【正文】 3G 設計的目標主要是支持多媒體業(yè)務的高速數(shù)據(jù)傳輸，因此其研究主要集中在新標準和新硬件的開發(fā)。因此 CDMA 技術(shù)成為目前擴頻技術(shù)中研究最多的對象。對 FHSS 系統(tǒng)的分析，現(xiàn)在仍集中在其對抗各種干擾的性能方面，如對抗部分邊帶干擾以及多頻干擾等。近年來，隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)、微 處理器技術(shù)的飛速發(fā)展，以及一些新型元器件的應用，擴頻通信在技術(shù)上已邁上了一個新的臺階，不僅在軍事通信中占有重要地位，而且正迅速地滲透到了個人通信和計算機通信等民用領域，成為新世紀最有潛力的通信技術(shù)之一。 本文介紹了 FHSS 系統(tǒng)的基本工作過程，并利用 MATLAB 中 的仿真系統(tǒng)實 現(xiàn) FHSS系統(tǒng)的仿真并能直觀地顯示 FHSS 通信過程，其中涉及到 PN 碼，頻率合成器， BPSK 調(diào)制解調(diào)等仿真系統(tǒng)。還介紹了系統(tǒng)設計方法與運行結(jié)果 ,通過仿真結(jié)果能直觀地觀察到FHSS 通信系統(tǒng)的性能 ,有利于研究 FHSS 通信系統(tǒng)。因此研究擴頻通信具有很深遠的意義，本人通過畢業(yè)論文設計，進行深入地研究擴頻通信技術(shù)及對它進行仿真應用，將所學的知識進行歸納與總結(jié)，從而鞏固通信專業(yè)基礎知識，為以后的個人學習和工 作打下基礎。而直擴系統(tǒng)，即 DSCDMA[3]系統(tǒng)，在移動通信系統(tǒng)中的應用則成為擴頻技術(shù)的主流。 從擴頻技術(shù)的歷史可以看出，每一次技術(shù)上的大發(fā)展都是由巨大的需求驅(qū)動的。而對于 3G 以后的發(fā)展，不同的研究者有不同的觀點。 UWB 作為一種短距離通信技術(shù)在未來無 線通信系統(tǒng) [4]的實 現(xiàn)中扮演著重要的角色。FHSS 系統(tǒng)的跳變頻率有多個，多達幾十各甚至上千個。也就是說 ，用擴頻碼序列去 進行頻移鍵控調(diào)制，使載波頻率不斷地跳變，所以稱為 FHSS。發(fā)端信息碼序列與擴頻碼序列組合以后按照不同的碼字去控制頻率合成器。 由于載波頻率是跳變的，具有抗單頻及部分帶寬干擾的能力。條件是跳變的頻率間隔具要大于相關帶寬。另外， FHSS 系統(tǒng)對模擬信源和數(shù)字信源均適用。 FHSS 系統(tǒng)也有其缺點和局限： 信號的隱蔽性差。 FHSS 系統(tǒng)抗多頻干擾及跟蹤式干擾能力有限。產(chǎn)生寬的跳頻帶寬、快的跳頻 速率、偽隨機性 [5]好的跳頻圖案的跳頻器在制作上遇到很多困難，且有些指標是相互制約的。但是它不是將 PN 碼調(diào)制到 RF載波上，而是用這個 PN 碼確定離散頻率的次序。對 FHSS 系統(tǒng)來說，抗干擾技術(shù)是 FHSS 通信系統(tǒng)中的關鍵技術(shù)。 第 2章 對擴頻通信進行介紹，其中主要介紹了擴頻通信的理論基礎， 擴頻通信方式以及隨機序列碼。 太原科技大學華科學院畢業(yè)設計（論文） 5 第 2 章 擴頻通信 擴頻通信 擴頻通信的定義 擴頻通信，即擴展頻譜通信技術(shù) （ Spread Spectrum Communication） ，它的基本特點是其傳輸信息所用信號的帶寬遠大于信息本身的帶寬。 這個信號經(jīng)過天線發(fā)射出去后在接收點接收，接收機收到此信號經(jīng)解調(diào)、濾波得到擴頻信號。通常的調(diào)制技術(shù)都是在加性高斯白噪聲信道中爭取達到更好的功率效率或帶寬效率。同時也表明，在信道容量 C 一定時，頻帶寬度 W 和信噪比 S/N 之間可以彼此互換。把此式適當改變一下就可以很容易看出其含義。 總之 ，擴頻通信是用寬的帶寬 W 來換取低的 NS 或 S ，或者說用寬的帶換取低的誤碼率，提高通信的抗干擾能力和增加通信的隱蔽性。一次調(diào)制為信息調(diào)制，二次調(diào)制為擴頻調(diào)制，三次調(diào)制為射頻調(diào)制。直接序列擴頻的頻譜擴 展和解擴過程 在圖上我們可以看出： 太原科技大學華科學院畢業(yè)設計（論文） 7 圖 擴頻信號的解擴過程 在發(fā)端，信息碼經(jīng)碼率較高的 PN 碼調(diào)制以后，頻譜被擴展了。 