張之棟，安 寧，馬 宇

(國(guó)家電網(wǎng)公司東北分部，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

基于跳頻的散射通信又稱(chēng)作擴(kuò)頻通信，擴(kuò)頻通信、光纖通信、衛(wèi)星通信是當(dāng)前三大主流通信模式。擴(kuò)頻通信的本質(zhì)是將窄頻信號(hào)擴(kuò)展到寬頻帶上，在接收端將寬頻帶信號(hào)還原到窄頻信號(hào)接收范圍內(nèi)，這種通信模式可以有效增加信號(hào)的抗干擾能力和越障能力，使信號(hào)的信噪比得到充分優(yōu)化，系統(tǒng)抗干擾性能得到提升。

復(fù)雜電磁環(huán)境是指無(wú)線通訊環(huán)境中有其他頻率或重疊頻率的電磁波。如變電站及發(fā)電站等環(huán)境中，某段頻率受到高壓電場(chǎng)激發(fā)效應(yīng)的影響，雖然其工頻電壓的頻率僅為50 Hz，但其激發(fā)電磁場(chǎng)中較容易出現(xiàn)可能干擾無(wú)線通信的次生電磁波。秦莉梅[1]從兼容性角度出發(fā)，研究了復(fù)雜電磁環(huán)境下的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)；石智永等[2]研究了電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用擴(kuò)頻通信系統(tǒng)抵抗電網(wǎng)機(jī)房復(fù)雜電磁干擾的路徑；李勇等[3]研究了窄帶無(wú)線通信要求下使用擴(kuò)頻通信進(jìn)行干擾抑制的技術(shù)途徑。與普通無(wú)線通訊不同，軍用無(wú)線通訊面臨敵方的強(qiáng)電磁干擾，會(huì)使無(wú)線通信環(huán)境的復(fù)雜度進(jìn)一步增加。羅明剛[4]研究了軍用復(fù)雜電磁環(huán)境下擴(kuò)頻、跳頻無(wú)線通信的抗干擾原理并對(duì)其技術(shù)路徑進(jìn)行了分析。在對(duì)擴(kuò)頻通信接收機(jī)信號(hào)的分析中，劉艷等[5]使用了Logistic映射算法，朱光旭等[6]使用了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，高維珉等[7]使用了自適應(yīng)變速率硬件層控制方法。綜上可見(jiàn)，基于跳頻、擴(kuò)頻通信的無(wú)線通信技術(shù)，不論是硬件還是軟件，均有巨大的技術(shù)提升空間，近年來(lái)對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的信號(hào)研究成為了熱點(diǎn)。

本文基于跳頻通信系統(tǒng)的工作過(guò)程，從跳頻通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、工作原理、主要技術(shù)指標(biāo)等方面論述了跳頻的基本原理，并對(duì)跳頻通信系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)及其性能進(jìn)行了仿真研究和理論分析。

1 擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)

對(duì)擴(kuò)頻通信的理論研究借助Simulink或SimuWorks仿真平臺(tái)，使用Simulink動(dòng)態(tài)仿真軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析、頻域-時(shí)域分析、可視化分析，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性較強(qiáng)，且方便、直觀、靈活。為了對(duì)跳頻、擴(kuò)頻過(guò)程進(jìn)行仿真，本文研究了信號(hào)在擴(kuò)頻通信過(guò)程中的數(shù)據(jù)特征，并使用Simulink軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

從信息論的角度，Shannon方程展示了擴(kuò)頻通信的基本原理：

(1)

式中：c為系統(tǒng)的信道容量，bit/s；B為系統(tǒng)的信道帶寬，Hz；P為發(fā)射機(jī)平均發(fā)射功率，W；N為信號(hào)收發(fā)系統(tǒng)的噪聲信號(hào)平均功率，W；lb為以2為底的對(duì)數(shù)。

式(1)中，系統(tǒng)的信道容量，即信號(hào)收發(fā)系統(tǒng)的有效信號(hào)傳輸能力，與信道中的信噪比和信道帶寬有關(guān)，在不影響信道容量的前提下減小信號(hào)發(fā)射機(jī)功率，則需要對(duì)信道帶寬進(jìn)行有效擴(kuò)充。擴(kuò)頻通信對(duì)信道穩(wěn)定性和信道傳輸效率的積極意義即源于此。

