【正文】 圖 跳頻圖案 圖 (a)中所示為一快跳頻圖案，它是在一個時間段內傳送一個碼位 (比特 )的信息。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成了棋盤格子。圖中橫軸為時間，縱軸為頻率。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。因此，常采用偽隨機改變的跳頻圖案。 通常我們希望頻率跳變的規(guī)律不被另一方所識破，所以需要隨機地改變以至無規(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 ，自然就不會對有用信號的解調發(fā)生影響。 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 送入解調器中 ，即可解調出信 息 )(t? 。 )(1ts 在信道中與其它地址信號 )(tsj , 噪聲 )(tn 以及千擾 )(tj 組合后進入接收機的信號 )(tsr 為： ?? ???? kj jr tjtntststs 21 )()()()()( （ 32） 其中 : )(1ts 為發(fā)射端的有用信號 : )(tsj 是其它地址信號 ( kj ,2?? )， )(tsr 進 入 接收機與本地信號 ])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? 差一個中頻 1? 。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，送到解調器解調出傳送的信息。 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。 跳頻碼發(fā)生器 是產(chǎn)生偽隨機序列的部分，用它產(chǎn)生的偽隨機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。頻率轉換時間是指頻率合成器從某一個頻率轉換到另一個頻率 ,并達到穩(wěn)定所需要的時間。對超短波通信來說 ,頻率間隔多取 50kHz、 25kHz 等。不同用途的頻率合成器 ,對頻率間隔的要求是不相同的。兩個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。在時鐘的作用下，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，被傳送的信號經(jīng)過調制器的相應調制，便獲得載波頻率固定的已調波信號，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。另一端就是信號的接收、放大、解調得到有用的信息。所以在現(xiàn)代通信中 FHSS 通信已顯示出巨大的優(yōu)越性。當對方摸不清“轉移規(guī)律”時，就很難截獲我方的通信內容。 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。這樣只有相同的 PN 碼才會輸出相同跳變次序的頻率。 利用以上原理，我們要產(chǎn)生一個偽隨機序列 [8]直 接去控制頻率合成器合成載頻頻率。 n 級非線性移位寄存器序列的周期不大于 n2 ，達到 n2 ),. ..,( 21 iinin aaaf ???? 1??ina 2??ina ia 。 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。一般情況下周期是 12?n 的因子。 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。圖中 ),( 21 iinin aaaf ????? 表示反饋函數(shù)。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。它指序列元素間有確定關系存在，但具有與隨機序列類似的下列性質： 在有限長度或一周期內各元素的個數(shù)相差不超過 1，即接近等概率； 出現(xiàn) l個相同值或稱 l 長游程的概率接近 q1 ； 太原科技大學華科學院畢業(yè)設計（論文） 9 相關函數(shù) ??? ??10)(pi ciiaaR ? 在 0?? 時為 p,? =0 時不超過177。 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。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。可以把跳時理解為：用一定碼序列進行選擇的多時片的時移鍵控。首先把時間軸分成許多時片。下面將對系統(tǒng)中用到的跳頻技術做一更為詳細的介紹。 頻率跳變（ FH） 頻率跳變調制 (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跳變，形成一個寬帶的離散頻率譜 。在以下的圖 示概 圖 信號與噪聲的功率密度 念看出：待傳信息的頻譜被擴展了以后，能量被均勻地分布在較寬的頻帶上，功率譜密度下降；擴頻信號解擴以后，寬帶信號恢復成窄帶信息，功率譜密度上升；相對與信息信號，脈沖干 擾只經(jīng)過了一次被模二相加的調制過程，頻譜被擴展，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 碼調制以后，頻譜被擴展了。根據(jù)擴展頻譜的方式不同，擴頻通信系統(tǒng)可分為：直接序列擴頻（ DS）、跳頻（ FH）、跳時（ TH）、線性調頻以及以上幾種方法的組合。一次調制為信息調制，二次調制為擴頻調制，三次調制為射頻調制。 依據(jù)這個理論我們就得到了擴頻與解擴頻基本過程如下。 