基于MATLAB的FHSS通信系统的设计与实现 - 图文

计算机与通信学院

本科生毕业设计

基于MATLAB的FHSS通信系统

设计与实现

作 者: 学 号：

专 业：通信工程 班 级： 指导教师：

答辩时间：

基于MATLAB的FHSS通信系统设计与实现

The Design of FHSS Communication System Based on MATLAB

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目 录

摘 要 .................................................................................................................................................. 1 第一章 绪论 ...................................................................................................................................... 3 1.1扩频通信的应用发展及应用 ................................................................................................ 3 1.1.1扩频通信在军事通信中的应用 ................................................................................... 3 1.1.2扩频通信在民用通信中的应用 ................................................................................ 3 1.1.3扩频技术的研究现状 ................................................................................................... 4 1.2 扩频技术的发展趋势 ........................................................................................................... 4 1.3扩频通信技术的特点 ............................................................................................................ 5 1.4FHSS通信 .............................................................................................................................. 6 1.5 设计内容及结构 ................................................................................................................... 8 第二章 扩频通信 .............................................................................................................................. 9 2.1扩频通信 ................................................................................................................................ 9 2.1.1扩频通信的定义 ........................................................................................................... 9 2.1.2扩频通信的理论基础 ................................................................................................... 9 2.2扩频通信方式 ...................................................................................................................... 11 2.3随机序列码 .......................................................................................................................... 11 第三章 FHSS通信系统原理 ......................................................................................................... 14 3.1FHSS通信的概述 ................................................................................................................ 14 3.1.1FHSS系统的组成部分 ............................................................................................... 14 3.2FHSS通信系统工作原理 .................................................................................................... 15 3.2.1FHSS通信系统数学模型 ........................................................................................... 15 3.2.2跳频图案 ..................................................................................................................... 16 3.2.3FHSS通信抗干扰方式 ............................................................................................... 18 3.2.4FHSS通信系统的同步 ............................................................................................... 21 第四章 FHSS通信系统仿真 ......................................................................................................... 23 4.1FHSS通信系统MATLAB仿真 .......................................................................................... 23 4.2FHSS通信系统仿真模型 .................................................................................................... 23 4.3FHSS仿真程序 .................................................................................................................... 24 4.3.1 FHSS发送端仿真程序 .............................................................................................. 24 4.3.2FHSS接收端仿真程序 ............................................................................................... 26

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4.4仿真结果及分析 .................................................................................................................. 29 设计总结 .......................................................................................................................................... 32 参考文献 .......................................................................................................................................... 33 附录 外文文献原文、翻译 ............................................................................................................ 34 英文文献 .................................................................................................................................... 34 中文翻译 .................................................................................................................................... 44 致谢 .................................................................................................................................................. 53

摘 要

FHSS系统是一种典型扩展频谱通信系统，它在军事通信、移动通信、计算机无线数据传输和无线局域网等领域有着十分广泛的应用。本文介绍了FHSS系统的基本工作过程，并利用MATLAB中的仿真系统实现FHSS系统的仿真并能直观地显示FHSS通信过程。还介绍了系统设计方法与运行结果,通过仿真结果能直观地观察到FHSS通信系统的性能,有利于研究FHSS通信系统。

关键词:FHSS扩频；通信系统；跳频系统；仿真

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Abstract

Frequency Hopping system is a typical spread spectrum communication system.It has been very widely used in military communication, mobile communication, computer wireless data transmission, wireless LAN and other fields. This paper introduces the basic working process of Frequency Hopping system. Frequency Hopping system have been emulated and analyzed by System of MATLAB.FHSS communication process was displayed visually. The designing methods and running results of FHSS communication system were described. It can help to sdudy the principle of FHSS communication system.

Key words : FHSS；communication system；Frequency Hopping System；simulation

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第一章 绪论

1.1扩频通信的应用发展及应用

扩频通信技术最初是在军事抗干扰通信中发展起来的，后来又在移动通信中得到广泛的应用，因此扩频技术的历史经历了两个发展阶段，而目前它在这两个领域仍占据重要的地位。 1.1.1扩频通信在军事通信中的应用

扩频通信系统是在50年代中期产生的，其最初的应用包括军事抗干扰通信、导航系统、抗多径实验系统以及其它方面。

扩频技术的最初构想是在第二次世界大战期间形成的。在战争后期，干扰和抗干扰技术成为决定胜负的重要因素。战后得出了“最好的抗干扰措施就是好的工程设计和扩展工作频率”的结论。FHSS通信的思路就是在这段时期出现的：如果对窄带信号使用编码的频率控制，则可以使其在任何时间占据宽频段中的任何一部分，这样另一人要进行干扰就必须维持很宽的频段。另一方面，直序扩频则起源于导航系统中高精度测距。真正实用的扩频通信系统是在50年代中期发展起来的。麻省理工学院林肯实验室开发的扩频通信系统F9C-A/Rake系统被公认为第一个成功的扩频通信系统，在该系统的研制过程中，首次提出了瑞克(RAKE)接收的概念并成功应用，该系统也是第一个真正实用的宽带通信系统。第一个FHSS扩频通信系统BLADES也在这段时期研制成功，在该系统中第一次利用移位寄存序列实现纠错编码。在此期间，喷气实验室（JPL）在其空间任务中完成了伪码产生器的设计以及跟踪环路的设计。

自从扩频通信的概念在50年代开始成熟以后，此后的二十多年扩频通信技术仍得到很大的发展，但都只是局部的发展，如硬件的改进和应用领域的拓展。而个人通信业务（PCS）的发展终于使扩频技术迎来了另一次大发展的机遇。 1.1.2扩频通信在民用通信中的应用

