基于MATLAB的跳頻通信系統(tǒng)的仿真與設(shè)計(jì)

1、摘要摘要當(dāng)今信息時(shí)代,如何有效的利用寶貴的頻帶資源,如何進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的信息通信是通信領(lǐng)域中至關(guān)重要的問(wèn)題。擴(kuò)頻通信正是在這種背景下迅速發(fā)展起來(lái)的?？煺{(diào)頻通信是擴(kuò)頻通信的一種實(shí)現(xiàn)方式,在抗干擾和保密性方面,它是擴(kuò)頻通信中很好的通信方式。在具體的實(shí)現(xiàn)上,跳頻通信是一個(gè)用戶的載波按某種跳頻圖案(偽隨機(jī)跳頻序列在很寬的頻帶范圍內(nèi)隨機(jī)的跳變。由于頻率跳變的不確定性,所以很好的實(shí)現(xiàn)了保密通信。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中,是用MATLAB實(shí)現(xiàn)快跳頻通信系統(tǒng)的仿真。MATLAB是一種功能強(qiáng)大的軟件,在統(tǒng)計(jì)、信號(hào)處理、人工智能以及通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在快跳頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,主要用到SIMULINK和COMMUNICA

2、TION BLOCKS兩個(gè)工具箱。在具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中,還要結(jié)合用 MATLAB語(yǔ)言編寫(xiě)的程序?qū)崿F(xiàn)整個(gè)過(guò)程的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞:跳頻通信系統(tǒng)、頻率跳變、跳頻圖案、MATLABABSTRACTABSTRACTThis information age, how to effectively use valuable band resources, and how to implement the accurate and reliable information communication is the most important communication field. Spread spectrum

3、communication was against this backdrop rapidly. Quick FM communications is spread spectrum communication in a realization, anti-jamming and privacy aspects, it is spread spectrum communication of good communication mode. In the concrete implementation, fh communication is a user's carrier accor

4、ding to some fh design (pseudo random fh sequence in a very wide band range random jump to change. Because of the uncertainty of frequency hopping, so good realized the secret communication.In the graduation design, is MATLAB fast frequency hopping communication system simulation. MATLABIs a powerfu

5、l software, in statistics, signal processing, artificial intelligence, and communication domain been widely used. In fast frequency hopping system design, mainly using SIMULINK and COMMUNICATION BLOCKS two toolbox. In concrete realization process, combine MATLAB language programming realize the whol

6、e process design.Keywords: frequency hopping communication system, frequency hopping, frequency-hopping pattern and MATLAB目錄目錄第一章引言 (11.1 概述 (11.2 擴(kuò)頻通信的基本概念和理論基礎(chǔ) (21.3 擴(kuò)頻通信的主要特點(diǎn) (41.4 擴(kuò)頻通信的幾種方式 (6第二章MATLAB通信系統(tǒng)仿真組件及流程介紹 (82.1 MATLAB仿真環(huán)境 (82.2 MATLAB語(yǔ)言介紹 (92.3 SIMULINK的核心S-函數(shù) (10第三章跳頻通信系統(tǒng)的性能分析 (143.1

7、跳頻系統(tǒng)概述 (143.2 跳頻信號(hào)的發(fā)送和接收 (153.3 快跳頻系統(tǒng)的擴(kuò)頻碼序列和跳頻圖案的設(shè)計(jì) (18電子科技大學(xué)成都學(xué)院本科課程設(shè)計(jì)論文第四章跳頻通信仿真框圖及模型 (224.1 快跳頻系統(tǒng)的仿真框圖及功能 (224.2 跳頻通信各部分模型介紹 (23第五章快跳頻系統(tǒng)仿真程序及仿真結(jié)果 (335.1 偽隨機(jī)碼序列設(shè)計(jì)與仿真 (335.2 快跳頻通信系統(tǒng)的仿真結(jié)果 (37第六章結(jié)論 (39參考文獻(xiàn) (40致謝 (41第1章引言第1章引言1.1 概述擴(kuò)頻通信,即擴(kuò)展頻譜通信(Spread Spectrum Communication,它與光纖通信、衛(wèi)星通信,一同被譽(yù)為進(jìn)入信息時(shí)代的三大高

8、技術(shù)通信傳輸方式。具有巨大的發(fā)展前景。擴(kuò)展頻譜通信(Spread Spectrum Communication的原理發(fā)表的很早,它是將待傳送的信息數(shù)據(jù)被偽隨機(jī)編碼也就是擴(kuò)頻序列調(diào)制,實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展以后再在信道中傳輸,接收端則采用與發(fā)送端完全相同的編碼進(jìn)行解調(diào)和相關(guān)處理,從而恢復(fù)出原始的信息數(shù)據(jù)。從這里我們可以看出,擴(kuò)展頻譜通信(以下簡(jiǎn)稱(chēng)擴(kuò)頻通信作為一種新的通信方式與一般的常見(jiàn)的窄帶通信方式是不同的,它們剛好相反,它是在發(fā)送端經(jīng)過(guò)擴(kuò)展頻譜以后,在信道中進(jìn)行寬帶傳輸,然后在接收端進(jìn)行相關(guān)處理以及解擴(kuò)后恢復(fù)成窄帶后解調(diào)數(shù)據(jù)?；謴?fù)出原始信息數(shù)據(jù)。因此,擴(kuò)頻通信具有偽隨機(jī)編碼調(diào)制和相關(guān)處理兩個(gè)特點(diǎn)。也正是

9、這兩個(gè)特點(diǎn),使得擴(kuò)頻通信方式有許多優(yōu)點(diǎn):如抗干擾、抗噪音、抗多徑衰落、具有保密性、功率譜密度低,具有隱蔽性和低的截獲概率、可多址復(fù)用和任意選址、可以用于高精度測(cè)量等。正是由于擴(kuò)頻通信方式具有上述的優(yōu)點(diǎn),所以擴(kuò)頻通信雖然是一種新型的通信方式,但是引起了人們的廣泛注意,得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。從擴(kuò)頻通信的應(yīng)用發(fā)展來(lái)看,真正開(kāi)始研究它的應(yīng)用的是在上個(gè)世紀(jì)50年代中期美國(guó)開(kāi)始的。剛開(kāi)始一直用于軍事通信領(lǐng)域,因?yàn)樵谲娛峦ㄐ胖?一般通信方式在強(qiáng)干擾存在的情況下,很難準(zhǔn)確的檢測(cè)出發(fā)送來(lái)的信號(hào),由于擴(kuò)頻通信具有很好的保密信和抗干擾性,所以首先開(kāi)始了在軍事通信領(lǐng)域的應(yīng)用。成為擴(kuò)頻通信研究發(fā)展的開(kāi)端,從此,

10、軍事通信機(jī)關(guān)對(duì)軍事通信、空間探測(cè)、衛(wèi)星偵察等方面廣泛應(yīng)用擴(kuò)頻通信技術(shù)。60年代以來(lái),隨著民用通信事業(yè)的發(fā)展,頻帶擁擠問(wèn)題日益突出,成為通信技術(shù)發(fā)展上的一個(gè)突出的問(wèn)題。隨著信號(hào)處理技術(shù)、大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,編碼和相關(guān)處理能夠方便的進(jìn)行,通信技術(shù)的發(fā)展,推動(dòng)了擴(kuò)頻通信理論、方法、技術(shù)等各方面的研究發(fā)展和應(yīng)用普及。軍事產(chǎn)品開(kāi)始向民用轉(zhuǎn)化。在80年代開(kāi)始在民用領(lǐng)域得到應(yīng)用。為了滿足日益增長(zhǎng)的民用通信容量的需求1和有效地利用頻譜資源,各國(guó)都紛紛提出在數(shù)字峰窩移動(dòng)通信、衛(wèi)星移動(dòng)通信和未來(lái)的個(gè)人通信中采用擴(kuò)頻技術(shù),擴(kuò)頻技術(shù)已廣泛應(yīng)用于蜂窩電話、無(wú)繩電話、微波通信、無(wú)線數(shù)據(jù)通信、遙測(cè)、監(jiān)控、報(bào)警

