 給出一個七級的M序列發(fā)生器的框圖。可以看出，與線性反饋邏輯不同之處在于增加了“與門”運算，與門具有乘法性質(zhì)。2.1.2頻率合成器設(shè)計在跳頻系統(tǒng)中，其核心部分是跳頻控制器，簡稱跳頻器，它的主要作用

18、是產(chǎn)生受偽碼控制的隨機跳變的載波頻率。對跳頻控制器的主要要求有：（1） 要求輸出信號的頻譜要純，輸出頻率有很好的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度；（2） 跳頻圖案要多，頻率跳變的隨機性要強；（3） 要求頻率轉(zhuǎn)換速度要快，輸出頻率數(shù)要多。跳頻控制器主要由頻率合成器和偽碼產(chǎn)生器組成。因此跳頻器的關(guān)鍵是頻率合成器。所謂頻率合成器是以一個或少量的標(biāo)準(zhǔn)頻率，導(dǎo)出多個或大量的輸出頻率。頻率合成器通?？煞譃橹苯邮筋l率合成器、間接式頻率合成器及直接數(shù)字式頻率合成器三類。2.2 跳頻調(diào)制 根據(jù)數(shù)字調(diào)制信號中，在二進(jìn)制時有振幅鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK）三種基本信號形式。其中FSK 是信息傳輸中使用得較早

19、的一種調(diào)制方式，它的優(yōu)點是實現(xiàn)起來比較容易，抗噪聲與抗衰減的性能比較好。在低速數(shù)據(jù)傳輸中得到廣泛的應(yīng)用，同時在跳頻通信系統(tǒng)中也比較的實用。本次課設(shè)跳頻通信系統(tǒng)采用2FSK調(diào)制方式。調(diào)制方式：M 進(jìn)制的MFSK 調(diào)制一般的BFSK 信號具有如下形式（2 進(jìn)制FSK）調(diào)制：m(t)=sin(w+dnrw)t) nTbt(n+1)Tb (2.3)其中 n 為整數(shù)， Tb 為數(shù)據(jù)持續(xù)時間，dn為獨立的數(shù)據(jù)序列，分別以1/2 的概率取1和0，w±rw 對應(yīng)dn取1 和0 的頻率。在二進(jìn)制頻移鍵控調(diào)制方式中，二進(jìn)制數(shù)字信號“1”對應(yīng)于載波頻率f1 ,而“0”對應(yīng)于載波頻率f2 。信息碼元的寬度記

20、為Td ,則2FSK調(diào)制信號的表達(dá)式如式(2.2)所示： (2.4) 其產(chǎn)生原理圖如圖1.3所示： 圖2.2 2FSK產(chǎn)生框圖時域波形如圖1.4所示： S(t)t圖2.3 2FSK信號波形 2.3跳頻信號的解跳與解調(diào) 跳頻信號的解跳與解調(diào)包括兩個方面：首先是跳頻信號的解跳（解擴），解跳后信號頻率集中在窄帶濾波器通帶之內(nèi)。接著是對解跳后的信號進(jìn)行解調(diào)，得到發(fā)送的信息。在跳頻系統(tǒng)中一般不采用相干解調(diào)器，因為在頻率合成器中難以保證各個頻率跳變信 號之間的相干性。所以跳頻系統(tǒng)中的解調(diào)器不用鎖相環(huán)路，而采用包絡(luò)檢波器。2.3.1 跳頻信號的解跳跳頻系統(tǒng)的接收機，應(yīng)對發(fā)射信號進(jìn)行相應(yīng)的反變換。首先，為了完

21、成解跳功能，將每個接收到的跳頻信號切普（Chip）變換到窄帶濾波器的通帶內(nèi)。為了恢復(fù)發(fā)射端的原始信息流，需要再將已解跳的信號送到基帶解調(diào)器。雙通道“傳號-空號”跳頻接收機的原理框圖如圖2.4所示： 圖2.4雙通道傳號/空號跳頻接收機原理框圖在二進(jìn)制的FH發(fā)射機里，數(shù)據(jù)的傳輸采用2FSK時，是用發(fā)射某個頻率(切普)表示“傳號”，而發(fā)射另一個頻率表示“空號”來實現(xiàn)的。對于每一個信息比特，無論只發(fā)一個切普，還是發(fā)多個切普(每個切普都一定是兩個頻率中的一個)，接收機應(yīng)能判斷兩個頻率中哪一個是有用信號。因此，接收機必須能夠同時觀測兩個交替信道，或者先對一個取樣，然后緊接著對另一個取樣。2.3.2 跳頻信

