跳频通信系统抗干扰性能分析.docx

题 目：跳频通信系统抗干扰性能分析

姓 名：
学 院：信息科学与技术学院
系：通信工程系
专 业：
年 级：
学 号：
教 师：

2012 年 7 月 10 日
跳频通信系统抗干扰性能分析
摘要
扩频技术是一种信息传送技术，它利用伪随机码对被传输信号进行频谱扩展，使之占有远远超过被传送信息所需的最小带宽。而跳频技术以其良好的抗干扰性能和衰落性及较低的信号被截获概率，成为战术通信领域应用最广的一种抗干扰手段。本文在介绍跳频通信基础原理的基础上，并借助计算机仿真工具Matlab/Simulink搭建仿真模型，得到了在多径信道下的误码率-信噪比曲线，从而分析跳频通信系统的抗干扰性能。
关键字：跳频、Simulink仿真、多径、抗干扰
一．引言
跳频通信时现代通信中采用的最常用的扩频方式之一，其基本原理是指收发双方传输信号的载波频率按照预定规律进行离散变化。与定频通信相比，由于发送的信号调制在多个伪随机跳变的频率上，敌方不容易捕获到所发送的信息，有利于信号的隐藏，可以有效躲避干扰。因此，跳频技术在通信对抗尤其是卫星通信中处于特别有利的位置。扩频技术正在取代常规通信技术成为军事通信的一种主要抗干扰通信技术。因此，对扩频通信的研究，成为通信对抗中的重要部分。本文通过Matlab软件仿真跳频通信系统的基本过程，在多径信道下分析其抗干扰能力。
二．跳频通信的基本原理
扩频通信系统是一种信息处理传输系统，这种系统是利用伪随机码对被传输信号进行频谱扩展，使之占有远远超过被传输信息所必需的最小带宽。在接收机中利用同一码对接收信号进行同步相关处理以解扩和恢复数据。现有的扩频系统可分为：直接序列扩频、跳频、跳时，以及上述几种方式的组合。其中跳频系统是如今使用最多的扩频技术。
跳频扩频的调制方式可以为二进制或M进制的FSK(MFSK)。如果采用二进制FSK，调制器选择两个频率中的一个，设为或，对应于待传输的信号0或1.得到的二进制FSK信号是由PN码生成器输出序列输出觉得的频率平移量，选择一个由频率合成器合成的频率，与FSK调制器的输出进行混频，再将混频合成器合成的信号由信道发送。在接收端，有一个相同的PN码序列生成器，与接收信号同步，并用来控制频率合成器输出。因此发射机中引入的伪随机频率平移，在接收器端通过合成器的输出与接收的信号混频，而将其去除。随后，得到的信号再经过FSK解调器就能恢复出原始信号。其基本的结构框图如下：

图1.1 扩频基本结构框图
对于干扰信号和噪声而言，由于与伪随机序列不相关，在相关解扩器的作用下，相当于进行一次解扩，干扰信号和噪声频谱被扩展后，其谱密度降低，这样就大大减小了进入信号带通内的干扰功率，使解扩器的输入信噪比和输入信干比提高，从而提高了系统的抗干扰能力。
跳频通信与其他方式的通信方式相比有着独特的优势。
1. 抗干扰性强
跳频通信抗干扰的机理是“打一枪换一个地方"的游击策略，敌方很难搞清楚我方的跳频规律，因而具有较强的抗干扰能力。一方面，跳频指令是伪随机码，其周期可长达几年甚至更长的时间；另一方面，跳变的频率个数可以达到成千上万。因此，敌方即使在某一频率上或某几个频率上施放长时间的干扰也是无济于事的。另外，跳频频率受伪随机码控制而不断跳变，在每一个频率的驻留时间内，所占信道的带宽是很窄的。
2. 频谱利用率高
跳频通信可以利用不同的跳频图案或时钟，在一定带宽内容纳多个跳频通信系统同时工作，达到频谱资源共享的目的，从而大大提高频谱利用率。
3. 易于实现码分多址
多址通信是指许多用户组成一个通信网，网内任何两个用户都可建立通信，并且多对用户同时通信时又互不干扰。应用跳频通信可以很容易地组成这样一个多址通信网，网内各用户都被赋予一个互不相同的地址码，这个地址码恰似电话号码，每个用户只能收到其他用户按其地址码发来的信号才可判别出是有用信号，对其他用户发来的信号，则不会被解调出来。
4．兼容性
对于跳频通信而言，兼容的含义是指一个跳频通信系统可以与一个不跳频的
窄带通信系统在定频上建立通信。显而易见，兼容的好处在于先进的跳频电台可
与常规的定频电台瓦通

