跳頻通信系統(tǒng)的建模與仿真
1 概述
根據(jù)整個(gè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)早就預(yù)設(shè)的程序，自由操控該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有臺(tái)站在一秒鐘鐘內(nèi)在同一時(shí)間改變頻率多次，這么一個(gè)過(guò)程就叫做跳頻。同步信令從之前設(shè)定的基站周期性發(fā)出，從而達(dá)到指令所有的從站根據(jù)基站的頻率作跳躍式改變[1]。
跳頻短波通信相對(duì)衛(wèi)星通信在安全性上更為可靠、精準(zhǔn)。這個(gè)主要是由其所受的代理機(jī)構(gòu)不能所決定。衛(wèi)星通信一般都是由國(guó)家的相應(yīng)機(jī)構(gòu)所轄制，所以在一定程度上有局限性。而跳頻短波通信是完全自主的，相對(duì)自主的多，也較之可靠。現(xiàn)今，普通數(shù)字式跳頻十分普遍。例如邊帶跳頻、智能跳頻等都是在近年出現(xiàn)比較先進(jìn)的跳頻模式。跳頻通信系統(tǒng)是一種典型擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)，它在軍事通信、移動(dòng)通信、計(jì)算機(jī)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸和無(wú)線局域網(wǎng)等領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用，已成為當(dāng)前短波保密通信的一個(gè)重要的發(fā)展方向[2]。該文介紹了跳頻通信系統(tǒng)的基本工作過(guò)程，從跳頻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，工作原理，跳頻通信系統(tǒng)的解跳、解調(diào)等方面闡述了跳頻通信基本原理，并對(duì)跳頻通信系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)進(jìn)行了仿真研究和理論分析。
2 跳頻系統(tǒng)的建模與仿真
2.1 跳頻系統(tǒng)基本原理
傳統(tǒng)的頻率跳變擴(kuò)頻系統(tǒng)叫做：多頻、碼選、頻移鍵控。其基本思想是在頻率域中，不斷地改變發(fā)射頻率進(jìn)行收發(fā)雙方預(yù)先約定好的通信。
根據(jù)圖1得知：信號(hào)首先同載波一道經(jīng)過(guò)調(diào)制器，然后進(jìn)入頻率合成器進(jìn)行混頻，在混頻過(guò)程中，信號(hào)被放大，這時(shí)已變成已調(diào)信號(hào)，已調(diào)信號(hào)經(jīng)頻率合成器中的功率放大器放大后，最后經(jīng)天線發(fā)射出去[3]。在收端，通常采用超外差式接收機(jī)，也就是說(shuō)信號(hào)經(jīng)過(guò)頻率合成器比進(jìn)入前要高一個(gè)中頻，該信號(hào)經(jīng)過(guò)頻率合成器后輸出一個(gè)穩(wěn)定的中頻信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)帶通濾波器后，就只保留了需要的頻帶，最后再經(jīng)解調(diào)器把信息恢復(fù)出來(lái)。
2.2 跳頻系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)
跳頻通信系統(tǒng)建立的基礎(chǔ)是信息論中的香農(nóng)公式，即：[C=Blog2（1+s/n）]，其中C 為系統(tǒng)的信道容量（bits/s），從公式中我們可以看到，在保證信道帶寬C不變的前提下，帶寬B和信噪比S/N是可以互換的[5]。所以從理論上而言，我們也就可以采用提高信號(hào)帶寬方法來(lái)維持或者提高系統(tǒng)通信的性能[4]。 跳頻通信正是在基于這么一個(gè)原理上而發(fā)展起來(lái)的一門新技術(shù)，目前在現(xiàn)代短距離數(shù)字通信（如衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）、3G移動(dòng)通信系統(tǒng)、無(wú)線局域網(wǎng)802.11a/b/g和藍(lán)牙）等中用的甚是廣泛[5]。跳頻通信最大的不同就是在其接受端增加了擴(kuò)頻解調(diào)的過(guò)程。在接收機(jī)端，發(fā)送的跳頻同本地恢復(fù)載波以同樣的頻率發(fā)生變化。就能得到解跳頻信號(hào)，之后再解調(diào)跳頻信號(hào)即可恢復(fù)數(shù)據(jù)[6]。跳頻系統(tǒng)一般采用非相干解調(diào)頻移鍵控FSK調(diào)制方式，由于在跳頻通信系統(tǒng)接收機(jī)中跟蹤載波相位很困難，所以一般采用非相干解調(diào)頻移鍵控方式調(diào)制。