22、號的解調(diào)在跳頻系統(tǒng)中，多采用非相干的包絡(luò)檢測器。典型的非相干跳頻解調(diào)器如圖2.5所示：圖2.5非相干跳頻解調(diào)器這個解調(diào)器適用于每比特信息多個頻率切普的接收機，其中切普判決是根據(jù)順序而來的每一對切普進(jìn)行的。這個解調(diào)器設(shè)計成適合于“1”和“0”頻道的順序取樣。也就是說，本地頻率合成器把發(fā)射“1”所對應(yīng)的頻率插到接收機的積分清洗電路判決器中，而后緊跟著是一個與發(fā)射“0”對應(yīng)的頻率。每次交替都占用半個切普周期取樣。3. 跳頻通信系統(tǒng)仿真3.1 Simulink 仿真介紹 Simulink 是MATLAB軟件的應(yīng)用，是一個對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和對仿真結(jié)果進(jìn)行分析的一個軟件包，是在MATLAB中建立系

23、統(tǒng)方框圖和基于方框圖的系統(tǒng)仿真環(huán)境。 本文中跳頻通信系統(tǒng)的仿真工具選擇MATLAB 提供的仿真平臺Simulink。Simulink 是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包，它支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)，也支持具有多種采樣速率的多速率系統(tǒng)。用Simulink 模塊框圖進(jìn)行仿真和用Matlab 函數(shù)進(jìn)行仿真有比較大的區(qū)別。在Aimulink 仿真中，框圖中的每一個模塊在每個時間步長上執(zhí)行一次，也就是說，所有的模塊在每一個時間步長上同時執(zhí)行，這種仿真被稱為時間流仿真；而在Matlab 仿真中，函數(shù)按照數(shù)據(jù)流的順序依次執(zhí)行，這就意味著處理的數(shù)據(jù)首先要經(jīng)過一個運算階，然后再激

24、活下一個運算階，這種仿真被稱為數(shù)據(jù)流仿真。Simulink 仿真軟件主要有以下5 個特點：1、具有仿真與連接功能可以利用鼠標(biāo)器在模型窗口上畫出所需的控制系統(tǒng)模型，然后利用該軟件提供的功能來對系統(tǒng)直接進(jìn)行仿真，使得一個很復(fù)雜系統(tǒng)的輸入變得相當(dāng)容易。2、用方框圖進(jìn)行建模采用此結(jié)構(gòu)畫模型就像用筆和紙來畫一樣容易，其與普通的利用微分方程或是差分方程建模比具有直觀、方便、活等優(yōu)點。3、建模具有遞階結(jié)構(gòu)用戶在建模時可以從上到下或從下到上的結(jié)果建立模型，建完后可以從最高級開始觀看模型，然后用鼠標(biāo)雙擊其中的子系統(tǒng)模塊，來查看下一級的內(nèi)容，從而，用戶可以了解整個模型的細(xì)節(jié)。4、仿真方便用兩種仿真方式，第一種是通

25、過Simulation的菜單方式，直接點Simulation，然后在點Start 即可，非常方便、快捷。第二種是在MATLAB 命令窗口鍵入命令進(jìn)行仿真也很簡單，同時用戶可以通過屏幕觀察仿真結(jié)果。另外，若在仿真系統(tǒng)中采用一些畫圖模塊如Scope 模塊、GraphScope 模塊等，那么直接點擊模塊就可觀看仿真結(jié)果了。5、具有豐富的子模型庫Simulink 包含sinks （ 輸出方式）、source( 輸入源) 、linear( 線性環(huán)節(jié)) 、connections(連接與接口)、extra（其他環(huán)節(jié)）等子模型庫。而每個子模型庫又包含許多功能塊，同時用戶也可以定制或創(chuàng)建所需模塊。用戶建模時可根

26、據(jù)自己所需模塊從相應(yīng)庫中找的找到。3.2 跳頻通信系統(tǒng)仿真設(shè)計根據(jù)前面對跳頻通信基本原理的介紹，得到如圖2-1 所示的跳頻系統(tǒng)仿真原理框圖，由于本文主要討論的是跳頻通信最為一種通信體制，因此在利用Simulink仿真工具搭建跳頻通信系統(tǒng)仿真模型時假設(shè)收發(fā)雙方的跳頻碼序列已經(jīng)同步，亦即收發(fā)雙方的跳頻頻率已經(jīng)取得了同步圖3.1所示：圖3.1 系統(tǒng)仿真模型 在跳頻通信系統(tǒng)仿真模型中,信號的處理過程為：（1） 由信源端生成準(zhǔn)備傳送的有用信號。（2） 由偽隨機碼序列控制2FSK部分，然后與有用信號進(jìn)行相乘運算。偽隨機碼元控制2FSK部分 的載波的頻率，在設(shè)計中使得載波的相位為零，進(jìn)而可以實現(xiàn)信號的跳頻通