11、等系統(tǒng)中。擴(kuò)頻通信理論方法、技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展,經(jīng)歷了幾個(gè)階段,第一階段是在1977年前后,在早期建立的擴(kuò)頻通信理論的基礎(chǔ)上,卓有成效的豐富和發(fā)展了擴(kuò)頻通信的理論、方法和實(shí)用技術(shù),1977年8月的IEEE通信匯刊的擴(kuò)頻通信專(zhuān)集和1978年在日本東京都舉行的國(guó)際無(wú)線通信咨詢委員會(huì)全會(huì)對(duì)擴(kuò)頻通信的專(zhuān)門(mén)研究集中反映了擴(kuò)頻通信的研究成果,開(kāi)始了世界性的對(duì)擴(kuò)頻通信的全面研究。第二個(gè)階段的顯著標(biāo)志是擴(kuò)頻通信開(kāi)始民用。1982年美國(guó)第一次軍事通信會(huì)議,公開(kāi)展示了擴(kuò)頻通信在軍事通信中的主導(dǎo)作用,報(bào)告了擴(kuò)頻通信在軍事通信各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用,并開(kāi)始了擴(kuò)頻通信的民用調(diào)查。這是擴(kuò)頻通信發(fā)展的第二個(gè)階段。擴(kuò)頻通信發(fā)展的第三個(gè)

12、階段開(kāi)始于1985年5月美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)制定了民用公共安全、工業(yè)、科學(xué)與醫(yī)療和業(yè)余無(wú)限電采用擴(kuò)頻通信的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。以后世界各國(guó)相繼行動(dòng),組織擴(kuò)頻通信專(zhuān)門(mén)研究機(jī)構(gòu)和學(xué)術(shù)團(tuán)體,開(kāi)始了擴(kuò)頻通信的深入研究和廣泛應(yīng)用,這就是擴(kuò)頻通信發(fā)展的第三個(gè)階段。近年來(lái),第三代移動(dòng)通信的飛速發(fā)展,把擴(kuò)頻通信的研究、應(yīng)用和發(fā)展都推向了新的階段。1.2擴(kuò)頻通信的基本概念和理論基礎(chǔ)擴(kuò)頻通信的定義:所謂擴(kuò)頻通信,簡(jiǎn)單的可以這樣表述:擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式,其信號(hào)所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大與所傳輸?shù)男畔⑺匦璧淖钚?頻帶的展寬通過(guò)編碼和調(diào)制的方法來(lái)實(shí)現(xiàn),與所傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)無(wú)關(guān),在接收端用相同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)及恢復(fù)所

13、傳的信息數(shù)據(jù)。從這個(gè)定義中我們可以看到它包含了以下三個(gè)方面的含義:首先,信號(hào)的頻譜被擴(kuò)展寬了。在信息傳輸中,我們知道任何信息都需要一定的帶寬,稱(chēng)為信息帶寬。為了充分利用頻率資源,通常盡量采用大體相當(dāng)?shù)膸挼男盘?hào)來(lái)傳送信息,在無(wú)線電通信中,射頻信號(hào)的帶寬與所傳信息的帶寬是相比擬的,如我們熟悉的調(diào)幅信號(hào)傳送的語(yǔ)聲信號(hào),其帶寬為語(yǔ)聲信息帶寬的兩倍,這被成為窄帶通信,而擴(kuò)頻通信信號(hào)帶寬與信息帶寬之比( 我們稱(chēng)之為處理增益可以達(dá)到1001000倍,這就是我們常說(shuō)的寬帶通信。至于為什么要用這樣寬的頻帶的信號(hào)傳輸信息,在下面的理論分析中可以得到答案。其次,采用擴(kuò)頻碼序列調(diào)制方式展寬信號(hào)頻譜。我們知道,在時(shí)間

14、上有限的信號(hào),其頻譜是無(wú)限的。例如很窄的脈沖信號(hào),其頻譜則很寬。信號(hào)的頻帶寬度與其持續(xù)時(shí)間近似成反比。1微秒的脈沖的帶寬約為1MHz。因此,如果用限窄的脈沖序列被所傳信息調(diào)制,則可產(chǎn)生很寬頻帶的信號(hào)。如直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)就是采用這種方法獲得擴(kuò)頻信號(hào)。這種很窄的脈沖碼序列,其碼速率是很高的,稱(chēng)為擴(kuò)頻碼序列。這里需要說(shuō)明的一點(diǎn)是所采用的擴(kuò)頻碼序列與所傳信息數(shù)據(jù)是無(wú)關(guān)的,也就是說(shuō)它與一般的正弦載波信號(hào)一樣,絲毫不影響信息傳輸?shù)耐该餍?。擴(kuò)頻碼序列僅僅起擴(kuò)展信號(hào)頻譜的作用。第三,在接收端用相關(guān)解調(diào)來(lái)解擴(kuò)。正如在一般的窄帶通信中,已調(diào)信號(hào)在接收端都要進(jìn)行解調(diào)來(lái)恢復(fù)所傳的信息。在擴(kuò)頻通信中接收端則用與發(fā)送端相

15、同的擴(kuò)頻碼序列與收到的擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解調(diào),恢復(fù)所傳的信息。換句話說(shuō),這種相關(guān)解調(diào)起到解擴(kuò)的作用。即把擴(kuò)展以后的信號(hào)又恢復(fù)成原來(lái)所傳的信息。這種在發(fā)端把窄帶信息擴(kuò)展成寬帶信號(hào),而在收端又將其解擴(kuò)成窄帶信息的處理過(guò)程,會(huì)帶來(lái)一系列好處。弄清楚擴(kuò)頻和解擴(kuò)處理過(guò)程的機(jī)制,是理解擴(kuò)頻通信本質(zhì)的關(guān)鍵所在。長(zhǎng)期以來(lái),人們總是想法使信號(hào)所占領(lǐng)譜盡量的窄,以充分利用十分寶貴的頻譜資源。為什么要用這樣寬頻帶的信號(hào)來(lái)傳送信息呢? 簡(jiǎn)單的回答就是主要為了通信的安全可靠。這可以用信息論和抗干擾理論的基本觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)明。在信息論中關(guān)于信道容量的仙農(nóng)定理用數(shù)學(xué)表達(dá)式可以表示為:C =WLog2(1十P/N (1-1從這個(gè)公式

16、中我們可以得到:在給定信號(hào)功率P和白噪聲功率N的情況下,只要采用某種編碼系統(tǒng),就能以任意小的差錯(cuò)概率,以接近于C的傳輸信息的速率來(lái)傳送信息。其中W為頻帶寬度,C為傳輸速率。這個(gè)公式暗示在保持信息傳輸速路C不變的條件下,可以用不同的頻帶寬度W和信噪比P/W來(lái)傳輸信息。也就是說(shuō),頻帶W和信噪比P/W是可以互換的。如果增加頻帶寬度,就可以在較低的信噪比的情況下用相同的信息率以任意小的差錯(cuò)概率傳輸信息,甚至是在信號(hào)被噪聲淹沒(méi)的情況下,只要相應(yīng)的增加信號(hào)的帶寬,也能保持可靠的通信。這一公式指明了采用擴(kuò)展頻譜信號(hào)通信的優(yōu)越性,即用擴(kuò)展頻譜的方法換取信噪比的改善。擴(kuò)頻通信可行性的另一理論基礎(chǔ),為柯捷爾尼可夫

17、關(guān)于信息傳輸差錯(cuò)概率公式:Pow-f(E/N。 (1-2公式指出:差錯(cuò)概率Pow是信號(hào)能量E與噪聲功率密度N。之比的函數(shù)。設(shè)信號(hào)頻帶寬度為W,信息時(shí)間為T(mén)。信號(hào)功率為P =E/T,噪聲功率為N=Wno,信息帶寬為 F=1/T,則上式可以表示為:Pow j f(TW.P/N = f(P/N.W/ F (1-3這個(gè)式子說(shuō)明:對(duì)于一定帶寬F的信息而言,用Gp值較大的寬帶信號(hào)來(lái)傳輸,可以提高通信抗干擾能力,保證強(qiáng)干擾條件下,通信的安全可靠。即式(1-4與式(1-2一樣,說(shuō)明信噪比和帶寬是可以互換的。1.3擴(kuò)頻通信的主要特點(diǎn)由于擴(kuò)頻通信大大擴(kuò)展了信號(hào)的頻譜,發(fā)送端用擴(kuò)頻碼序列調(diào)制,在接收端利用相關(guān)解調(diào)技

