跳頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)及MATLAB仿真選題報(bào)告

北京科技大學(xué)天津?qū)W院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(選題報(bào)告)_______________________________________________________________________________1-____________________________________________________________________________________________1-目錄TOC\o"1-3"\h\u擴(kuò)頻通信，即擴(kuò)展頻譜通信（SpreadSpectrumCommunication）與光纖通信、衛(wèi)星通信，一同被譽(yù)為進(jìn)入信息時代的三大高技術(shù)通信傳輸方式，它是上世紀(jì)40年代發(fā)展起來的一種技術(shù)，用來為戰(zhàn)爭環(huán)境下的軍隊(duì)提供可靠安全的通信。20世紀(jì)50年代，美國麻省理工學(xué)院研究成功NOMAC系統(tǒng)(NoiseModulationandCorrelationSystem）,成為了擴(kuò)頻通信研究發(fā)展的開端。時至今日，隨著民用、軍用通信事業(yè)的發(fā)展，頻帶擁擠的矛盾日益突出。而信號處理技術(shù)、大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)得發(fā)展，推動了擴(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。擴(kuò)頻通信主要有以下幾種方式：直接序列擴(kuò)頻（DS）、跳頻（FH）、跳時（TH）及混沌擴(kuò)頻等。由于跳頻通信的抗截獲、抗干擾能力強(qiáng)，保密性能好，在軍事抗干擾通信中得到廣泛運(yùn)用。20世紀(jì)70年代，第一臺跳頻收音機(jī)的誕生，標(biāo)志著跳頻通信的開始。80年代跳頻主要用于世界各國的軍事裝備中，人們認(rèn)為，“廣泛使用跳頻電臺，是80年代VHF頻段無線通信發(fā)展的主要特征”，90年代，跳頻通信的應(yīng)用拓展到民用領(lǐng)域。藍(lán)牙跳頻通信就是一個典型的例子，可以廣泛應(yīng)用于局域網(wǎng)絡(luò)中各類數(shù)據(jù)及語音設(shè)備，如PC、撥號網(wǎng)絡(luò)、筆記本電腦、打印機(jī)、傳真機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、移動電話和高品質(zhì)耳機(jī)等，藍(lán)牙技術(shù)將上述設(shè)備連成一個微微網(wǎng)(Piconet),從而實(shí)現(xiàn)各類設(shè)備之間隨時隨地進(jìn)行通信。文獻(xiàn)[3]中采用了一種基于時鐘和地址的藍(lán)牙跳頻序列。由于引入跳頻技術(shù)能夠抗干擾，提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，它在實(shí)際中的應(yīng)用日益廣泛。例如MOTOROLA公司的GSM900設(shè)備中，就使用了跳頻技術(shù)。研究提高抗干擾的方法，對保障軍事通信的可靠性具有重要意，同時，隨著通信技術(shù)的廣泛運(yùn)用，跳頻技術(shù)在民用領(lǐng)域也越來越受重視。因此，分析和研究跳頻通信系統(tǒng)及其仿真結(jié)果具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。國外自六十年代起就對跳頻體制的理論和技術(shù)進(jìn)行了研究，七十年代即研制出實(shí)用的跳頻電臺，到了八十年代，跳頻電臺己成為世界各主要國家的重要通信裝備。隨著調(diào)制技術(shù)、編碼技術(shù)、微電子技術(shù)、特別是DSP技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，跳頻技術(shù)在90年代又有了新的發(fā)展，目前正向自適應(yīng)、高速、變速率和寬帶的方向發(fā)展。現(xiàn)在美國Sanders公司的CHESS高速短波跳頻電臺已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了5000跳/秒的跳頻速率，最高數(shù)據(jù)數(shù)率可達(dá)到19200bps。