頻率跳變（ FH） 頻率跳變調(diào)制 (Frequency Hopping, FH)用較低比特率的偽隨機序列的指令去控制載波的中心頻率，離散的在一個給定的頻帶內(nèi)跳變，形成一個寬帶的離散頻率譜 。首先把時間軸分成許多時片。前者叫二元序列，后者叫 q 元序列。 序列的各元素為相互獨立且具有相同分布的隨機變量時，稱為隨機序列。實際上有時將大體滿足以上條件的序列也稱為偽隨機序列。 圖 序列發(fā)生器原理圖 對于線性移位寄存器序列有 inininin acacaca 12110 ?????? ???? ? (i＝ 0,1,? ) （ 24） 它當初始值 110 , ?naaa ? 全為零時輸出恒為零。 M 序列完全滿足偽隨機序列的三點要求，特別是它的相關函數(shù)為 ?????????? ??220)]12( m od0[)]12( m od0[12 1{)(n nnni iiaaR???? (25) 因而是典型的偽隨機序列。 利用以上原理，我們要產(chǎn)生一個偽隨機序列 [8]直 接去控制頻率合成器合成載頻頻率。 太原科技大學華科學院畢業(yè)設計（論文） 11 第 3 章 FHSS 通信系統(tǒng)原理 FHSS 通信的概述 定頻通信 [9]系統(tǒng)容易暴露目標且易于被截獲，這時，采用 FHSS 通信就比較隱蔽也難以被截獲。所以在現(xiàn)代通信中 FHSS 通信已顯示出巨大的優(yōu)越性。 在發(fā)送端，被傳送的信號經(jīng)過調(diào)制器的相應調(diào)制，便獲得載波頻率固定的已調(diào)波信號，再與頻率合成器輸出的主載波頻率信號進行混頻，其輸出的已調(diào)波信號的載波頻率達到射頻通帶的要求，經(jīng)過高通濾波器后反饋至天線發(fā)射出去。 收信機通常采用超外差式接收機，使接收到的信號比接收端頻率合成器的輸出信號低一個中頻，然后該接收信號與頻率合成器的輸出信號進行混頻從而實現(xiàn)解擴，輸出一個固定中頻信號。用覆蓋系數(shù) k=max/min 表示（ k 又稱之為波段系數(shù)）。兩個相鄰頻率之間的最小間隔 ,就是頻率間隔。對超短波通信來說 ,頻率間隔多取 50kHz、 25kHz 等。頻率準確度是指頻率合成器工作頻率偏離規(guī)定頻率的數(shù)值 ,即頻率誤差。 FHSS 通信系統(tǒng)工作原理 FHSS 通信系統(tǒng)數(shù)學模型 FHSS 通信是擴展頻譜通信的一個分支，是一個“多頻、選碼、頻移鍵控”系統(tǒng)，即用偽碼序列構(gòu)成跳頻指令來控制頻率合成器，并在多個頻率中進行選擇的頻移鍵控。接收機中的頻率合成器也按相同的順序跳變，產(chǎn)生一個本振頻率，經(jīng)混 頻后，送到解調(diào)器解調(diào)出傳送的信息。 式（ 34）中 TntnT )1( ??? 的每次跳變使混頻器輸出一個固定中頻，經(jīng)中頻濾波器后得到有用信號分量為 : )c o s ()(21)( 1112 ?? ?? ttmts （ 35） 將式 (35)中的 信號 送入解調(diào)器中 ，即可解調(diào)出信 息 )(t? 。 通常我們希望頻率跳變的規(guī)律不被另一方所識破，所以需要隨機地改變以至無規(guī)律可循才好。所謂“偽隨機”，就是“假”的隨機，其實是有 規(guī)律性可循的，但當另一方不知跳頻圖案時，就很難猜出其跳頻的規(guī)律來。也可將這個時頻域看作一個棋盤，橫軸上的時間段與縱軸上的頻率段構(gòu)成了棋盤格子。 圖 (b)所 示則是一慢跳頻圖案，它是在一個跳頻駐留時間內(nèi)傳送多個 (此處 3個 )碼位 (比特 )的信息。 圖 發(fā)射接收跳頻圖 其中 t 表示時間， s 表示空間， f 表示頻率。另一方若想于擾 FHSS 通信，有幾種策略可供選擇，舉其二為例說明： 干擾方式 1，在某一個頻率上施放長時間的大功率的干擾，即單頻干擾。 圖 給出了方式 1 和方式 2 的干擾策略與跳頻圖案的關系。 跳頻圖案的不同，其干擾的效果也不盡相同。跟蹤式干擾的有效干擾是有條件的，這個條件除功率因素外，還應當滿足干擾橢圓的要求，如圖 所示。根據(jù)收、發(fā)信機的距離 d1，干擾機與發(fā)、收信機的距離 d2 和 d3，以及跳頻駐留時間和干擾機施放干擾的處理時間，可以得到以發(fā)射機和接收機為兩個焦點的橢圓。跳頻帶寬的大小，與抗部分頻帶的干擾能力有關。在一般的跳頻電臺中，跳頻的頻率數(shù)目不超過 100個 。在甚高頻電臺中，一般跳速在 500 跳／秒。因此，希望同步建立的過程越短越好，越隱蔽越好。 FHSS 擴展頻譜在機理上與直接序列擴展頻譜大不相同。 