跳频扩频通信系统的设计及simulink仿真

通信仿真技术实验报告
一、 实验项目名称：跳频扩频通信系统的设计及simulink 仿真
二、有关扩频系统的背景介绍
扩展频谱（Spread Spectrum ，SS ）通信系统广泛应用于军事通信、移动通信、雷达、导航、测距、定位等领域。

它利用频谱扩展技术将需要发送的信息信号扩展到一个很宽的频带上，使射频带宽比信息带宽宽得多，然后再发送出去。

在接收端则通常通过相干解扩将信号重构出来。

这种通信系统以占用比原始信号带宽宽得多的射频带宽为代价，来获得更强的抗干扰能力和更高的频谱利用率。

在通信系统中采用扩频技术有许多优点：比如具有较强的抗干扰能力；具有较强的隐蔽性和抗测向、抗侦察能力；具有优良的多址接入能力，是码分多址的关键技术；具有很强的抗频率选择性衰落的能力；抗多径干扰；可进行高分辨率的测向、定位等等。

按照扩频方式的不同，扩频通信系统主要可分为：直接序列扩展频谱系统（Direct Sequence Spread Spectrum ，DSSS ）跳频系统（Frequency Hopping ，FH ）跳时系统（Time Hopping ，TH ）。

跳频是扩频的另外一种方式。

在跳频系统中，调制载波频率受伪随机码的控制，不断地以伪随机规律跳变，以躲避点干扰和窄频干扰。

跳频系统可以看成是载波频率按照指定的伪随机规则跳变的多元频移键控（M-FSK ）系统。

根据跳频速率（h R 跳/s ）与传输信息速率（a R bps ）之间的关系，可以将跳频系统分为慢跳频系统和快跳频系统：若（h a R R ），则为快跳频，反之为慢跳频。

三、实验目的：本实验的目的是通过搭建跳频扩频系统的模型，了解跳频扩频通信系统的原理，并掌握simulink 的操作使用方法。

四、实验内容
跳频系统是一种瞬时窄带系统。

在接收机端，本地恢复载波也受伪随机码的控制，并保持与发送的跳频变化规律一致，这样，以频率跳变的本地恢复载波对接收信号进行变频（相乘）后，就能得到解扩（解跳频）信号，然后对解扩后的信号再进行相应的解调即可恢复数据。

由于跳频系统中载频不断改变，在接收机中跟踪载波相位较为困难，所以跳频系统中一般不采用需要相干方式解调的调制方式，如PSK 等，而是采用一些可非相干解调的调制方式，最常用的是FSK 调制。

设数据流波形为a(t),数据速率为a R ，其取值为双极性的（±1），进行FSK 调制（频偏设为f ∆）后输出信号的等效低通信号为b(t),有
f t a j e t b ∆=)(2)(π
设伪随机序列控制下的瞬时频率取值为f(t),随着时间改变，f(t)取值在频率点i f ，i=1,.......N 上改变。

跳频载波信号的等效低通信号为c(t)设为：
)(2)(t f j e t c π=
跳频就是以跳频载波对数据调制信号的频率搬移过程，跳频输出的等效低通信号d(t)是：
))()((2)()()(t f f t a j e t c t b t d +∆=⋅=π
在接收端，以同步PN 码控制的频率伪随机变化的载波（其等效低通信号为发送载波c(t)的共轭信号*()c t ）和接收信号混频（相乘）进行解跳频，得到解扩输出信号^
()b t 为 )())()()(()(*t c t J t n t d t b ⨯++=
)())()(()()(**t c t J t n t c t d ⨯++⨯=
)(2)(2))()((2))()((t f j t f j t f f t a j e t J t n e e πππ--+∆⨯++⨯= )
(2))((2))()((t f j f t a j e t J t n e ππ-∆⨯++=
其中，n （t ）和J （t ）分别表示噪声和干扰信号，并且*()()1c t c t =，以同步
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跳变的本地恢复载波对接收信号混频后，就得到了解调后的窄带信号b （t ）和宽带的噪声以及干扰信号。

同样，以窄带滤波器即可滤除大部分噪声和干扰，达到抗干扰的目的。

五、实验记录以及结果分析
设数据速率为100bps ，数据调制采用2FSK 方式，频率间隔为100Hz 。

跳频频点为32个，调频频率间隔为50Hz ，调频速率为50跳/S 。

设以伪随机整数控制跳频的载频，接收机中解跳所用的本地恢复载波理想地跟踪了发送载波频率变化。

新到设为AWGN 信道。

该系统属于一个慢跳频扩频系统。

跳频输出信号带宽约为50321600⨯=Hz ，其等效低通信号频率变化范围为-800——800Hz 。

为了使仿真观测范围达到
-2000——2000Hz ，信号采样率应设置为4000次/s ，所以每一个传输数据码元的仿真采样点数为40点。

跳频速率为50跳/s ，故每跳持续时间为0.02s ，对应的采样点数为80点。

伪随机码采用m 序列，也可采用Gold 序列。

将伪随机码中每5bit 转换为一个0——31的随机整数，以控制跳频载波的输出频率。

由于假设接收机伪随机码是理想同步的，且信道没有时延，因此在模型中可直接用发送方的伪随机码作为接收机恢复的伪随机序列。

图1 跳频扩频传输系统的仿真模型
图2 PN序列发生子系统
根据以上分析建立传输测试模型。

二进制信源数据采用Bernoulli Binary Generator产生，模块中采样时间设为0.01s。

然后用M-FSK Modulator Baseband 模块完成2FSK调制，其参数设置为：调制元数为2，频率间隔为100Hz，每个符号的采样点数为40，这样调制输出的将是采样率为4000次/s的信号。

由PN 序列转换得到的0-31随机整数由子系统Subsystem PN Sequence产生，子系统中，PN序列模块的采样时间间隔设置为1/250s，并设置按帧输出，每帧5个样值（即5个码片），将帧格式转换为基于取样的信号后，用Bit to Integer Converter将每5码片转换为一个随机整数输出，作为跳频载波频率点的控制信号。

输出随机整数的速率是250/5=50个/s，等于跳频速率。

跳频器采用M-FSK Modulator Baseband1完成，其设置参数是：调制元数32，输入数据类型为整型，频率间隔为50，每符号的采样点数为80，这样该模块将输出在32个频点上跳频速率为50次/s的伪随机跳频载波信号。

它是复信号，采样率与2FSK信息调制的输出信号相同，为4000次/s。

信息调制输出和跳频载波进行相乘以实现跳频扩频。

扩频输出经过AWGN信道并加入一个150Hz的单频正弦波作为干扰源。

在接收端，本地跳频载波是发送跳频载波信号的共轭信号，以相乘完成解跳后，用M-FSK Demodulator Baseband完成2FSK信息解跳，其设置与信息调制器对应。

与发送数据相比，解调输出数据将会延迟一个码元间隔时间（0.01s）。

系统中可对比观察收发数据波形，测试误码率，并用频谱仪观测跳频，信道传输以及解跳，解调前后的信号频谱，如图3-5。

通信仿真技术实验报告图3跳频前信号频谱
图4 跳频后信号频谱
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图5调制波形和解调波形
设置AWGN信道的噪声方差为1，单频正弦波幅度为1，执行仿真后则可得到各关键传输点的信号频谱。

可以看到，2FSK信息调制输出的频谱频率间隔为100Hz，跳频扩频后的信号频谱中存在32个调频频点，间隔50Hz扩频带宽为1600Hz。

六、参考文献
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[6]樊昌信.通信原理[M]。

北京：国防工业出版社，2004。