18、術(shù)恢復(fù)出信息數(shù)據(jù),所以它具有很多特點(diǎn)和其他通信方式所不能有的一系列優(yōu)良的性能,具體的說(shuō)它有以下的特點(diǎn)1 抗干擾性強(qiáng)頻通信系統(tǒng)的頻譜越寬,處理增益越高,抗干擾性能越強(qiáng),從理論上講,擴(kuò)頻通信能把信號(hào)從噪聲淹沒(méi)中提取出來(lái)。當(dāng)然,在接收端一般采用相關(guān)檢測(cè)或匹配濾波的方法提取信號(hào)。此外,對(duì)于單頻及多頻載波信號(hào)的干擾、其他偽隨機(jī)調(diào)制信號(hào)的干擾以及脈沖正弦信號(hào)的干擾等,擴(kuò)頻系統(tǒng)都有抑制干擾提高輸出信噪比的作用。特別是對(duì)抗敵人人為干擾方面,效果更是突出,這也是在軍事通信領(lǐng)域率先廣泛應(yīng)用的主要原因。簡(jiǎn)單的說(shuō),如果信號(hào)帶寬展寬10倍,干擾方面需要在更寬的頻帶進(jìn)行干擾,分散了干擾功率。在總功率率不變的條件下,其干擾

19、強(qiáng)度只有原來(lái)的1/10。要保持原有的干擾強(qiáng)度,必須加大10倍總功率,這在實(shí)際的戰(zhàn)場(chǎng)條件下有時(shí)是很難實(shí)現(xiàn)的。另外,由于在接收端采用擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行相關(guān)檢測(cè),即使采用同類(lèi)型信號(hào)進(jìn)行干擾,如果不能檢測(cè)出有用信號(hào)的碼序列,由于不同碼序列之間的相關(guān)性,干擾也起不了太大的作用?？梢哉f(shuō)?？垢蓴_性是擴(kuò)頻通信最突出的優(yōu)點(diǎn)。2 隱蔽性好由于擴(kuò)頻信號(hào)在很寬的頻帶上被擴(kuò)頻,單位頻帶內(nèi)的功率很小,即信號(hào)的功率譜密度很低,所以應(yīng)用擴(kuò)頻碼序列擴(kuò)展頻譜的序列擴(kuò)頻系統(tǒng),可在信道噪聲和熱噪聲的背景下在很低的信號(hào)功率譜密度上通信。信號(hào)既然被淹沒(méi)在噪聲里,敵方就很不容易發(fā)現(xiàn)有信號(hào)的存在,想進(jìn)一步檢測(cè)信號(hào)的參數(shù)就更困難了。因此,擴(kuò)頻信號(hào)

20、具有很低的被截獲概率,這在軍事通信上是十分有用的,可以進(jìn)行隱蔽通信。再者,由于擴(kuò)頻信號(hào)具有很低的功率譜密度,對(duì)目前使用的各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小。近年來(lái)在民用通信上,各國(guó)都在研究和在原有窄帶通信的頻帶內(nèi)同時(shí)進(jìn)行擴(kuò)頻通信,大大提高了頻帶利用率。特別是對(duì)于一些信的通信服務(wù),如個(gè)人通信服務(wù),采用擴(kuò)頻碼分多址方式時(shí),理論和實(shí)踐證明,不需要分配另外的頻段即可實(shí)現(xiàn),因而引起了廣泛的重視。3 實(shí)現(xiàn)碼分多址我們知道,擴(kuò)頻通信提高了抗干擾性,但是卻付出了占用頻帶寬的代價(jià)。如果讓許多用戶共同使用這一寬頻帶,可大為提高頻帶利用率。由于在擴(kuò)頻通信中存在擴(kuò)頻碼序列之間優(yōu)良的自相關(guān)特性和互相關(guān)特性,在接收端利用相關(guān)檢測(cè)

21、技術(shù)進(jìn)行解擴(kuò),則在分配給不同用戶不同碼型的情況下可以區(qū)分不同用戶的信號(hào),提取信號(hào)。這樣,在一個(gè)寬頻帶上,許多對(duì)用戶可以同時(shí)通話而不相互干擾,這與利用頻帶分割或時(shí)間分割方法實(shí)現(xiàn)多址通信的概念相類(lèi)似,即用不同的碼型進(jìn)行分割,所以成為碼分多址(CDMA。碼分多址方式雖然要占用較寬的頻帶,但是平均到每個(gè)用戶占用的頻帶來(lái)計(jì)算,其頻帶利用率是很高的。最近的研究表明,在數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信中,采用擴(kuò)頻碼分多址技術(shù)可以提高容量20倍,除此之外,采用碼分多址,還有利于組網(wǎng)、選呼、增加保密性、解決新用戶隨時(shí)入網(wǎng)等問(wèn)題。4 抗多徑干擾在無(wú)線電通信的各個(gè)頻段,即短波、超短波、微波和光纖通信的光波中大量存在各種類(lèi)型的多徑干

22、擾。長(zhǎng)期以來(lái),抗多徑干擾問(wèn)題始終是一個(gè)難以解決的問(wèn)題之一。一般的方法是排除干擾或變害為利。前者是設(shè)法把最強(qiáng)的有用信號(hào)分離出來(lái),排除其他路徑的干擾信號(hào),這就是采用分集技術(shù)的基本思路。后者是設(shè)法把不同路徑來(lái)的延時(shí)的信號(hào)在接收端從時(shí)間上對(duì)齊相加,合并成較強(qiáng)的有用信號(hào),這就是采用梳狀濾波器的基本思路。這兩種基本方法在擴(kuò)頻通信中都是很容易實(shí)現(xiàn)的。簡(jiǎn)單的說(shuō)。就是可以利用擴(kuò)頻碼序列之間的相關(guān)性,在接收端用相關(guān)技術(shù)從多徑信號(hào)中提取和分離出最強(qiáng)的有用信號(hào),或把多個(gè)路徑來(lái)的同一碼序列的波形相加合成。另外,在跳頻通信系統(tǒng)中,由于用多個(gè)頻率的信號(hào)傳送同一信息,實(shí)際上起到了頻率分集的作用。因此,在目前民用數(shù)字蜂窩移動(dòng)通

23、信及有的軍事通信設(shè)備中經(jīng)常采用簡(jiǎn)單的跳頻技術(shù)作為抗多徑干擾的一種手段。5 能精確地定時(shí)和測(cè)距電磁波在空間地傳播速度是固定不變地光速,我們可以很自然地想到如果能夠精確測(cè)量電磁波在兩個(gè)物體之間傳播地時(shí)間,也就等于測(cè)量出了兩個(gè)物體之間的距。在擴(kuò)頻通信中如果擴(kuò)展頻譜很寬,意味著所采用的擴(kuò)頻碼速率很高,每個(gè)碼片占用的時(shí)間很短。當(dāng)發(fā)射出去的擴(kuò)頻信號(hào)在被測(cè)物體反射回來(lái)后在接收端調(diào)出擴(kuò)頻序列,比較收發(fā)兩端兩個(gè)碼序列的相位之差,就可以精確測(cè)出擴(kuò)頻信號(hào)往返的時(shí)間差,算出兩者之間的距離。測(cè)量的精確度決定于碼片的寬度,也就是擴(kuò)展頻譜的寬度。碼片越窄,精度越高。目前廣泛應(yīng)用的全球定位系統(tǒng)也就是利用擴(kuò)頻信號(hào)的這一特點(diǎn)來(lái)精

