基于simulink跳频通信系统的设计

石家庄铁道大学四方学院毕业设计基于Simulink的跳频通信系统的设计 Frequency Hopping Communication System Design Based On Simulink 2012 届 电气工程 系专 业 电子信息工程 学 号 20086411 学生姓名 郑 皓 指导教师 郭中华 完成日期 2012年 5月15日毕业设计成绩单 学生姓名郑皓学号20086411 班级方0809-4专业电子信息工程毕业设计题目 基于Simulink的跳频通信系统的设计指导教师姓名郭中华指导教师职称副教授评 定 成 绩指导教师得分评阅人得分答辩小组组长得分成绩：院长(主任) 签字： 年 月 日 毕业设计任务书题目基于Simulink的跳频通信系统的设计学生姓名郑皓学号20086411班级方0809-4专业电子信息工程承担指导任务单位电气工程系导师姓名 郭中华导师职称副教授一、主要内容 (1)研究扩频通信系统及其分类； (2)跳频技术的基本原理； (3)跳频通信系统的性能； (4)设计跳频通信系统。二、基本要求 (1)熟练掌握Matlab工具箱的运行环境及其仿真编程语言； (2)熟悉跳频通信系统的原理； (3)熟悉跳频通信系统的性能； (4)跳频序列的产生； (5)基于Simulink设计跳频通信系统。三、主要技术指标设计论文以跳频通信系统的基本理论作为本设计的支持，同时也要包括Simulink设计跳频通信系统，本设计要求产生m序列的跳频序列、系统中的跳频频点：15个；跳频跳速：100跳/s；跳频带宽：15kHz；仿真时间：0.2s；预计跳频同步时间：0.03s0.04s。基于Simulink实现跳频通信系统的设计。给出仿真结果和分析。正文不少于1.5万字，查阅文献资料不少于15篇，其中外文文献2篇以上，翻译有关的外文资料不少于3000汉字。四、应收集的资料及参考文献收集关于跳频通信系统，以及Matlab工具箱的使用等方面的资料和参考文献。五、进度计划第1周第2周：收集资料，完成开题报告；第3周第4周：需要和可行性调试；第5周第7周：概要设计；第8周：中期检查；第9周第12周：详细设计和代码设计；第13周第14周：论文审核定稿；第15周第16周：答辩。教研室主任签字时间年 月 日毕业设计开题报告题 目 基于Simulink的跳频通信系统的设计学生姓名郑皓学号20086411班级方0809-4专业电气工程系1、 研究背景 当今信息时代，如何有效的利用宝贵的频带资源，如何进行准确的信息通信是通讯领域中至关重要的问题。扩频通信正是在这种背景下发展起来的。从扩频通讯的应用发展来看，真正开始研究它的应用的是在上个世纪50年代中期美国开始的。刚开始一直用于军事通信领域，因为在军事通信中，一般通信方式在强干扰存在的情况下，很难准确的检测出发来的信号，由于扩频通信具有很好的保密性和抗干扰性，所以首先开始了在军事通信领域的应用，从此，军事通信机关对军事通信、空间探测、卫星侦察等方面应用扩频通信技术。60年代以来，随着民用通信事业的发展，频带拥挤问题日益突出，成为通信技术发展上的一个突出问题，军事产品开始向民用转化。80年代开始在民用领域得到应用。为了满足日益增长的民用通信容量的需求和有效的利用频谱资源，各国都纷纷提出在数字蜂窝移动通信、卫星移动通信和未来的个人通信中采用扩频技术，扩频技术已广泛应用于蜂窝电话、无绳电话、微波通信、无线数字通信、遥测、监控报警等系统中。MATLAB的simulink动态仿真环境很强大，具有方便、直观、灵活的优点。MATLAB集数值分析、矩阵运算、信号处理和图像显示于一体，构成一个方便的、界面友好的用户环境。在这个环境下，对所有要求解的问题，用户只需简单的列出数学表达式，其结果便以人们十分熟悉的数值或图形方式表达出来。 基于MATLAB的Simulink 所建立的扩频通信系统的仿真模型,能够反映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。2、 国内外研究现状跳频通信以其强抗干扰能力和高安全性在军事通信领域得到了越来越广泛的应用。 早在70 年代，就开始了对跳频通信系统的研究，现已开发了跳频在VHF 波段(30300MHz)的低端3088MHz、UHF波段(300MHz 以上)以及HF 波段(1.530MHz)的应用。