跳頻擴頻通信系統(tǒng)的設(shè)計及simulink仿真

1、通信仿真技術(shù)實驗報告通信仿真技術(shù)實驗報告一、實驗項目名稱： 跳頻擴頻通信系統(tǒng)的設(shè)計及 simulink 仿真二、有關(guān)擴頻系統(tǒng)的背景介紹擴展頻譜（Spread Spectrum SS）通信系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于軍事通信、 移動通信、 雷達(dá)、導(dǎo)航、測距、定位等領(lǐng)域。它利用頻譜擴展技術(shù)將需要發(fā)送的信息信號擴 展到一個很寬的頻帶上， 使射頻帶寬比信息帶寬寬得多， 然后再發(fā)送出去。 在接 收端則通常通過相干解擴將信號重構(gòu)出來。 這種通信系統(tǒng)以占用比原始信號帶寬 寬得多的射頻帶寬為代價，來獲得更強的抗干擾能力和更高的頻譜利用率。在通信系統(tǒng)中采用擴頻技術(shù)有許多優(yōu)點： 比如具有較強的抗干擾能力； 具有 較強的隱蔽性和

2、抗測向、 抗偵察能力； 具有優(yōu)良的多址接入能力， 是碼分多址的 關(guān)鍵技術(shù)；具有很強的抗頻率選擇性衰落的能力； 抗多徑干擾； 可進(jìn)行高分辨率 的測向、定位等等。按照擴頻方式的不同， 擴頻通信系統(tǒng)主要可分為： 直接序列擴展頻譜系 統(tǒng)（Direct Sequenee Spread SpectrumDSSS）跳頻系統(tǒng)（Frequency Hopping, FH） 跳時系統(tǒng)（ Time Hopping，TH）。跳頻是擴頻的另外一種方式。 在跳頻系統(tǒng)中，調(diào)制載波頻率受偽隨機碼的 控制，不斷地以偽隨機規(guī)律跳變， 以躲避點干擾和窄頻干擾。 跳頻系統(tǒng)可以看成 是載波頻率按照指定的偽隨機規(guī)則跳變的多元頻移鍵控（

3、M-FSK ）系統(tǒng)。根據(jù)跳頻速率（Rh跳/s）與傳輸信息速率（Ra bps）之間的關(guān)系，可以將跳頻系統(tǒng)分為 慢跳頻系統(tǒng)和快跳頻系統(tǒng)：若（ Rh Ra ），則為快跳頻，反之為慢跳頻。三、實驗?zāi)康?：本實驗的目的是通過搭建跳頻擴頻系統(tǒng)的模型， 了解跳頻擴頻通 信系統(tǒng)的原理，并掌握 simulink 的操作使用方法。四、實驗內(nèi)容跳頻系統(tǒng)是一種瞬時窄帶系統(tǒng)。在接收機端，本地恢復(fù)載波也受偽隨機碼的 控制，并保持與發(fā)送的跳頻變化規(guī)律一致， 這樣，以頻率跳變的本地恢復(fù)載波對 接收信號進(jìn)行變頻(相乘)后，就能得到解擴(解跳頻)信號，然后對解擴后的 信號再進(jìn)行相應(yīng)的解調(diào)即可恢復(fù)數(shù)據(jù)。由于跳頻系統(tǒng)中載頻不斷改變，

4、在接收機 中跟蹤載波相位較為困難，所以跳頻系統(tǒng)中一般不采用需要相干方式解調(diào)的調(diào)制 方式，如PSK等，而是采用一些可非相干解調(diào)的調(diào)制方式，最常用的是FSK調(diào)制。設(shè)數(shù)據(jù)流波形為a(t)，數(shù)據(jù)速率為Ra，其取值為雙極性的(1)，進(jìn)行FSK調(diào)制(頻偏設(shè)為f )后輸出信號的等效低通信號為 b(t)，有b(t) ej2a(t)f設(shè)偽隨機序列控制下的瞬時頻率取值為 f(t),隨著時間改變，f(t)取值在頻率點 fi，i=1,N上改變。跳頻載波信號的等效低通信號為c(t)設(shè)為：c(t) ej2f(t)跳頻就是以跳頻載波對數(shù)據(jù)調(diào)制信號的頻率搬移過程，跳頻輸出的等效低通 信號d(t)是：d(t) b(t) c(t

5、) ej2 (a(t) f f(t)在接收端，以同步PN碼控制的頻率偽隨機變化的載波(其等效低通信號為 發(fā)送載波c(t)的共軛信號c*(t)和接收信號混頻(相乘)進(jìn)行解跳頻，得到解擴A輸出信號b(t)為b(t) (d(t) n(t) J(t) c*(t)* *d(t) c (t) (n(t) J(t) c (t)ej2 (a(t) f f(t) e j2 f(t) (n(t) J(t) e j2f(t) ej2 (a(t) f) (n(t)J(t) e j2f(t)其中，n (t)和J (t)分別表示噪聲和干擾信號，并且 c(t)c*(t) 1，以同步跳變的本地恢復(fù)載波對接收信號混頻后， 就得

