王文娟 李緒凱 孫慧賢 王欣

摘要：在闡述跳頻通信技術(shù)基本原理和電臺(tái)跳頻通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成基礎(chǔ)上，介紹電臺(tái)跳頻系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)：頻率合成器、跳頻圖案及同步。應(yīng)用Simulink對(duì)電臺(tái)跳頻通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真，解釋各模塊的作用，列出了具體的模塊參數(shù)設(shè)置和參數(shù)設(shè)置的依據(jù)。通過(guò)對(duì)電臺(tái)跳頻系統(tǒng)仿真的分析結(jié)果得出，電臺(tái)的抗干擾性能與信道信噪比及相鄰電臺(tái)的干擾有關(guān)。對(duì)電臺(tái)跳頻通信技術(shù)的分析對(duì)認(rèn)識(shí)電臺(tái)、使用電臺(tái)和提高電臺(tái)性能具有一定的理論價(jià)值。

關(guān)鍵詞：電臺(tái)；跳頻；通信技術(shù)；仿真；Matlab；Simulink

中圖分類(lèi)號(hào)：TN914文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2019）21-63-4

0引言

無(wú)線(xiàn)通信傳輸過(guò)程中不可避免地會(huì)受到自然噪聲及人為噪聲的干擾。在軍事作戰(zhàn)中，敵對(duì)雙方為了降低對(duì)方的通信效能而人為地釋放強(qiáng)干擾，例如施放電磁干擾彈會(huì)對(duì)對(duì)方裝備的無(wú)線(xiàn)通信產(chǎn)生很大影響；另外，隨著竊聽(tīng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，要求軍事裝備具有較高的通信保密性和隱蔽性，以提高信息傳輸?shù)陌踩?。因此，增?qiáng)通信抗干擾性和提高軍用電臺(tái)的通信保密性能成為軍事通信專(zhuān)家研究的課題。跳頻通信系統(tǒng)作為擴(kuò)頻通信的一個(gè)重要分類(lèi)，以抗干擾能力強(qiáng)、信號(hào)發(fā)送功率低以及同一信道內(nèi)可傳輸多用戶(hù)信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于軍事通信、移動(dòng)通信和室內(nèi)無(wú)線(xiàn)通信中，如GPS、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、藍(lán)牙、WiFi以及各類(lèi)型軍用電臺(tái)。電臺(tái)的跳頻工作模式以其抗干擾性能好、隱蔽性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信以及組網(wǎng)通信中。

1基本原理

1.1跳頻通信技術(shù)

美國(guó)數(shù)學(xué)家香農(nóng)被譽(yù)為信息論之父，早在20世紀(jì)40年代，他就在基于信息熵和噪聲的概率分布等基本的通信理論基礎(chǔ)上，利用數(shù)學(xué)推導(dǎo)的方法，推導(dǎo)出信道容量公式，即香農(nóng)公式：

由香農(nóng)公式可以得出，在穩(wěn)定信道容量的情況下，可以通過(guò)采用增大信道帶寬來(lái)?yè)Q取信噪比/的降低，為強(qiáng)干擾下保證可靠通信提供了理論依據(jù)。

擴(kuò)頻通信技術(shù)就是用比信號(hào)帶寬寬得多的頻帶寬度來(lái)傳輸信息的技術(shù)。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)是擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是指待傳輸信息的頻譜用某個(gè)特定的擴(kuò)頻函數(shù)擴(kuò)展后成為寬頻帶信號(hào)，送入信道中進(jìn)行傳輸，再在接收端利用一定手段將其壓縮，從而獲取傳輸信息的通信系統(tǒng)。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)按其工作方式的不同可以分為直接序列擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)（DSSS）、跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)（FHSS）、跳時(shí)擴(kuò)頻系統(tǒng)（THSS）和混合擴(kuò)頻[1]。擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)必須滿(mǎn)足以下2條準(zhǔn)則：①傳輸帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被傳送的原始信息帶寬；②傳輸帶寬主要由擴(kuò)頻函數(shù)決定，擴(kuò)頻函數(shù)常用偽隨機(jī)編碼信號(hào)。

1.2結(jié)構(gòu)組成

跳頻通信系統(tǒng)是將傳輸帶寬劃分為互不重疊的多個(gè)頻率點(diǎn)，收發(fā)雙方傳輸信號(hào)的載波頻率按照預(yù)定規(guī)律進(jìn)行離散變化的通信方式，即通信中傳輸信號(hào)的載頻在不斷跳變，跳變的規(guī)律由偽隨機(jī)序列決定。從實(shí)現(xiàn)方式上看，跳頻系統(tǒng)的通信方式為碼序列進(jìn)行的多進(jìn)制頻移鍵控，也是一種偽隨機(jī)序列控制載頻跳變的通信系統(tǒng)。