根據(jù)上述Shannon方程，在信息傳輸效率保持不變的基礎(chǔ)上，需要對(duì)信號(hào)帶寬和信噪比進(jìn)行權(quán)衡，通過(guò)控制發(fā)射機(jī)發(fā)射功率控制信號(hào)系統(tǒng)內(nèi)的信噪比，通過(guò)控制發(fā)射帶寬和接收帶寬控制信號(hào)系統(tǒng)的帶寬，最終實(shí)現(xiàn)復(fù)雜通信環(huán)境信號(hào)系統(tǒng)下的可靠通信。擴(kuò)頻通訊的核心技術(shù)是發(fā)射機(jī)進(jìn)行擴(kuò)頻發(fā)射，接收機(jī)進(jìn)行擴(kuò)頻解調(diào)，雖然小范圍內(nèi)可能發(fā)生一些額外的頻率占用，但對(duì)信號(hào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有積極意義。擴(kuò)頻通信過(guò)程中，接收機(jī)擴(kuò)頻解調(diào)過(guò)程受偽隨機(jī)碼控制，以保持接受帶寬與發(fā)射機(jī)一致，即在擴(kuò)頻通信中，發(fā)射機(jī)主動(dòng)進(jìn)行跳頻和擴(kuò)頻，而接收機(jī)受到發(fā)射機(jī)控制，選擇接收帶寬，以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻解調(diào)過(guò)程中的數(shù)據(jù)恢復(fù)。

通過(guò)監(jiān)測(cè)信號(hào)傳輸環(huán)境的噪聲變化，本著最小發(fā)射功率和最大信噪比的決策目標(biāo)，發(fā)射機(jī)在跳頻過(guò)程中不斷變化載波頻率，而接收機(jī)跟蹤不斷變化的載波頻率有一定困難，因此跳頻接受機(jī)需要采用非相干的解調(diào)模式，如常用的FSK調(diào)制解調(diào)模式。該模式的核心公式為：

b(t)=exp(j·2πa(t)Δf)

(2)

式中：b(t)為等效的低通信號(hào)；a(t)為信號(hào)載波流的集合；Δf為跳頻過(guò)程中的頻率偏差；j為系數(shù)。

由式(2)計(jì)算確立跳頻載波條件下跳頻信道上的等效低通信號(hào)集c(t)：

c(t)=exp(j·2πf(t))

(3)

式中：f(t)為時(shí)間序列上通過(guò)偽隨機(jī)序列控制的瞬時(shí)發(fā)射功率。f(t)為偽隨機(jī)的跳點(diǎn)離散數(shù)據(jù)，其取值為fi,i=1,2,…,N。

在式(2)、(3)基礎(chǔ)上，計(jì)算發(fā)射機(jī)在時(shí)間序列上輸出的等效低通信號(hào)集d(t)：

d(t)=b(t)c(t)=exp[j·2π(a(t)Δf+f(t))]

(4)

根據(jù)前文分析，接收機(jī)應(yīng)對(duì)發(fā)射機(jī)發(fā)射頻率的偽隨機(jī)變化情況進(jìn)行適應(yīng)性解調(diào)，其主要解調(diào)原理來(lái)自接收信號(hào)的混頻和解擴(kuò)。其輸出信號(hào)集bsj可以寫(xiě)作：

bsj=(d(t)+N(t)+I(t))c(t)=exp(j·2πa(t)Δf)+(N(t)+I(t))exp(-j·2πf(t))

(5)

式中：N(t)為噪聲信號(hào)的信號(hào)集；I(t)為干擾信號(hào)的信號(hào)集。

上述跳頻、擴(kuò)頻、混頻過(guò)程，在考慮前置窄頻信號(hào)b(t)及相關(guān)噪聲干擾的前提下，其跳頻擴(kuò)頻通信的實(shí)際過(guò)程，如圖1所示。

圖1中，發(fā)射機(jī)將混頻的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)高通濾波后通過(guò)有源天線輸出，接收機(jī)接收到信號(hào)后，經(jīng)過(guò)信號(hào)混頻處理將信號(hào)帶寬壓縮到常規(guī)窄頻帶寬后，再進(jìn)行帶通濾波，輸入到信號(hào)解調(diào)器中形成數(shù)字信號(hào)。

圖1 跳頻擴(kuò)頻通信過(guò)程示意圖

2 仿真模型的建立

Simulink是一個(gè)用于信號(hào)分析的常用插件包，在MATLAB、CAE中均有應(yīng)用，通過(guò)在Simulink中構(gòu)建仿真方框圖進(jìn)行仿真環(huán)境搭建，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)系統(tǒng)的可視化模擬。常規(guī)信號(hào)分析中，在時(shí)域空間上構(gòu)建鏈路仿真系統(tǒng)，通過(guò)Simulink方框圖的方式構(gòu)建其鏈路仿真模型，在偽隨機(jī)碼的控制下實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)鏈路仿真的實(shí)時(shí)數(shù)字化、可視化處理，特別是在Simulink數(shù)據(jù)鏈路模擬仿真MATHWORK工具包的支持下，可以有效地提高仿真效率和仿真精度。

