電臺跳頻通信技術分析

王文娟 李緒凱 孫慧賢 王欣

摘要：在闡述跳頻通信技術基本原理和電臺跳頻通信系統的結構組成基礎上，介紹電臺跳頻系統的關鍵技術：頻率合成器、跳頻圖案及同步。應用Simulink對電臺跳頻通信系統進行仿真，解釋各模塊的作用，列出了具體的模塊參數設置和參數設置的依據。通過對電臺跳頻系統仿真的分析結果得出，電臺的抗干擾性能與信道信噪比及相鄰電臺的干擾有關。對電臺跳頻通信技術的分析對認識電臺、使用電臺和提高電臺性能具有一定的理論價值。

關鍵詞：電臺；跳頻；通信技術；仿真；Matlab；Simulink

中圖分類號：TN914文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2019）21-63-4

0引言

無線通信傳輸過程中不可避免地會受到自然噪聲及人為噪聲的干擾。在軍事作戰中，敵對雙方為了降低對方的通信效能而人為地釋放強干擾，例如施放電磁干擾彈會對對方裝備的無線通信產生很大影響；另外，隨著竊聽技術的不斷進步，要求軍事裝備具有較高的通信保密性和隱蔽性，以提高信息傳輸的安全性。因此，增強通信抗干擾性和提高軍用電臺的通信保密性能成為軍事通信專家研究的課題。跳頻通信系統作為擴頻通信的一個重要分類，以抗干擾能力強、信號發送功率低以及同一信道內可傳輸多用戶信號等優點被廣泛應用于軍事通信、移動通信和室內無線通信中，如GPS、衛星通信系統、藍牙、WiFi以及各類型軍用電臺。電臺的跳頻工作模式以其抗干擾性能好、隱蔽性強等優點被廣泛應用于點對點通信以及組網通信中。

1基本原理

1.1跳頻通信技術

美國數學家香農被譽為信息論之父，早在20世紀40年代，他就在基于信息熵和噪聲的概率分布等基本的通信理論基礎上，利用數學推導的方法，推導出信道容量公式，即香農公式：

由香農公式可以得出，在穩定信道容量的情況下，可以通過采用增大信道帶寬來換取信噪比/的降低，為強干擾下保證可靠通信提供了理論依據。

擴頻通信技術就是用比信號帶寬寬得多的頻帶寬度來傳輸信息的技術。擴頻通信系統是擴展頻譜通信系統的簡稱，是指待傳輸信息的頻譜用某個特定的擴頻函數擴展后成為寬頻帶信號，送入信道中進行傳輸，再在接收端利用一定手段將其壓縮，從而獲取傳輸信息的通信系統。擴頻通信系統按其工作方式的不同可以分為直接序列擴展頻譜系統（DSSS）、跳頻擴頻系統（FHSS）、跳時擴頻系統（THSS）和混合擴頻[1]。擴展頻譜系統必須滿足以下2條準則：①傳輸帶寬遠遠大于被傳送的原始信息帶寬；②傳輸帶寬主要由擴頻函數決定，擴頻函數常用偽隨機編碼信號。

1.2結構組成

跳頻通信系統是將傳輸帶寬劃分為互不重疊的多個頻率點，收發雙方傳輸信號的載波頻率按照預定規律進行離散變化的通信方式，即通信中傳輸信號的載頻在不斷跳變，跳變的規律由偽隨機序列決定。從實現方式上看，跳頻系統的通信方式為碼序列進行的多進制頻移鍵控，也是一種偽隨機序列控制載頻跳變的通信系統。

電臺跳頻系統的數字調制方式為BFSK，根據BFSK的定義，二進制信號0和1分別用2種載波頻率0和1表示，調制器在某一時刻選擇0和1頻率中的一個進行調制。有的電臺采用最小頻移鍵控MSK或高斯最小頻移鍵控GMSK的調制方式，都屬于改進的FSK體制，能夠消除FSK調制方式中信號相位的不連續性，保證信號嚴格正交，并且GMSK的功率譜密度相對于MSK更加集中[2]。

電臺的跳頻通信系統主要由發送端、信道和接收端3部分組成。在發送端，信息序列通過編碼器首先進行二進制編碼，二進制信號通過FSK調制器后得到中頻信號。PN序列發生器得到的m bit可控制頻率合成器產生2 -1個不同頻率的載波，使其按照特定的方式跳變，中頻信號與此載波信號進行混頻得到射頻信號，利用功率放大器提高信號的發射功率，最后通過天線發射出去。接收端天線收到信號后，同樣有一個與發送端相同的PN序列發生器，用于控制頻率合成器產生與接收信號載波同步的跳變載波，混頻器將信號進行下變頻，完成解跳，得到中頻信號，中頻信號通過FSK解調輸出二進制序列，再進行解碼輸出電臺所需信號，其結構組成框圖如圖1所示。

1.3關鍵技術

從電臺跳頻系統結構組成框圖上可以得出，混頻器輸出的跳頻信號除了與輸入信號有關，還受頻率合成器輸出跳變載波的影響。因此，影響跳頻系統性能的關鍵技術有頻率合成器、跳頻圖案和同步等。

（1）頻率合成器

頻率合成器通過對一個基準的頻率源進行處理，得到各種不同頻率的信號。跳頻信號波形并不是在時間上連續不間斷地跳，而是存在建立的時間和消退的時間，而保持在某一跳變頻率上的時間稱為駐留時間。頻率合成器的輸出載波信號需要在很短的時間內從一個頻率快速跳變到另一個頻率[3]，以縮短建立時間和消退時間，還需要輸出高穩定度和準確的載波信號，提高系統的可靠性。

