【正文】 技術(shù)。 3G 設(shè)計(jì)的目標(biāo)主要是支持多媒體業(yè)務(wù)的高速數(shù)據(jù)傳輸，因此其研究主要集中在新標(biāo)準(zhǔn)和新硬件的開發(fā)。因此 CDMA 技術(shù)成為目前擴(kuò)頻技術(shù)中研究最多的對(duì)象。對(duì) FHSS 系統(tǒng)的分析，現(xiàn)在仍集中在其對(duì)抗各種干擾的性能方面，如對(duì)抗部分邊帶干擾以及多頻干擾等。近年來(lái)，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(yīng)用，擴(kuò)頻通信在技術(shù)上已邁上了一個(gè)新的臺(tái)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(gè)人通信和計(jì)算機(jī)通信等民用領(lǐng)域，成為新世紀(jì)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(guò)程，并利用 MATLAB 中 的仿真系統(tǒng)實(shí) 現(xiàn) FHSS系統(tǒng)的仿真并能直觀地顯示 FHSS 通信過(guò)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(shè)計(jì)方法與運(yùn)行結(jié)果 ,通過(guò)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(kuò)頻通信具有很深遠(yuǎn)的意義，本人通過(guò)畢業(yè)論文設(shè)計(jì)，進(jìn)行深入地研究擴(kuò)頻通信技術(shù)及對(duì)它進(jìn)行仿真應(yīng)用，將所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行歸納與總結(jié)，從而鞏 固通信專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，為以后的個(gè)人學(xué)習(xí)和工作打下基礎(chǔ)。而直擴(kuò)系統(tǒng)，即 DSCDMA[3]系統(tǒng)，在移 動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用則成為擴(kuò)頻技術(shù)的主流。 從擴(kuò)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(dòng)的。而對(duì)于 3G 以后的發(fā)展，不同的研究者有不同的觀點(diǎn)。 UWB 作為一種短距離通信技術(shù)在未來(lái)無(wú) 線通信系統(tǒng) [4]的實(shí) 現(xiàn)中扮演著重要的角色。FHSS 系統(tǒng)的跳 變頻率有多個(gè)，多達(dá)幾十各甚至上千個(gè)。也就是說(shuō) ，用擴(kuò)頻碼序列去 進(jìn)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(kuò)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(guān)帶寬。另外， FHSS 系統(tǒng)對(duì)模擬信源和數(shù)字信源均適用。 FHSS 系統(tǒng)也有其缺點(diǎn)和局限： 信號(hào)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(jī)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(biāo)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(gè) PN 碼確定離散頻率的次序。對(duì) FHSS 系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，抗干擾技術(shù)是 FHSS 通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。 第 2章 對(duì)擴(kuò)頻通信進(jìn)行介紹，其中主要介紹了擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)， 擴(kuò)頻通信方式以及隨機(jī)序列碼。 太原科技大學(xué)華科學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 第 2 章 擴(kuò)頻通信 擴(kuò)頻通信 擴(kuò)頻通信的定義 擴(kuò)頻通信，即擴(kuò)展頻譜通信技術(shù) （ Spread Spectrum Communication） ，它的基本特點(diǎn)是其傳輸信息所用信號(hào)的帶寬遠(yuǎn)大于信息本身的帶寬。 這個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)天線發(fā)射出去后在接收點(diǎn)接收，接收機(jī)收到此信號(hào)經(jīng)解調(diào)、濾波得到擴(kuò)頻信號(hào)。通常的調(diào)制技術(shù)都是在加性高斯白噪聲信道中爭(zhēng)取達(dá)到更好的功率效率或帶寬效率。同時(shí)也表明，在信道容量 C 一定時(shí)，頻帶寬度 W 和信噪比 S/N 之間可以彼此互換。把此式適當(dāng)改變一下就可以很容易看出其含義。 