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。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，此結果與香農(nóng)定理完全一致。把此式適當改變一下就可以很容易看出其含義。擴頻通信正是利用了這一點，即用擴展頻譜的方法來換取較好的信噪比。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。對于單個用戶其帶寬效率很低，擴展頻譜的優(yōu)點是很多用戶可以共享帶寬。通常的調制技術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。這些 PN 序列是具有多個碼位的 0, 1 序列 (至少幾十個 bit)，它們是經(jīng)過嚴格挑選的、具有良好的自相關性、但彼此間卻近似相互正交、線性無關的。 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、濾波得到擴頻信號。 擴頻通信的理論基礎 擴頻通信的工作原 理是先用周期性地址碼或偽隨機噪聲序列碼 (PN)與信息信號相乘(即進行調制 )得到擴頻信號，它包含原始信息和地址碼信息。 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 （ 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。本章主要 介紹了跳頻通信及系統(tǒng)組成部分， 詳細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。主要介紹了 FHSS 通信的理論基礎和 FHSS 系統(tǒng)的原理及組成，進而對 FHSS 系統(tǒng)進行了深入精心 的設計，設計了 FHSS 通信系統(tǒng)的 MATLAB 仿真， BPSK調制解調等仿真系統(tǒng)。對 FHSS 系統(tǒng)來說，抗干擾技術是 FHSS 通信系統(tǒng)中的關鍵技術。本質上，F(xiàn)HSS 是一個 RF 系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)中， RF 載 波不斷跳變（這也是它名字的由來），從一個頻點跳到另一人頻點（在給定的頻率范圍內）。但是它不是將 PN 碼調制到 RF載波上，而是用這個 PN 碼確定離散頻率的次序。 一種用 RF 載波在大量 RF 信道上跳頻實現(xiàn)擴頻的技術，它用隨機或偽隨機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。抗跟蹤式干擾 要求快速跳頻，使干信息調制 器 頻率合 成器 射頻調制器 變 頻 器 中 頻帶通 信息解調器 擴頻碼發(fā)生器器 射頻發(fā)生器 頻率合成器 擴頻碼發(fā)生器器 信息 信息輸 出 太原科技大學華科學院畢業(yè)設計（論文） 4 擾機跟蹤不上而失效。 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的頻譜。 FHSS 系統(tǒng)也有其缺點和局限： 信號的隱蔽性差。這是因為當大功率信號只在某個頻率上產(chǎn)生遠近效應，當載波頻率跳變至另一個頻率時則 不再受其影響。另外， FHSS 系統(tǒng)對模擬信源和數(shù)字信源均適用。 FHSS 系統(tǒng)為瞬時窄帶系統(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、幾十個、甚至上千個頻率、由所傳信息與擴頻碼的組合去進行選擇控制，不斷跳變。也就是說 ，用擴頻碼序列去 進行頻移鍵控調制，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)生完全相同的擴頻碼進行解擴，然后通過解調才能正確地恢復原有的信息。FHSS 系統(tǒng)的跳變頻率有多個，多達幾十各甚至上千個。 FHSS 所展開的訊號可依特別設計來規(guī)避噪聲或OnetoMany 的非重復的頻道，并且這些跳頻訊號必須遵守 FCC 的要求，使用 75 個以上的跳頻訊號、且跳頻至下一個頻率的最大時間間隔 (Dwell Time)為 400ms。 UWB 作為一種短距離通信技術在未來無 線通信系統(tǒng) [4]的實 現(xiàn)中扮演著重要的角色。 衡量擴頻系統(tǒng)的重要指標是擴頻增益，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頻增益，而擴頻增益的下降也意味著擴頻系統(tǒng)性能的降低，因此要提高傳輸數(shù)據(jù)速率，而且不降低擴頻系統(tǒng)的性能（即保證一定的擴頻增益），就只有提高傳輸帶寬。而對于 3G 以后的發(fā)展，不同的研究者有不同的觀點。展望未來，第四代移動通信系統(tǒng)（ 4G）的驅動無疑會使擴頻技術傳輸高速數(shù)據(jù)的能力得到更大的 拓展。 從擴頻技術的歷史可以看出，每一次技術上的大發(fā)展都是由巨大的需求驅動的。而在目前 所有建議的第三代移動通信系統(tǒng)（ 3G）標準中（除了EDGE）都采用了某種形式的 CDMA。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的主流。一般而言， FHSS 系統(tǒng)主要在軍事通信中對抗故意干擾，在衛(wèi)星通信中也用于保密通信，而直擴系統(tǒng)則主要是一種民用技術。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及對它進行仿真應用，將所學的知識進行歸納與總結，從而鞏固通信專業(yè)基礎知識，為以后的