【正文】 諧接收，這樣，即使某個(gè)頻率上受到了干擾，也能很好地收聽到這套節(jié)目。另外在敵我雙方的通信對(duì)抗中，敵方企圖發(fā)現(xiàn)我方的通信頻率，以便于截獲所傳送的信息內(nèi)容，或者發(fā)現(xiàn)我方通信機(jī)所在的方位，以便于引導(dǎo)炮火摧毀。因?yàn)樘l通信是“打一槍換一個(gè)地方”的 游擊通信策略、使敵方不易發(fā)現(xiàn)通信使用的頻率，一旦被敵方發(fā)現(xiàn)，通信的頻率也已經(jīng)“轉(zhuǎn)移”到另外一個(gè)頻率上了。因此，跳頻得到了廣泛的研究和應(yīng)用。通常我們希望頻率跳變的規(guī)律不被敵方所識(shí)破，所以需要隨機(jī)地改變以至無規(guī)律可循才好。因此，常采用偽隨機(jī)改變的跳頻圖案。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)敵方不知跳頻圖案時(shí)，就很難猜出其跳頻的規(guī)律來。為了得到載波頻率是跳變的跳頻信號(hào)，要求主振蕩 器的頻率應(yīng)能遵照控制指令而改變。通常，跳頻器是由頻率合成器和跳頻指令發(fā)生器構(gòu) 成的， 跳頻系統(tǒng)的頻率合成器輸出什么頻率的載波信號(hào)是受跳頻指令控制的。因此，混頻器輸出的已調(diào)波的載波頻率也將隨著指令不斷地跳變，從而經(jīng)高通濾波器和天線發(fā)送出去的就是跳頻信號(hào)。因此，有什么樣的跳頻指令就會(huì)產(chǎn)生什么樣的跳頻圖案 ?通常，是利用偽隨機(jī)發(fā)生器來產(chǎn)生跳頻指令的，或者由軟件編程來產(chǎn)生跳頻指令。由跳頻信號(hào)產(chǎn)生的過程可以看出，不論是數(shù)字的或模擬的定頻發(fā)送系統(tǒng)，在原理上，只要加裝上一個(gè)跳頻器就可變成一個(gè)跳頻的發(fā)送系統(tǒng)。 跳頻信號(hào)的接收 定頻信號(hào)的接收設(shè)備中，一般都采用超外差式的接收方法，即接收機(jī)本地振蕩器的頻率比所接收的外來信號(hào)的載波頻率相差一個(gè)中頻，經(jīng)過混頻后產(chǎn)生一個(gè)固定的中頻信號(hào)和混頻產(chǎn)生的組合波頻率成分。解調(diào)器的輸出就是所要傳送給收端的 信息。為了保證混頻后獲得中頻信號(hào)，要求頻率合成器的輸出頻率要比外來信號(hào)高出一個(gè)中頻。跳頻器產(chǎn)生的跳頻圖案應(yīng)當(dāng)與所要要高出一個(gè)中頻，并且要求收、發(fā)跳頻完全同步。 可以看出，跳頻器是跳頻系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，而跳頻同步則是跳頻系統(tǒng)的該心技術(shù)。 跳頻系統(tǒng)的同步是關(guān)系到跳頻通信能否建立的關(guān)鍵。因此，為了實(shí)現(xiàn)收、發(fā)雙方的跳頻同步，收端首先必須獲得有關(guān)發(fā)端的跳頻同步的信息，它包括采用什么樣的跳頻圖案，使用何種頻率序列，在什么時(shí)刻從那一個(gè)頻率上開始起跳，并且還需要不斷地校正收端本地時(shí)鐘，使其與發(fā)端時(shí)鐘一致。 收、發(fā)端的跳變頻率應(yīng)保證在接收端產(chǎn)生固定的中頻信號(hào)，即跳變的載波頻率與收端產(chǎn)生的本地跳變頻率相差一個(gè)中頻。 在傳送數(shù)字信息時(shí)，還應(yīng)做到幀同步和位同步。頻率合成器從接受跳頻指令開始到完成頻 率的跳變需要一定的切換時(shí)間。 頻率合成器從接受指令開始建立振蕩到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間叫作建立時(shí)間；穩(wěn)定狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間叫駐留時(shí)間；從穩(wěn)定狀態(tài)到達(dá)振蕩消失的時(shí)間叫消退時(shí)間。