24、確定位和定時(shí)的。1.4 擴(kuò)頻通信的幾種方式擴(kuò)頻通信的框圖結(jié)構(gòu)可以用如下的方框圖表示:(發(fā)送部分的結(jié)構(gòu)框圖(接收部分的結(jié)構(gòu)框圖圖 1-1 擴(kuò)頻通信的框圖結(jié)構(gòu)從上面的框圖結(jié)構(gòu)中我們可以看到與一般的通信方式不同,擴(kuò)頻通信增加了擴(kuò)頻調(diào)制和解擴(kuò)部分兩個(gè)環(huán)節(jié)。按工作方式我們可以把擴(kuò)頻通信劃分為如下幾種工作方式:1 直接序列擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)(DS-SS 這種擴(kuò)頻系統(tǒng)簡(jiǎn)稱(chēng)為直接序列(DS 系統(tǒng),準(zhǔn)確的說(shuō),這種系統(tǒng)應(yīng)該稱(chēng)為直接用編碼序列對(duì)載波調(diào)制的系統(tǒng)。直接序列系統(tǒng)中用的編碼序列通常是偽隨機(jī)序列或叫偽噪聲(PN 碼,要傳送的信息經(jīng)數(shù)字化后變成二元數(shù)字序列,它和偽隨機(jī)序列模2加后合成復(fù)合碼去調(diào)制載波。在接收端要有一個(gè)

25、和發(fā)送端中的偽隨機(jī)碼同步的本地碼,對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò),解括后的信號(hào)送到解調(diào)器取出傳送的信息。信 源數(shù)據(jù)調(diào)制 擴(kuò)頻調(diào)制 擴(kuò)頻編碼發(fā)生器 信 道擴(kuò)頻解調(diào) 數(shù)據(jù)解調(diào) 信息接收 擴(kuò)頻編碼發(fā)生器同步時(shí)鐘第1章引言2 跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)(FH_SS所謂跳頻,比較確切的意思是:用一定碼序列進(jìn)行選擇的多頻率頻移鍵控。也就是說(shuō),用擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行頻移鍵控調(diào)制,使載波頻率不斷地跳變,所以稱(chēng)為跳頻。更確切的說(shuō)因該叫做“多頻、碼選、頻移鍵控”系統(tǒng)。3 跳時(shí)擴(kuò)頻系統(tǒng)(FH_SS與跳頻相似,跳時(shí)(TH-Time Hopping是使發(fā)射信號(hào)在時(shí)間軸上跳變。首先把時(shí)間軸分成許多時(shí)片。在一幀內(nèi)哪個(gè)時(shí)片發(fā)射信號(hào)由擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行控制

26、?？梢园烟鴷r(shí)理解為:用一定碼序列進(jìn)行選擇的多時(shí)片的時(shí)移鍵控。跳時(shí)也可以看成是一種時(shí)分系統(tǒng),所不的地方在于它不是在一幀中固定分配一定位置的時(shí)片,而是由擴(kuò)頻碼序列控制的按一定規(guī)律跳變位置的時(shí)片。跳時(shí)系統(tǒng)的處理增益等于一幀中所分的時(shí)片數(shù)。跳時(shí)一般和跳頻結(jié)合起來(lái)使用,兩者一起構(gòu)成“跳頻跳時(shí)”系統(tǒng)。4 混合式擴(kuò)頻系統(tǒng)以上3中基本擴(kuò)頻方式中的兩種或多種結(jié)合起來(lái),便構(gòu)成了一些混合擴(kuò)頻體制,如FH/DS、FH/TH、DS/FH等,它們比單一的擴(kuò)頻、跳頻、跳時(shí)體制有更優(yōu)良的性能。電子科技大學(xué)成都學(xué)院本科課程設(shè)計(jì)論文第2章MATLAB通信系統(tǒng)仿真組件及流程介紹2.1 MATLAB仿真環(huán)境MATLAB是美國(guó)Math

27、 Works公司推出的用于數(shù)值計(jì)算和信號(hào)處理的數(shù)學(xué)計(jì)算軟件包,與其他高級(jí)語(yǔ)言(BASIC、FORTRAN、C 等相比,不僅語(yǔ)法規(guī)則更為簡(jiǎn)單,而且在解決工程問(wèn)題和科研教學(xué)的輔助方面更加直觀、簡(jiǎn)潔和高效。正因?yàn)槿绱?受到了專(zhuān)業(yè)研究人員的廣泛重視。隨著版本的不斷升級(jí),MATLAB的功能越來(lái)越強(qiáng)大,應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛。在MATLAB中,不同應(yīng)用領(lǐng)域的專(zhuān)用庫(kù)函數(shù)和模板匯集起來(lái)作為工具箱添加到MATLAB的軟件包中。借助這些工具箱,各個(gè)領(lǐng)域和各個(gè)層次的科研人員可以直觀、方便地進(jìn)行分析、計(jì)算和設(shè)計(jì)仿真,大大的提高了工作的效率。目前在MATLAB中推出的工具箱主要有信號(hào)處理、控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖象處理、小

28、波分析、通信系統(tǒng)等。而且還在不斷增加新的功能。在這篇論文中,要用到的是MATLAB在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用,學(xué)習(xí)SIMULINK 模塊的應(yīng)用和COMMUNICATIONS BLOCKET的應(yīng)用。這兩個(gè)模塊的工作界面如下所示: 圖2-1 SIMULINK工作窗口可以看到,在SUMULINK中,包含有七個(gè)模塊庫(kù),分別為信源庫(kù)(Sources Library、信宿庫(kù)(Sink Library離散庫(kù)(Discrete Library、線性庫(kù)(Linear Library第2章MALTLAB通信系統(tǒng)仿真組件及流程介紹非線性庫(kù)(Nonlinear Library、連接庫(kù)(Continuous、數(shù)學(xué)庫(kù)(Math

29、Library、信號(hào)與系統(tǒng)庫(kù)(Signals&Systems Library、專(zhuān)用模塊和工具箱集合(Blocksets&Toolboxes共10個(gè)模塊庫(kù)。另外,在SIMULINK工作窗口的右下還有一個(gè)Demos圖標(biāo),它提供仿真的各種例子。雙擊某個(gè)庫(kù)的圖標(biāo),可以進(jìn)入下一級(jí)的窗口,窗口中排列這該模塊庫(kù)包含的圖標(biāo)以及名稱(chēng)。如下頁(yè)所示是通信模塊的工作窗口,我們可以看到,這個(gè)工作窗口包含有信源(Comm Source、信宿(Comm Sink、信源編碼(Source Code、信道編碼(Channel Code、調(diào)制與解調(diào)(Munication、信道(Channel、同步(Synchro

30、nication等9個(gè)模塊庫(kù),與SIMULINK一樣,也包含有一個(gè)Demos 模塊?？梢苑奖愕膶?duì)各種實(shí)例進(jìn)行演示。 圖2-2 COMMUNICATIONS BLOCKET 工作窗口2.2 MATLAB語(yǔ)言介紹MABLAB語(yǔ)言是一種高效率的用于科學(xué)工程計(jì)算的高級(jí)語(yǔ)言,與C、C+、RORTRAN等高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言相比,MATLAB不但在數(shù)學(xué)語(yǔ)言的表達(dá)與解釋方面表現(xiàn)出人機(jī)交互的高度一致,而且具有作為優(yōu)秀高技術(shù)計(jì)算環(huán)境所不可缺少的很多特征:1 高質(zhì)量、高可靠的數(shù)值計(jì)算能力。2 基于向量、數(shù)組和矩陣的高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。3 高級(jí)圖形和可視化數(shù)據(jù)處理能力。4 廣泛解決各學(xué)科專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)復(fù)雜問(wèn)題的能力。電子科技

31、大學(xué)成都學(xué)院本科課程設(shè)計(jì)論文5 支持科學(xué)和工程計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放式、可擴(kuò)充結(jié)構(gòu)。6 跨平臺(tái)兼容,可以和C語(yǔ)言、C+語(yǔ)言相互調(diào)用。同C語(yǔ)言一樣,在MATLAB語(yǔ)言中提供了4種決策或者說(shuō)控制流結(jié)構(gòu),它們是:FOR循環(huán),WHITE循環(huán),IF-ELSE-END結(jié)構(gòu)和SWITCHCASE結(jié)構(gòu),它們的用法和C語(yǔ)言中這幾種結(jié)構(gòu)的用法相似但是由于這些結(jié)構(gòu)經(jīng)常包含大量的MATLAB命令,所以經(jīng)常出現(xiàn)在M-文件中,一般結(jié)構(gòu)如下:1 FOR循環(huán)的一般形式:while expression2 WHILE循環(huán)的一般形for x = array commands commandsend end3 IF-ELSE-END結(jié)構(gòu):