27、信。（3） 將經(jīng)過跳頻調(diào)制的信號，經(jīng)過信道傳輸，疊加上信道噪聲，加性高斯噪聲為其信道噪聲。（4） 接收信號，在接收端的相關(guān)器中進(jìn)行相關(guān)處理，相關(guān)處理時要求發(fā)送端的隨機碼字與采用的偽隨機碼保持嚴(yán)格的同步，其中偽隨機生成模塊產(chǎn)生相應(yīng)的偽隨機碼。（5） 相關(guān)器的輸出結(jié)果利用計數(shù)器進(jìn)行統(tǒng)計，然后完成比較，判決過程，恢復(fù)出原始信號。（6） 將恢復(fù)出的有用信號與其發(fā)送端的原始信號同時送入誤碼儀進(jìn)行比較，計算出誤碼率。3.3 仿真流程圖設(shè)計 Simulink在仿真的特定階段，控制模塊完成特定的功能，同時反復(fù)調(diào)用模型文件中的每個模塊，如更新離散狀態(tài)值、計算狀態(tài)導(dǎo)數(shù)和計算輸出等，為了中止仿真任務(wù)或者執(zhí)行初始化，

28、仿真的開始部分以及結(jié)束部分還需要調(diào)用一些附加過程。Simulink進(jìn)行一次仿真的完整流程圖，如圖3.2所示：圖3.2仿真的工作流程圖對于此仿真流程，先將模塊初始化，再進(jìn)入仿真環(huán)。在仿真環(huán)中，先計算出下次抽樣時間用于可變模塊的抽樣時間，然后再計算最大步長輸出、最大步長離散狀態(tài)、導(dǎo)數(shù)及輸出計算，在仿真環(huán)的最后進(jìn)行零交點定位。其中，積分最小步長時間為導(dǎo)數(shù)、輸出、再到導(dǎo)數(shù)的時間。最后，結(jié)束程序，完成所執(zhí)行的任務(wù)。3.4 跳頻系統(tǒng)模塊設(shè)計仿真 利用Matlab 中的Simulink 對跳頻通信系統(tǒng)進(jìn)行模型建立，跳頻擴展頻譜通信系統(tǒng)的仿真框圖如圖3.3所示：圖3.3跳頻通信系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)框圖跳頻通信系統(tǒng)，

29、將其中的2FSK調(diào)制部分，2FSK解調(diào)部分，跳頻子系統(tǒng)分別進(jìn)行封裝，封裝之后的跳頻通信系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)框圖如圖3.4所示：圖3.4含有封裝子系統(tǒng)的跳頻通信系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)框圖各部分的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和設(shè)計介紹如下： （1）信源模塊信號生成部分是利用隨機整數(shù)信號發(fā)生器（Random-integer Generator）來產(chǎn)生，該模塊的參數(shù)設(shè)置是產(chǎn)生二進(jìn)制隨機序列信號，采樣時間設(shè)為1，即1秒產(chǎn)生一個碼元。它產(chǎn)生的是頻率為1HZ的二進(jìn)制隨機信號。在發(fā)射端，將信息數(shù)據(jù)經(jīng)通常的信息調(diào)制后變?yōu)閹払m的調(diào)制信號，受偽隨機碼控制的可變頻率合成器與本振合成發(fā)射載波頻率，是發(fā)射機在帶寬Bc內(nèi)，不同的時間間隔T 0輸出按偽隨

30、機碼規(guī)律跳變的不同載頻的載波信號，形成跳頻信號。信源仿真參數(shù)如圖2.5 圖3.5信源參數(shù)設(shè)置圖（2）2FSK調(diào)制仿真模塊由信源產(chǎn)生的二進(jìn)制隨機信號，先通過頻率鍵控來產(chǎn)生一個2FSK信號（發(fā)送“1” 所用的載波頻率為f1=6HZ；發(fā)送“0”所用的載波頻率為f2=4HZ）。在進(jìn)行跳頻調(diào)制時，把跳頻子系統(tǒng)模塊產(chǎn)生的信號與產(chǎn)生的2FSK信號進(jìn)行相乘（即跳頻調(diào)制），產(chǎn)生的信號即為跳頻調(diào)制信號，然后把跳頻調(diào)制信號經(jīng)過信道發(fā)送過去。在本文中采用的是二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK），2FSK 信號是由頻率分別為f1 和f2 的兩個載波對信號源進(jìn)行頻率上的控制而成的2FSK 信號產(chǎn)生的simulink 仿真模型如圖3