本文構(gòu)建的仿真模型方框圖如圖2所示。

在Simulink仿真環(huán)境下，構(gòu)建數(shù)據(jù)信號(hào)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)方框圖，對(duì)跳頻擴(kuò)頻通信的動(dòng)態(tài)工作過(guò)程進(jìn)行全程仿真，在實(shí)時(shí)分析的過(guò)程中，觀察系統(tǒng)擴(kuò)頻后的信號(hào)頻譜變化，在仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，還可以對(duì)該過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，特別是寬度信號(hào)源、噪聲源、PN源等方框圖節(jié)點(diǎn)的仿真，從而在復(fù)雜的研究需求和設(shè)計(jì)需求下對(duì)模型進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)對(duì)跳頻擴(kuò)頻過(guò)程的高保真仿真。

3 仿真結(jié)果

基于上述Simulink仿真環(huán)境，通過(guò)偽隨機(jī)數(shù)驅(qū)動(dòng)的信號(hào)集對(duì)系統(tǒng)跳頻擴(kuò)頻過(guò)程進(jìn)行仿真分析，跳頻頻率為50跳/s，頻率錨定點(diǎn)設(shè)為64個(gè)，數(shù)據(jù)調(diào)制模式參照FSK標(biāo)準(zhǔn)，將其頻率設(shè)定為200 Hz(參照?qǐng)D2)，控制機(jī)的采樣點(diǎn)數(shù)量設(shè)定為120個(gè)，在接收機(jī)中運(yùn)用解決跳頻的方法跟蹤載波頻率的變化，仿真時(shí)間為1 000 s。跳頻前原始信號(hào)源的Q-f信號(hào)圖譜如圖3所示。

圖2 信號(hào)鏈路模擬仿真方框圖

圖3中，跳頻前原始數(shù)據(jù)在f(0)兩側(cè)構(gòu)成了一個(gè)f(±0.2)的窄頻帶信號(hào)，其余信號(hào)為系統(tǒng)雜波信號(hào)和衍波信號(hào)。該信號(hào)由Simulink的信號(hào)源模塊產(chǎn)生，與工程中實(shí)測(cè)的調(diào)制器原始信號(hào)的工頻基本一致。將該信號(hào)在Simulink中進(jìn)行跳頻擴(kuò)頻后，形成的信號(hào)圖譜如圖4所示。

圖3 跳頻前的信號(hào)圖譜 圖4 跳頻后的信號(hào)圖譜

圖4中，信號(hào)在f(+0)方向基本無(wú)頻率擴(kuò)展，但其峰值被拉長(zhǎng)到f(-1.6)，即系統(tǒng)帶寬從0.4 kHz擴(kuò)頻到了1.6 kHz，帶寬擴(kuò)大了4倍。但是，從圖4與圖3中可以看到，其衍波部分的Q-f周期變短，衍波復(fù)雜度有顯著增加。由于上述仿真并未考慮干擾信號(hào)對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響，因此啟動(dòng)PN發(fā)生器在信號(hào)中加入干擾源后，接收機(jī)接收到的信號(hào)圖譜如圖5所示。

圖5中，干擾信號(hào)疊加后，接收機(jī)所接收到的信號(hào)帶寬為f(-1.8)～f(+0.4)，響應(yīng)帶寬為2.2 kHz，其中，f(0)～f(+0.4)及f(-1.6)～f(-1.8)的信號(hào)超出了發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號(hào)源的帶寬，理論上這一部分的信噪比較低。接收機(jī)接收的干擾信號(hào)在f(0)和f(+0.5)附近形成了兩個(gè)干擾信號(hào)波峰，這種干擾信號(hào)可以通過(guò)低通濾波進(jìn)行有效濾除。因此，在擴(kuò)頻通信過(guò)程中，更應(yīng)該考慮對(duì)噪聲信號(hào)的識(shí)別和濾除。對(duì)接收機(jī)接收的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，獲得的信號(hào)如圖6所示。

