超短波跳頻通信仿真與抗干擾性能分析

潘中彬，李 利

（1.海軍大連艦艇學(xué)院 二大隊學(xué)員八隊，遼寧 大連 116018；2.海軍大連艦艇學(xué)院 信息系統(tǒng)系，遼寧 大連 116018）

超短波跳頻通信綜合了超短波通信與跳頻通信的優(yōu)點，是具有抗干擾能力的一種視距通信方式。論文將介紹其基本原理并進行仿真，分析其抗干擾能力，并提出改進建議。

1 超短波跳頻通信的理論基礎(chǔ)

超短波通信是利用在米波波段的信號進行通信的，又被稱為甚高頻通信[1-2]。它具有通信頻帶寬、通信容量大、可以復(fù)用頻率、傳播距離近、易受地形影響的特點。跳頻通信是用偽隨機碼來控制通信頻率使其進行近似隨機的跳變的通信過程，具有較強的抗干擾能力。

1.1 跳頻通信系統(tǒng)模型

跳頻通信系統(tǒng)一般由時鐘信號、偽隨機碼產(chǎn)生器、頻率合成器、跳頻解調(diào)器和信息解調(diào)器等部件組成[3]，如圖1所示。

圖1 典型跳頻通信系統(tǒng)組成

時鐘信號主要用來使系統(tǒng)同步；偽隨機碼產(chǎn)生器用來根據(jù)時鐘變化產(chǎn)生偽隨機碼信號；信息調(diào)制器、跳頻解調(diào)器、信息解調(diào)器主要用來實現(xiàn)信息的調(diào)制與解調(diào)；頻率合成器對產(chǎn)生的偽隨機碼轉(zhuǎn)換生成特定頻率的信號。由于跳頻通信對時鐘同步的要求比較高，因此，在跳頻通信系統(tǒng)中，一般采用FSK、ASK調(diào)制方式。

1.2 典型跳頻序列

m序列、M序列、Gold序列是典型的3種跳頻序列。

m序列是非常重要的一種偽隨機碼序列。它是基于移位寄存器和線性反饋方式產(chǎn)生的具有周期的偽隨機序列。在n級二進制位移寄存器中，理論上可以產(chǎn)生最大長度為2n-1的偽隨機碼。

M序列與m序列類似，它也是由移位寄存器和反饋組成的，只是反饋變?yōu)榱朔蔷€性反饋。由于它的反饋邏輯是非線性的，其中有更加復(fù)雜的運算邏輯，所以它最大的優(yōu)勢就是產(chǎn)生的序列數(shù)量大[4]。

Gold序列是從m序列中改進而來的，它是由一對特定的m序列（優(yōu)選m序列）進行模二相加得到的。它的產(chǎn)生結(jié)構(gòu)較為簡單，也是非常常見的一種偽隨機碼，并且具備優(yōu)異的自相關(guān)和互相關(guān)特性。

2 典型干擾方式

跳頻通信的主要目的是抗干擾，跳頻通信系統(tǒng)遭受的典型干擾主要有噪聲干擾、音調(diào)干擾等。

2.1 噪聲干擾

噪聲干擾從頻域范圍內(nèi)能夠劃分為3種：全頻帶噪聲干擾、部分頻帶噪聲干擾和窄帶噪聲干擾。

全頻帶噪聲干擾是指使用寬帶噪聲，對通信信號覆蓋的所有頻帶范圍進行干擾，它又被叫作阻攔式干擾。這種干擾方式對整個通信頻率范圍都能夠產(chǎn)生較好效果。

部分頻帶噪聲干擾是針對接收機的多個頻率范圍施加的噪聲干擾，它可以對通信系統(tǒng)中的部分頻段進行干擾，這種干擾方式會遺漏部分頻率范圍，通信方可以利用未被干擾的頻率進行通信來減小影響[4]。