随着C4ISR系统要求的不断提高，跳频通信系统正向着跳速不断提高，跳频带宽越来越大，跳频图案越来越复杂的方向发展。以美军的JTIDS为例，其跳速能够达到76 923跳/s，跳频带宽也达到了153 MHz。现在美国Sanders 公司的CHESS 高速短波跳频电台已经实现了5000跳/秒的跳频速率，最高数据数率可达到19200bps。此外，CHESS跳频电台与一般的跳频电台还有所不同，它以DSP 为基础，采用了差动跳频(DFH)技术。通过现代数字处理技术，CHESS跳频电台较好解决了短波系统带宽有限(导致数据速率低的原因)、信号间相互干扰、存在多径衰落等的问题。同时，它的瞬时信号带宽很窄，对其它信号的影响很小。可以看到，实现更高跳速、更高数据速率的跳频电台正是跳频通信系统的未来发展方向，软件无线电的概念也已逐渐应用到新型的跳频电台中。目前每秒钟万跳以上的高速跳频已成为跳频技术的发展方向。 目前世界各电台厂商提供的多数是普通数字式跳频。数字跳频的缺点是跳频频谱不够隐蔽，容易被识别、破译、跟踪。近两年出现了更先进的智能边带跳频通信模式，这是边带跳频和智能跳频的统称。边带跳频是在数字跳频基础上发展的更高级技术，它将跳频码隐含于边带话音中，隐含的跳频信号近似边带噪声，比一般的数字跳频更难被识别，破译和跟踪。3、 研究方案 1、跳频系统的性能：跳频带宽、跳频速率、跳频频率数、跳频同步时间、跳频周期。2、跳频通信系统主要由发送端和接收端两部分组成。在发送端，用信源产生的信息流去调制频率合成器产生的载频，得到射频信号。在接收端，接收端接收到的信号经高通滤波后与本振信号相乘并经中频带通滤波后，得到中频信号，送到信息解调器恢复出原信息信号。跳频通信系统的原理图如下：频率合成器跳频序列发生器信宿数据解调器带通滤波器高通滤波器同步电路高通滤波器数据调制器 频率合成器跳频序列发生器信源 3、频率合成器分别由100HZ步进频率合成器、10KHZ步进频率合成器、1.65/5.12MHZ振荡器组成。 4、跳频序列发生器产生伪随即序列，目前常用的伪随机序列有：m序列、M序列、Gold码、R-S码。本设计使用的是m序列。 5、本设计采用2FSK调制方式。 6、跳频系统中的解调器不用锁相环路，采用包络检波器。4、 预期结果 1、产生m序列的跳频序列。 2、跳频频点、跳速、带宽、仿真时间、同步时间都达到预期的要求。 3、完成基于Simulink的跳频通信系统的设计，信源产生的信息通过跳频通信系统能恢复出原始信号。 4、验证通信系统仿真可有效实现跳频通信系统的信号生成、检测及接收仿真功能。指导教师签字时 间 年 月 日 摘 要当今信息时代，如何进行准确的信息通信是通讯领域中至关重要的问题。跳频通信系统是一种典型频谱通信系统，它在军事通信、移动通信、计算机无线数据传输和无线局域网等领域有着十分广泛的应用，已成为当前短波保密通信的一个重要发展方向。本文设计了一种基于Simulink的跳频通信系统。首先对扩频通信系统、跳频通信系统和MATLAB 进行了研究，然后从跳频系统的结构组成、工作原理、主要技术指标、跳频通信系统的调制、频率合成器、伪随机序列、解跳和解调等方面阐述了跳频通信系统的基本原理，并对跳频通信系统进行了仿真研究和理论分析，达到了预期的效果。同时又介绍了基于源代码的跳频通信系统的仿真，并以2FSK调制方式为例，给出了通信干扰样式下的误码率理论分析结果。 本文设计的跳频通信系统，为以后的频谱通信系统打下了基础，并且应用于生活的各个方面，已成为现代通信不可缺少的一部分。关键词：扩频通信跳频通信MATLABSimulink仿真AbstractIn todays information age, how to carry out the accurate information communication is a crucial issue in the field of communication.Frequency hopping communication system is a typical spectrum communication system, it is in military communication, mobile communication, computer wireless data transmission and wireless LAN and other fields have a very wide range of