建立時(shí)間加上消退時(shí)間叫作換頻時(shí)間。圖 32給出頻率 合成器的換頻過程和載波信號(hào)的波形 。通常，換頻時(shí)間約為跳周期 Th 的 1/8 ~ 1/10。跳頻速率每秒 20 跳的系統(tǒng)，跳周期是 50ms，其換頻時(shí)間約為 5ms。在跳頻通信中，抗干擾、抗截獲、信息數(shù)據(jù)隱蔽和保密、抗多徑干擾和抗衰落多址通信、實(shí)現(xiàn)同步和捕捉都是與編碼設(shè)計(jì)密切相關(guān)的。能滿足上述要求的擴(kuò)頻編碼應(yīng)具有如下的理想特性： 1 有尖銳的自相關(guān)特性。 3 不同的碼元數(shù)平衡相等。 5 有盡可能大的復(fù)雜度。所以在實(shí)際中，我們將把具有尖銳自 相關(guān)和幾乎為零的互相關(guān)特性的碼稱作序列，擴(kuò)頻編碼被稱作擴(kuò)頻第 3 章 跳頻通信系統(tǒng)的性能分析 19 序列。它有尖銳的自相關(guān)特性，有較小的互相關(guān)值，碼元平衡。 1976 年 提出了一類序列 :Gold 序列，它的自相關(guān)旁瓣值和互相關(guān)值與 m序列的互相關(guān)值一樣，但是序列數(shù)目大大增加了。在本次的快跳頻系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)中，擴(kuò)頻碼就是采用 Gold 序列。 Gold 序列的實(shí)現(xiàn) Gold 在提出 Gold 序列時(shí)指出：給定移位寄存器級(jí)數(shù) r 時(shí)，總可以找到一對(duì)互相關(guān)函數(shù)值是最小的碼序列，采用移位相加的方法構(gòu)成新碼組，其互相旁瓣都很小，而且在相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)均是有界的。這樣，用 Gold 碼作 為地址碼，地址數(shù)可以大大超過用 m序列作地址碼的數(shù)量。在本次的設(shè)計(jì)中， Gold 碼的實(shí)現(xiàn)就是采用第二種方法的。在擴(kuò)頻通信中尤其是在直接擴(kuò)頻通信中，擴(kuò)頻碼的 0、 1 平衡性直接影響載波抑制度，在跳頻通信中，碼的不平 衡性將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的系能。 為了產(chǎn)生平衡 Gold 碼需要選擇兩個(gè)原始的 m序列的特定的相對(duì)狀態(tài)，即所謂的特征相位。（這方面的更詳細(xì)的論述請(qǐng)參考國防工業(yè)出版社的擴(kuò)譜通信）。 跳頻圖案的設(shè)計(jì) 跳頻圖案和跳頻頻率表 電子科技大學(xué) 成都學(xué)院本科課程設(shè)計(jì)論文 20 跳頻圖案是由跳頻指令控制頻率合成器所產(chǎn)生的頻率序列。 比如說，跳頻帶寬為 5MHz，跳頻頻率的數(shù)目是 64 個(gè)，頻道間隔是 25kHz。 根據(jù)電波傳播條件、電磁環(huán)境條件以及敵方干擾的條件等因素來制定一張或幾張具有 64 個(gè)頻率的頻率表，即 f1， f2，? f64，另一張可以是 f1’， f2’,? f64’。那么又怎樣在這 64 個(gè)頻率中做到偽隨機(jī)地跳頻呢 ? 這是由跳頻指令發(fā)生器和頻率合成器來實(shí)現(xiàn)的。偽碼發(fā)生器在時(shí)鐘脈沖的推動(dòng)下，不斷地改變碼發(fā)生器的狀態(tài)。 64 種狀態(tài)則對(duì)應(yīng) 64 個(gè)頻率。