2.3跳頻通信系統(tǒng)的建模
2.3.1 跳頻通信系統(tǒng)模型建立的基本流程
1） 數(shù)學(xué)模型：根據(jù)圖1跳頻通信系統(tǒng)收發(fā)端基本原理，盡量將系統(tǒng)簡(jiǎn)化，確定系統(tǒng)整體功能，以便于將各個(gè)部分功能模塊化，找出其關(guān)聯(lián)，作出框架流程圖[8][9]。
2） 仿真系統(tǒng)：根據(jù)Simulink/Matlab通信模型庫(kù)所提供的各個(gè)功能模塊，把所需要的模塊拷貝調(diào)用到Untitled窗口，按照?qǐng)D1所作出的框架流程圖進(jìn)行連接，組建要仿真的通信系統(tǒng)模型。
3） 參數(shù)設(shè)置：設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)（如系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間。采樣速率等）、功能模塊參數(shù)（如正弦信號(hào)的頻率、幅度、初相；低通濾波器的截止頻率、通帶增益、阻帶衰減等）。
4） 觀察仿真波形、數(shù)據(jù)：在整個(gè)系統(tǒng)模型中，設(shè)置一些關(guān)鍵點(diǎn)以便于了解整個(gè)功能模塊的性能、以及對(duì)結(jié)果的分析。
5） 新模塊的生成：對(duì)于在Simulnk/Matlab通信模型庫(kù)中沒有的功能模塊，需要根據(jù)掌握的技術(shù)生成所需新的子模塊，以便隨時(shí)調(diào)用[5]。
2.3.2跳頻通信系統(tǒng)仿真模型的建立
我們采用Simulink/Matlab建立的仿真模型如圖3所示，可以實(shí)時(shí)地觀測(cè)到系統(tǒng)在跳頻前后信號(hào)的頻譜變化，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代通信的模擬仿真，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究提供了強(qiáng)有力的研究平臺(tái)[10]。
以跳頻通信為基礎(chǔ)的仿真模型中，信號(hào)處理的基本過(guò)程是：
1） 信號(hào)源生成準(zhǔn)備待傳送的有用信號(hào)。
2） 由偽隨機(jī)碼序列控制2FSK部分，與有用信號(hào)進(jìn)行相乘運(yùn)算。偽隨機(jī)碼元控制2SFK部分的載波的頻率，在設(shè)計(jì)中使得載波的相位為零，進(jìn)而可以實(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，疊加上加性高斯噪聲。
4） 接收信號(hào)，在接收端的相關(guān)器中進(jìn)行相關(guān)處理，相關(guān)處理時(shí)要求發(fā)送端的隨機(jī)碼字與采用的偽隨機(jī)碼保持嚴(yán)格的同步，其中偽隨機(jī)生成模塊產(chǎn)生相應(yīng)的偽隨機(jī)碼。
5） 相關(guān)器的輸出結(jié)果利用計(jì)數(shù)器進(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)與其發(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。
3 跳頻通信系統(tǒng)仿真結(jié)果分析
3.1 仿真結(jié)果分析
4 結(jié)論
通過(guò)構(gòu)建跳頻系統(tǒng)和仿真，以及對(duì)誤碼率的分析。從而得出現(xiàn)代通信理論的理論依據(jù)正是基于跳頻通信良好優(yōu)點(diǎn)：
1） 綜合考慮帶寬和信噪比以尋求最佳參數(shù)，最大化的利用其抗干擾性能發(fā)揮；
2） 跳頻通信的保密和無(wú)失真特征。
3） 跳頻通信利用多種圖案或時(shí)鐘，從而在一個(gè)帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)頻率資源共享，提高頻率利用率。