applications, has become the current short wave communication is one of the important development directions. This paper introduces a design of frequency hopping communication system based on Simulink.The spread spectrum communication system, frequency hopping communication system and MATLAB are studied, and then from the frequency hopping system structure, working principle, main technical index, frequency hopping communication system modulation, frequency synthesizer, pseudo-random sequence, de-hopping and demodulation aspects of frequency hopping communication system basic principle, and the frequency hopping communication system the simulation research and theoretical analysis, to achieve the desired results.At the same time, based on the source code of the frequency hopping communication system simulation, and by 2FSK modulation mode as an example, presents the communication jamming mode BER under the theoretical analysis results. In this paper, design of frequency hopping communication system, for subsequent spectrum communication system laid a foundation, and used in all aspects of life, has become an indispensable part of modern communication.Keywords:Spread spectrum communication Fequency hopping communication MATLAB Simulink Simulation 目 录第章 绪论11.1 课题研究的背景及意义11.2 跳频通信简介11.2.1 扩频通信系统概述11.2.2 跳频通信系统概述31.3本文研究内容及章节安排3第2章跳频通信系统的基本原理52.1跳频通信系统的结构组成52.1.2 跳频系统的接收部分62.2 跳频通信系统的性能指标72.3 跳频通信系统的调制方式82.4 频率合成器92.5 伪随机序列92.6 跳频信号的解跳与解调92.6.1 跳频信号的解跳102.6.2 跳频信号的解调11第3章 跳频通信系统仿真及性能分析123.1 跳频通信系统仿真模型的建立123.2 S函数的仿真流程133.4 跳频通信系统的仿真框图153.5 仿真模型中示波器的仿真结果183.6 基于MATLAB的跳频通信系统仿真203.7 系统性能分析23第4章 跳频通信系统的应用25第5章 结论26参考文献27致谢28附录外文资料2941石家庄铁道大学四方学院毕业设计 第章 绪论1.1 课题研究的背景及意义 当今信息时代，如何有效的利用宝贵的频带资源，如何进行准确的信息通信是通讯领域中至关重要的问题。扩频通信正是在这种背景下发展起来的。从扩频通信的应用发展来看，真正开始研究它的应用的是在上个世纪50年代中期美国开始的。刚开始一直用于军事通信领域，因为在军事通信中，一般通信方式在强干扰存在的情况下，很难准确的检测出发来的信号，由于扩频通信具有很好的保密性和抗干扰性，所以首先开始了在军事通信领域的应用，从此，军事通信机关对军事通信、空间探测、卫星侦察等方面应用扩频通信技术1。