由于偽碼發(fā)生器的狀態(tài)是偽隨機(jī)地變化，所以頻率合成器輸出的頻率也在 64 個(gè)頻率點(diǎn)上偽隨機(jī)的跳變，便生成了偽隨機(jī)地跳頻圖案。 (2)跳頻圖案的選擇 一個(gè)好的跳頻圖案應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)： 圖案本身的隨機(jī)性要好，要求參加跳頻的每個(gè)頻率出現(xiàn)的概率相同。 圖案的密鑰量要大，要求跳頻圖案的數(shù)目要足夠多。 各圖案之間出現(xiàn)頻率重疊的機(jī)會(huì)要盡量的小，要求圖案的正交性要好。 上面談過，跳頻圖案的性質(zhì)，主要是依賴于偽碼的性質(zhì)。常見的偽隨機(jī)碼序列除了上面介紹的 Gold 碼以外，常用到的還有 m序列， M 序列， R－ S 序列。但是可供使用的跳頻圖案少，互相關(guān)特性不理想，又因它采用的是線性反饋邏輯，就容易被敵人第 3 章 跳頻通信系統(tǒng)的性能分析 21 破譯碼的序列，即保密性、抗截獲性差。 M 序列是非線性序列，可用的跳頻圖案很多，跳頻圖案的密鑰量也大，并有較好的自相關(guān)和互相關(guān)特性，所以它是較理想的跳頻指令碼。 R－ S 序列的硬件產(chǎn)生比較簡單，可以產(chǎn)生大量的可用跳頻圖案 ，很適于用作跳頻指令碼序列。各部分的具體結(jié)構(gòu)都封裝在子系統(tǒng)中，各部分的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)將在下面的敘述中給予介紹 信號(hào)在系統(tǒng)中的處理過程為： 1. 由信源端生成準(zhǔn)備傳送的有用信號(hào)。偽隨機(jī)碼元控制 MSFK 部分的載波的頻率（在設(shè)計(jì)中使得載波的相位為零）。 3. 將經(jīng)過跳頻調(diào)制的信號(hào)經(jīng)過信道傳輸（信道是 Rayleighamp。 4. 接收端的相關(guān)器對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，相關(guān)處理時(shí)采用的偽隨機(jī)碼與發(fā)送端的隨機(jī)碼字保持嚴(yán)格的同步，未隨機(jī)碼仍然由偽隨機(jī)生成模塊來長生 5. 利用一個(gè)計(jì)數(shù)器對(duì)相關(guān)器的輸出結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，然后完成比較，判決過程，恢復(fù)出原始信號(hào)。 跳頻通信各部分模型介紹 信號(hào)生成部分 如圖 42 為發(fā)送信號(hào)的生成模塊，其中，最左邊的脈沖模塊可以生成脈沖矢量，在設(shè)計(jì)中，設(shè)定脈沖模塊輸出二維脈沖信號(hào)，信號(hào)頻率取為 1HZ 和 10HZ。（當(dāng)然在實(shí)際的通信系統(tǒng) 中，切普同步信號(hào)需要從接收信號(hào)中提取，是接收設(shè)備中非常關(guān)鍵的部分，本例中的切普同步是由前端提供的） 圖 42 發(fā)送信號(hào)生成模塊框圖 1 跳頻調(diào)制部分 1） 偽隨機(jī)碼（ Gold 碼序列）的生成 在設(shè)計(jì)中，偽隨機(jī)碼采用 Gold 碼序列，在第三章的論述中我們已經(jīng)知道 Gold碼可以由 m 序列經(jīng)過串聯(lián)或并聯(lián)產(chǎn)生，在本設(shè)計(jì)中采用第二種的實(shí)現(xiàn)方法。原理框圖的結(jié)構(gòu)如下 電子科技大學(xué)成都學(xué)院本科課程設(shè)計(jì)論文 24 圖 43 Gold 碼生成的原理框圖 在這部分的設(shè)計(jì)中， Gold 碼的設(shè)計(jì)利用 S－函數(shù)，采用 MATLAB 語言編寫程序，采用的算法就是根據(jù)上面的原理圖，用 MATLAB 語言參照 S－函數(shù)的模板程序編寫一個(gè) m 序列的生成程序，然后構(gòu)建自己的動(dòng)態(tài)仿真模塊。 