【正文】 圖 跳頻圖案 圖 (a)中所示為一快跳頻圖案，它是在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)傳送一個(gè)碼位 (比特 )的信息。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。圖中橫軸為時(shí)間，縱軸為頻率。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。因此，常采用偽隨機(jī)改變的跳頻圖案。 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)地改變以至無規(guī)律可循才好。 這樣，相乘后就落在中頻帶通濾波器的通帶之外 ，自然就不會(huì)對(duì)有用信號(hào)的解調(diào)發(fā)生影響。 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? 。 )(1ts 在信道中與其它地址信號(hào) )(tsj , 噪聲 )(tn 以及千擾 )(tj 組合后進(jìn)入接收機(jī)的信號(hào) )(tsr 為： ?? ???? kj jr tjtntststs 21 )()()()()( （ 32） 其中 : )(1ts 為發(fā)射端的有用信號(hào) : )(tsj 是其它地址信號(hào) ( kj ,2?? )， )(tsr 進(jìn) 入 接收機(jī)與本地信號(hào) ])co s[( rr tn ??? ?? ? 相乘后得 : ])c os [()]()()()([)( 21 rrkj jp tntjtntststs ??? ?????? ??? （ 33） 式中 : r? 為本地頻率合成器的中心頻率，與 0? 差一個(gè)中頻 1? 。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。 頻率跳變系統(tǒng)主要由偽碼發(fā)生器和頻率合成器兩部分組成。 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。 跳頻碼發(fā)生器 是產(chǎn)生偽隨機(jī)序列的部分，用它產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列去控制頻率合成器來產(chǎn)生我們所需要的頻率。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。頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間是指頻率合成器從某一個(gè)頻率轉(zhuǎn)換到另一個(gè)頻率 ,并達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間。對(duì)超短波通信來說 ,頻率間隔多取 50kHz、 25kHz 等。不同用途的頻率合成器 ,對(duì)頻率間隔的要求是不相同的。兩個(gè)相鄰頻率之間的最小間隔 ,就是頻率間隔。在頻率合成器中 ,分波段的覆蓋系數(shù)一般取決于振蕩器的特性。用覆蓋系數(shù) k=max/min 表示（ k 又稱之為波段系數(shù)）。 FHSS 系統(tǒng)組成框圖如圖 所示。 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)。在時(shí)鐘的作用下，跳頻指令 發(fā)生器不斷地發(fā)出控制指令，頻率合成器不斷地改變其輸出載波的頻率。 在發(fā)送端，被傳送的信號(hào)經(jīng)過調(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)過高通濾波器后反饋至天線發(fā)射出去。另一端就是信號(hào)的接收、放大、解調(diào)得到有用的信息。所以在現(xiàn)代通信中 FHSS 通信已顯示出巨大的優(yōu)越性。當(dāng)對(duì)方摸不清“轉(zhuǎn)移規(guī)律”時(shí)，就很難截獲我方的通信內(nèi)容。 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。這樣只有相同的 PN 碼才會(huì)輸出相同跳變次序的頻率。 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。 n 級(jí)非線性移位寄存器序列的周期不大于 n2 ，達(dá)到 n2 ),. ..,( 21 iinin aaaf ???? 1??ina 2??ina ia 。 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。一般情況下周期是 12?n 的因子。 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。圖中 ),( 21 iinin aaaf ????? 表示反饋函數(shù)。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。它指序列元素間有確定關(guān)系存在，但具有與隨機(jī)序列類似的下列性質(zhì)： 在有限長度或一周期內(nèi)各元素的個(gè)數(shù)相差不超過 1，即接近等概率； 出現(xiàn) l個(gè)相同值或稱 l 長游程的概率接近 q1 ； 太原科技大學(xué)華科學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 相關(guān)函數(shù) ??? ??10)(pi ciiaaR ? 在 0?? 時(shí)為 p,? =0 時(shí)不超過177。 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。序列長度可以為 有限，也可以為無窮。前者叫二元序列，后者叫 q 元序列?？梢园烟鴷r(shí)理解為：用一定碼序列進(jìn)行選擇的多時(shí)片的時(shí)移鍵控。首先把時(shí)間軸分成許多時(shí)片。下面將對(duì)系統(tǒng)中用到的跳頻技術(shù)做一更為詳細(xì)的介紹。 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 。在以下的圖 示概 圖 信號(hào)與噪聲的功率密度 念看出：待傳信息的頻譜被擴(kuò)展了以后，能量被均勻地分布在較寬的頻帶上，功率譜密度下降；擴(kuò)頻信號(hào)解擴(kuò)以后，寬帶信號(hào)恢復(fù)成窄帶信息，功率譜密度上升；相對(duì)與信息信號(hào)，脈沖干 擾只經(jīng)過了一次被模二相加的調(diào)制過程，頻譜被擴(kuò)展，功率譜密度下降，從而使有用信息在噪聲干擾中被提取出來。直接序列擴(kuò)頻的頻譜擴(kuò) 展和解擴(kuò)過程 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。根據(jù)擴(kuò)展頻譜的方式不同，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)可分為：直接序列擴(kuò)頻（ DS）、跳頻（ FH）、跳時(shí)（ TH）、線性調(diào)頻以及以上幾種方法的組合。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。 依據(jù)這個(gè)理論我們就得到了擴(kuò)頻與解擴(kuò)頻基本過程如下。 總之 ，擴(kuò)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。就是說傳輸 一定帶寬 F? 的信息，信噪比NS 可以和帶寬 W 互換，此結(jié)果與香農(nóng)定理完全一致。