60年代以来，随着民用通信事业的发展，频带拥挤问题日益突出，成为通信技术发展上的一个突出问题，军事产品开始向民用转化。80年代开始在民用领域得到应用。为了满足日益增长的民用通信容量的需求和有效的利用频谱资源，各国都纷纷提出在数字蜂窝移动通信、卫星移动通信和未来的个人通信中采用扩频技术，扩频技术已广泛应用于蜂窝电话、无绳电话、微波通信、无线数字通信、遥测、监控报警等系统中2。MATLAB的Simulink动态仿真环境很强大，具有方便、直观、灵活的优点。MATLAB集数值分析、矩阵运算、信号处理和图像显示于一体，构成一个方便的、界面友好的用户环境。在这个环境下，对所有要求解的问题，用户只需简单的列出数学表达式，其结果便以人们十分熟悉的数值或图形方式表达出来。 基于MATLAB的Simulink 所建立的跳频通信系统的仿真模型,能够反映频跳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。1.2 跳频通信简介1.2.1 扩频通信系统概述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。由于扩频技术尤其是调频具有很多优点：很强的抗干扰能力；低截获概率性；可用于具有选址能力的随机选址多用户通信系统中；较高的距离分辨力等等，因此，它的理论和实践发展非常迅速3。扩频信号具有以下三个特性4：1、扩频信号是不可预测的伪随机的宽带信号；2、扩频信号带宽远大于欲传输数据(信息)带宽；3、接收机中必须有与宽带载波同步的副本。扩频通信系统是最具有代表性的扩频通信技术的应用，它的基本工作方式有以下几种5：(1)直接序列扩频系统(DSSS)直接序列扩频系统简称直接扩频(DSS)系统或直接序列(DS)系统。准确地说，这种系统应称为直接用编码序列对载波调制的系统。直接序列系统中用的编码序列通常是伪随机序列或伪噪声序列(PN码)。要传送的信息经数字化后变成二元数字序列，它和伪随机序列模二加(波形相乘)，合成复合码去调制载波。在直接序列系统中通常对载波进行相移键控调制，为了节省发射功率和提高发射机的工作效率，扩频系统中采用平衡调制器，抑制载波的平衡调制对提高扩频信号的抗侦破能力也有利。当扩频信号采用相移键控调制后由天线发射出去，在接收机中要有一个和发射机中的伪随机码同步的本地码，对接收信号进行解扩(也叫做缩谱)，解扩后的信号送到解调器取出传送的信息。(2)频率跳变扩频系统(FHSS)频率跳变扩频系统更确切地说应叫做“多频、码选、频移键控”系统。简单的频移键控通常只利用两个频率，例如用f1表示传号，f2表示空号。而频率跳变系统常常有成百上千甚至数万个频率可供选用，选用哪个频率由码决定。频率跳变系统辛要由码发生器和频率合成器两部分组成，快速响应的频率合成器是频率跳变系统的关键部件。(3)时间跳变系统(THSS)在时间跳变扩频系统中，扩频码是用来控制发射机的通断的。对于m序列来说，由于0与1各占了约一半，时间跳变系统的发射占空比接近一半。(4)混合扩频系统上面的三种基本扩频系统各有优缺点，单独使用一种系统有时难以满足要求，将几种扩频方法结合起来就构成了混合扩频系统。常见的有频率跳变一直接序列混合系统、频率跳变一时间跳变系统、时间跳变一直接序列混合系统。1.2.2 跳频通信系统概述跳频通信主要用于战术无线电通信和民用移动通信，其工作方式一般以语音为主，也可传输数据。跳频就是用伪随机码序列构成跳频指令来控制频率合成器，可以看成载波频率不断变化的多频移频键控6。跳频指令由所传递的信息码与伪随机序列模二相加构成，其发送频率由跳频指令随机选择。调制器将发送端的信息码序列与伪随机序列调制，频率的合成由不同的跳频图案控制。在接收端，接收到的信号与噪声经滤波后送至混频器。接收机本振信号的跳变规律与发送端相同，而且也是一频率跳变信号，接收机的中频为两个合成器产生的对应的频率的频差。要使收发双方的跳频与频率合成器产生的跳变频率同步，需要收发方的伪随机码同步。经混频后，得到一个不变的中频信号，将此中频信号进行解调，就可恢复出发送的信息7。跳频系统可分快跳频和慢跳频两种。如果跳频系统的跳频速率高于信息调制器输出的符号速率，一个信息符号需要占据多个跳频时隙，则称为快跳频。如果跳频速率低于信息调制器输出的符号速率，一个跳频时隙里可以传输多个信息符号，则称为慢跳频8。