31、.6所示：圖3.6 2FSK調(diào)制子系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)框圖（3）2FSK解調(diào)仿真模塊由于本文跳頻系統(tǒng)的仿真中沒有考慮同步電路，因此接收端的本地跳頻序列控制頻率合成器產(chǎn)生跳變的頻率直接由發(fā)射端連接過來參與解跳，與接收信號相乘后通過一個低通濾波器即完成了解跳。由于跳頻頻率不斷跳變，發(fā)送與接收之間要保持相位相干是很困難的，因此采用2FSK 非相干解調(diào)在接收端用跳頻子系統(tǒng)模塊產(chǎn)生的跳頻信號與經(jīng)過信道后接收的跳頻調(diào)制信號進(jìn)行乘法運算，也就是對其進(jìn)行解跳，將得到跳頻解調(diào)信號，如仿真結(jié)構(gòu)框圖中的跳頻解調(diào)信號所示。接著，對其進(jìn)行2FSK相干解調(diào)，兩個帶通濾波器將分別濾出頻率為f1及f2 的信號，輸出信號分別與相應(yīng)的相

32、干載波相乘，然后提取出含有基帶數(shù)字信息的低頻信號，這一過程分別需要將其相應(yīng)信號通過低通濾波器。仿真圖如圖3.7所示： 圖3.7 2FSK解調(diào)子系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)框圖（4）誤碼率統(tǒng)計模塊通過對上下兩支路的低頻信號進(jìn)行比較作出判決，從而完成解調(diào)信號的判決。該判決部分由比較器、常數(shù)發(fā)生器以及誤碼率計算部分組成。比較器將門限值與碼元的相關(guān)峰值進(jìn)行比較，若相關(guān)峰大于門限則該碼元判為“1”，其余的均判為“0”。設(shè)上支路信號為X1（t），下支路信號為X2（t）。當(dāng)X1（t）大于X2（t）時，判為“1”；當(dāng)X1（t）小于X2（t）時，則判為“0”。誤碼率的計算過程是由一個誤碼儀來實現(xiàn)的。它將發(fā)送端的信息碼元經(jīng)過一定

33、延遲后與接收端恢復(fù)出的碼元進(jìn)行比較，若兩者不同則認(rèn)為碼元傳輸錯誤，最后將誤碼個數(shù)除以總的傳輸碼元個數(shù)，即得到誤碼率。在圖中的誤碼率計算部分，上面的輸入信號是發(fā)送端的原始信息，下面的輸入信號是接收端恢復(fù)出的信號，送入誤碼儀以后完成比較、統(tǒng)計和圖形用戶界面的生成功能。從誤碼率計算的顯示模塊可以看到該跳頻通信系統(tǒng)的誤碼率為0.14。（4） 跳頻調(diào)制仿真模塊此部分的作用是產(chǎn)生頻率跟隨偽隨機碼變化的載波，在本文仿真系統(tǒng)中，才用間接頻率合成的方法來構(gòu)造頻率合成器，仿真中采用4 階的m 序列作為跳頻碼，即跳頻點數(shù)為15。m 序列生成器的各寄存器與對應(yīng)的權(quán)值做加權(quán)求和，由該和值控制VCO 來產(chǎn)生跳頻頻率。在本

34、次設(shè)計中，為了便于觀察各點信號，特設(shè)信息的傳輸速率1bit/s，頻率的跳變速度為2h/s。在跳頻子系統(tǒng)中， 跳頻信號的產(chǎn)生過程：PN Sepuence Generator產(chǎn)生采樣周期為0.5，周期為15個碼元的m序列。通過Buffer將單列的二進(jìn)制序列編排為2列二進(jìn)制數(shù)，通過Bit to Integer Converter后變?yōu)檎麛?shù)。通過初值設(shè)為2的Unbuffer及Zero-Order Hold（采樣時間設(shè)為0.1）后，偽隨機序列發(fā)生器產(chǎn)生的二進(jìn)制序列變成了與之相應(yīng)的整數(shù)，饋送到VCO的控制輸入端。仿真如圖3.8所示：圖3.8跳頻子系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)框圖其中PN Sepuence Generato