此外，CHESS跳頻電臺與一般的跳頻電臺還有所不同，它以DSP為基礎(chǔ)，采用了差動跳頻（DFH)技術(shù)。通過現(xiàn)代數(shù)字處理技術(shù)，CHESS跳頻電臺較好解決了短波系統(tǒng)帶寬有限(導(dǎo)致數(shù)據(jù)速率低的原因)、信號間相互干擾、存在多徑衰落等的問題。同時，它的瞬時信號帶寬很窄，對其它信號的影響很小。可以看到，實(shí)現(xiàn)更高跳速、更高數(shù)據(jù)速率的跳頻電臺正是跳頻通信系統(tǒng)的未來發(fā)展方向，軟件無線電的概念也已逐漸應(yīng)用到新型的跳頻電臺中。加拿大Laval大學(xué)提出了在光纖網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用快跳頻技術(shù)。該系統(tǒng)利用Bragg光柵替代傳統(tǒng)跳頻系統(tǒng)中的頻率合成器，跳速達(dá)到10G數(shù)量級。系統(tǒng)在30個用戶，比特誤碼率為10-9的條件下，數(shù)據(jù)速率為500Mb/s。與采用非相干DS/CDMA技術(shù)的光纖網(wǎng)絡(luò)相比，同時有相同數(shù)量的用戶使用時，F(xiàn)FH/CDMA系統(tǒng)的比特誤碼率明顯優(yōu)于DS/CDMA系統(tǒng)。南非Grinel通信公司生產(chǎn)的TRC-1600背負(fù)電臺是一種多速率(慢、中、快)多波形抗干擾電臺，該公司推出的另一種TRC-1600多模式背負(fù)電臺具有可變跳頻帶寬(5MHz一175MHz)和可變跳速(4-33Hz(SSB)，70Hz(FM/AM))功能，同時還有智能AFC(自動頻率控制)、AGC(自動增益控制)等功能。瑞典Shadow技術(shù)公司推出的SFH-41型CHAMELEON跳頻VHF手持電臺有3個跳頻速率(分別為12.5.20.50跳/秒)，且跳速在任何頻率上的駐留時間都很短?，F(xiàn)有掃描器還很難鎖定這樣的信號，因此其防竊聽、抗干擾能力更強(qiáng)。國內(nèi)對跳頻通信的研究起步較晚，早期的跳頻技術(shù)還是運(yùn)用國外的先進(jìn)技術(shù)，但是，研究人員還是提出了一些對跳頻信號檢測的方法，主要有自適應(yīng)多信道檢測技術(shù)、壓縮接收機(jī)檢測技術(shù)、數(shù)字信道化技術(shù)、壓縮信道化檢側(cè)技術(shù)、最大相關(guān)處理法和復(fù)雜電磁環(huán)境下的檢測技術(shù)等。對跳頻信號的偵察國內(nèi)已有了一定的研究基礎(chǔ)。針對跳頻信號的檢測，我國利用偵察截獲信號的時頻變換得到的瀑布圖對跳頻信號進(jìn)行檢測，收集跳頻信號在不同頻點(diǎn)上跳頻信號段的頻率、出現(xiàn)時刻、結(jié)束時刻、幅度等信息。在跳頻網(wǎng)臺信號的盲分選中，我國提出采用聚類循環(huán)分選的方法在復(fù)雜的噪聲環(huán)境下對多個跳頻網(wǎng)臺的混合信號進(jìn)行分選，但這種方法在構(gòu)造聚類的凝聚點(diǎn)比較困難，并且誤差較大，分選網(wǎng)臺的數(shù)目受到限制，對大于3個的跳頻網(wǎng)臺的混合信號進(jìn)行分選時不能夠正確分選。而后又有引入測向與聚類相結(jié)合的跳頻網(wǎng)臺的分選方法，較單純依靠聚類的分選方法的分選結(jié)果有了比較好的分選結(jié)果。我國研制的TCR-153型短波自適應(yīng)跳頻電臺，已達(dá)到了國際先進(jìn)水平。該電臺為我國目前最先進(jìn)的短波自適應(yīng)跳頻電臺，用于停車軍總軍、師之間固定臺站進(jìn)行通信指揮或半固定臺站進(jìn)行通信指揮，也可用于交通、石油等民用電臺的通信聯(lián)絡(luò)、數(shù)據(jù)交換。隨著軍事的現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，未來戰(zhàn)爭將是以電子戰(zhàn)、信息戰(zhàn)的對抗為主，運(yùn)用于軍事設(shè)備中的跳頻技術(shù)的性能研究也成為了各國關(guān)注的焦點(diǎn)，抗干擾、抗截獲、抗衰落等性能的提高也成為跳頻研究的發(fā)展方向。同時，隨著個人通信業(yè)務(wù)和蜂窩移動通信的發(fā)展，跳頻技術(shù)在民用領(lǐng)域的運(yùn)用也日趨成熟，在現(xiàn)有的DS/CDMA系統(tǒng)中，遠(yuǎn)近效應(yīng)是一個很大的問題。