把此式適當(dāng)改變一下就可以很容易看出其含義。擴(kuò)頻通信正是利用了這一點(diǎn)，即用擴(kuò)展頻譜的方法來換取較好的信噪比。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。對(duì)于單個(gè)用戶其帶寬效率很低，擴(kuò)展頻譜的優(yōu)點(diǎn)是很多用戶可以共享帶寬。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(dá)到更好的功率效率或帶寬效率。這些 PN 序列是具有多個(gè)碼位的 0, 1 序列 (至少幾十個(gè) bit)，它們是經(jīng)過嚴(yán)格挑選的、具有良好的自相關(guān)性、但彼此間卻近似相互正交、線性無關(guān)的。 這個(gè)信號(hào)經(jīng)過天線發(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)。 擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ) 擴(kuò)頻通信的工作原 理是先用周期性地址碼或偽隨機(jī)噪聲序列碼 (PN)與信息信號(hào)相乘(即進(jìn)行調(diào)制 )得到擴(kuò)頻信號(hào)，它包含原始信息和地址碼信息。 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。本章主要 介紹了跳頻通信及系統(tǒng)組成部分， 詳細(xì)闡述了跳頻通信的原理及跳頻通信的抗干擾方式和跳 頻通信同步。 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。主要介紹了 FHSS 通信的理論基礎(chǔ)和 FHSS 系統(tǒng)的原理及組成，進(jìn)而對(duì) FHSS 系統(tǒng)進(jìn)行了深入精心 的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了 FHSS 通信系統(tǒng)的 MATLAB 仿真， BPSK調(diào)制解調(diào)等仿真系統(tǒng)。對(duì) FHSS 系統(tǒng)來說，抗干擾技術(shù)是 FHSS 通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。本質(zhì)上，F(xiàn)HSS 是一個(gè) RF 系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中， RF 載 波不斷跳變（這也是它名字的由來），從一個(gè)頻點(diǎn)跳到另一人頻點(diǎn)（在給定的頻率范圍內(nèi)）。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。 一種用 RF 載波在大量 RF 信道上跳頻實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻的技術(shù)，它用隨機(jī)或偽隨機(jī)代碼確定使用通道的序列。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?？垢櫴礁蓴_ 要求快速跳頻，使干信息調(diào)制 器 頻率合 成器 射頻調(diào)制器 變 頻 器 中 頻帶通 信息解調(diào)器 擴(kuò)頻碼發(fā)生器器 射頻發(fā)生器 頻率合成器 擴(kuò)頻碼發(fā)生器器 信息 信息輸 出 太原科技大學(xué)華科學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 擾機(jī)跟蹤不上而失效。 FHSS 系統(tǒng)抗多頻干擾及跟蹤式干擾能力有限。所以在頻譜儀上是能夠明顯地看到跳頻信號(hào)的頻譜。 FHSS 系統(tǒng)也有其缺點(diǎn)和局限： 信號(hào)的隱蔽性差。這是因?yàn)楫?dāng)大功率信號(hào)只在某個(gè)頻率上產(chǎn)生遠(yuǎn)近效應(yīng)，當(dāng)載波頻率跳變至另一個(gè)頻率時(shí)則 不再受其影響。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)為瞬時(shí)窄帶系統(tǒng)，能與現(xiàn)有的窄帶系統(tǒng)兼容通信。條件是跳變的頻率間隔具要大于相關(guān)帶寬。這也是它能在 WLAN 系 統(tǒng)中得到廣泛使用的原因。 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。即使是模擬話音的 FHSS 通信，只要另一方不知道所使用的跳頻圖案就具有一定的保密的能力。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。而 FHSS 系統(tǒng)則有幾個(gè)、幾十個(gè)、甚至上千個(gè)頻率、由所傳信息與擴(kuò)頻碼的組合去進(jìn)行選擇控制，不斷跳變。也就是說 ，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。在接收端，由于有與發(fā)送端完全相同的本地發(fā)生器發(fā)生完全相同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行解擴(kuò)，然后通過解調(diào)才能正確地恢復(fù)原有的信息。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)。 FHSS 所展開的訊號(hào)可依特別設(shè)計(jì)來規(guī)避噪聲或OnetoMany 的非重復(fù)的頻道，并且這些跳頻訊號(hào)必須遵守 FCC 的要求，使用 75 個(gè)以上的跳頻訊號(hào)、且跳頻至下一個(gè)頻率的最大時(shí)間間隔 (Dwell Time)為 400ms。 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(shí) 現(xiàn)中扮演著重要的角色。 衡量擴(kuò)頻系統(tǒng)的重要指標(biāo)是擴(kuò)頻增益，在一定的傳輸帶寬下，要提高有效數(shù)據(jù)的傳輸速率就要降低擴(kuò)頻增益，而擴(kuò)頻增益的下降也意味著擴(kuò)頻系統(tǒng)性能的降低，因此要提高傳輸數(shù)據(jù)速率，而且不降低擴(kuò)頻系統(tǒng)的性能（即保證一定的擴(kuò)頻增益），就只有提高傳輸帶寬。而對(duì)于 3G 以后的發(fā)展，不同的研究者有不同的觀點(diǎn)。展望未來，第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)（ 4G）的驅(qū)動(dòng)無疑會(huì)使擴(kuò)頻技術(shù)傳輸高速數(shù)據(jù)的能力得到更大的 拓展。 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。而在目前 所有建議的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)（ 3G）標(biāo)準(zhǔn)中（除了EDGE）都采用了某種形式的 CDMA。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。一般而言， FHSS 系統(tǒng)主要在軍事通信中對(duì)抗故意干擾，在衛(wèi)星通信中也用于保密通信，而直擴(kuò)系統(tǒng)則主要是一種民用技術(shù)。因此研究擴(kuò)頻通信具有很深遠(yuǎn)的意義，本人通過畢業(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