（2）跳頻圖案

跳頻圖案用來控制載波頻率隨時間不斷變化的方式，對跳頻電臺的性能影響較大。陸基通信車輛上往往安裝多部同類型電臺[4]。

（3）同步

跳頻同步包括跳頻頻率同步、跳頻序列同步、跳變起止時間同步以及時鐘同步。電子戰中，同步信息的傳遞也應隱蔽、快速。電臺跳頻同步通過設置參數來完成。設置收發電臺的多個參數一致，使得跳頻頻率相同、跳頻頻表的起始位置相同，從而達到收發雙發的同步。

2仿真及結果分析

2.1模型建立

依據電臺跳頻系統結構組成框圖，確定系統由中頻信號產生模塊、PN序列發生器、跳頻載波產生模塊、跳頻模塊、信道、解跳模塊和解調模塊組成。為了統計系統誤碼率和便于觀察信號頻譜及波形，增加誤碼率計算模塊、頻譜儀及示波器[5-6]，仿真模型如圖2所示，設置模擬數據速率為100 bps，調制采用2FSK，頻率間隔100 Hz。跳速為50跳/s，跳頻頻點數為32。

2.2參數設置

二進制信源由貝努利二進制序列發生器產生，采樣周期設為0.01 s，對應數據速率為100 bps。利用MFSK模塊進行2FSK調制，調制元數設為2，頻率間隔100 Hz，單個符號的采樣點數為40，因此得到的中頻信號采樣速率為4 000次/s。PN序列發生器采樣周期設為0.004，每幀的采樣點數為5，每幀占0.02 s，即50幀/s。幀格式轉換為基于取樣的信號，將二進制轉換為整形信號，因每幀采樣點數為5，故輸出的隨機整數為0～31，作為跳頻載波頻率點的控制信號。跳頻載波由MFSK產生，跳頻頻點數為32，將該模塊設置調制元數設為32，頻率間隔50 Hz，單個符號的采樣點數為80，選擇速率設置為從輸入繼承。50幀/s對應50跳/s，而每一跳采樣點為80，采樣率為4 000次/s。將中頻信號與跳頻載波信號進行相乘實現跳頻擴頻。

電臺在工作時必將受到其他干擾源的影響，通常情況下，相鄰電臺的干擾最大，因此仿真時引入150 Hz的加性單頻正弦信號作為干擾源，幅度設為1。接收端跳頻載波為發送端跳頻載波信號的共軛信號，將數學函數設置為取共軛conj，本地跳頻載波與接收信號相乘后完成解擴，得到中頻信號。中頻信號進行解調恢復出原始基帶信號，該信號與發送數字信號相比，延遲一個碼元時間間隔0.01 s，因此將信源數字信號通過延遲器后，再與接收端恢復的數字信號進行對比，得出誤碼率。為了更好地觀察信號頻譜，將頻譜儀的緩沖器大小設置為4 000。

2.3仿真結果分析

將AWGN信道的信噪比設置為-10 dB，觀察各頻譜儀的顯示頻譜如圖3所示，圖3（a）為2FSK調制輸出的頻率間隔為100 Hz的中頻信號頻譜。圖3（b）為跳頻擴頻后的信號頻譜，由于該跳頻模塊為32個跳頻頻點，頻率間隔為50 Hz，因此擴頻帶寬為1 600 Hz。圖3（c）為經過信道后受信道干擾和單頻干擾信號影響的接收端接收信號，可見正弦單頻干擾信號譜線。圖3（d）為解跳信號，可看作是解跳后恢復的窄帶信號頻率，及單頻干擾源及噪聲被再次擴頻后的擴頻信號的總和。

在.M文件中編寫程序，設置信道信噪比取值范圍為-40～-15，通過多次調用圖2的仿真模型，得到不同信噪比條件下的誤碼率，從而繪制系統誤碼率與信道信噪比的關系曲線，如圖4（a）所示。由曲線可看出，跳頻系統的誤碼率受信道信噪比的影響，信噪比越大，誤碼率越低，系統抗干擾能力越強。

設置信道信噪比為-15 dB不變，單頻干擾信號頻率取值范圍為0～1 200 Hz，通過多次調用圖2的仿真模型，得到不同單頻干擾信號條件下的誤碼率，繪制系統誤碼率與單頻干擾信號頻率的關系曲線，如圖4（b）所示。由曲線可看出，跳頻系統的誤碼率同樣受到干擾源頻率的影響，對于電臺的跳頻系統，需保證信噪比保持在一定數值，且跳頻頻段盡量與相鄰電臺不重疊，抗干擾性能將會大大增強。雖然仿真與實際電臺跳頻工作狀態存在差異，但從結果上看，基本符合理論曲線，驗證該仿真的正確性。

3結束語

本文首先介紹跳頻通信系統的基本原理，在建立電臺跳頻通信系統結構組成基礎上，列出電臺跳頻的關鍵技術。利用Matlab/Simulink對電臺跳頻通信系統進行仿真，給出主要的參數設置，通過仿真波形驗證系統仿真的可靠性。分析結果表明，跳頻通信系統的抗干擾能力較強，保密性好。但是，跳頻擴頻系統也存在一些缺點，例如發射功率大，容易被敵方察覺電臺的存在，跳速不高時容易被跟蹤等。因此還應不斷分析研究電臺跳頻技術，提高其性能，使其抗干擾性和保密性得到全面提升。

參考文獻

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[5]邵玉斌.Matlab/Simulink通信系統建模與仿真實例分析[M].北京：清華大學出版社，2008.

[6]趙宏圖，茅艷.通信原理Matlab仿真教程[M].北京：人民郵電出版社，2010：323-325.