寬帶噪聲下跳頻通信系統(tǒng)的仿真研究

寬帶噪聲下跳頻通信系統(tǒng)的仿真研究

0計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在軍事通信系統(tǒng)中的應(yīng)用頻帶延遲是一種經(jīng)典的無線通信技術(shù)，包括跳頻（fh）、直接序列擴(kuò)頻（sd）、跳時(shí)（th）及其混合擴(kuò)頻模式等。由于跳頻通信的抗截獲、抗干擾能力強(qiáng),保密性能好,在軍事抗干擾通信中得到了廣泛應(yīng)用,目前世界各國軍隊(duì)已普遍裝備各種跳頻電臺。因此,分析跳頻通信系統(tǒng),研究提高抗干擾能力的方法,對保障軍事通信的可靠性具有重要的應(yīng)用價(jià)值。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)由于其靈活高效及準(zhǔn)確的特點(diǎn)在通信研究中得到了廣泛應(yīng)用。本文借助計(jì)算機(jī)仿真工具M(jìn)atlab/Simulink對典型干擾下的基于跳頻擴(kuò)頻技術(shù)的仿真建模分析研究,為電子戰(zhàn)條件下抗干擾性能分析提供仿真評估條件。1通信內(nèi)容變的規(guī)律和干跳頻通信的工作原理是收發(fā)雙方傳輸信號的載波頻率按照預(yù)定規(guī)律進(jìn)行離散變化的通信方式,也就是說通信中使用的載波頻率受偽隨機(jī)變化碼的控制而隨機(jī)跳變。從時(shí)域上來看,跳頻信號是一個(gè)多頻頻移鍵控信號;從頻域上來看,跳頻信號的頻譜在寬頻帶上隨機(jī)跳變。與定頻通信相比,跳頻通信比較隱蔽,只要對方不清楚載頻跳變的規(guī)律,就很難截獲通信內(nèi)容。同時(shí),跳頻通信具有良好的抗干擾能力,即使有部分頻點(diǎn)被干擾,仍能在其他的頻點(diǎn)上進(jìn)行通信。由于跳頻通信系統(tǒng)是瞬時(shí)窄帶系統(tǒng),它易于與其他的窄帶通信系統(tǒng)兼容,有利于設(shè)備的更新。圖1,圖2是跳頻通信系統(tǒng)的原理圖。在發(fā)射端,被傳送的信息首先要經(jīng)過數(shù)據(jù)調(diào)制器的相應(yīng)調(diào)制,便獲得載波頻率固定的已調(diào)波信號,同時(shí),受PN碼的控制,頻率合成器輸出一個(gè)頻率跳變的正弦波載波信號,該信號與經(jīng)過數(shù)據(jù)調(diào)制后的信號進(jìn)行混頻,其輸出的已調(diào)波信號的載波頻率達(dá)到射頻通帶的要求,經(jīng)過高通濾波器后反饋至天線發(fā)射出去。從本質(zhì)上講,發(fā)射的信號就是載波頻率不斷變化的常規(guī)已調(diào)波信號。在接收端,收信機(jī)通常采用超外差接收機(jī),使接收到的信號比接收端頻率合成器的輸出信號低一個(gè)中頻,然后該接收信號與頻率合成器的輸出信號進(jìn)行混頻從而實(shí)現(xiàn)解擴(kuò),輸出一個(gè)固定中頻信號。之后經(jīng)中頻帶通濾波器濾波后,把不需要的干擾抑制掉,經(jīng)數(shù)據(jù)解調(diào)器把傳送的信息恢復(fù)出來,不同的是在接收端要進(jìn)行跳頻同步信息的截獲、跟蹤和保持。2系統(tǒng)模擬模型的構(gòu)建2.1matlab中的sim保險(xiǎn)Matlab最初是Mathworks公司推出的一種數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件,經(jīng)過多年的發(fā)展,開發(fā)了包括通信系統(tǒng)在內(nèi)的多個(gè)工具箱,從而成為目前科學(xué)研究和工程應(yīng)用最流行的軟件包之一。Simulink是Matlab中的一種可視化仿真工具,是實(shí)現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)集成環(huán)境,廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。它包括一個(gè)復(fù)雜的由接受器、信號源、線性和非線性組件以及連接件組成的模塊庫,用戶也可以根據(jù)需要定制或者創(chuàng)建自己的模塊。Simulink的主要特點(diǎn)在于使用戶可以通過簡單的鼠標(biāo)操作和拷貝等命令建立起直觀的系統(tǒng)框圖模型,用戶可以很隨意地改變模型中的參數(shù),并可以馬上看到改變參數(shù)后的結(jié)果,從而達(dá)到方便、快捷地建模和仿真的目的。2.2頻通信系統(tǒng)的仿真基于Matlab/Simulink所建立的跳頻擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真模型,能夠反映跳頻擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的動態(tài)工作過程,可進(jìn)行波形觀察、頻譜分析和性能分析等,同時(shí)能根據(jù)研究和設(shè)計(jì)的需要擴(kuò)展仿真模型,實(shí)現(xiàn)以跳頻擴(kuò)頻通信為基礎(chǔ)的現(xiàn)代通信的模擬仿真,為系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)提供強(qiáng)有力的平臺。