窄帶噪聲干擾是針對特定頻率進行的噪聲干擾，它只能干擾單一頻率及該頻率附近的頻帶上的信號，因此干擾效果一般。

2.2 音調(diào)干擾

音調(diào)干擾可以從干擾頻率的數(shù)量上劃分，主要有單音干擾、多音干擾和線性掃頻干擾[5]。

單音干擾是使用單頻信號對通信系統(tǒng)進行干擾的方式，它只能干擾特定頻率。它的干擾信號是頻率固定的連續(xù)波s（t）：

從單音干擾中發(fā)展而來的多音干擾，是由多個單音干擾信號合成的干擾模式，具有同時對多個頻率進行單音干擾的能力。它的干擾信號s（t）表達式為：

干擾信號的干擾頻率隨時間不斷線性變化的就稱為線性掃頻干擾，它的瞬時干擾與單音干擾類似，掃頻干擾利用一個相對較窄的窄帶信號在一定周期內(nèi)重復(fù)掃描某個干擾頻帶，信號s（t）表達式為[6]：

3 仿真模型及抗干擾性能分析

3.1 跳頻通信系統(tǒng)仿真模型

由于Simulink仿真中，跳頻的同步可以嚴格實現(xiàn)，所以，此次仿真采用2FSK調(diào)制方式和相關(guān)解調(diào)的解調(diào)方式。仿真主要由信號產(chǎn)生部分、信號調(diào)制部分、跳頻部分、信號傳輸部分、信號接收部分、信號解調(diào)部分和誤碼率計算部分組成，并包含了3個子系統(tǒng)[7]，如圖2所示。

圖2 基于Simulink的跳頻通信系統(tǒng)仿真圖

2FSK調(diào)制子系統(tǒng)是用來完成數(shù)字信號的2FSK調(diào)制，主要由兩個信號源和一個轉(zhuǎn)換開關(guān)組成。若輸入信號為1，轉(zhuǎn)換開關(guān)接通上支路，輸出頻率為f1的信號；反之，輸出頻率f2的信號。這樣就完成了該模型中信號的2FSK調(diào)制。

跳頻子系統(tǒng)是本模型的關(guān)鍵，該模塊由偽隨機序列產(chǎn)生器、緩存器、整數(shù)變換器、解緩存器、零階采樣保持電路和壓控振蕩器組成，如圖3所示。

圖3 跳頻子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2FSK解調(diào)子系統(tǒng)是由兩個帶通濾波器、兩個低通濾波器、兩個信號發(fā)生器、一個減法器以及一個判決模塊組成，如圖4所示。兩個帶通濾波器分別將頻率為f1、f2的信號濾出，然后讓其分別與調(diào)制時的原始信號相乘，進行相干解調(diào)，隨后將基帶信號用低通濾波器濾出，判別器采用大小對比法，當上支路信號幅度大于下支路信號幅度時，判別為1，反之，判別為0。

圖4 2FSK解調(diào)模塊結(jié)構(gòu)圖

3.2 仿真結(jié)果及分析

隨機整數(shù)發(fā)生器的模設(shè)為2、采樣周期設(shè)為0.1 s，即可每0.1 s產(chǎn)生一個隨機的二進制信號，調(diào)制子系統(tǒng)中上支路信號的頻率設(shè)置為20 Hz，幅度為3，下支路信號的頻率設(shè)置為40 Hz，幅度為3，用以完成2FSK調(diào)制。

在跳頻子系統(tǒng)中，偽隨機碼持續(xù)時間設(shè)為0.05 s，寄存器設(shè)置為5位，即每5位隨機碼整合為一個整數(shù)，就產(chǎn)生了范圍在0~31之間的隨機整數(shù)，即本次仿真采用的跳頻速率為4跳/s。由于常用的超短波通信頻段在100 MHz以下，設(shè)置壓控振蕩器的中心頻率為40 MHz，靈敏度為1 MHz，幅度為3，這樣產(chǎn)生的跳頻載波頻率在40~72 MHz之間，頻帶間隔1 MHz，用以仿真超短波跳頻通信。