1.3本文研究内容及章节安排本文基于MATLAB中的Simulink建模和源程序，对跳频通信系统进行了仿真和分析。本文从跳频系统的组成、主要技术指标、跳频通信的主要特点、数学模型等方面阐述了跳频通信基本原理,着重对跳频通信系统的性能及其干扰技术进行了理论分析和仿真研究9。 本文的主要内容有：1、 跳频通信的结构组成及工作原理；2、跳频通信系统的主要性能指标；3、跳频通信系统的调制方式；4、频率合成器；5、伪随机序列；6、跳频信号的解跳与解调；7、跳频系统的仿真与性能分析。 全文分为五章，第一章主要对扩频通信、跳频通信进行了简述；第二章叙述了跳频通信的结构和原理，主要性能指标，调制方式，频率合成器、伪随机序列以及跳频信号的解跳与解调；第三章运用MATLAB软件对跳频通信系统进行了仿真，通过仿真结果分析系统的性能，检验此系统的性能10；第四章介绍了跳频通信系统的应用；第五章总结此次毕业设计，指出设计成果并发现不足, 总结经验11。第2章跳频通信系统的基本原理2.1跳频通信系统的结构组成跳频通信系统主要由发送端和接收端两大部分组成。在发送端，用信源产生的信息流去调制频率合成器产生的载频，得到射频信号，频率合成器产生的载频受伪随机码的控制按一定规律跳变。在接收端，接收端接收到的信号经高通滤波后送至混频器，在混频器与本振信号相乘并经中频带通滤波后，得到一个不变的中频信号，经中频放大器放大后，送到信息解调器恢复出原始信息信号12。2.1.1 跳频系统的发送部分发送端包括：信源、数据调制器、频率合成器、跳频序列发生器、高通滤波器、发送端天线等。其原理框图如图2-1所示：高通滤波器数据调制器信源 频率合成器跳频序列发生器 图2-1跳频通信系统发送端原理框图 信源输出的是双极性二进制码，利用频率合成器合成载波信号。跳频系统通过伪随机地改变发送载波频率，用跳变的频率来调制基带信号，得到载波频率不断变化的射频信号，然后发送到信道中。在传统的定频通信系统中，载波频率是固定的，因为发射机中的主振荡器的振荡频率是固定设置的。一般要求主振荡器的频率应能遵照控制指令而改变，这样是为了得到载波频率是跳变的跳频信号。这种产生跳频信号的装置叫跳频器。通常，跳频系统的频率合成器输出什么频率的载波信号是受跳频指令控制的，跳频器是由频率合成器和跳频指令发生器构成的。在时钟的作用下，频率合成器不断地改变其输出载波的频率，跳频指令发生器不断地发出控制指令。因此混频器输出的已调波的载波频率，也将随着指令不断地跳变，从而经高通滤波器和天线发送出去，这就是跳频信号。跳频图案，就是跳频器输出的跳变的频率序列。跳频图案的产生取决于跳频指令。通常，跳频指令是利用伪随机发生器来产生的，或者由软件编程来产生此跳频指令。所以，跳频器是跳频系统的关键部件，更具体地说，是能产生伪随机性好的跳频指令发生器和频谱纯度好的快速切换的频率合成器。由跳频信号产生的过程可以看出，在原理上，不论是模拟的或数字的定频发送系统，只要加装上一个跳频器，就可变成一个跳频的发送系统。但是，信道机的通带宽度在实际系统中尚需考虑。2.1.2 跳频系统的接收部分接收端部分包括：高通滤波器、频率合成器、跳频序列发生器、带通滤波器、同步电路、数据解调器、信宿和接收端天线等。其原理框图如图2-2所示： 频率合成器 跳频序列发生器信宿数据解调器带通滤波器高通滤波器 同步电路 图2-2 跳频系统接收端原理框图定频信号的接收设备中，接收方法一般情况下都采用超外差式，即接收机本地振荡器的频率与所接收的外来信号的载波频率产生频差，即相差一个中频。经过混频后，混频产生组合波频率成分和一个固定的中频信号。中频带通滤波器的滤波作用，将滤除组合波频率成分，而使带通中频信号进入解调器。所要传送给收端的信息即为解调器的输出。跳频信号的接收过程与定频相似。要求频率合成器的输出频率要比外来信号高出一个中频，是为了保证混频后获得带通中频信号。要求本地频率合成器输出的频率也随着外来信号的跳变规律而跳变，是因为外来的信号载波频率是跳变的，这样才能通过混频获得一个固定的带通中颇信号。跳频器产生的跳频图案应当与所要求的高出一个中频，并且收、发跳频要求完全同步。所以，为了确定其跳频的起、止时刻，接收机中的跳频器还需受同步指令的控制。可以看出，跳频系统的关键部件是跳频器，同时跳频系统的该心技术是跳频同步。相关器中进入的接收信号，与本地信号相乘，再经过滤波器，得到的信号送入同步系统进行判决。