下面具體介紹一下如何利用 S－函數(shù)、子系統(tǒng)和封裝功能來開發(fā)自己的SIMULINK 模塊。 2. 雙擊模塊庫中的 Fanctionsamp。 3. 用 MATLAB 語言編寫產(chǎn)生 m 序列的程序。參照它的格式編寫文件，當(dāng)然也可以采用其它形式來編寫，利用上面的編寫方式可以很清晰的了仿真的具體流程。原程序見第五章部分 在 S－函數(shù)的程序 編寫中，將 poly，單位延遲時(shí)間（ period）和初始狀態(tài)（ ini_st）以及計(jì)算的基數(shù) M 作為額外的參數(shù)，這樣做的好處是以后可以方便的來設(shè)置這些參數(shù)，從而生成不同級(jí)數(shù)、不同連接情況、不同周期數(shù)和不同初始狀態(tài)的 m序列，從而可以組成不同的碼元序列。 4. 在 [S－ function name]欄中輸入 S－ 函 數(shù) 的 源 文 件 名 稱 ， 在[Sfunction parameters]中填入要傳 送的四個(gè)變量 M、 poly、 period、第 4 章 跳頻通信仿真框圖及模型 25 ini_st。 5. 模塊連接好以后單擊 [edit]下的 [create subsysem]創(chuàng)建子系統(tǒng)，然后對(duì)子系統(tǒng)進(jìn)行封裝，通過封裝技術(shù)就可以建立自己的 SIMULINK模塊和模塊庫。 6. 將兩個(gè) m序列生成模塊的輸出經(jīng)過模 2加運(yùn)算，即可生成系統(tǒng)要求的 Gold碼序列。從而來確定對(duì)應(yīng)的載波頻率。映射過程將輸入的碼元信號(hào)映射為相對(duì)應(yīng)的載波頻率值。例如如果送入模塊中的信號(hào)值為 20，那么此時(shí)對(duì)應(yīng)的載波頻率為 fc ＋ 19? f。以此類推，我們可以得到一個(gè)信號(hào)矩陣。設(shè)計(jì)中要求實(shí)現(xiàn)每個(gè)碼元間隔內(nèi)兩次跳頻，所以要求跳頻擴(kuò)頻脈沖的頻率應(yīng)該是信息頻率的 2 倍?；謴?fù)出原始的碼元。 3） 信道部分 碼元經(jīng)過跳頻擴(kuò)頻以后，進(jìn)入信道，在本次的快調(diào)頻通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，仿真的信道為加性高斯信道與瑞利衰落信道（ AWGN amp。瑞利噪聲發(fā)生器已經(jīng)模塊化并且進(jìn)行了封裝，所以高斯信道在與其連接時(shí)，連接的模式選擇“變量從封裝模塊 給出”。下面給出兩個(gè)部分的介紹。從而保證了兩個(gè)偽隨機(jī)碼元的完全同步，對(duì)于已經(jīng)經(jīng)過跳頻調(diào)制的擴(kuò)頻信號(hào)而言，采用相同的偽隨機(jī)碼元進(jìn)行第二次相關(guān)運(yùn)算也就是完成了解跳的過程。 （ 2） 統(tǒng)計(jì)判決部分 跳頻系統(tǒng)的接收信號(hào)的統(tǒng)計(jì)功能由計(jì)數(shù)器模塊完成。 在理想情況下，由于我們?cè)谠O(shè)計(jì)中使得擴(kuò)頻碼和解擴(kuò)碼完全同步，因此跳頻擴(kuò)頻信號(hào)經(jīng)過相關(guān)解跳以后 ，應(yīng)該與發(fā)送端的原始信號(hào)完全相同，即為 1或者是－ 1 的方波信號(hào)。 