由于大功率信號只在某個頻率上產(chǎn)生遠(yuǎn)近效應(yīng)，當(dāng)載波頻率跳變到另一個頻率時則不受影響，因此跳頻系統(tǒng)沒有明顯的遠(yuǎn)近效應(yīng)，這使得它在移動通信中易于得到應(yīng)用和發(fā)展。在數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)中，如果鏈路間采用相互正交的跳頻圖案同步跳頻，或者采用低互相關(guān)的跳頻圖案異步跳頻，可以使得鏈路間的干擾完全消除或基本消除，對提高系統(tǒng)的容量具有重要意義。此外，跳頻是瞬時窄帶系統(tǒng)，其頻率分配具有很大的靈活性，在現(xiàn)有頻率資源十分擁擠的條件下，研究跳頻通信技術(shù)具有重要意義。

3研究方法、內(nèi)容及預(yù)期目的本課題選用MATLAB軟件作為跳頻技術(shù)的仿真平臺，利用其豐富的通信模塊庫對跳頻通信系統(tǒng)的信源、調(diào)制、信道、解調(diào)等基本部分進(jìn)行建模。同時通過改變模塊的一些參數(shù)和設(shè)計(jì)方法，運(yùn)用二進(jìn)制相移鍵控方式進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)，從而獲得直觀的仿真波形，重點(diǎn)分析仿真結(jié)果中抗干擾、抗截獲、抗衰落等跳頻性能指標(biāo)，找出能提高性能的一些方法。跳頻就是用偽隨機(jī)碼序列構(gòu)成跳頻指令來控制頻率合成器，并在多個頻率中進(jìn)行選擇的移頻鍵控。所傳遞的信息碼與偽隨機(jī)序列模二相加（或波形相乘）構(gòu)成跳頻指令（即跳頻圖案），并由它隨機(jī)選擇發(fā)送頻率。發(fā)送端的信息碼序列與偽隨機(jī)序列經(jīng)過調(diào)制后，按不同的跳頻圖案控制頻率的合成。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(jī)的本振信號也是一頻率跳變信號，跳變規(guī)律與發(fā)送端的相同，兩個合成器產(chǎn)生的頻率相對應(yīng)，但對應(yīng)的頻率有一頻差，正好為接收機(jī)的中頻。只要收發(fā)方的偽隨機(jī)碼同步，就可使收發(fā)雙方的跳頻與頻率合成器產(chǎn)生的跳變頻率同步，經(jīng)混頻后，就可得到一個不變的中頻信號，然后對此信號進(jìn)行解調(diào)，就可恢復(fù)出發(fā)送的信息。跳頻通信系統(tǒng)主要由發(fā)送端和接收端兩部分組成。發(fā)送端部分包括：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。其原理框圖如下：圖1跳頻通信系統(tǒng)發(fā)送端原理框圖接收端部分包括：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)器、信宿以及接收端天線等。其原理框圖如下：圖2跳頻系統(tǒng)接收端原理框圖考察一個系統(tǒng)的跳頻技術(shù)性能，應(yīng)注意下列各項(xiàng)指標(biāo)：跳頻帶寬；跳頻頻率的數(shù)目；跳頻的速率；跳頻碼的長度（周期）；跳頻系統(tǒng)的同步時間。一般說來，希望跳頻帶寬要寬，跳頻的頻率數(shù)目要多，跳頻的速率要快，跳頻碼的周期要長，跳頻系統(tǒng)的同步時間要短。跳頻帶寬的大小，與抗部分頻帶的干擾能力有關(guān)。跳頻帶寬越寬，系統(tǒng)抗寬帶干擾能力越強(qiáng)。跳頻頻率的數(shù)目，與抗單頻干擾及多頻干擾的能力有關(guān)。跳變的頻率數(shù)目越多，抗單頻、多頻以及梳狀干擾的能力越強(qiáng)。跳頻的速率，是指每秒鐘頻率跳變的次數(shù)，它與抗跟蹤式干擾的能力有關(guān)。跳速越快，抗跟蹤式干擾的能力越強(qiáng)。跳頻碼的長度，決定跳頻圖案延續(xù)時間的長度，這個指標(biāo)與抗截獲（破譯）的能力有關(guān)。跳頻圖案延續(xù)時間越長，敵方破譯越困難，抗截獲能力越強(qiáng)，跳頻碼的周期可長達(dá)10年甚至更長。跳頻系統(tǒng)的同步時間，是指系統(tǒng)使收發(fā)雙方的跳頻圖案完全同步并建立通信所需要的時間。同步建立時間越短越好、越隱蔽越好。充分理解跳頻通信系統(tǒng)功能及原理，重點(diǎn)分析跳頻通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)，通過比較及思考，達(dá)到提高跳頻通信過程中抗干擾、抗截獲等能力。