32、if expression4 SWITCH-CASE結(jié)構(gòu)switch expresscommands case test1 commandsend case test2,test3commandsend2.3 SIMULINK的核心S-函數(shù)MATLAB最受人們歡迎的特點(diǎn)之一是其具有開(kāi)放性,也就是說(shuō)用戶可以通過(guò)對(duì)工具包源文件的修改或加入自己編寫(xiě)的文件去構(gòu)成新的用戶專(zhuān)用工具包,為了修改和編寫(xiě)源文件,就必須熟悉和掌握SIMULINK中的S-函數(shù)(s-function.S-函數(shù)是SIMULINK的核心,它具有的表現(xiàn)形式有三種:(1框圖形式(2M文件形式(3MEX文件形式(C語(yǔ)言或FORTRAN語(yǔ)言子程

33、序一旦SIMULINK窗口中的仿真框圖建立好,SIMULINK即利用該框圖的信息生成一個(gè)S-函數(shù),用來(lái)代表SIMULINK模型。有時(shí)標(biāo)準(zhǔn)模塊庫(kù)中現(xiàn)有的模塊不能滿足用戶的需要,為了完成某個(gè)特定的功能或進(jìn)行一種特定的數(shù)學(xué)運(yùn)算,我們可第2章 MALTLAB 通信系統(tǒng)仿真組件及流程介紹以用標(biāo)準(zhǔn)的MATLAB 語(yǔ)言編寫(xiě)M 文件,也可以用C 語(yǔ)言,但是如果用C 語(yǔ)言必須用matlab/bin 目錄下的批處理comex.bat 將其編譯成MS-Windows 下的動(dòng)態(tài)鏈接文件,才可以在MATLAB 下直接調(diào)用。S -函數(shù)與SIMULINK 非線性庫(kù)中的S -函數(shù)模塊配合使用。將S -函數(shù)模塊從非線性庫(kù)中拷貝

34、到用戶自己的模塊框圖中,然后在模塊的對(duì)話框中定義調(diào)用的S -函數(shù)的名稱(chēng),則該模塊完成的功能由調(diào)用的S -函數(shù)決定。在每個(gè)SIMULINK 模塊中都有三個(gè)基本參數(shù),輸入矢量u ,輸出矢量y 和狀態(tài)矢量x 。三者的連接關(guān)系如圖2-3所示輸入矢量 狀態(tài)矢量 輸出矢量圖 2-3 SIMULINK 模塊基本參數(shù)輸入矢量、輸出矢量和狀態(tài)矢量的數(shù)學(xué)關(guān)系如下 y=f 0(t,x,ux c =f d (t,x,ux 1 k d =f u (t,x,u在仿真的特定階段,SIMULINK 反復(fù)調(diào)用模型文件中的每個(gè)模塊,控制它們完成特定的功能,如計(jì)算輸出、更新離散狀態(tài)值和計(jì)算狀態(tài)導(dǎo)數(shù)等,為了執(zhí)行初始化或中止仿真任務(wù),

35、在仿真的開(kāi)始部分和結(jié)束部分還要調(diào)用一些附加過(guò)程。下圖給出了SIMULINK 進(jìn)行一次仿真的完整流程。X電子科技大學(xué)成都學(xué)院本科課程設(shè)計(jì)論文仿真環(huán)積分最小時(shí)間步長(zhǎng)2-4 仿真的工作流程圖SIMULINK 模型具有層級(jí)結(jié)構(gòu),非常有利于建造和管理一個(gè)大型系統(tǒng)。為了便于實(shí)現(xiàn)分層設(shè)計(jì),在SIMULINK 模塊庫(kù)中的非線性字庫(kù)中含有一種專(zhuān)用的模塊子系統(tǒng)模塊,同時(shí)SIMULINK 還為子系統(tǒng)模塊提供了封裝(MASK 功能。 初始化模塊計(jì)算下次抽樣時(shí)間用于抽樣時(shí)間可變模塊 最大步長(zhǎng)計(jì)算輸出 最大步長(zhǎng)計(jì)算離散狀態(tài) 計(jì)算導(dǎo)數(shù) 計(jì)算輸出 計(jì)算導(dǎo)數(shù) 定位零交點(diǎn)在結(jié)束時(shí)執(zhí)行所需的任務(wù)第2章MALTLAB通信系統(tǒng)仿真組件

36、及流程介紹1.子系統(tǒng)模塊(1當(dāng)一個(gè)動(dòng)態(tài)模型包含許多環(huán)節(jié)時(shí),可以把系統(tǒng)按功能分塊,每一塊建立一個(gè)子系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)中使用子系統(tǒng),可以降低模型的復(fù)雜度,減少窗口中的模塊數(shù),并易于對(duì)模型進(jìn)行擴(kuò)充和修改。具體而言,可以采用“自頂向下”的設(shè)計(jì)方式,也可以采用“自底向上”底設(shè)計(jì)方式。詳細(xì)的設(shè)計(jì)步驟將在快跳頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中介紹2.封裝功能具有封裝功能是SIMULINK模塊一個(gè)非常有用的特點(diǎn),通過(guò)封裝可以為子系統(tǒng)建立用戶自定義的對(duì)話框和圖標(biāo),可以在當(dāng)前窗口中隱藏子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容,用簡(jiǎn)單的圖標(biāo)來(lái)代替子系統(tǒng)。另一方面,由于子系統(tǒng)中的每個(gè)模塊都有一個(gè)對(duì)話框,進(jìn)行仿真的時(shí)候要分別定義參數(shù),比較麻煩。而封裝功能可以簡(jiǎn)化用戶定義

37、仿真參數(shù)的過(guò)程,同時(shí)也可以使仿真模型有一個(gè)更友好的界面。3.設(shè)計(jì)用戶自定義模塊創(chuàng)建一個(gè)用戶自定義的SIMULINK模塊的步驟為:(1根據(jù)算法和公式編寫(xiě)核心部分的S-函數(shù)。(2S-函數(shù)經(jīng)過(guò)通用S-函數(shù)模塊處理后,轉(zhuǎn)化為用戶自創(chuàng)建的模塊。(3根據(jù)要求的功能構(gòu)造用戶子系統(tǒng),包括輸入端口、輸出端口、S-函數(shù)模塊和其它一些附加功能模塊。(4利用SIMULINK中的封裝功能將子系統(tǒng)封裝起來(lái),生成用戶自定義的封裝對(duì)話框和圖標(biāo),為整個(gè)子系統(tǒng)提供統(tǒng)一的設(shè)置。這樣就完成了用戶自定義的SIMULINK模塊,并能完成所要求的功能。電子科技大學(xué)成都學(xué)院本科課程設(shè)計(jì)論文第3章跳頻通信系統(tǒng)的性能分析3.1跳頻系統(tǒng)概述調(diào)頻通

38、信系統(tǒng)(FH-SS是一個(gè)用戶的載波頻率按某種跳頻圖案(偽隨機(jī)調(diào)頻序列在很寬的頻帶范圍內(nèi)跳變的通信系統(tǒng)。如圖3-1所示。信息信號(hào)經(jīng)過(guò)波形調(diào)制(信息調(diào)制后,送入載波調(diào)制。載波由跳變序列(偽隨機(jī)序列控制跳變頻率合成器來(lái)產(chǎn)生,其頻率隨跳頻序列的值的改變而改變,因此,載波首先被跳變序列調(diào)制,稱(chēng)作調(diào)頻調(diào)制。跳變頻率合成器受跳頻序列控制,當(dāng)跳頻序列值改變一次時(shí),則載波頻率跳變一次。跳頻序列習(xí)慣上被稱(chēng)作跳頻指令,跳變頻率合成器被稱(chēng)作跳頻合成器。信息信號(hào)經(jīng)過(guò)載波調(diào)制后形成跳頻信號(hào),經(jīng)過(guò)信道傳輸被接收機(jī)接收。接收機(jī)首先從發(fā)送來(lái)的調(diào)頻信號(hào)中提取跳頻同步信號(hào),使接收機(jī)頻率本地偽隨機(jī)序列控制的頻率跳變與接收到的跳頻信號(hào)