圖5 干擾下的信號(hào)圖譜 圖6 解調(diào)后的信號(hào)圖譜

經(jīng)過(guò)信號(hào)解調(diào)，最終在f(±0.2)上形成了一個(gè)核心峰值(圖6)，且該峰值的數(shù)據(jù)可視化圖形表現(xiàn)較為平滑，受到的干擾較少，但在f(+0.2)～f(+2.2)區(qū)間上，構(gòu)成了較寬頻帶的噪聲信號(hào)，通過(guò)后置低通濾波器可以對(duì)該部分信號(hào)有效濾波，但仍給信號(hào)處理過(guò)程帶來(lái)一定的負(fù)面壓力。

4 結(jié)果討論

4.1 擴(kuò)頻通信在一定程度上增加了信號(hào)接收機(jī)的噪聲

通過(guò)仿真分析可知，擴(kuò)頻通信信號(hào)源的峰值頻率和接收機(jī)最終輸出的信號(hào)頻率均處于f(±0.2)區(qū)間上，但信號(hào)解調(diào)后，在f(+0.2)～f(+2.2)區(qū)間上構(gòu)成了一個(gè)頻帶較寬的噪聲信號(hào)，且這一信號(hào)的功率在+5 dB以上。在后續(xù)信號(hào)處理中，需要將這部分噪聲信號(hào)有效濾除，才可以確保信號(hào)的可用性和可靠性。在當(dāng)前技術(shù)條件下，使用低通濾波器可以有效濾除這部分噪聲信號(hào)，但低通濾波器也可能帶來(lái)主要信號(hào)的失真。在實(shí)際處理過(guò)程中，通過(guò)對(duì)不同信號(hào)的頻域分析，可以使用軟件提取f(±0)信號(hào)，這在擴(kuò)頻通信過(guò)程中是必備的措施。

理論上該噪聲的主要來(lái)源是在信號(hào)傳輸過(guò)程中進(jìn)行了跳頻和擴(kuò)頻，更大帶寬上的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新解調(diào)整合后，會(huì)因?yàn)槟M信號(hào)本身的噪聲疊加及通信蝴蝶效應(yīng)，產(chǎn)生了一定程度的噪聲功率放大，同時(shí)產(chǎn)生了部分系統(tǒng)電噪聲,而且因?yàn)闊o(wú)線傳輸過(guò)程中可能需要跳頻，會(huì)在局部擴(kuò)大對(duì)信號(hào)帶寬資源的占用需求，導(dǎo)致局部無(wú)線電環(huán)境進(jìn)一步復(fù)雜化。雖然大帶寬信號(hào)傳輸過(guò)程帶來(lái)的干擾稀釋作用可能造成一部分干擾被有效屏蔽甚至通過(guò)跳頻隔離掉噪聲源，但這一過(guò)程可能會(huì)給空間區(qū)域內(nèi)的其他無(wú)線信號(hào)傳輸帶來(lái)一定程度的干擾和頻率占用影響。

4.2 擴(kuò)頻通信保障了信號(hào)接收機(jī)的接收效率

仿真分析中，信號(hào)源的信號(hào)發(fā)射功率為+18 dB，而接收機(jī)的實(shí)際接收信號(hào)功率為+16 dB，信號(hào)源的噪聲信號(hào)為負(fù)功率信號(hào)，信號(hào)功率約為-5 dB，部分噪聲信號(hào)達(dá)到-40 dB，而接收機(jī)的噪聲信號(hào)為正功率信號(hào)，信號(hào)功率最大為+5 dB，背景噪聲信號(hào)約為+2 dB。擴(kuò)頻通信確保了在復(fù)雜電磁環(huán)境下信號(hào)接收機(jī)的接收效率，特別是本文實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，信號(hào)接收效率達(dá)到了88.9%。因?yàn)閿U(kuò)頻系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲信號(hào)，有效避開(kāi)了f(±0.2)的核心信號(hào)頻率，使其對(duì)核心信號(hào)的信噪比影響降到最低，且在后續(xù)信號(hào)處理過(guò)程中可以使用軟件高保真地提取相關(guān)信息。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)跳頻通信系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)及其性能進(jìn)行了仿真研究和理論分析，對(duì)通信質(zhì)量，通信中的干擾與雜波、衍波、噪聲等進(jìn)行有效模擬。采用擴(kuò)頻系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲信號(hào)，有效避開(kāi)了f(±0.2)的核心信號(hào)頻率，使其對(duì)核心信號(hào)的信噪比影響降到最低?；赟imulink仿真，對(duì)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。由本文的研究可以看出，選擇適合的擴(kuò)頻通信信號(hào)頻率，可以對(duì)信號(hào)的調(diào)制解調(diào)算法進(jìn)行有效的優(yōu)化。