35、r參數(shù)設(shè)置如圖3.9所示：圖3.9PN Sepuence Generator參數(shù)設(shè)置圖3.5 仿真各示波器的仿真結(jié)果 跳頻通信系統(tǒng)仿真模型，進(jìn)行Simulink模型仿真后，各示波器的結(jié)果顯示分別如圖3.10所示：圖3.10示波器 scope仿真結(jié)果圖 從示波器scope仿真結(jié)果圖可以看出，第一個信號表示信源發(fā)送信號雙極性二進(jìn)制碼，發(fā)送端的隨機信號發(fā)生器所產(chǎn)生的二進(jìn)制信號的信息速率為1bit/s，載波頻率在偽碼控制下不斷隨機跳變，產(chǎn)生跳頻調(diào)制信號，發(fā)送信號經(jīng)過調(diào)制后2FSK調(diào)制信號如圖所示，相應(yīng)的跳頻解調(diào)信號也如示波器Scope所示，從圖中還可知跳頻調(diào)制信號和解調(diào)信號基本相似，存在一定的誤碼率。

36、圖3.11示波器Scope1 仿真結(jié)果圖 圖3.11中，將發(fā)送信號和接收信號的示波器顯示進(jìn)行了對比，可以看出，發(fā)送信號和接收信號的波形相同，恢復(fù)的信號基本正確，誤碼率為0.14。當(dāng)然，由于系統(tǒng)中疊加有噪聲，各種濾波器的設(shè)計存在一定的缺陷使得濾波特性不理想，以及仿真圖中有些部件的參數(shù)設(shè)置存在誤差等原因，在最終的判決恢復(fù)時，使得恢復(fù)序列存在一些誤碼。 圖3.12 scope3仿真結(jié)果圖 圖3.12中，示波器顯示了m序列信號波形，即Simulink仿真模型中產(chǎn)生的跳頻序列；同時顯示了VCO的輸入電壓值和輸出頻率，簡明易懂。由上圖可知，VCO的輸入電壓值在一秒內(nèi)（也就是一個碼元周期內(nèi)）發(fā)生兩次變化，對

37、應(yīng)的它所控制的VCO的輸出頻率在一秒內(nèi)也發(fā)生兩次變化（即頻率的跳變速度為2h/s）。由于頻率的跳變速度大于發(fā)送信號的信息速率，因而用這種跳變頻率去調(diào)制、解調(diào)2FSK信號時，就實現(xiàn)了簡單的跳頻通信。跳頻通信系統(tǒng)仿真結(jié)果顯示流程如圖3.13所示：圖3.13跳頻通信系統(tǒng)源程序仿真波形的顯示流程圖 信源生成的信息序列，經(jīng)2FSK調(diào)制，并受偽隨機碼控制，按一定規(guī)律跳變。接收端接收到的信號經(jīng)高通濾波后送至混頻器，在混頻器與本振信號相乘并經(jīng)中頻帶通濾波后，得到一個不變的中頻信號，經(jīng)中頻放大器放大后，送到信息解調(diào)器恢復(fù)出原信息信號。其一系列仿真波形如上圖3.11所示，圖3.13給出其流程圖。信息序列經(jīng)過跳頻傳

38、輸，解跳判決后恢復(fù)的信號，和原信息序列基本相同，但存在一定的誤碼，系統(tǒng)精確性有待改善。恢復(fù)的信息與原信息序列存在一定的誤碼，原因有三點：一是系統(tǒng)中疊加有噪聲，二是各種濾波器的設(shè)計存在一定的缺陷使得濾波特性不理想，三是仿真圖中有些部件的參數(shù)設(shè)置存在誤差，所以在最終的判決恢復(fù)時，使得恢復(fù)序列存在一些誤碼。 3.6 系統(tǒng)抗干擾性能分析 跳頻系統(tǒng)的抗干擾性原理，在接收端，通過由收端和發(fā)端頻率合成器產(chǎn)生的頻率同步的跳變頻率對接受信號進(jìn)行相關(guān)處理，將其恢復(fù)為一個中頻信號，把干擾排斥在中頻通帶之外，從而實現(xiàn)對抗干擾。跳頻系統(tǒng)是通過載頻跳變來抗干擾的，對于分布于整個跳頻帶寬內(nèi)的干擾，跳頻通信無論跳到哪里，干擾都存在的，所以跳頻系統(tǒng)無法抗拒干擾。在實際通信中，寬帶噪聲干擾既有客觀的電磁環(huán)境造成，也有人為有意產(chǎn)生的，在跳頻通信