摘 要:跳频通信技术具有较强的抗干扰能力,因此一直是扩频通信技术研究中的一个重点。在阐述跳频通信基本原理和实现方法的基础上,利用Matlab提供的可视化工具Simulink建立了跳频通信系统仿真模型,详细讲述了各模块的设计。在给定仿真条件下,对该跳频通信系统在宽带噪声干扰工作机制下进行了仿真,得到了在宽带噪声干扰下的误码率-信噪比曲线。结果表明,跳频通信系统的抗干扰能力优于传统的定频通信,在战术通信中有更高的可靠性。此外还提出了提高跳频通信对抗宽带噪声干扰能力的改进方法,它对研究跳频通信系统抗干扰的性能具有借鉴作用。
关键词:跳频通信; 抗干扰; 误码率; 信噪比
中图分类号:TN911 文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)13-0011-03
Research on Frequency Hopping Communication System Based on Matlab Simulation
NIE Wei, GUO Mei-hua, ZHANG Yong-jie
(Computer System and Communication Laboratory, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China)
Abstract:Frequency-hopping communication technology is an emphasis in the research of the spread spectrum communication technology, which has good anti-jamming performance. The simulation model of frequency-hopping communication system is built by using SIMULINK provided by Matlab, based on the basic principle and realization methods of frequency-hopping communication. In addition, each module of the simulation model is introduced in detail. In light of full-band noise jamming system, the simulation program is run on the basis of the designed simulation conditions, BER-SNR curve figures are gained. The results show that the frequency-hopping communication system has better ability of anti-jamming than the traditional fixed frequency communication, and is of even higher reliability in tactical communication. An improved method for the enhancement of full-band noise anti-jamming capability of frequency-hopping communication is proposed.
Keywords: FH communication; anti-jamming; error rate; signal-to-noise rate
0 引 言
扩频是一种经典的无线通信技术,包括跳频(FH)、直接序列扩频(DS)、跳时(TH)及其混合扩频方式等。由于跳频通信的抗截获、抗干扰能力强,保密性能好,在军事抗干扰通信中得到了广泛应用,目前世界各国军队已普遍装备各种跳频电台[1]。因此,分析跳频通信系统,研究提高抗干扰能力的方法,对保障军事通信的可靠性具有重要的应用价值。
计算机仿真技术由于其灵活高效及准确的特点在通信研究中得到了广泛应用。本文借助计算机仿真工具Matlab/Simulink对典型干扰下的基于跳频扩频技术的仿真建模分析研究,为电子战条件下抗干扰性能分析提供仿真评估条件。
1 跳频扩频系统的工作原理
跳频通信的工作原理是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的通信方式,也就是说通信中使用的载波频率受伪随机变化码的控制而随机跳变[2]。从时域上来看,跳频信号是一个多频频移键控信号;从频域上来看,跳频信号的频谱在宽频带上随机跳变[3]。与定频通信相比,跳频通信比较隐蔽,只要对方不清楚载频跳变的规律,就很难截获通信内容。同时,跳频通信具有良好的抗干扰能力,即使有部分频点被干扰,仍能在其他的频点上进行通信[4]。由于跳频通信系统是瞬时窄带系统,它易于与其他的窄带通信系统兼容,有利于设备的更新。图1,图2是跳频通信系统的原理图。