總之 ，擴(kuò)頻通信是用寬的帶寬 W 來(lái)?yè)Q取低的 NS 或 S ，或者說(shuō)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(kuò)頻調(diào)制，三次調(diào)制為射頻調(diào)制。直接序列擴(kuò)頻的頻譜擴(kuò)展和解擴(kuò)過(guò)程 在圖上我們可以看出： 太原科技大學(xué)華科學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 圖 擴(kuò)頻信號(hào)的解擴(kuò)過(guò)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(kuò)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(jī)序列的指令去控制載波的中心頻率，離散的在一個(gè)給 定的頻帶內(nèi)跳變，形成一個(gè)寬帶的離散頻率譜。首先把時(shí)間軸分成許多時(shí)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(dú)立且具有相同分布的隨機(jī)變量時(shí)，稱為隨機(jī)序列。實(shí)際上有時(shí)將大體滿足以上條件的序列也稱為偽隨機(jī)序列。 圖 序列發(fā)生器原理圖 對(duì)于線性移位寄存器序列有 inininin acacaca 12110 ?????? ???? ? (i＝ 0,1,? ) （ 24） 它當(dāng)初始值 110 , ?naaa ? 全為零時(shí)輸出恒為零。 M 序列完全滿足偽隨機(jī)序列的三點(diǎn)要求，特別是它的相關(guān)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(jī)序列。 利用以上原理，我們要產(chǎn)生一個(gè)偽隨機(jī)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(xué)華科學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(biāo)且易于被截獲，這時(shí)，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(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)，再與頻率合成器輸出的主載波頻率信號(hào)進(jìn)行混頻，其輸出的已調(diào)波信號(hào)的載波頻率達(dá)到射頻通帶的要求，經(jīng)過(guò)高通濾波器后反饋至天線發(fā)射出去。 收信機(jī)通常采用超外差式接收機(jī)，使接收到的信號(hào)比接收端頻率合成器的輸出信號(hào)低一個(gè)中頻，然后該接收信號(hào)與頻率合成器的輸出信號(hào)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(hào)。用覆蓋系數(shù) k=max/min 表示（ k 又稱之為波段系數(shù)）。兩個(gè)相鄰頻率之間的最小間隔 ,就是頻率間隔。對(duì)超短波通信來(lái)說(shuō) ,頻率間隔多取 50kHz、 25kHz 等。頻率準(zhǔn)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(xué)模型 FHSS 通信是擴(kuò)展頻譜通信的一個(gè)分支，是一個(gè)“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(lái)控制頻率合成器，并在多個(gè)頻率中進(jìn)行選擇的頻移鍵控。接收機(jī)中的頻率合成器也 按相同的順序跳變，產(chǎn)生一個(gè)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(gè)固定中頻，經(jīng)中頻濾波器后得到有用信號(hào)分量為 : )c o s ()(21)( 1112 ?? ?? ttmts （ 35） 將式 (35)中的 信號(hào) 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(shí)破，所以需要隨機(jī)地改變以至無(wú)規(guī)律可循才好。所 謂“偽隨機(jī)”，就是“假”的隨機(jī)，其實(shí)是有規(guī)律性可循的，但當(dāng)另一方不知跳頻圖案時(shí)，就很難猜出其跳頻的規(guī)律來(lái)。也可將這個(gè)時(shí)頻域看作一個(gè)棋盤，橫軸上的時(shí)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(gè)跳頻駐留時(shí)間內(nèi)傳送多個(gè) (此處 3個(gè) )碼位 (比特 )的信息。 圖 發(fā)射接收跳頻圖 其中 t 表示時(shí)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(shuō)明： 干擾方式 1，在某一個(gè)頻率上施放長(zhǎng)時(shí)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(guān)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(gè)條件除功率因素外，還應(yīng)當(dāng)滿足干擾橢圓的要求，如圖 所示。根據(jù)收、發(fā)信機(jī)的距離 d1，干擾機(jī)與發(fā)、收信機(jī)的距離 d2 和 d3，以及跳頻駐留時(shí)間和干擾機(jī)施放干擾的處理時(shí)間，可以得到以發(fā)射機(jī)和接收機(jī)為兩個(gè)焦點(diǎn)的橢圓。