掌握并運(yùn)用MATLAB對通信系統(tǒng)的建模方法，并設(shè)計(jì)跳頻通信系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行仿真，通過對仿真結(jié)果及跳頻圖像的分析，得出相應(yīng)的結(jié)論。通過對跳頻通信系統(tǒng)仿真模型的建立，改變一些模塊及參數(shù)，得出不同的仿真結(jié)果，分析比較其中的差異和優(yōu)劣。在熟練掌握跳頻技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)跳頻通信系統(tǒng)各部分模塊，運(yùn)用MATLAB對所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的建立，在實(shí)際理論的基礎(chǔ)上對仿真結(jié)果進(jìn)行認(rèn)真的分析和研究，并不斷改進(jìn)不足或設(shè)計(jì)不合理的地方，得到性能最優(yōu)化跳頻通信系統(tǒng)，從而得出相應(yīng)的結(jié)論。大四學(xué)年第1學(xué)期第15-18周：查閱文獻(xiàn)資料，并做一定量的外文資料翻譯工作，以了解擴(kuò)頻通信系統(tǒng)特別是跳頻通信系統(tǒng)的發(fā)展、運(yùn)用及原理，以及其相關(guān)的性能指標(biāo),準(zhǔn)備選題報(bào)告。大四學(xué)年第2學(xué)期第1-2周：學(xué)習(xí)MATLAB通信系統(tǒng)建模的方法，掌握擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的基本建模及相關(guān)模塊的功能原理。針對跳頻通信系統(tǒng)中所要運(yùn)用的二進(jìn)制相移鍵控方式以及通信過程中的編碼序列進(jìn)行研究，選擇合適的編碼序列。大四學(xué)年第2學(xué)期第3-6周：通過分析跳頻通信系統(tǒng)發(fā)送端和接收端模塊的作用和工作原理，設(shè)計(jì)出基本的系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)出同步電路計(jì)數(shù)器部分。大四學(xué)年第2學(xué)期第7-11周：在MATLAB壞境下對建立的跳頻通信系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行測試仿真，查找問題，并進(jìn)行相關(guān)的修改和完善，提高系統(tǒng)的可行性。大四學(xué)年第2學(xué)期第12-13周：改變各種跳頻性能參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行仿真對比和系統(tǒng)性能的提升，得出最佳匹配參數(shù)及仿真方案,記錄相關(guān)的仿真結(jié)果。大四學(xué)年第2學(xué)期第14-16周：進(jìn)一步完善系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，掌握跳頻通信系統(tǒng)收發(fā)過程，并對跳頻圖案進(jìn)行分析，著重研究其抗干擾性能和抗截獲性能。大四學(xué)年第2學(xué)期第17周：完善論文，查漏補(bǔ)缺，做到科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)那苍~造句，并對仿真結(jié)果進(jìn)行針對性和可行性分析，得出最后的結(jié)論。大四學(xué)年第2學(xué)期第18周：準(zhǔn)備論文答辯。韋惠民，擴(kuò)頻通信技術(shù)及應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.JohnGProakis等.現(xiàn)代通信系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社.2005：313-326：327-336.J.L.Domsteter,DidierVerhulst.Cellulareficiencywithslowferquencyhopping:analysisofthedigitalSFH900mobilesystem.IEEEJournalonSelectedAreasinCommun.1987,SAC-5(5):835-845.陳新寧.跳頻通信偵察技術(shù)研究[D].長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息與通信系.2006.聶偉，郭梅花，張永杰.跳頻通信系統(tǒng)的研究與Matla