下面詳細(xì)介紹一下這部分的統(tǒng)計(jì)和判決過程： 電子科技大學(xué)成都學(xué)院本科課程設(shè)計(jì)論文 30 打開計(jì)數(shù)器子系統(tǒng)，它的實(shí)現(xiàn)方案如下圖所示： 圖 48（ a） 計(jì)數(shù)器系統(tǒng)模型 圖 48（ b） 上升沿檢測(cè)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 在該模塊中有幾個(gè)比較關(guān)鍵的模塊設(shè)計(jì)： 開關(guān)（ switch）：該模塊有三個(gè)輸入信號(hào)和一個(gè)輸出信號(hào)，設(shè)定一個(gè)門限值，若其中輸入端口的信號(hào)大于或等于門限值，則將輸出切換至上面的輸入端，否則切換至下面的輸入端口， 存儲(chǔ)器（ memory）：可以為輸入信號(hào)提供一步積分延遲，輸出的是輸入信號(hào)在時(shí)間軸上向右平移一個(gè)時(shí)間端后的 信號(hào)波形。門限值（ thld）值為 eps（ eps 是容差變量，定義為 到最近浮點(diǎn)數(shù)的距離，在此用來代表＋ 0）。將原信號(hào)與延遲后的信號(hào)同時(shí)與門限值比較，僅當(dāng)原始信號(hào)大于門限值而延遲信號(hào)小第 4 章 跳頻通信仿真框圖及模型 31 于門限值時(shí)，上升沿檢測(cè)器輸出一個(gè)高電平 1。 計(jì)數(shù)器（ counter）用來統(tǒng) 計(jì)解跳解擴(kuò)后每個(gè)碼元周期內(nèi)為 1 的切普的個(gè)數(shù)。它有三個(gè)輸出端口：第一個(gè)輸入端口送入待統(tǒng)計(jì)的信號(hào)。信號(hào)中包含信息碼元分量和干擾信號(hào)經(jīng)過解擴(kuò)、低通濾波后的分量，第二個(gè)和第三個(gè)輸入端口分別接入切普同步信號(hào)和碼元同步信號(hào)，作為提供給統(tǒng)計(jì)部分的輔助信息。假定只接收一個(gè)碼元，則第二個(gè) switch 在這個(gè)碼長內(nèi)始終結(jié)在下面輸入端口上，第一個(gè) switch 在切普同步信號(hào)的高電平出輸出加法器的值，低電平處輸出統(tǒng)計(jì)結(jié)果的延遲信號(hào)，即上一次計(jì)算求得的相關(guān)峰的值。加法器有兩個(gè)輸入端口：端口 a和端口b。 端口 b：第二個(gè)開關(guān)的輸出信號(hào)經(jīng)過一步積分遲延后送入端口 b 若判決當(dāng)前切普值為“ 0”，則加法器結(jié)果不變，結(jié)果經(jīng)過切普同步、延遲后重新送回加法器等待下一次的運(yùn)算；若為“ 1”，結(jié)果仍經(jīng)延遲后 送回。在一個(gè)碼元周期內(nèi)結(jié)束時(shí)，計(jì)數(shù)器模塊送出對(duì)應(yīng)于該碼元開始處利用第二個(gè)開關(guān)模塊對(duì)加法器端口 b清零。 它將碼元的相關(guān)峰值與門限值比較，若相關(guān)峰大于門限則該碼元判為“ 1”，其余的均判為“ 0”。當(dāng)然根據(jù)不同的系統(tǒng)存在著相應(yīng)的最佳門限值。他將發(fā)送端的信息碼元經(jīng)過一定延遲后于接收端恢復(fù)出的碼元進(jìn)行比較，電子科技大學(xué)成都學(xué)院本科課程設(shè)計(jì)論文 32 若兩者不同則認(rèn)為碼元傳輸錯(cuò)誤，最后將誤碼個(gè)數(shù)除以總的傳輸碼元個(gè)數(shù)，即得到誤碼率。 第 5 章 快跳頻系統(tǒng)仿真程序及仿真結(jié)果 33 第 5 章 快跳頻系統(tǒng)仿真程序及仿真結(jié)果 偽隨機(jī)碼序列設(shè)計(jì)與仿真 偽隨機(jī)碼序列的程序設(shè)計(jì)： 在偽隨機(jī)碼（ Gold）碼的實(shí)現(xiàn)中，采用的是先生成兩個(gè) m 序列，然后這兩個(gè) m 序列通過進(jìn)行模 2 加生成要求的 Gold 序列