在发射端,被传送的信息首先要经过数据调制器的相应调制,便获得载波频率固定的已调波信号,同时,受PN码的控制,频率合成器输出一个频率跳变的正弦波载波信号,该信号与经过数据调制后的信号进行混频,其输出的已调波信号的载波频率达到射频通带的要求,经过高通滤波器后反馈至天线发射出去。从本质上讲,发射的信号就是载波频率不断变化的常规已调波信号。
图1 跳频通信系统发送原理框图
图2 跳频通信系统接收原理框图
在接收端,收信机通常采用超外差接收机,使接收到的信号比接收端频率合成器的输出信号低一个中频,然后该接收信号与频率合成器的输出信号进行混频从而实现解扩,输出一个固定中频信号。之后经中频带通滤波器滤波后,把不需要的干扰抑制掉,经数据解调器把传送的信息恢复出来,不同的是在接收端要进行跳频同步信息的截获、跟踪和保持。
2 系统仿真模型的建立
2.1 Simulink简介
Matlab最初是Mathworks公司推出的一种数学应用软件,经过多年的发展,开发了包括通信系统在内的多个工具箱,从而成为目前科学研究和工程应用最流行的软件包之一。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。
2.2 模型建立
基于Matlab/Simulink所建立的跳频扩频通信系统的仿真模型,能够反映跳频扩频通信系统的动态工作过程,可进行波形观察、频谱分析和性能分析等,同时能根据研究和设计的需要扩展仿真模型,实现以跳频扩频通信为基础的现代通信的模拟仿真,为系统的研究和设计提供强有力的平台。图3为基于Matlab/Simulink的跳频扩频通信系统仿真模型。
图3 跳频通信系统仿真模型
2.3 主要模块设计
(1) 信源:为了简化仿真过程,假定信源产生的信号已经过了采样、量化及编码,输出为一组独立等概的二进制数字信号[6],从而满足跳频扩频通信系统所需信源的要求。
(2) 跳频与解跳:PN序列产生器模块作为伪随机码产生器,由m序列产生,具有相关性好,序列数目多,复杂性大的特点,适合作为跳频序列使用[7]。信源产生的二进制信号经过调制以后与由伪随机序列产生的跳频载波相乘完成跳频。在解跳模块里,包含人为干扰分量的信号与来自跳频信号发生器产生的跳频信号的共轭相乘,完成解跳。
(3) 信道:传输信道为加性高斯白噪声信道。在加性高斯白噪声信道模块中,可进行信号功率和信噪比的设置[8]。
(4) 调制与解调:使用二相相移键控PSK方式进行调制、解调。
(5)干扰产生器:对于跳频通信系统典型的人为干扰有:宽带噪声干扰,部分频带噪声干扰,多频干扰,频率跟踪式干扰[9]。在干扰环境中,人为干扰JN0(信道噪声),故可忽略信道白噪声的影响,本文主要对所设计跳频通信仿真系统在宽带噪声干扰工作机制下进行仿真,Gaussian Noise Generator模块用来产生宽带干扰。
(6) 误码计算:误码计算由误码仪实现,误码仪在通信系统中的主要任务是评估传输系统的误码率,它具有两个输入端口:第一个端口(Tx)接收发送方的输入信号,第二个端口(Rx)接收接收方的输入信号。
3 系统仿真及结果的分析
应用计算机仿真工具Matlab/Simulink搭建跳频通信系统仿真模型,仿真中跳频通信系统采用2PSK调制方式,输入信号幅度为1,跳频频点数为128个,跳频速率为1 600跳/s,在高斯信道中加宽带噪声干扰时,可得到该系统在宽带干扰下的误码性能,其仿真结果如图4所示。
图4 宽带噪声干扰下误码率-信噪比关系曲线
从图4中可以看到,跳频通信系统抗宽带噪声干扰的能力比常规的2PSK通信系统有了明显的提高。要达到相同的干扰效果,即干扰所致的误码率相同,跳频通信系统要求的信噪比比常规2PSK通信系统低大约16 dB。因此跳频通信系统能够很好地抑制人为干扰,相比之下,由于常规2PSK信号属于定频通信,一旦出现同频率干扰,则整个通信无法进行[10]。
扩展跳频带宽是提高跳频通信抗宽带噪声干扰的有效手段。跳频带宽展宽,敌方干扰频带要相应增加,同时在保持干扰功率谱密度不变的条件下总的干扰功率也要相应提高,而跳频通信的功率并不需要增加。因此,跳频通信扩展跳频带宽,能够使干扰方的宽带噪声干扰设备付出展宽干扰频带、提高干扰功率的双份代价,使干扰设备复杂化和体积、重量、能源供给的增加,使干扰方在技术、战术使用上产生更大困难和限制。
还可以采用以下两种方法来降低跳频信号的被截获概率,使干扰方无法及时找到干扰目标,从而有效提高跳频通信的抗干扰能力。方法一是随机变速跳频,包括驻留时间的随机变化和换频时间在一定范围内的随机变化,变速跳频使跳频信号的时域、频域特征近似于随机噪声,从而使干扰方无法及时截获、识别和实施干扰;方法二是采用自适应功率控制技术,即在满足正常通信的条件下,调整各频率点的发射功率保持在最低水平上,使跳频信号的频域特征淹没在噪声内,从而使干扰方难以发现目标来实施干扰。
4 结 语
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,利用Matlab提供的可视化工具箱Simulink建立了跳频扩频通信系统仿真模型,详细讲述了各模块的设计。在给定仿真条件下,对该跳频通信系统在宽带噪声干扰工作机制下进行了仿真,得到了在宽带噪声干扰下的误码率-信噪比曲线,对仿真结果进行了分析总结,并提出了提高跳频通信对抗宽带噪声干扰能力的改进方法。本文分析结果可以为以后更进一步的抗干扰通信研究打下基础。
参考文献
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