圖 頻率跳變 圖中箭頭所標示的，是載波頻率跳變的過程。如果給現(xiàn)有的窄帶通信系統(tǒng)加裝上能使其載波頻率按照某種跳頻圖案跳變并能實現(xiàn)同步接收的裝置，則可改造成為 FHSS 通信系統(tǒng)。 圖 多種干擾 利用跳頻圖案的不同，可以在一個寬的頻帶內(nèi)容納多個跳頻通信相同同時工作，達到頻譜資源共享目的，從而可以提高頻譜的有效利用率。由于時鐘漂移、收發(fā)信機之間的距離變化，在時間上有差異 。跳頻同步主要有以下幾種方法 : 精確時鐘定時法 由于產(chǎn)生跳變頻率的方法是一樣的，所用的偽隨機碼是一樣的。收端根據(jù)同步字頭的特點，可以從接收到的 FHSS 信號中將它識別出來，作為調(diào)整本地時鐘或偽隨機碼發(fā)生器的依據(jù)，從而使收發(fā)雙方同步。 這種方法是利用發(fā)端發(fā)送的數(shù)字信息序列中隱含的同步信息，在接收端將其提取出來從而獲得同步信息實現(xiàn)跳頻。 同步字頭法，發(fā)端需發(fā)送含有同步信息的碼字，收端解碼后，依據(jù)同步信息使收端本地跳頻器與發(fā)端同步。 圖 同步幀的結(jié)構(gòu) 自同 步法，數(shù)字 FHSS 系統(tǒng)中，根據(jù)需要也可采用不同方法的組合。 太原科技大學華科學院畢業(yè)設計（論文） 21 圖 圖中，接收端在頻率 f6 上等待接收跳頻信號；發(fā)送端發(fā)送的跳頻信號的載波頻率依次在f f f f f f6 … 上跳變。 仿真算法：找到合適的仿真 算法。 仿真計算：根據(jù)初步的仿真結(jié)果對該數(shù)學模型進行驗證。 FHSS 通信系統(tǒng)仿真模型 信息序列經(jīng)過調(diào)制器的 BPSK 調(diào)制，便獲得載波頻率固定的已調(diào) BPSK 信號，再與頻率合成器輸出的跳變頻率的信號進行混頻，其輸出的 FHSS 信號的載波頻率達到射頻通帶的要求，經(jīng)過高通濾波器后反饋至天線發(fā)射出去。 在接收信號時收信機通常采用超外差式接收機，使接收到的信號比接收端頻 率合成器的輸出信號低一個中頻，然后該接收信號與頻率合成器的輸出信號進行混頻從而實現(xiàn)解擴，輸出一個固定中頻信號。分別是原始信息序列，是一個幅度2V 的方波信號。 從圖中可以顯著的看到 FHSS 信號在隨機的改變其載頻的頻率，無法去預測下一跳的具體載頻頻率，從而保證了通信的保密性和抗干擾性等性能 。信號在信道中傳播之后就帶有了很多雜波和干擾信號，但在 FHSS 的同步系統(tǒng)中只有一個可以同步解擴的信號分量。 太原科技大學華科學院畢業(yè)設計（論文） 27 設計總結(jié) 通過本次 FHSS 通信系統(tǒng) 仿真設計 我又學到了不少的知識和技能：第一，學會了使用MATLAB 軟件編寫程序來實現(xiàn)一些簡單的通信系統(tǒng)。 設計是在 我充分利用了 FHSS 通信的理論的基礎上，又發(fā)了揮通信課程知識的潛力，通過設計構(gòu)想、理論論證、理論設計、仿真設計、仿真程序構(gòu)架和設計等過程從而實現(xiàn)了FHSS 通信系統(tǒng)的仿真。在程序的運行和結(jié)果分 析中可以看出系統(tǒng)很好的實現(xiàn)了設計的要求，充分體現(xiàn)了 FHSS 通信系統(tǒng)一些良好的特性。 半年來，劉 老師對我的學業(yè)傾注了大量的心血，使我在獲取知識的同時， 綜合能力得到較大的提高。 我還要感謝和我一起做畢業(yè) 設計的同學們。 最后謝謝母校四年來對我的培養(yǎng)！ 太原科技大學華科學院畢業(yè)設計（論文） 32 太原科技大學華科學院畢業(yè)設計（論文） 33 附錄 FHSS 發(fā)送端仿真程序 % By 程金石 % Frequency Hopping Spread Spectrum clc clear s=round(rand(1,25))。 % Creating 60 samples for one cosine for k=1:25 if s(1,k)==0 sig=ones(1,120)。 signal=[signal sig]。 title(39。 % 調(diào)制信號 subplot(4,1,2)。)。 t4=[0:2*pi/39:2*pi]。 c1=[c1 c1 c1 c1 c1 c1 c1 c1 c1 c1 c1 c1]。 c3=[c3 c3 c3 c3]。 c5=[c5 c5]。 switch(c) case(1) spread_signal=[spread_sig