三．跳频通信抗干扰性能分析
3.1抗干扰性能仿真方案
本文使用MATLAB中的Simulink工具包构建仿真平台，。Simulink 是Matlab 中的一种可视化仿真工具,是实现动态系统建模、仿真和分析的一个集成环境,广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中[5 ] 。它包括一个复杂的由接受器、信号源、线性和非线性组件以及连接件组成的模块库,用户也可以根据需要定制或者创建自己的模块。Simulink 的主要特点在于使用户可以通过简单的鼠标操作和拷贝等命令建立起直观的系统框图模型,用户可以很随意地改变模型中的参数,并可以马上看到改变参数后的结果,从而达到方便、快捷地建模和仿真的目的
本文仿真方案如下：随机数字信号先经过2FSK调制，然后经过跳频调制，接着进入高斯信道，同时考虑多径干扰，再进行解跳和解调处理，恢复出数字信号，最后与输入信号进行比较计算出误码率。
3.1.1 多径瑞利衰落信道模型
信道时变多径特性造成接收信号电平的起伏现象被称为多径衰落.通常在移动信道中信号电平的起伏呈瑞利分布时这种信道称为瑞利衰落信道。在无线通信信道环境中，电磁波经过反射折射散射等多条路径传播到达接收机后，总信号的强度服从瑞利分布。同时由于接收机的移动及其他原因，信号强度和相位等特性又在起伏变化， 故称为瑞利衰落。瑞利分布是一个均值为0，方差为σ2的平稳窄带高斯过程，其包络的一维分布是瑞利分布。瑞利分布是最常见的用于描述平坦衰落信号接收包络或独立多径分量接受包络统计时变特性的一种分布类型。两个正交高斯噪声信号之和的包络服从瑞利分布。瑞利衰落能有效描述存在能够大量散射无线电信号的障碍物的无线传播环境。
多径效应移动体(如汽车)往来于建筑群与障碍物之间，其接收信号的强度，将由各直射波和反射波叠加合成。多径效应会引起信号衰落。各条路径的电长度会随时间而变化，故到达接收点的各分量场之间的相位关系也是随时间而变化的。这些分量场的随机干涉，形成总的接收场的衰落。因此，多径效应是衰落的重要成因。多径效应对于数字通信、雷达最佳检测等都有着十分严重的影响。
3.2仿真过程
1. 常规M-FSK调制通信系统模型图：工程文件名为Commonsystem.

图3.1 常规M-FSK调制通信系统模型图

仿真模型中的主要参数设置如表3.1所示：
表3.1 常规M-FSK调制通信系统仿真模型主要参数设置表
模块名称
主要参数
Random Integer Generator
M-ary number:2 Initial seed：37
Sample time:0.01 Frame-based outputs :checked
Samples per frame:1
M-FSK Modulator Baseband
M-ary number:2 Input type：Bit
Symbol set ordering :Binary
Frequency separation(Hz):100
Phase continuity :Continuous
Samples per symbol:2
AWGN Channel
Initial seed：67 Mode :SNR
SNR(dB):SNR Input signal power(watts):1
M-FSK Demodulator Baseband
M-ary number:2 Input type：Bit
Symbol set ordering :Binary
Frequency separation(Hz):100
Samples per symbol:2
Error Rate Calculation
Output data: Port 其它默认设置
Selector
Input Type: Vector
Source of element indices: Internal
Elements:1 Input port width:3
To Workspace
Variable name: BitErrorRate
Save format: Array 其它默认设置

2. 多径瑞利衰落信道下的M-FSK调制通信系统模型图：工程文件名为Commonsystem_rayleigh.

图3.2 多径瑞利衰落信道下的M-FSK调制通信系统模型图

仿真模型中的主要参数设置如表3.2所示：
表3.2 多径瑞利衰落信道下的系统仿真模型主要参数设置表
模块名称
主要参数
Random Integer Generator
同表3.1中设置
M-FSK Modulator Baseband/ M-FSK Demodulator Baseband
同表3.1中设置
Multipath Rayleigh
Fading Channel
Maximum Doppler shiftHz):30 Sample time:0.005
Delay vector(s):[0 2e-6] Gain vector(dB):[0 -3]
Normalize gain vector to 0 dB overall gain:checked
Initial seed：67
AWGN Channel
Initial seed：67 Mode:SNR
SNR(dB):SNR Input signal power(watts):1
Error Rate Calculation/ Selector/ To Workspace
同表3.1中设置

3. 多径瑞利衰落信道下的慢跳频通信系统模型图：工程文件名为Frequencyhopping_rayleigh.