39、的頻率跳變同步。產(chǎn)生與發(fā)射機(jī)頻率完全同步一致的本地載波。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為解跳。再用本地載波與接收信號(hào)作解調(diào)(載波解調(diào),可獲得攜帶有信息得信號(hào),從而得到發(fā)射機(jī)發(fā)送來(lái)的信息,實(shí)現(xiàn)跳頻通信。信號(hào)信息信息調(diào)制擴(kuò)頻調(diào)制PN碼發(fā)生器跳變頻率合成器信道解擴(kuò)信息解調(diào)跳變頻率合成器PN碼發(fā)生器同步電路第3章跳頻通信系統(tǒng)的性能分析圖3-1 調(diào)頻通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖1 為什么要跳頻通常我們所接觸到的無(wú)線通信系統(tǒng)都是載波頻率固定的通信系統(tǒng),如無(wú)線對(duì)講機(jī),汽車(chē)移動(dòng)電話等,都是在指定的頻率上進(jìn)行通信,所以也稱(chēng)作定頻通信。這種定頻通信系統(tǒng),一旦受到干擾就將使通信質(zhì)量下降,嚴(yán)重時(shí)甚至使通信中斷。例如:電臺(tái)的廣播節(jié)目,一般是一個(gè)發(fā)射

40、頻率發(fā)送一套節(jié)目,不同的節(jié)目占用不同的發(fā)射頻率。有時(shí)為了讓聽(tīng)眾能很好地收聽(tīng)一套節(jié)目,電臺(tái)同時(shí)用幾個(gè)發(fā)射頻率發(fā)送同一套節(jié)目。這樣,如果在某個(gè)頻率上受到了嚴(yán)重干擾,聽(tīng)眾還可以選擇最清晰的頻道來(lái)收聽(tīng)節(jié)目,從而起到了抗干擾的效果。但是這樣做的代價(jià)是需要很多額譜資源才能傳送一套節(jié)目。如果在不斷變換的幾個(gè)載波頻率上傳送一套廣播節(jié)目,而聽(tīng)眾的收音機(jī)也跟隨著不斷地在這幾個(gè)頻率上調(diào)諧接收,這樣,即使某個(gè)頻率上受到了干擾,也能很好地收聽(tīng)到這套節(jié)目。這就變成了一個(gè)跳頻系統(tǒng)。另外在敵我雙方的通信對(duì)抗中,敵方企圖發(fā)現(xiàn)我方的通信頻率,以便于截獲所傳送的信息內(nèi)容,或者發(fā)現(xiàn)我方通信機(jī)所在的方位,以便于引導(dǎo)炮火摧毀。定頻通信系

41、統(tǒng)容易暴露目標(biāo)且易于被截獲,這時(shí),采用跳頻通信就比較隱蔽也難以被截獲。因?yàn)樘l通信是“打一槍換一個(gè)地方”的游擊通信策略、使敵方不易發(fā)現(xiàn)通信使用的頻率,一旦被敵方發(fā)現(xiàn),通信的頻率也已經(jīng)“轉(zhuǎn)移”到另外一個(gè)頻率上了。當(dāng)敵方摸不清“轉(zhuǎn)移規(guī)律”時(shí),就很難截獲我方的通信內(nèi)容。因此,跳頻得到了廣泛的研究和應(yīng)用。2 什么是跳頻圖案為了不讓敵方知道我們通信使用的頻率,需要經(jīng)常改變載波頻率,即“打一槍換一個(gè)地方”似地對(duì)載波頻率進(jìn)行跳變,跳頻通信中載波頻率改變的規(guī)律,叫作跳頻圖案。通常我們希望頻率跳變的規(guī)律不被敵方所識(shí)破,所以需要隨機(jī)地改變以至無(wú)規(guī)律可循才好。但是若真的無(wú)規(guī)律可循的話,通信的雙方(或友軍也將失去聯(lián)系

42、而不能建立通信。因此,常采用偽隨機(jī)改變的跳頻圖案。只有通信的雙方才知道此跳頻圖案,而對(duì)敵方則是絕對(duì)的機(jī)密。所謂“偽隨機(jī)”,就是“假”的隨機(jī),其實(shí)是有規(guī)律性可循的,但當(dāng)敵方不知跳頻圖案時(shí),就很難猜出其跳頻的規(guī)律來(lái)。3.2 跳頻信號(hào)的發(fā)送和接收電子科技大學(xué)成都學(xué)院本科課程設(shè)計(jì)論文在傳統(tǒng)的定頻通信系統(tǒng)中,發(fā)射機(jī)中的主振蕩器的振蕩頻率是固定設(shè)置的,因而它的載波頻率是固定的。為了得到載波頻率是跳變的跳頻信號(hào),要求主振蕩器的頻率應(yīng)能遵照控制指令而改變。這種產(chǎn)生跳頻信號(hào)的裝置叫跳頻器。通常,跳頻器是由頻率合成器和跳頻指令發(fā)生器構(gòu)成的,跳頻系統(tǒng)的頻率合成器輸出什么頻率的載波信號(hào)是受跳頻指令控制的。在時(shí)鐘的作用

43、下,跳頻指令發(fā)生器不斷地發(fā)出控制指令,頻率合成器不斷地改變其輸出載波的頻率。因此,混頻器輸出的已調(diào)波的載波頻率也將隨著指令不斷地跳變,從而經(jīng)高通濾波器和天線發(fā)送出去的就是跳頻信號(hào)。跳頻器輸出的跳變的頻率序列,就是跳頻圖案。因此,有什么樣的跳頻指令就會(huì)產(chǎn)生什么樣的跳頻圖案?通常,是利用偽隨機(jī)發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生跳頻指令的,或者由軟件編程來(lái)產(chǎn)生跳頻指令。所以,跳頻系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是跳頻器,更具體地,是能產(chǎn)生頻譜純度好的快速切換的頻率合成器和偽隨機(jī)性好的跳頻指令發(fā)生器。由跳頻信號(hào)產(chǎn)生的過(guò)程可以看出,不論是數(shù)字的或模擬的定頻發(fā)送系統(tǒng),在原理上,只要加裝上一個(gè)跳頻器就可變成一個(gè)跳頻的發(fā)送系統(tǒng)。但是在實(shí)際系統(tǒng)中尚需

44、考慮信道機(jī)的通帶寬度。定頻信號(hào)的接收設(shè)備中,一般都采用超外差式的接收方法,即接收機(jī)本地振蕩器的頻率比所接收的外來(lái)信號(hào)的載波頻率相差一個(gè)中頻,經(jīng)過(guò)混頻后產(chǎn)生一個(gè)固定的中頻信號(hào)和混頻產(chǎn)生的組合波頻率成分。經(jīng)過(guò)中頻帶通濾波器的濾波作用,濾除組合波頻率成分,而使中頻信號(hào)進(jìn)入解調(diào)器。解調(diào)器的輸出就是所要傳送給收端的信息。跳頻信號(hào)的接收,其過(guò)程與定頻的相似。為了保證混頻后獲得中頻信號(hào),要求頻率合成器的輸出頻率要比外來(lái)信號(hào)高出一個(gè)中頻。因?yàn)橥鈦?lái)的信號(hào)載波頻率是跳變的,則要求本地頻率合成器輸出的頻率也隨著外來(lái)信號(hào)的跳變規(guī)律而跳變,這樣才能通過(guò)混頻獲得一個(gè)固定的中頗信號(hào)。跳頻器產(chǎn)生的跳頻圖案應(yīng)當(dāng)與所要要高出一個(gè)