同步系统将调整本地伪码系统，直到滤波器输出接收信号为止。如果系统未同步，则滤波器输出的是噪声信号。2.2 跳频通信系统的性能指标跳频通信系统的性能指标有以下几点13： (1)跳频带宽跳频带宽，是跳频系统工作时的最高频率与最低频率之间所占的频率宽度。跳频带宽越宽，跳频的速率越快，跳频的频率数目越多，跳频系统的同步时间越短，跳频码的周期越长，跳频系统性能越好。跳频部分频带的抗干扰能力，受跳频带宽大小的影响，跳频带宽越宽，跳频系统抗宽带干扰能力越强。(2)跳频速率跳频速率，即为跳频电台载波跳变的速率，通常用每秒钟频率跳变的次数来表示。抗跟踪式干扰的能力与它有关，跳频速率越高，抗跟踪式干扰的能力越强。(3)跳频频率数跳频频率数，就是跳频电台工作时跳变的载波频率点的数目。跳频的频率数目，取决于抗单频干扰及多频干扰的能力。跳变频率数目越多，抗疏状干扰、单频以及多频干扰的能力就越强。(4)跳频系统的同步时间跳频系统的同步时间，是系统使收发双方的跳频图案完全同步，并建立通信所需要的时间。同步建立时间越短越好、越隐蔽越好。(5)跳频周期跳频周期，即为每一跳占据的时间。它等于跳频驻留时间和信道切换时间之和，与跳频速率成倒数关系。其周期长度决定跳频图案延续时间的长度，这个指标与抗截获的能力有关。2.3 跳频通信系统的调制方式 跳频通信系统一般采用ASK、FSK等非相干解调的调制方式，特别以2FSK方式最为常用，本文跳频通信系统采用2FSK调制方式。 在二进制频移键控调制方式中，二进制数字信号“1”对应于载波频率，“0”对应于载波频率。信息码元的宽度记为T，则2FSK调制信号的表达式如式(2-1)。 (2-1) 其产生原理图如图2-3所示：振荡器 门1 s(t)倒相器 d(t) 门2振荡器 图2-3 2FSK产生框图时域波形如图2-4所示： S(t)t 图2-4 2FSK信号波形2.4 频率合成器在跳频系统中，其核心部分就是跳频器，它的主要作用是产生受伪码控制的随机跳变的载波频率。对跳频器的主要要求有： (1)要求输出信号的频谱要纯，输出频率有很好的稳定度和准确度； (2)频率转换速度要快，输出频率数要多； (3)要求跳频图案要多，频率跳变的随机性要强； 跳频器主要由频率合成器和伪码产生器组成。因此跳频器的关键是频率合成器。频率合成器，是给微波扫频信号提供一定分辨力的频率参考信号，并对微波信号输出频率进行逐点锁定，以得到高准确度和稳定度的扫频输出信号。分别由100HZ步进频率合成器、10KHZ步进频率合成器、1.65/5.12MHZ振荡器组成。频率合成器通常可分锁相环合成法、直接模拟合成法和直接数字合成法三类，广泛地应用于仪器仪表、遥控遥测通信、雷达、电子对抗、导航以及广播电视等各个领域。2.5 伪随机序列在跳频通信系统中，伪随机系列是用来控制频率合成器产生的频率随机地跳变，以进行通信和躲避干扰。其性能的好坏，直接影响到整个系统性能的好坏。目前常用的伪随机序列有：m序列、M序列、Gold码、RS码。m序列是最长线性移位寄存器序列，是伪随机序列中最重要的一种序列，也是其它序列的基础。这种序列容易生产，具有优良的字相关特性，其长度为2r-1，r为移位寄存器的级数。M序列是最长非线性移位寄存器序列，码长为27，达到r级移位寄存器所能达到的最长周期，所以又称为全长序列。虽然M序列的长度比m序列多1，但M序列的相关性不如m序列，并且硬件产生时设备较复杂。Gold码是基于m序列优选对产生的，是作为地址码的一种良好码型。RS码是一种特殊的纠错码，也是一种循环码，循环移位后可得到另一组R-S码，即RS码中任何码字的循环位移还是在码集合中。上述的几种序列除用硬件发生外，均可由软件编程产生。本设计采用伪随机序列发生器产生采样周期为0.5、周期为15个码元的m序列。2.6 跳频信号的解跳与解调 跳频信号的解跳与解调包括两个方面：首先是跳频信号的解跳，解跳后信号频率集中在窄带滤波器通带之内，接着是对解跳后的信号进行解调，得到发送的原始信息。在跳频系统中一般不采用相干解调器，因为在频率合成器中难以保证各个频率跳变信号之间的相干性。所以跳频系统中的解调器不用锁相环路，而采用包络检波器。2.6.1 跳频信号的解跳跳频系统的接收机，应对发射信号进行相应的反变换。首先，为了完成解跳功能，将每个接收到的跳频信号切普变换到窄带滤波器的通带内。为了恢复发射端的原始信息流，需要再将已解跳的信号送到基带解调器。