6、到了解調(diào)后的窄帶信號b(t)和寬 帶的噪聲以及干擾信號。同樣，以窄帶濾波器即可濾除大部分噪聲和干擾，達(dá)到 抗干擾的目的。五、實驗記錄以及結(jié)果分析設(shè)數(shù)據(jù)速率為100bps,數(shù)據(jù)調(diào)制采用2FSK方式，頻率間隔為100Hz。跳頻 頻點為32個，調(diào)頻頻率間隔為50Hz,調(diào)頻速率為50跳/S。設(shè)以偽隨機整數(shù)控 制跳頻的載頻，接收機中解跳所用的本地恢復(fù)載波理想地跟蹤了發(fā)送載波頻率變 化。新到設(shè)為AWGN信道。該系統(tǒng)屬于一個慢跳頻擴頻系統(tǒng)。跳頻輸出信號帶寬約為50 32 1600Hz，其等效低通信號頻率變化范圍為-800 800Hz。為了使仿真觀測范圍達(dá)到 -20002000Hz，信號采樣率應(yīng)設(shè)置為4000

7、次/s,所以每一個傳輸數(shù)據(jù)碼元的 仿真采樣點數(shù)為40點。跳頻速率為50跳/s，故每跳持續(xù)時間為0.02s,對應(yīng)的采 樣點數(shù)為80點。偽隨機碼采用m序列，也可采用Gold序列。將偽隨機碼中每 5bit轉(zhuǎn)換為一個031的隨機整數(shù)，以控制跳頻載波的輸出頻率。由于假設(shè)接 收機偽隨機碼是理想同步的，且信道沒有時延，因此在模型中可直接用發(fā)送方的 偽隨機碼作為接收機恢復(fù)的偽隨機序列。Chanrgy w 二 卜 S3KIH5KEerncu ii砂orirEr? F,k*2; i.抽訓(xùn)宀-小nEraFii2; i. iKf.5臨皿5附 q鬧罡I.teJaEr=3i5=：:Lnva LFfSK第8頁共7頁圖1跳頻

8、擴頻傳輸系統(tǒng)的仿真模型OutlPWGtrwitoc4To StnplsOil to lrt9irPM Seq uen &Ffbtie SistusCsni&r5iDrBit to Intefler Converter圖2 PN序列發(fā)生子系統(tǒng)根據(jù)以上分析建立傳輸測試模型。二進(jìn)制信源數(shù)據(jù)采用Bernoulli BinaryGenerator產(chǎn)生，模塊中采樣時間設(shè)為 0.01& 然后用 M-FSK Modulator Baseband 模塊完成2FSK調(diào)制，其參數(shù)設(shè)置為：調(diào)制元數(shù)為 2,頻率間隔為100Hz，每個 符號的采樣點數(shù)為40,這樣調(diào)制輸出的將是采樣率為 4000次/s的信號。由PN 序列轉(zhuǎn)

9、換得到的0-31隨機整數(shù)由子系統(tǒng)Subsystem PN Sequenc產(chǎn)生，子系統(tǒng)中， PN序列模塊的采樣時間間隔設(shè)置為1/250s,并設(shè)置按幀輸出，每幀5個樣值（即 5個碼片），將幀格式轉(zhuǎn)換為基于取樣的信號后，用Bit to Integer Converter將每5 碼片轉(zhuǎn)換為一個隨機整數(shù)輸出，作為跳頻載波頻率點的控制信號。 輸出隨機整數(shù) 的速率是250/5=50個/s,等于跳頻速率。跳頻器采用 M-FSK Modulator Baseband1 完成，其設(shè)置參數(shù)是：調(diào)制元數(shù)32,輸入數(shù)據(jù)類型為整型，頻率間隔為50,每符號的采樣點數(shù)為80,這樣該模塊將輸出在32個頻點上跳頻速率為50次/s

10、的 偽隨機跳頻載波信號。它是復(fù)信號，采樣率與2FSK信息調(diào)制的輸出信號相同，為4000次/s。信息調(diào)制輸出和跳頻載波進(jìn)行相乘以實現(xiàn)跳頻擴頻。擴頻輸出經(jīng)過AWGN信道并加入一個150Hz的單頻正弦波作為干擾源。在接收端，本地跳頻載波是發(fā)送跳頻載波信號的共軛信號， 以相乘完成解跳 后，用M-FSK Demodulator Baseband完成2FSK信息解跳，其設(shè)置與信息調(diào)制器 對應(yīng)。與發(fā)送數(shù)據(jù)相比，解調(diào)輸出數(shù)據(jù)將會延遲一個碼元間隔時間（ 0.01s）。系 統(tǒng)中可對比觀察收發(fā)數(shù)據(jù)波形，測試誤碼率，并用頻譜儀觀測跳頻，信道傳輸以 及解跳，解調(diào)前后的信號頻譜，如圖 3-5。0幵瑕5二誹0圖3跳頻前信號頻譜圖4跳頻后信號頻譜圖5調(diào)制波形和解調(diào)波形設(shè)置AWGN信道的噪聲方差為1,單頻正弦波幅度為1,執(zhí)行仿真后則可得 到各關(guān)鍵傳輸點的信號頻譜?？梢钥吹?，2FSK信息調(diào)制輸出的頻譜頻率間隔為 100Hz,跳頻擴頻后的信號頻譜中存在 32個調(diào)頻頻點，間隔50Hz擴頻帶寬為 1600Hz。六、參考文獻(xiàn)1王玉德，王金新.基于MATLAB的跳頻擴頻通信系統(tǒng)的仿真研究J,通信 技術(shù)，2012年第 06期（43）: 21-232李德鑫，高憲軍.基于simulink的GMSK跳頻通信系統(tǒng)設(shè)計J，吉林大學(xué) 學(xué)報，2007 年第 2 期（25）: 3