跳頻信號在經(jīng)過信道時被疊加上有限帶寬白噪聲，以模擬通信的時候信道中的噪聲，經(jīng)過2FSK解調(diào)，如圖5所示，可以看出，輸出的波形與原始波形比較吻合，信號誤碼率計算單元顯示出了此通信系統(tǒng)的誤碼率為0.0099，能夠達成可靠的通信。

圖5 原始信號（上）與解調(diào)信號（下）

3.3 噪聲干擾仿真分析

接下來利用Simulink仿真了前文提到的全頻帶噪聲干擾和單音干擾下的通信情況，用以論證跳頻通信系統(tǒng)對不同干擾模式的對抗性能。

全頻帶噪聲干擾可以直接利用AWGN Channel模塊產(chǎn)生寬帶高斯白噪聲，設(shè)置為信噪比模式，來表示對全頻帶高功率的壓制性干擾，將該模塊直接鏈接到跳頻通信系統(tǒng)仿真模型中，設(shè)置AWGN信噪比為-15 dB時，如圖6所示，得到全頻帶干擾下的跳頻通信波形與誤碼率[8]。

圖6 全頻帶干擾原始信號（上）與解調(diào)信號（下）波形

可以看到波形發(fā)生較多錯誤，此時顯示器顯示，誤碼率達到了0.1089，明顯比普通白噪聲下的誤碼率提高。此時，這種干擾使整個系統(tǒng)發(fā)生了較多錯誤，甚至可以使通信中斷。

單音噪聲干擾可以直接利用信號發(fā)生器模塊產(chǎn)生單頻信號，將該模塊添加到跳頻通信系統(tǒng)仿真模型中的信道部分，設(shè)置為正弦波形，幅度為3，頻率50 MHz，如圖7所示，得到單音干擾下的跳頻通信波形與誤碼率。

圖7 單音干擾下原始信號（上）與解調(diào)信號（下）

可以看到波形并未發(fā)生明顯的變化，此時誤碼儀顯示，誤碼率為0.0297，與普通白噪聲下的誤碼率相比提高不明顯。此時，這種干擾并未使系統(tǒng)發(fā)生較多錯誤，不會造成通信中斷。

以上的仿真進一步驗證了前文提到的跳頻通信抗干擾能力，且干擾信號的頻帶范圍越寬、功率越高時，對跳頻通信系統(tǒng)產(chǎn)生的影響越大。因此，應(yīng)對跳頻通信系統(tǒng)時，應(yīng)當盡可能提高干擾信號的頻帶范圍，盡量做到全頻帶高功率壓制性干擾。

3.4 模型分析與改進

本模型基本實現(xiàn)了對跳頻系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的模擬，和對相關(guān)性能指標測算的過程，同時在仿真時添加了信道中的噪聲與干擾，具有一定的普適性；但忽視了現(xiàn)實條件下跳頻模塊難以同步的難點，使跳頻序列同步過于理想化，在考慮信道中的噪聲和干擾時，只考慮了最簡單的情況，模型較理想化。

在接下來模型的改進上，可以進一步提高干擾信號的復(fù)雜性，也可以再添加時鐘模塊，模擬系統(tǒng)的同步過程；同時應(yīng)當增加其他的衡量系統(tǒng)性能的方式，使結(jié)果更加嚴謹。

4 結(jié)束語

隨著技術(shù)的發(fā)展進步，許多新興的跳頻通信改進技術(shù)隨之出現(xiàn)了，如快速跳頻通信技術(shù)、跳頻通信組網(wǎng)技術(shù)、自適應(yīng)跳頻通信技術(shù)等。同時超短波跳頻通信技術(shù)在軍事應(yīng)用中逐漸發(fā)揮出巨大的效能，使得對于超短波跳頻技術(shù)的研究也逐步深入。

論文介紹了超短波跳頻通信的基本原理并進行了模型仿真，簡要分析了超短波跳頻通信系統(tǒng)的抗干擾能力，進一步論證了其抗干擾性能，對超短波跳頻通信的應(yīng)用與發(fā)展具有參考價值。