跳频通信系统设计及MATLAB仿真选题报告

北京科技大学天津学院本科生毕业设计(选题报告)_______________________________________________________________________________1-____________________________________________________________________________________________1-目录TOC\o"1-3"\h\u扩频通信，即扩展频谱通信（SpreadSpectrumCommunication）与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式，它是上世纪40年代发展起来的一种技术，用来为战争环境下的军队提供可靠安全的通信。20世纪50年代，美国麻省理工学院研究成功NOMAC系统(NoiseModulationandCorrelationSystem）,成为了扩频通信研究发展的开端。时至今日，随着民用、军用通信事业的发展，频带拥挤的矛盾日益突出。而信号处理技术、大规模集成电路和计算机技术得发展，推动了扩频通信理论、方法、技术等各方面的研究发展和应用普及。扩频通信主要有以下几种方式：直接序列扩频（DS）、跳频（FH）、跳时（TH）及混沌扩频等。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广泛运用。20世纪70年代，第一台跳频收音机的诞生，标志着跳频通信的开始。80年代跳频主要用于世界各国的军事装备中，人们认为，“广泛使用跳频电台，是80年代VHF频段无线通信发展的主要特征”，90年代，跳频通信的应用拓展到民用领域。蓝牙跳频通信就是一个典型的例子，可以广泛应用于局域网络中各类数据及语音设备，如PC、拨号网络、笔记本电脑、打印机、传真机、数码相机、移动电话和高品质耳机等，蓝牙技术将上述设备连成一个微微网(Piconet),从而实现各类设备之间随时随地进行通信。文献[3]中采用了一种基于时钟和地址的蓝牙跳频序列。由于引入跳频技术能够抗干扰，提高网络质量，它在实际中的应用日益广泛。例如MOTOROLA公司的GSM900设备中，就使用了跳频技术。研究提高抗干扰的方法，对保障军事通信的可靠性具有重要意，同时，随着通信技术的广泛运用，跳频技术在民用领域也越来越受重视。因此，分析和研究跳频通信系统及其仿真结果具有重要的现实意义。国外自六十年代起就对跳频体制的理论和技术进行了研究，七十年代即研制出实用的跳频电台，到了八十年代，跳频电台己成为世界各主要国家的重要通信装备。随着调制技术、编码技术、微电子技术、特别是DSP技术和计算机网络技术的迅速发展，跳频技术在90年代又有了新的发展，目前正向自适应、高速、变速率和宽带的方向发展。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。加拿大Laval大学提出了在光纤网络中应用快跳频技术。该系统利用Bragg光栅替代传统跳频系统中的频率合成器，跳速达到10G数量级。系统在30个用户，比特误码率为10-9的条件下，数据速率为500Mb/s。与采用非相干DS/CDMA技术的光纤网络相比，同时有相同数量的用户使用时，FFH/CDMA系统的比特误码率明显优于DS/CDMA系统。南非Grinel通信公司生产的TRC-1600背负电台是一种多速率(慢、中、快)多波形抗干扰电台，该公司推出的另一种TRC-1600多模式背负电台具有可变跳频带宽(5MHz一175MHz)和可变跳速(4-33Hz(SSB)，70Hz(FM/AM))功能，同时还有智能AFC(自动频率控制)、AGC(自动增益控制)等功能。瑞典Shadow技术公司推出的SFH-41型CHAMELEON跳频VHF手持电台有3个跳频速率(分别为12.5.20.50跳/秒)，且跳速在任何频率上的驻留时间都很短。现有扫描器还很难锁定这样的信号，因此其防窃听、抗干扰能力更强。国内对跳频通信的研究起步较晚，早期的跳频技术还是运用国外的先进技术，但是，研究人员还是提出了一些对跳频信号检测的方法，主要有自适应多信道检测技术、压缩接收机检测技术、数字信道化技术、压缩信道化检侧技术、最大相关处理法和复杂电磁环境下的检测技术等。对跳频信号的侦察国内已有了一定的研究基础。针对跳频信号的检测，我国利用侦察截获信号的时频变换得到的瀑布图对跳频信号进行检测，收集跳频信号在不同频点上跳频信号段的频率、出现时刻、结束时刻、幅度等信息。在跳频网台信号的盲分选中，我国提出采用聚类循环分选的方法在复杂的噪声环境下对多个跳频网台的混合信号进行分选，但这种方法在构造聚类的凝聚点比较困难，并且误差较大，分选网台的数目受到限制，对大于3个的跳频网台的混合信号进行分选时不能够正确分选。而后又有引入测向与聚类相结合的跳频网台的分选方法，较单纯依靠聚类的分选方法的分选结果有了比较好的分选结果。我国研制的TCR-153型短波自适应跳频电台，已达到了国际先进水平。该电台为我国目前最先进的短波自适应跳频电台，用于停车军总军、师之间固定台站进行通信指挥或半固定台站进行通信指挥，也可用于交通、石油等民用电台的通信联络、数据交换。随着军事的现代化进程的加快，未来战争将是以电子战、信息战的对抗为主，运用于军事设备中的跳频技术的性能研究也成为了各国关注的焦点，抗干扰、抗截获、抗衰落等性能的提高也成为跳频研究的发展方向。同时，随着个人通信业务和蜂窝移动通信的发展，跳频技术在民用领域的运用也日趋成熟，在现有的DS/CDMA系统中，远近效应是一个很大的问题。由于大功率信号只在某个频率上产生远近效应，当载波频率跳变到另一个频率时则不受影响，因此跳频系统没有明显的远近效应，这使得它在移动通信中易于得到应用和发展。在数字蜂窝移动通信系统中，如果链路间采用相互正交的跳频图案同步跳频，或者采用低互相关的跳频图案异步跳频，可以使得链路间的干扰完全消除或基本消除，对提高系统的容量具有重要意义。此外，跳频是瞬时窄带系统，其频率分配具有很大的灵活性，在现有频率资源十分拥挤的条件下，研究跳频通信技术具有重要意义。