電臺(tái)跳頻系統(tǒng)的數(shù)字調(diào)制方式為BFSK，根據(jù)BFSK的定義，二進(jìn)制信號(hào)0和1分別用2種載波頻率0和1表示，調(diào)制器在某一時(shí)刻選擇0和1頻率中的一個(gè)進(jìn)行調(diào)制。有的電臺(tái)采用最小頻移鍵控MSK或高斯最小頻移鍵控GMSK的調(diào)制方式，都屬于改進(jìn)的FSK體制，能夠消除FSK調(diào)制方式中信號(hào)相位的不連續(xù)性，保證信號(hào)嚴(yán)格正交，并且GMSK的功率譜密度相對(duì)于MSK更加集中[2]。

電臺(tái)的跳頻通信系統(tǒng)主要由發(fā)送端、信道和接收端3部分組成。在發(fā)送端，信息序列通過(guò)編碼器首先進(jìn)行二進(jìn)制編碼，二進(jìn)制信號(hào)通過(guò)FSK調(diào)制器后得到中頻信號(hào)。PN序列發(fā)生器得到的m bit可控制頻率合成器產(chǎn)生2 -1個(gè)不同頻率的載波，使其按照特定的方式跳變，中頻信號(hào)與此載波信號(hào)進(jìn)行混頻得到射頻信號(hào)，利用功率放大器提高信號(hào)的發(fā)射功率，最后通過(guò)天線(xiàn)發(fā)射出去。接收端天線(xiàn)收到信號(hào)后，同樣有一個(gè)與發(fā)送端相同的PN序列發(fā)生器，用于控制頻率合成器產(chǎn)生與接收信號(hào)載波同步的跳變載波，混頻器將信號(hào)進(jìn)行下變頻，完成解跳，得到中頻信號(hào)，中頻信號(hào)通過(guò)FSK解調(diào)輸出二進(jìn)制序列，再進(jìn)行解碼輸出電臺(tái)所需信號(hào)，其結(jié)構(gòu)組成框圖如圖1所示。

1.3關(guān)鍵技術(shù)

從電臺(tái)跳頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成框圖上可以得出，混頻器輸出的跳頻信號(hào)除了與輸入信號(hào)有關(guān)，還受頻率合成器輸出跳變載波的影響。因此，影響跳頻系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)有頻率合成器、跳頻圖案和同步等。

（1）頻率合成器

頻率合成器通過(guò)對(duì)一個(gè)基準(zhǔn)的頻率源進(jìn)行處理，得到各種不同頻率的信號(hào)。跳頻信號(hào)波形并不是在時(shí)間上連續(xù)不間斷地跳，而是存在建立的時(shí)間和消退的時(shí)間，而保持在某一跳變頻率上的時(shí)間稱(chēng)為駐留時(shí)間。頻率合成器的輸出載波信號(hào)需要在很短的時(shí)間內(nèi)從一個(gè)頻率快速跳變到另一個(gè)頻率[3]，以縮短建立時(shí)間和消退時(shí)間，還需要輸出高穩(wěn)定度和準(zhǔn)確的載波信號(hào)，提高系統(tǒng)的可靠性。

（2）跳頻圖案

跳頻圖案用來(lái)控制載波頻率隨時(shí)間不斷變化的方式，對(duì)跳頻電臺(tái)的性能影響較大。陸基通信車(chē)輛上往往安裝多部同類(lèi)型電臺(tái)[4]。

（3）同步

跳頻同步包括跳頻頻率同步、跳頻序列同步、跳變起止時(shí)間同步以及時(shí)鐘同步。電子戰(zhàn)中，同步信息的傳遞也應(yīng)隱蔽、快速。電臺(tái)跳頻同步通過(guò)設(shè)置參數(shù)來(lái)完成。設(shè)置收發(fā)電臺(tái)的多個(gè)參數(shù)一致，使得跳頻頻率相同、跳頻頻表的起始位置相同，從而達(dá)到收發(fā)雙發(fā)的同步。

2仿真及結(jié)果分析

2.1模型建立

依據(jù)電臺(tái)跳頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成框圖，確定系統(tǒng)由中頻信號(hào)產(chǎn)生模塊、PN序列發(fā)生器、跳頻載波產(chǎn)生模塊、跳頻模塊、信道、解跳模塊和解調(diào)模塊組成。為了統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)誤碼率和便于觀(guān)察信號(hào)頻譜及波形，增加誤碼率計(jì)算模塊、頻譜儀及示波器[5-6]，仿真模型如圖2所示，設(shè)置模擬數(shù)據(jù)速率為100 bps，調(diào)制采用2FSK，頻率間隔100 Hz。跳速為50跳/s，跳頻頻點(diǎn)數(shù)為32。

2.2參數(shù)設(shè)置

二進(jìn)制信源由貝努利二進(jìn)制序列發(fā)生器產(chǎn)生，采樣周期設(shè)為0.01 s，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)速率為100 bps。利用MFSK模塊進(jìn)行2FSK調(diào)制，調(diào)制元數(shù)設(shè)為2，頻率間隔100 Hz，單個(gè)符號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)為40，因此得到的中頻信號(hào)采樣速率為4 000次/s。PN序列發(fā)生器采樣周期設(shè)為0.004，每幀的采樣點(diǎn)數(shù)為5，每幀占0.02 s，即50幀/s。幀格式轉(zhuǎn)換為基于取樣的信號(hào)，將二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為整形信號(hào)，因每幀采樣點(diǎn)數(shù)為5，故輸出的隨機(jī)整數(shù)為0～31，作為跳頻載波頻率點(diǎn)的控制信號(hào)。跳頻載波由MFSK產(chǎn)生，跳頻頻點(diǎn)數(shù)為32，將該模塊設(shè)置調(diào)制元數(shù)設(shè)為32，頻率間隔50 Hz，單個(gè)符號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)為80，選擇速率設(shè)置為從輸入繼承。50幀/s對(duì)應(yīng)50跳/s，而每一跳采樣點(diǎn)為80，采樣率為4 000次/s。將中頻信號(hào)與跳頻載波信號(hào)進(jìn)行相乘實(shí)現(xiàn)跳頻擴(kuò)頻。