45、中頻,并且要求收、發(fā)跳頻完全同步。所以,接收機(jī)中的跳頻器還需受同步指令的控制,以確定其跳頻的起、止時(shí)刻?？梢钥闯?跳頻器是跳頻系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,而跳頻同步則是跳頻系統(tǒng)的該心技術(shù)。跳頻系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)跳頻通信,正確接收跳頻信號(hào)的條件是跳頻系統(tǒng)的同步。跳頻系統(tǒng)的同步是關(guān)系到跳頻通信能否建立的關(guān)鍵。那么,怎樣才能實(shí)現(xiàn)通信雙方的跳頻同步呢?同步的含義是:跳頻圖案相同, 跳變的頻率序列(也稱(chēng)頻率表相同,跳變的起止時(shí)刻(也稱(chēng)相位相同。因此,為了實(shí)現(xiàn)收、發(fā)雙方的跳頻同步,收端首先必須獲得有關(guān)發(fā)端的跳頻同步的信息,它包括采用什么樣的跳頻圖案,使用何種頻率序列,在什么時(shí)刻從那一個(gè)頻率上開(kāi)始起跳,并且還需要不斷地校正收端

46、本地時(shí)鐘,使其與發(fā)端時(shí)鐘一致。(在本次快跳頻系統(tǒng)仿真中,發(fā)送端和接收端的擴(kuò)頻信號(hào)的同步是通過(guò)使用同一脈沖序列實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)的同步包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容:收端和發(fā)端產(chǎn)生的跳頻圖案相同,即有相同的跳頻規(guī)律。收、發(fā)端的跳變頻率應(yīng)保證在接收端產(chǎn)生固定的中頻信號(hào),即跳變的載波頻率與收端產(chǎn)生的本地跳變頻率相差一個(gè)中頻。頻率跳變的起止時(shí)刻在時(shí)間上同步,即同步跳變,或相位一致。在傳送數(shù)字信息時(shí),還應(yīng)做到幀同步和位同步。與定頻連續(xù)信號(hào)波形不同,跳頻信號(hào)的波形是不連續(xù)的,這是因?yàn)樘l器產(chǎn)生的跳變載波信號(hào)之間是不連續(xù)的。頻率合成器從接受跳頻指令開(kāi)始到完成頻率的跳變需要一定的切換時(shí)間。為了保證其輸出的頻率純正而穩(wěn)定,防止雜散輻

47、射,在頻率切換的瞬間是抑止發(fā)射機(jī)末級(jí)工作的。頻率合成器從接受指令開(kāi)始建立振蕩到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間叫作建立時(shí)間;穩(wěn)定狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間叫駐留時(shí)間;從穩(wěn)定狀態(tài)到達(dá)振蕩消失的時(shí)間叫消退時(shí)間。從建立到消退的整個(gè)時(shí)間叫作一個(gè)跳周期,記作Th。建立時(shí)間加上消退時(shí)間叫作換頻時(shí)間。只有在駐留時(shí)間(記作T D內(nèi)才能有效地傳送信息。圖3-2給出頻率合成器的換頻過(guò)程和載波信號(hào)的波形。 圖3-2 合成器的換頻過(guò)程和載波信號(hào)的波形跳頻通信系統(tǒng)為了能更有效地傳送信息,要求頻率切換占用的時(shí)間越短越好。通常,換頻時(shí)間約為跳周期Th的1/8 1/10。比如跳頻速率每秒500跳的系統(tǒng),跳周期Th=2ms,其換頻時(shí)間為0.2ms左右。跳

48、頻速率每秒20跳的系統(tǒng),跳周期是50ms,其換頻時(shí)間約為5ms。3.3 快跳頻系統(tǒng)的擴(kuò)頻碼序列和跳頻圖案的設(shè)計(jì)具有良好的偽隨機(jī)特性和相關(guān)特性的編碼對(duì)于擴(kuò)頻通信和它的應(yīng)用是非常重要的。在跳頻通信中,抗干擾、抗截獲、信息數(shù)據(jù)隱蔽和保密、抗多徑干擾和抗衰落多址通信、實(shí)現(xiàn)同步和捕捉都是與編碼設(shè)計(jì)密切相關(guān)的。這些編碼被稱(chēng)為擴(kuò)頻編碼。能滿足上述要求的擴(kuò)頻編碼應(yīng)具有如下的理想特性:1 有尖銳的自相關(guān)特性。2 具有處處為零的互相關(guān)值。3 不同的碼元數(shù)平衡相等。4 有足夠多的編碼。5 有盡可能大的復(fù)雜度。然而,上述理想特性和目前任何編碼所不能達(dá)到的。所以在實(shí)際中,我們將把具有尖銳自相關(guān)和幾乎為零的互相關(guān)特性的碼

49、稱(chēng)作序列,擴(kuò)頻編碼被稱(chēng)作擴(kuò)頻序列?；痉蠑U(kuò)頻序列理想特性的是偽隨機(jī)序列,最簡(jiǎn)單、最常用的是m序列。它有尖銳的自相關(guān)特性,有較小的互相關(guān)值,碼元平衡。但是m序列的序列數(shù)不多,序列復(fù)雜度不大。1976年R.Gold提出了一類(lèi)序列:Gold序列,它的自相關(guān)旁瓣值和互相關(guān)值與m序列的互相關(guān)值一樣,但是序列數(shù)目大大增加了。序列的復(fù)雜度也略有改善,因此,它是一種重要的擴(kuò)頻序列。在本次的快跳頻系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)中,擴(kuò)頻碼就是采用Gold序列。在本節(jié)中重點(diǎn)介紹Gold序列的實(shí)現(xiàn)。Gold在提出Gold序列時(shí)指出:給定移位寄存器級(jí)數(shù)r時(shí),總可以找到一對(duì)互相關(guān)函數(shù)值是最小的碼序列,采用移位相加的方法構(gòu)成新碼組,其互相

50、旁瓣都很小,而且在相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)均是有界的。由上述可見(jiàn),r級(jí)移位寄存器產(chǎn)生的兩個(gè)m序列可以相對(duì)移位2r-1位,模2相加就可得到2r-1個(gè)Gold序列,再加上原來(lái)的兩個(gè)m序列共有2r+1個(gè)Gold 碼。這樣,用Gold碼作為地址碼,地址數(shù)可以大大超過(guò)用m序列作地址碼的數(shù)量。產(chǎn)生Gold碼可以用兩種方法,一種是對(duì)應(yīng)于優(yōu)選對(duì)的兩個(gè)移位寄存器串連成2r級(jí)的線性移位寄存器;另外一種方法是將兩個(gè)移位寄存器并聯(lián)然后模2加。在本次的設(shè)計(jì)中,Gold碼的實(shí)現(xiàn)就是采用第二種方法的。在Gold碼序列中,有平衡Gold碼和非平衡Gold碼之分,所謂平和Gold碼是指碼序列中1比0的個(gè)數(shù)僅多一個(gè)的碼,而非平衡Go

51、ld碼就是0和1個(gè)數(shù)之差不再是1的碼。在擴(kuò)頻通信中尤其是在直接擴(kuò)頻通信中,擴(kuò)頻碼的0、1平衡性直接影響載波抑制度,在跳頻通信中,碼的不平衡性將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的系能。因此在實(shí)際的調(diào)頻通信中,我們一般采用平衡的Gold碼序列。為了產(chǎn)生平衡Gold碼需要選擇兩個(gè)原始的m序列的特定的相對(duì)狀態(tài),即所謂的特征相位。當(dāng)序列處于特征相位時(shí),對(duì)該序列每隔一位進(jìn)行抽樣所得的抽樣序列仍為原序列。(這方面的更詳細(xì)的論述請(qǐng)參考國(guó)防工業(yè)出版社的擴(kuò)譜通信。在求得序列的特征相位以后,還要研究?jī)蓚€(gè)處于特征相位的m序列優(yōu)選對(duì)的相位關(guān)系,這樣才能尋找平衡Gold碼。跳頻圖案和跳頻頻率表跳頻圖案是由跳頻指令控制頻率合成器所產(chǎn)生的頻率序