图3.3 多径瑞利衰落信道下慢跳频通信系统模型图

仿真模型中的主要参数设置如表3.3所示：
表3.3 慢跳频通信系统仿真模型主要参数设置表
模块名称
主要参数
Random Integer Generator
同表3.1中设置
PN Sequence Generator
Sample time:1/250 Frame-based outputs:checked
Samples per frame:5 其它默认设置
Frame Status Conversion

Inherit output frame status from Ref input
port:unchecked Output signal:Sample-based
Bit to Integer Converter
Number of bits per integer:5
M-FSK Modulator Baseband/
M-FSK Modulator Baseband2
M-ary number:32 Input type：Integer
Frequency separation(Hz):50
Phase continuity:Continuous
Samples per symbol:80
M-FSK Modulator Baseband1
M-ary number:2 Input type：Bit
Symbol set ordering:Binary
Frequency separation(Hz):100
Phase continuity:Continuous
Samples per symbol:40
Math Function
Function:conj Output signal type:auto
Multipath Rayleigh
Fading Channel
Maximum Doppler shiftHz):30
Sample time:0.01/40
Delay vector(s):[0 2e-6] Gain vector(dB):[0 -3]
Normalize gain vector to 0 dB overall gain:checked
Initial seed：67
AWGN Channel
Initial seed：67 Mode:SNR
SNR(dB):SNR Input signal power(watts):1
Sine Wave1
Frequency(Hz):150 其它默认设置
M-FSK Demodulator Baseband
Mary number:2 Input type：Bit
Symbol set ordering:Binary
Frequency separation(Hz):100
Samples per symbol:40
Error Rate Calculation/ Selector/ To Workspace
同表3.1中设置

该跳频通信系统的跳频频点数为32，跳频速率为50。以上三个仿真系统中的数据产生速率均为100bps，采用2FSK调制及解调，频率间隔为100HZ。模块的使用及参数设置可查阅参考文献[6]、[7]。将上面这三个工程中的各个模块设置好参数，保存好工程之后进行仿真。
主要程序代码如下：（只给出最后运行三个工程时的主程序）
x=-10:0; %x表示信噪比
y=x; %y表示信号的误比特率，它的长度与x相同
SimulationTime=10; %仿真时间设置为10秒

hold off; %准备一个空白图
Commonsystem; %执行Commonsystem的仿真程序
hold on; %保持Commonsystem得到的曲线图
Commonsystem_rayleigh; %执行Commonsystem_rayleigh的仿真程序
hold on; %保持Commonsystem_rayleigh得到的曲线图

for i=1:length(x) %循环执行仿真程序
SNR=x(i); %信道的信噪比依次取x中的元素
sim('Freflop_Reigh_AWGN'); %执行Frequencyhopping_rayleigh仿真程序，得到BitErrorRate的值
y(i)=mean(BitErrorRate); %计算BitErrorRate的均值作为本次仿真的误比特率
end
semilogy(x,y); %绘制x和y的关系曲线图，纵坐标采用对数坐标

运行程序，得到三个系统的信噪比—误码率仿真结果图：

从图中可以看出：经过瑞利衰落信道后的M-FSK调制通信系统的误码率比常规系统要高，而慢跳频通信系统的误码率比常规系统要低。跳频通信系统比常规的定频系统抗干扰能力有了较大的提高，即相同信噪比下，跳频通信系统测得的误码率比普通定频系统要低。也就是说，在无线通信系统中，瑞利衰落是不可避免的，如果要在多径瑞利衰落信道下使得通信系统的误码率降低，就必须采取其他措施来提高通信系统的性能，例如采用跳频通信。
四．结论
扩频通信以其较强的抗干扰、抗衰落、抗多径性能而成为第三代通信的核心技术,本文阐述了跳频扩频通信的基本原理和实现方法,并利用Matlab的Simulink仿真工具，建立了跳频通信系统的抗干扰仿真平台，通过软件仿真实现跳频系统的抗干扰性能分析。从仿真图形可以看出，仿真结果与理论分析基本一致，比较真实的反映了系统的性能。在给定仿真条件下,对该跳频通信系统在多径干扰环境下进行了仿真,得到了在多径干扰下的误码率-信噪比曲线,对仿真结果进行了分析总结.

参考文献
[1]朱近康，扩展频谱通信及应用. 合肥，中国科技大学出版社，1993
[2]沈振元，聂志泉，赵雪荷. 通信系统原理. 西安电子科技大学出版社，2002
[3]梅文华，跳频通信. 北京国防工业出版社，2005
[4]曾兴雯，刘乃安，孙献璞，扩展频谱通信及其多址技术. 西安电子科技大学出版社，2004
[5]王勇，跳频、扩频电子系统抗干扰性能分析. 现代电子技术，2003
[6] 邓华，MATLAB通信仿真及应用实例详解.北京:人民邮电出版社,2003:116-127,132-137
[7] 邵玉斌， Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例分析. 北京:清华大学出版社,2008.6:323-325