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跳频扩频系统的Matlab模拟仿真实现
摘 要:跳频扩频技术采用特定的扩频函数及载波跳变来实现频谱展宽,具有很强的抗干扰性,并具有信息隐蔽、多址保密通信的特点;PSK调制方式由基带脉冲控制载波相位。在Matlab/Simulink下建立了采用BPSK方式的跳频扩频(FH-SS)通信系统模拟模型,并编程仿真实现该系统,对跳频扩频通信的实现有重要意义。
　　关键词:跳频扩频; BPSK; Matlab; Simulink
　　Implementation of Matlab Simulation for Frequency-hopping Spread Spectrum System
　　WANG Xiang-hong, ZHAO Hai-tao, GUAN Xiao-dong
　　(Unit 95588 of PLA, Xi’an 710306, China)
　　Abstract: The frequency-hopping spread spectrum technology has stronger anti-jamming ability, and the features of information hiding and multipath interference communication through the given spread-spectrum function and hopped-frequency. The PSK modulation mode and carrier phase are controlled by base-band pulse.The model of frequency-hopping spread spectrum communication system with BPSK mode is setted up with Matlab/Simulink. Finally this system is simulated with Matlab. It is very important for the communication system to realize the frequency-hopping spread spectrum communication.
　　Keywords: frequency-hopping spread spectrum; BPSK; Matlab; Simulink
　　收稿日期:2010-03-16
　　跳频扩频 (Frequency-Hopping Spread Spectrum,FHSS)通信系统抗干扰性能优异,具有抗多径衰落、低截获概率、码分多址能力、距离分辨率高和精确定时等优点,应用范围越来越广泛。扩展频谱通信系统[1]按工作方式分为直接序列扩展频谱系统、跳频扩频系统、跳时扩频系统和混合方式,跳频扩频系统应用较为广泛。本文重点研究了采用Matlab/Simulink建立BPSK方式的FHSS通信系统模型的方法,并且编程实现该系统。
　　1 跳频扩频与PSK
　　1.1 跳频扩频技术
　　扩展频谱通信系统[2-3]是指待传输信息的频谱用某个特定的扩频函数扩展后成为宽频带信号,送入信道中传输,再利用相应手段将其压缩,从而获得传输信息的通信系统。扩频技术是利用同域传输数据(信息)无关的码对被传输信号扩展频谱,使之占有远远超过被传送信息所必需的最小带宽。扩频函数常用的是伪随机序列。扩频信号是不可预测的伪随机的宽带信号, 其带宽远大于欲传输数据(信息)带宽,发射端展宽频带是用独立于所传数据的码来实现;在接收机中必须有与宽带载波同步的副本,利用同步的相同码解扩以恢复所传数据。
　　跳频是一种利用载波跳变来实现频谱展宽的扩频技术。在跳频系统中,调制载波频率受伪随机码的控制,不断地以伪随机规律跳变,以躲避点频干扰和窄带干扰。其方法是把一个宽频段分成若干个频率间隔(称为频道/频隙),由一个伪随机序列控制发射机在某一特定的驻留时间所发送信号的载波频率。在接收端,本地恢复载波也受伪随机码的控制并保持与发送的跳频变化规律一致,这样,以频率跳变的本地恢复载波对接收信号经过变频(相乘)以后,就能得到一个固定的中频信号即把原来的频率跳变解除,这一过程称解跳,然后对解扩信号再进行相应的解调即可恢复数据。
　　1.2 移相键控(PSK)
　　移相键控(PSK)数字调制[4-5]是受键控的载波相位按照基带脉冲而改变的一种数字调制方式。
　　在一个码元传输时隙T内,M元数字相位调制的波形表示为:
　　Sm(t)=g(t)cos[2πfct+2πm/M]
　　=g(t)cos(2πm/M)cos (2πfct)-
　　 g(t)sin(2πm/M)sin(2πfct)
　　=Re[g(t)e j2πm/Mej2πfct]
　　
　　式中:g(t)为基本脉冲波形,对于常见的矩形脉冲,g(t)=1;M元数据符号映射到M个可能的相位θm =2πm/M,m=0,1,…,M-1上,M-PSK的等效基带信号是复信号g(t)e j2πm/M。
　　二进制移相键控(BPSK)系统抗噪声性能强、误码性能好、频谱特性好、抗衰落性能强及信道频带利用率等方面较优越,广泛应用于数字通信系统。
　　2 仿真模型
　　Matlab是一种功能强大的数据分析和工程计算语言[4,6],Simulink是其中一个可视化方框图系统建模和仿真平台,将强大的数值计算能力和丰富的数据可视化能力、友好的图形用户界面融合为一体,适合于科学计算、系统仿真,系统建模直观,更加贴近系统工程设计的思维模式。
　　在Matlab/Simulink中建立跳频扩频系统模型如图1所示。在发射端,二进制信源数据采用Bernoulli Binary Generator产生,PN Sequence Generator产生PN序列,采用BPSK Modulator Baseband完成二进制移相键控(BPSK)数字调制;在接收端,采用BPSK Demodulator Baseband完成二进制移相键控(BPSK)数字解调。
　　图1 BPSK-FHSS跳频扩频系统模型
　　3 仿真实现
　　Matlab[4,7]包括许多标准函数,其信号处理工具箱可以解决通信中信号变换、调制解调、滤波、频谱估计、线性系统分析等多项功能,并且能够通过图形用户界面显示结果。
　　利用Matlab通过M函数的编写,可以进行编程仿真,得出跳频扩频系统相应的信号波形。
　　图2所示为BPSK-FHSS跳频扩频系统发射端波形,包括Original Bit Sequence, BPSK Modulated Siginal, Spread Signal(包括6个频率), Frequency-Hopped Spread Spectrum Signal四个信号波形。
　　图3为BPSK-FHSS跳频扩频系统接收端波形,包括Lifting of Spread Spectrum Signal(解扩波形)及Out of Multiplication Signal(解调器中相乘器的输出波形)。
　　图2 BPSK-FHSS系统发射端波形
　　图3 BPSK-FHSS系统接收端波形
　　4 结 语
　　从整个系统的建模与仿真过程可知,采用Bernoulli Binary Generator,PN Sequence Generator,BPSK Modulator Baseband及BPSK Demodulator Baseband数个主要模块,分别通过BPSK调制、扩频、跳频完成发射,加入高斯信道,通过解扩、BPSK解调完成接收。该仿真过程对系统的实现具有指导意义,在具体设计扩展频谱系统[8-10]中,接收端产生的解扩用的伪随机序列必须同发送端的伪随机序列同步,才能正确恢复信码,保证系统的同步性和强抗干扰特性。
　　参考文献
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