52、列。跳頻系統(tǒng)中,跳頻帶寬和可供跳變的頻率(頻道數(shù)目都是預(yù)先定好的。比如說(shuō),跳頻帶寬為5MHz,跳頻頻率的數(shù)目是64個(gè),頻道間隔是25kHz。這樣,在5MHz帶寬內(nèi)可供選用的頻道數(shù)遠(yuǎn)大于64個(gè),那么你怎樣選擇出64個(gè)頻率來(lái)呢? 這就是所謂的跳頻頻率表。根據(jù)電波傳播條件、電磁環(huán)境條件以及敵方干擾的條件等因素來(lái)制定一張或幾張具有64個(gè)頻率的頻率表,即f1,f2,f64,另一張可以是f1,f2,f64。如果采用f1,f2,f64這張頻率表,那么跳頻指令發(fā)生器則是根據(jù)這張頻率表向頻率合成器發(fā)出指令進(jìn)行跳頻的。那么又怎樣在這64個(gè)頻率中做到偽隨機(jī)地跳頻呢?這是由跳頻指令發(fā)生器和頻率合成器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。跳頻指令

53、發(fā)生器主要是一個(gè)偽碼發(fā)生器。偽碼發(fā)生器在時(shí)鐘脈沖的推動(dòng)下,不斷地改變碼發(fā)生器的狀態(tài)。不同的狀態(tài)對(duì)應(yīng)于一張?zhí)l頻率表中的一個(gè)頻率。64種狀態(tài)則對(duì)應(yīng)64個(gè)頻率。再根據(jù)此頻率,按照頻率合成器可變分頻器、置位端的要求,轉(zhuǎn)換成控制頻率合成器的跳頻指令。由于偽碼發(fā)生器的狀態(tài)是偽隨機(jī)地變化,所以頻率合成器輸出的頻率也在64個(gè)頻率點(diǎn)上偽隨機(jī)的跳變,便生成了偽隨機(jī)地跳頻圖案。當(dāng)頻率表不同時(shí),雖然用同一個(gè)偽碼發(fā)生器,實(shí)際所產(chǎn)生的跳頻圖案也是不同的。(2跳頻圖案的選擇一個(gè)好的跳頻圖案應(yīng)考慮以下幾點(diǎn):圖案本身的隨機(jī)性要好,要求參加跳頻的每個(gè)頻率出現(xiàn)的概率相同。隨機(jī)性好,抗干擾能力也強(qiáng)。圖案的密鑰量要大,要求跳頻圖案的

54、數(shù)目要足夠多。這樣抗破譯的能力強(qiáng)。各圖案之間出現(xiàn)頻率重疊的機(jī)會(huì)要盡量的小,要求圖案的正交性要好。這樣將有利于組網(wǎng)通信和多用戶的碼分多址。上面談過(guò),跳頻圖案的性質(zhì),主要是依賴(lài)于偽碼的性質(zhì)。所以選擇偽碼序列成為獲得好的跳頻圖案的關(guān)鍵。常見(jiàn)的偽隨機(jī)碼序列除了上面介紹的Gold碼以外,常用到的還有m序列,M序列,R-S序列。下面簡(jiǎn)單介紹一下這三種常用偽隨機(jī)序列的特點(diǎn):m序列的優(yōu)點(diǎn)是容易產(chǎn)生,自相關(guān)特性好,且是偽隨機(jī)的。但是可供使用的跳頻圖案少,互相關(guān)特性不理想,又因它采用的是線性反饋邏輯,就容易被敵人破譯碼的序列,即保密性、抗截獲性差。由于這些原因,在跳頻系統(tǒng)中不采用m 序列作為跳頻指令碼。M序列是非

55、線性序列,可用的跳頻圖案很多,跳頻圖案的密鑰量也大,并有較好的自相關(guān)和互相關(guān)特性,所以它是較理想的跳頻指令碼。其缺點(diǎn)是硬件產(chǎn)生時(shí)設(shè)備較復(fù)雜。R-S序列的硬件產(chǎn)生比較簡(jiǎn)單,可以產(chǎn)生大量的可用跳頻圖案,很適于用作跳頻指令碼序列。第4章跳頻通信仿真框圖及模型4.1快跳頻系統(tǒng)的仿真框圖及功能 圖4-1 快跳頻通信系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)框圖如圖4-1所示,該跳頻通信系統(tǒng)按功能可以劃分為六個(gè)部分,信號(hào)產(chǎn)生部分、發(fā)送部分、跳頻擴(kuò)頻調(diào)制部分、信道部分、接收部分和結(jié)果分析部分。各部分的具體結(jié)構(gòu)都封裝在子系統(tǒng)中,各部分的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)將在下面的敘述中給予介紹信號(hào)在系統(tǒng)中的處理過(guò)程為:1.由信源端生成準(zhǔn)備傳送的有用信號(hào)。2

56、.由偽隨機(jī)碼序列控制MFSK部分,然后與有用信號(hào)進(jìn)行相乘運(yùn)算。偽隨機(jī)碼元控制MSFK部分的載波的頻率(在設(shè)計(jì)中使得載波的相位為零。從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的跳頻通信。3.將經(jīng)過(guò)跳頻調(diào)制的信號(hào)經(jīng)過(guò)信道傳輸(信道是Rayleigh&Awgn信道疊加上信道噪聲,信道噪聲為加性高斯噪聲。4.接收端的相關(guān)器對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理,相關(guān)處理時(shí)采用的偽隨機(jī)碼與發(fā)送端的隨機(jī)碼字保持嚴(yán)格的同步,未隨機(jī)碼仍然由偽隨機(jī)生成模塊來(lái)長(zhǎng)生5.利用一個(gè)計(jì)數(shù)器對(duì)相關(guān)器的輸出結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),然后完成比較,判決過(guò)程,恢復(fù)出原始信號(hào)。6.將恢復(fù)出的有用信號(hào)與發(fā)送端的原始信號(hào)同時(shí)送入誤碼儀進(jìn)行比較,計(jì)算出誤碼率。4.2 跳頻通信各部分模型

57、介紹信號(hào)生成部分如圖4-2為發(fā)送信號(hào)的生成模塊,其中,最左邊的脈沖模塊可以生成脈沖矢量,在設(shè)計(jì)中,設(shè)定脈沖模塊輸出二維脈沖信號(hào),信號(hào)頻率取為1HZ和10HZ。其中,頻率為1HZ的脈沖作為碼元同步信號(hào),10HZ的脈沖作為切普同步信號(hào),碼元信號(hào)為方波,碼元同步信號(hào)送至接收部分的比較判決模塊,用于恢復(fù)出原始的信息碼元,切普同步信號(hào)用于同步生成偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼,在圖2-4中兩個(gè)偽隨機(jī)碼元生成模塊采用同一個(gè)切普同步信號(hào),保證了用于擴(kuò)頻的偽隨機(jī)碼和用于解擴(kuò)的偽隨機(jī)碼的完全同步。(當(dāng)然在實(shí)際的通信系統(tǒng)中,切普同步信號(hào)需要從接收信號(hào)中提取,是接收設(shè)備中非常關(guān)鍵的部分,本例中的切普同步是由前端提供的 圖4-2 發(fā)送信號(hào)生成模塊框圖1 跳頻調(diào)制部分1偽隨機(jī)碼(Gold碼序列的生成在設(shè)計(jì)中,偽隨機(jī)碼采用Gold碼序列,在第三章的論述中我們已經(jīng)知道Gold 碼可以由m序列經(jīng)過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)產(chǎn)生,在本設(shè)計(jì)中采用第二種的實(shí)現(xiàn)方法。即兩個(gè)m序列經(jīng)過(guò)模2加運(yùn)算以后產(chǎn)生Gold序列。原理框圖的結(jié)構(gòu)如下 圖4-3 Gold碼生成的原理框圖在這部分的設(shè)計(jì)中,Gold碼的設(shè)計(jì)利用S-函數(shù),采用MATLAB語(yǔ)言編寫(xiě)程序,采用的算法就是根據(jù)上面的原理圖,用MATLAB語(yǔ)言參照S-函數(shù)的模板程序編寫(xiě)一個(gè)m序列的生成程序,然后構(gòu)建自己的動(dòng)態(tài)仿真模塊。兩個(gè)模塊的輸出經(jīng)過(guò)模2加以后產(chǎn)生Gold序列。下面具體介紹一下如何利用S