電臺(tái)在工作時(shí)必將受到其他干擾源的影響，通常情況下，相鄰電臺(tái)的干擾最大，因此仿真時(shí)引入150 Hz的加性單頻正弦信號(hào)作為干擾源，幅度設(shè)為1。接收端跳頻載波為發(fā)送端跳頻載波信號(hào)的共軛信號(hào)，將數(shù)學(xué)函數(shù)設(shè)置為取共軛conj，本地跳頻載波與接收信號(hào)相乘后完成解擴(kuò)，得到中頻信號(hào)。中頻信號(hào)進(jìn)行解調(diào)恢復(fù)出原始基帶信號(hào)，該信號(hào)與發(fā)送數(shù)字信號(hào)相比，延遲一個(gè)碼元時(shí)間間隔0.01 s，因此將信源數(shù)字信號(hào)通過(guò)延遲器后，再與接收端恢復(fù)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，得出誤碼率。為了更好地觀(guān)察信號(hào)頻譜，將頻譜儀的緩沖器大小設(shè)置為4 000。

2.3仿真結(jié)果分析

將AWGN信道的信噪比設(shè)置為-10 dB，觀(guān)察各頻譜儀的顯示頻譜如圖3所示，圖3（a）為2FSK調(diào)制輸出的頻率間隔為100 Hz的中頻信號(hào)頻譜。圖3（b）為跳頻擴(kuò)頻后的信號(hào)頻譜，由于該跳頻模塊為32個(gè)跳頻頻點(diǎn)，頻率間隔為50 Hz，因此擴(kuò)頻帶寬為1 600 Hz。圖3（c）為經(jīng)過(guò)信道后受信道干擾和單頻干擾信號(hào)影響的接收端接收信號(hào)，可見(jiàn)正弦單頻干擾信號(hào)譜線(xiàn)。圖3（d）為解跳信號(hào)，可看作是解跳后恢復(fù)的窄帶信號(hào)頻率，及單頻干擾源及噪聲被再次擴(kuò)頻后的擴(kuò)頻信號(hào)的總和。

在.M文件中編寫(xiě)程序，設(shè)置信道信噪比取值范圍為-40～-15，通過(guò)多次調(diào)用圖2的仿真模型，得到不同信噪比條件下的誤碼率，從而繪制系統(tǒng)誤碼率與信道信噪比的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖4（a）所示。由曲線(xiàn)可看出，跳頻系統(tǒng)的誤碼率受信道信噪比的影響，信噪比越大，誤碼率越低，系統(tǒng)抗干擾能力越強(qiáng)。

設(shè)置信道信噪比為-15 dB不變，單頻干擾信號(hào)頻率取值范圍為0～1 200 Hz，通過(guò)多次調(diào)用圖2的仿真模型，得到不同單頻干擾信號(hào)條件下的誤碼率，繪制系統(tǒng)誤碼率與單頻干擾信號(hào)頻率的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖4（b）所示。由曲線(xiàn)可看出，跳頻系統(tǒng)的誤碼率同樣受到干擾源頻率的影響，對(duì)于電臺(tái)的跳頻系統(tǒng)，需保證信噪比保持在一定數(shù)值，且跳頻頻段盡量與相鄰電臺(tái)不重疊，抗干擾性能將會(huì)大大增強(qiáng)。雖然仿真與實(shí)際電臺(tái)跳頻工作狀態(tài)存在差異，但從結(jié)果上看，基本符合理論曲線(xiàn)，驗(yàn)證該仿真的正確性。

3結(jié)束語(yǔ)

本文首先介紹跳頻通信系統(tǒng)的基本原理，在建立電臺(tái)跳頻通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成基礎(chǔ)上，列出電臺(tái)跳頻的關(guān)鍵技術(shù)。利用Matlab/Simulink對(duì)電臺(tái)跳頻通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真，給出主要的參數(shù)設(shè)置，通過(guò)仿真波形驗(yàn)證系統(tǒng)仿真的可靠性。分析結(jié)果表明，跳頻通信系統(tǒng)的抗干擾能力較強(qiáng)，保密性好。但是，跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)也存在一些缺點(diǎn)，例如發(fā)射功率大，容易被敵方察覺(jué)電臺(tái)的存在，跳速不高時(shí)容易被跟蹤等。因此還應(yīng)不斷分析研究電臺(tái)跳頻技術(shù)，提高其性能，使其抗干擾性和保密性得到全面提升。

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