圖3為基于Matlab/Simulink的跳頻擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真模型。2.3主要模塊設(shè)計(jì)(1)數(shù)字信號輸出為了簡化仿真過程,假定信源產(chǎn)生的信號已經(jīng)過了采樣、量化及編碼,輸出為一組獨(dú)立等概的二進(jìn)制數(shù)字信號,從而滿足跳頻擴(kuò)頻通信系統(tǒng)所需信源的要求。(2)跳頻序列使用PN序列產(chǎn)生器模塊作為偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器,由m序列產(chǎn)生,具有相關(guān)性好,序列數(shù)目多,復(fù)雜性大的特點(diǎn),適合作為跳頻序列使用。信源產(chǎn)生的二進(jìn)制信號經(jīng)過調(diào)制以后與由偽隨機(jī)序列產(chǎn)生的跳頻載波相乘完成跳頻。在解跳模塊里,包含人為干擾分量的信號與來自跳頻信號發(fā)生器產(chǎn)生的跳頻信號的共軛相乘,完成解跳。(3)宗教傳輸信道為加性高斯白噪聲信道。在加性高斯白噪聲信道模塊中,可進(jìn)行信號功率和信噪比的設(shè)置。(4)調(diào)解和調(diào)解使用二相相移鍵控PSK方式進(jìn)行調(diào)制、解調(diào)。(5)頻率跟蹤式干擾對于跳頻通信系統(tǒng)典型的人為干擾有:寬帶噪聲干擾,部分頻帶噪聲干擾,多頻干擾,頻率跟蹤式干擾。在干擾環(huán)境中,人為干擾J?N0(信道噪聲),故可忽略信道白噪聲的影響,本文主要對所設(shè)計(jì)跳頻通信仿真系統(tǒng)在寬帶噪聲干擾工作機(jī)制下進(jìn)行仿真,GaussianNoiseGenerator模塊用來產(chǎn)生寬帶干擾。(6)傳輸系統(tǒng)誤碼率驗(yàn)證誤碼計(jì)算由誤碼儀實(shí)現(xiàn),誤碼儀在通信系統(tǒng)中的主要任務(wù)是評估傳輸系統(tǒng)的誤碼率,它具有兩個(gè)輸入端口:第一個(gè)端口(Tx)接收發(fā)送方的輸入信號,第二個(gè)端口(Rx)接收接收方的輸入信號。3擴(kuò)展跳頻通信抗寬帶噪聲干擾應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真工具M(jìn)atlab/Simulink搭建跳頻通信系統(tǒng)仿真模型,仿真中跳頻通信系統(tǒng)采用2PSK調(diào)制方式,輸入信號幅度為1,跳頻頻點(diǎn)數(shù)為128個(gè),跳頻速率為1600跳/s,在高斯信道中加寬帶噪聲干擾時(shí),可得到該系統(tǒng)在寬帶干擾下的誤碼性能,其仿真結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看到,跳頻通信系統(tǒng)抗寬帶噪聲干擾的能力比常規(guī)的2PSK通信系統(tǒng)有了明顯的提高。要達(dá)到相同的干擾效果,即干擾所致的誤碼率相同,跳頻通信系統(tǒng)要求的信噪比比常規(guī)2PSK通信系統(tǒng)低大約16dB。因此跳頻通信系統(tǒng)能夠很好地抑制人為干擾,相比之下,由于常規(guī)2PSK信號屬于定頻通信,一旦出現(xiàn)同頻率干擾,則整個(gè)通信無法進(jìn)行。擴(kuò)展跳頻帶寬是提高跳頻通信抗寬帶噪聲干擾的有效手段。跳頻帶寬展寬,敵方干擾頻帶要相應(yīng)增加,同時(shí)在保持干擾功率譜密度不變的條件下總的干擾功率也要相應(yīng)提高,而跳頻通信的功率并不需要增加。因此,跳頻通信擴(kuò)展跳頻帶寬,能夠使干擾方的寬帶噪聲干擾設(shè)備付出展寬干擾頻帶、提高干擾功率的雙份代價(jià),使干擾設(shè)備復(fù)雜化和體積、重量、能源供給的增加,使干擾方在技術(shù)、戰(zhàn)術(shù)使用上產(chǎn)生更大困難和限制。還可以采用以下兩種方法來降低跳頻信號的被截獲概率,使干擾方無法及時(shí)找到干擾目標(biāo),從而有效提高跳頻通信的抗干擾能力。方法一是隨機(jī)變速跳頻,包括駐留時(shí)間的隨機(jī)變化和換頻時(shí)間在一定范圍內(nèi)的隨機(jī)變化,變速跳頻使跳頻信號的時(shí)域、頻域特征近似于隨機(jī)噪聲,從而使干擾方無法及時(shí)截獲、識別和實(shí)施干擾;方法二是采用自適應(yīng)功率控制技術(shù),即在滿足正常通信的條件下,調(diào)整各頻率點(diǎn)的發(fā)射功率保持在最低水平上,使跳頻信號的頻域特征淹沒在噪聲內(nèi),從而使干擾方難以發(fā)現(xiàn)目標(biāo)來實(shí)施干擾。4仿真模型建立擴(kuò)頻通信以其較強(qiáng)的抗干擾、抗衰落、抗多徑性能而成為第三代通信的核心技術(shù),本文闡述了跳頻擴(kuò)頻通信的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法,利用Matlab提供的可視化工具箱Simulink建立了