解跳乘法器及其后的带通滤波器，能否从接收信号中提取有用信号的能力，将影响跳频接收机的性能。双通道“传号-空号”跳频接收机的原理框图如图2-5所示： 检测器 带通滤波器 信号合成器 0/1判决器码发生器输入 输出 空号合成器 检测器 带通滤波器 S2 (传号) （空号） 数据输出 图2-5 双通道传号/空号跳频接收机原理框图在二进制的FH发射机里，数据的传输采用2FSK时，是用发射某个频率(切普)表示“传号”，而发射另一个频率表示“空号”来实现的。对于每一个信息比特，无论只发一个切普，还是发多个切普(每个切普都一定是两个频率中的一个)，接收机应能判断两个频率中哪一个是有用信号。因此，接收机必须能够同时观测两个交替信道，或者先对一个取样，然后紧接着对另一个取样。2.6.2 跳频信号的解调 在跳频系统中，多采用非相干的包络检测器。典型的非相干跳频解调器如图2-6所示：积分清洗器 抽样与保持输入信号 包络检波器 电平比较器 触发器 抽样与保持 切普时钟 图2-6 非相干跳频解调器 这个解调器适用于每比特信息多个频率切普的接收机，其中切普判决是根据顺序而来的每一对切普进行的。这个解调器设计成适合于“1”和“0”频道的顺序取样。也就是说，本地频率合成器把发射“1”所对应的频率插到接收机的积分清洗电路判决器中，而后紧跟着是一个与发射“0”对应的频率。每次交替都占用半个切普周期取样。 第3章 跳频通信系统仿真及性能分析3.1 跳频通信系统仿真模型的建立 基于Simulink 的跳频通信系统的仿真模型的建立，可以实时地观测到系统跳频前后信号的频谱变化，并且能够反映跳频通信系统的动态工作过程。还可以根据需要设计和研究相应的跳频仿真模型，实现现代通信的模拟仿真，为系统的设计和研究提供了强有力的研究平台，此系统以跳频通信为基础14。仿真模型如图3-1所示：误码调制数值显示 Z-1200HZ信源波形显示解跳跳频2FSK调制白噪声信道2FSK调制 2FSK调制300HZ噪音PN发生器序列格式转换2FSK调制B-FFT测试D/A转换共轭交换 图3-1 系统仿真模型 在跳频通信系统仿真模型中，信号的处理过程为：1、由信源生成准备传送的有用信号。2、由伪随机码序列控制2FSK调制部分，然后与有用信号进行相乘运算。伪随机码元控制2FSK部分的载波频率，在设计中使得载波的相位为零，进而可以实现信号的跳频通信。3、将经过跳频调制的信号，在经过信道传输，叠加上信道噪声。4、接收信号时，在接收端的相关器中进行相关处理，相关处理时要求发送端的随机码元与采用的伪随机码保持严格的同步。5、相关器的输出结果利用计数器进行统计，然后完成比较、判决过程，恢复出原始的信号。 6、将恢复出的有用信号与其发送端的原始信号同时送入误码仪进行比较，计算出误码率。3.2 S函数的仿真流程 Simulink在仿真的特定阶段，控制模块完成特定的功能，同时反复调用模型文件中的每个模块，如更新离散状态值、计算状态导数和计算输出等等，为了中止仿真任务或者执行初始化，仿真的开始部分以及结束部分还需要调用一些附加过程，完整流程图15，如图3-2所示： 初始化模块 计算下次抽样时间用于抽样时间可变模块 最大步长计算输出 最大步长计算离散状态 计算导数仿真环 计算输出 积分 最小 计算导数 步长 时间 定位零交点在结束时执行所需的任务 图3-2仿真流程图 对于仿真流程，先将模块初始化，再进入仿真环。在仿真环中，先计算出下次抽样时间用于可变模块的抽样时间，然后再计算最大步长输出、最大步长离散状态、导数及输出计算，在仿真环的最后进行零交点定位。其中，积分最小步长时间为导数、输出、再到导数的时间。最后结束程序，完成执行的任务。3.4 跳频通信系统的仿真框图利用MATLAB 中的Simulink 对跳频通信系统进行模型建立，仿真框图如图3-3所示：图3-3 跳频通信系统的仿真结构框图跳频通信系统，将其中的2FSK调制部分，2FSK解调部分，跳频子系统分别进行封装，封装之后的跳频通信系统的仿真结构框图如图3-4所示： 图3-4 含有封装子系统的跳频通信系统的仿真结构框图(a) 2FSK调制子系 统仿真结构框图 (b) 2FSK解调子系统仿真结构框图(c) 跳频子系统仿真结构框图 图3-5 跳频通信系统的子系统仿真结构框图 其中，2FSK调制子系统，2FSK解调子系统，跳频子系统结构框图分别如图3-5中的图(a)、(b）、(c)所示。