跳頻帶寬的大小，與抗部分頻帶的干擾能力有關(guān)。在一般的 跳頻電臺(tái)中，跳頻的頻率數(shù)目不超過(guò) 100個(gè)。在甚高頻電臺(tái)中，一般跳速在 500 跳／秒。因此，希望同步建立的過(guò)程越短越好，越隱蔽越好。 FHSS 擴(kuò)展頻譜在機(jī)理上與直接序列擴(kuò)展頻譜大不相同。 圖 頻率跳變 圖中箭頭所標(biāo)示的，是載波頻率跳變的過(guò)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(shí)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(gè)寬的頻帶內(nèi)容納多個(gè)跳頻通信相同同時(shí)工作，達(dá)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(shí)鐘漂移、收發(fā)信機(jī)之間的距離變化，在時(shí)間上有差異 。跳頻同步主要有以下幾種方法 : 精確時(shí)鐘定時(shí)法 由于產(chǎn)生跳變頻率的方法是一樣的，所用的偽隨機(jī)碼是一樣的。收端根據(jù)同步字頭的特點(diǎn)，可以從接收到的 FHSS 信號(hào)中將它識(shí)別出來(lái)，作為調(diào)整本地時(shí)鐘或偽隨機(jī)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(lái)從而獲得同步信息實(shí)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(xué)華科學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 圖 圖中，接收端在頻率 f6 上等待接收跳頻信號(hào)；發(fā)送端發(fā)送的跳頻信號(hào)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(jì)算：根據(jù)初步的仿真結(jié)果對(duì)該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證。 FHSS 通信系 統(tǒng)仿真模型 信息序列經(jīng)過(guò)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(hào)，再與頻率合成器輸出的跳變頻率的信號(hào)進(jìn)行混頻，其輸出的 FHSS 信號(hào)的載波頻率達(dá)到射頻通帶的要求，經(jīng)過(guò)高通濾波器后反饋至天線發(fā)射出去。 在接收信號(hào)時(shí)收信機(jī)通常采用 超外差式接收機(jī)，使接收到的信號(hào)比接收端頻率合成器的輸出信號(hào)低一個(gè)中頻，然后該接收信號(hào)與頻率合成器的輸出信號(hào)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(hào)。分別是原始信息序 列，是一個(gè)幅度2V 的方波信號(hào)。 從圖中可以顯著的看到 FHSS 信號(hào)在隨機(jī)的改變其載頻的頻率，無(wú)法去預(yù)測(cè)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(hào)在信道中傳播之后就帶有了很多雜波和干擾信號(hào)，但在 FHSS 的同步系統(tǒng)中只有一個(gè)可以同步解擴(kuò)的信號(hào)分量。 太原科技大學(xué)華科學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 設(shè)計(jì)總結(jié) 通過(guò)本次 FHSS 通信系統(tǒng) 仿真設(shè)計(jì) 我又學(xué)到了不少的知識(shí)和技能：第一，學(xué)會(huì)了使用MATLAB 軟件編寫程序來(lái)實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單的通信系統(tǒng)。 設(shè)計(jì)是在 我充分利用了 FHSS 通信的理論的基礎(chǔ)上，又發(fā)了揮通信課程知識(shí)的潛力，通過(guò)設(shè)計(jì)構(gòu)想、理論論證、理論設(shè)計(jì)、仿真設(shè)計(jì)、仿真程序構(gòu)架和設(shè)計(jì)等過(guò)程從而實(shí)現(xiàn)了FHSS 通信系統(tǒng)的仿真。在程序的運(yùn)行和結(jié)果分析中可以看出系統(tǒng)很好的實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)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(lái)，劉 老師對(duì)我的學(xué)業(yè)傾注了大量的心血，使我在獲取知識(shí)的同時(shí)， 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(shè)計(jì)的同學(xué)們。 最后謝謝母校四年來(lái)對(duì)我的培養(yǎng)！ 太原科技大學(xué)華科學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 太原科技大學(xué)華科學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(hào) 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