3研究方法、内容及预期目的本课题选用MATLAB软件作为跳频技术的仿真平台，利用其丰富的通信模块库对跳频通信系统的信源、调制、信道、解调等基本部分进行建模。同时通过改变模块的一些参数和设计方法，运用二进制相移键控方式进行调制和解调，从而获得直观的仿真波形，重点分析仿真结果中抗干扰、抗截获、抗衰落等跳频性能指标，找出能提高性能的一些方法。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，并在多个频率中进行选择的移频键控。所传递的信息码与伪随机序列模二相加（或波形相乘）构成跳频指令（即跳频图案），并由它随机选择发送频率。发送端的信息码序列与伪随机序列经过调制后，按不同的跳频图案控制频率的合成。在接收端，接收到的信号与噪声经滤波后送至混频器。接收机的本振信号也是一频率跳变信号，跳变规律与发送端的相同，两个合成器产生的频率相对应，但对应的频率有一频差，正好为接收机的中频。只要收发方的伪随机码同步，就可使收发双方的跳频与频率合成器产生的跳变频率同步，经混频后，就可得到一个不变的中频信号，然后对此信号进行解调，就可恢复出发送的信息。跳频通信系统主要由发送端和接收端两部分组成。发送端部分包括：信源、数据调制器，频率合成器、跳频序列发生器、高通滤波器以及发送端天线等。其原理框图如下：图1跳频通信系统发送端原理框图接收端部分包括：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、信宿以及接收端天线等。其原理框图如下：图2跳频系统接收端原理框图考察一个系统的跳频技术性能，应注意下列各项指标：跳频带宽；跳频频率的数目；跳频的速率；跳频码的长度（周期）；跳频系统的同步时间。一般说来，希望跳频带宽要宽，跳频的频率数目要多，跳频的速率要快，跳频码的周期要长，跳频系统的同步时间要短。跳频带宽的大小，与抗部分频带的干扰能力有关。跳频带宽越宽，系统抗宽带干扰能力越强。跳频频率的数目，与抗单频干扰及多频干扰的能力有关。跳变的频率数目越多，抗单频、多频以及梳状干扰的能力越强。跳频的速率，是指每秒钟频率跳变的次数，它与抗跟踪式干扰的能力有关。跳速越快，抗跟踪式干扰的能力越强。跳频码的长度，决定跳频图案延续时间的长度，这个指标与抗截获（破译）的能力有关。跳频图案延续时间越长，敌方破译越困难，抗截获能力越强，跳频码的周期可长达10年甚至更长。跳频系统的同步时间，是指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。充分理解跳频通信系统功能及原理，重点分析跳频通信系统的性能指标，通过比较及思考，达到提高跳频通信过程中抗干扰、抗截获等能力。掌握并运用MATLAB对通信系统的建模方法，并设计跳频通信系统仿真模型进行仿真，通过对仿真结果及跳频图像的分析，得出相应的结论。通过对跳频通信系统仿真模型的建立，改变一些模块及参数，得出不同的仿真结果，分析比较其中的差异和优劣。在熟练掌握跳频技术原理的基础上，设计跳频通信系统各部分模块，运用MATLAB对所设计的系统进行数学模型的建立，在实际理论的基础上对仿真结果进行认真的分析和研究，并不断改进不足或设计不合理的地方，得到性能最优化跳频通信系统，从而得出相应的结论。大四学年第1学期第15-18周：查阅文献资料，并做一定量的外文资料翻译工作，以了解扩频通信系统特别是跳频通信系统的发展、运用及原理，以及其相关的性能指标,准备选题报告。大四学年第2学期第1-2周：学习MATLAB通信系统建模的方法，掌握扩频通信系统的基本建模及相关模块的功能原理。针对跳频通信系统中所要运用的二进制相移键控方式以及通信过程中的编码序列进行研究，选择合适的编码序列。大四学年第2学期第3-6周：通过分析跳频通信系统发送端和接收端模块的作用和工作原理，设计出基本的系统框架结构，并设计出同步电路计数器部分。大四学年第2学期第7-11周：在MATLAB坏境下对建立的跳频通信系统仿真模型进行测试仿真，查找问题，并进行相关的修改和完善，提高系统的可行性。大四学年第2学期第12-13周：改变各种跳频性能参数设置，进行仿真对比和系统性能的提升，得出最佳匹配参数及仿真方案,记录相关的仿真结果。大四学年第2学期第14-16周：进一步完善系统设计方案，掌握跳频通信系统收发过程，并对跳频图案进行分析，着重研究其抗干扰性能和抗截获性能。大四学年第2学期第17周：完善论文，查漏补缺，做到科学严谨的遣词造句，并对仿真结果进行针对性和可行性分析，得出最后的结论。大四学年第2学期第18周：准备论文答辩。韦惠民，扩频通信技术及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007.JohnGProakis等.现代通信系统[M].北京：电子工业出版社.2005：313-326：327-336.J.L.Domsteter,DidierVerhulst.Cellulareficiencywithslowferquencyhopping:analysisofthedigitalSFH900mobilesystem.IEEEJournalonSelectedAreasinCommun.1987,SAC-5(5):835-845.陈新宁.跳频通信侦察技术研究[D].长沙：国防科学技术大学信息与通信系.2006.聂伟，郭梅花，张永杰.跳频通信系统的研究与Matla