该跳频通信系统按功能可以划分为五个部分：信号生成部分、发送部分、跳频调制部分、接收部分和判决部分，各部分的详细结构和设计介绍如下：(1)信号生成部分信号生成部分是用随机整数信号发生器来产生，该模块的参数设置是产生二进制随机序列信号，采样时间设为1，即1秒产生一个码元。它产生的是频率为1HZ的二进制随机信号。 (2)发送部分由信源产生的二进制随机信号，先通过频率键控来产生一个2FSK信号(发送“1” 所用的载波频率为f1=1HZ；发送“0”所用的载波频率为f2=3HZ)。在进行跳频调制时，把跳频子系统模块产生的信号与产生的2FSK信号进行相乘(即跳频调制)，产生的信号即为跳频调制信号，然后把跳频调制信号经过信道发送过去。信道是叠加有加性高斯白噪声的信道。(3)接收部分在接收端，用跳频子系统模块产生的跳频信号与经过信道后接收的跳频调制信号进行乘法运算，也就是对其进行解跳，将得到跳频解调信号，如仿真结构框图中的跳频解调信号所示。接着，对其进行2FSK相干解调，两个带通滤波器将分别滤出频率为f1及f2 的信号，输出信号分别与相应的相干载波相乘，然后提取出含有基带数字信息的低频信号，这一过程分别需要将其相应信号通过低通滤波器。(4)判决部分 通过对上下两支路的低频信号进行比较作出判决，从而完成解调信号的判决。该判决部分由比较器、常数发生器以及误码率计算部分组成。比较器将门限值与码元的相关峰值进行比较，若相关峰大于门限则该码元判为“1”，其余的均判为“0”。设上支路信号为，下支路信号为。当大于时，判为“1”；当小于时，则判为“0”。误码率的计算过程是由一个误码仪来实现的。它将发送端的信息码元经过一定延迟后与接收端恢复出的码元进行比较，若两者不同则认为码元传输错误，最后将误码个数除以总的传输码元个数，即得到误码率。在图中的误码率计算部分，上面的输入信号是发送端的原始信息，下面的输入信号是接收端恢复出的信号，送入误码仪以后完成比较、统计和图形用户界面的生成功能。从误码率计算的显示模块可以看到该跳频通信系统的误码率为0.05。在统计系统的误码率时，门限值的设定很重要，设定不同的门限值，会得到不同的误码率。对于不同的系统，门限值的设定是不同的，在本设计中，门限值的取值为2。 (5)跳频子系统模块 跳频子系统的设计是这次毕业设计的关键。快跳频通信是指频率的跳变速度大于信息传输速率的通信系统。在本次设计中，为了便于观察各点信号，特设信息的传输速率1bit/s，频率的跳变速度为2h/s。在跳频子系统中， 跳频信号的产生过程：PN Sepuence Generator产生采样周期为0.5，周期为15个码元的m序列。通过Buffer将单列的二进制序列编排为2列二进制数，通过Bit to Integer Converter后变为整数。通过初值设为2的Unbuffer及Zero-Order Hold(采样时间设为0.1)后，伪随机序列发生器产生的二进制序列变成了与之相应的整数，馈送到VCO的控制输入端。3.5 仿真模型中示波器的仿真结果 跳频通信系统仿真模型，进行Simulink模型仿真后，各示波器的结果显示分别如图3-6、3-7所示： 图3-6 示波器Scope的仿真结果由图3-6可知，信源发送信号为双极性二进制码，发送端的随机信号发生器所产生的二进制信号的信息速率为1bit/s，载波频率在伪码控制下不断随机跳变，产生跳频调制信号，发送信号经过调制后2FSK调制信号如图所示，相应的跳频解调信号也如示波器Scope所示，从图3-6中还可知跳频调制信号和解调信号基本相似。 (a) 示波器Scope1的仿真结果 (b) 示波器Scope2的仿真结果图3-7 示波器Scope1和Scope2的仿真结果图3-7中(a)图，将发送信号和接收信号的示波器显示进行了对比，可以看出，发送信号和接收信号的波形相同，恢复的信号基本正确，误码率为0.05。当然，由于系统中叠加有噪声，各种滤波器的设计存在一定的缺陷使得滤波特性不理想，以及仿真图中有些部件的参数设置存在误差等原因，在最终的判决恢复时，使得恢复序列存在一些误码。这也是这次快跳频通信系统仿真设计中需要进一步完善的地方。图3-7中(b)图，示波器显示了m序列信号波形，即Simulink仿真模型中产生的跳频序列；同时显示了VCO的输入电压值和输出频率，简明易懂。由上图中(b)图可知，VCO的输入电压值在一秒内(也就是一个码元周期内)发生两次变化，对应的它所控制的VCO的输出频率在一秒内也发生两次变化(即频率的跳变速度为2h/s)。由于频率的跳变速度大于发送信号