一直到80年代初期，扩频通信的概念都只是在军事通信系统中得到应用，这种状况到了80年代中期才得到改变。美国联邦通信委员会（FCC）于1985年5月发布了一份关于将扩频技术应用到民用通信的报告。从此，扩频通信技术获得了更加广阔的应用空间。 扩频技术最初在无绳电话中获得成功应用，因为当时已经没有可用的频段供无绳电话使用，而扩频通信技术允许与其它通信系统共用频段，所以扩频技术在无绳电话的通信系统中获得了其在民用通信系统中应用的第一次成功经历。而真正使扩频通信技术成为当今通信领域研究热点的原因是码分多址（CDMA）的应用。

90年代初，在第一代模拟蜂窝通信系统的基础上，出现了PCS研究的热潮。要实现PCS并考虑其长期发展，需要FCC为其分配100~200 MHz的带宽，而与频谱分配相关的一个重要技术因素就是多址技术。当时频谱资源的分配已经是非常拥挤，不存在还未分配且可用的一

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段宽达100 MHz的频谱资源。要为PCS分配可用的频段就只有2种方案：一是为PCS分配一段专用频谱，使正在使用该频谱的用户换到其它的频段；另一种办法就是让PCS与其它用户共享一段频谱。采取第一种方案将要遇到巨大的政治和经济阻碍：当时只有政府使用的一些频段还比较宽松，因此只能是让政府用户换用其它频段来为PCS腾出频谱资源；同时换用频段意味着已有设备的射频部分需要改造。因此第二种方案成为合理的选择。

扩频技术为共享频谱提供了可能。使用扩频技术能够实现码分多址，即在多用户通信系统中所有用户共享同一频段，但是通过给每个用户分配不同的扩频码实现多址通信。利用扩频码的自相关特性能够实现对给定用户信号的正确接收；将其他用户的信号看作干扰，利用扩频码的互相关特性，能够有效抑制用户之间的干扰。此外由于扩频用户具有类似白噪声的宽带特性，它对其它共享频段的传统用户的干扰也达到最小。由于采用CDMA技术能够实现与传统用户共享频谱，因此它也就成为PCS首选的多址方案。

随着PCS以及蜂窝移动通信的发展，CDMA技术已经成为不可或缺的关键技术。扩频通信技术也在民用通信中找到更为广阔的应用空间,而关于CDMA技术的研究热潮也一直延续到现在。

1.1.3扩频技术的研究现状

扩频技术由于其本身具备的优良性能而得到广泛应用，到目前为止，其最主要的两个应用领域仍是军事抗干扰通信和移动通信系统,而FHSS系统与直扩系统则分别是在这两个领域应用最多的扩频方式。一般而言，FHSS系统主要在军事通信中对抗故意干扰，在卫星通信中也用于保密通信，而直扩系统则主要是一种民用技术。对FHSS系统的分析，现在仍集中在其对抗各种干扰的性能方面，如对抗部分边带干扰以及多频干扰等。而直扩系统，即DS-CDMA系统，在移动通信系统中的应用则成为扩频技术的主流。欧洲的GSM标准和北美的以CDMA技术为基础的IS-95都在第二代移动通信系统（2G）的应用中取得了巨大的成功。而在目前所有建议的第三代移动通信系统（3G）标准中（除了EDGE）都采用了某种形式的CDMA。因此CDMA技术成为目前扩频技术中研究最多的对象。

1.2 扩频技术的发展趋势

从扩频技术的历史可以看出，每一次技术上的大发展都是由巨大的需求驱动的。军事通信抗干扰的驱动以及个人通信业务的驱动使得扩频技术的抗干扰性能和码分多址能力得到最大限度的挖掘。展望未来，第四代移动通信系统（4G）的驱动无疑会使扩频技术传输高速数据的能力得到更大的拓展。

3G设计的目标主要是支持多媒体业务的高速数据传输，因此其研究主要集中在新标准和新硬件的开发。而对于3G以后的发展，不同的研究者有不同的观点。

1、最大的灵活性,应该能够满足在任何时间和地点，通过任何设备都可以实现通信；

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2、降低成本，4G在实现比3G的传输速率高1~2个数量级的同时，还应该使成本降为3G时的1/10或1/100；

3、个性化和综合化的业务，不仅仅是保证每个人都能通过一个终端进行通信，而要在人周围的家庭、办公室以及热点地区建立一个通用的信息环境，使每个人都可以根据需要以各种方式获得信息。

衡量扩频系统的重要指标是扩频增益，在一定的传输带宽下，要提高有效数据的传输速率就要降低扩频增益，而扩频增益的下降也意味着扩频系统性能的降低，因此要提高传输数据速率，而且不降低扩频系统的性能（即保证一定的扩频增益），就只有提高传输带宽。超宽带(UWB)技术可以看作是一种将传输带宽极大扩展以获得高数据传输速率的扩频技术。UWB作为一种短距离通信技术在未来无线通信系统的实现中扮演着重要的角色。

1.3扩频通信技术的特点

扩频通信在军事领域长期的成功应用以及近年来在商业领域的异军突起，说明其较之传通信方式有明显的特点和优势，其主要特点有：

1、抗干扰性能好

特别是抗窄带干扰能力强，它具有极强的抗人为宽带干扰、窄带瞄准式干扰、中继转发式干扰的能力，有利于电子反对抗。在无线电通信的各个频段中还大量存在各种类型的多径干扰。长期以来，抗多径干扰问题始终是难以解决的问题之一。由于扩频系统中采用的PN码具有良好的自相关性和很弱的互相关性，所以在接收端用相关技术从多径信号中提取和分离出来最强的有用信号，或把多个路径来的同一码序列的波形相加合成，从而改善了接收系统的性能增加了系统的可靠性。

2、保密性好

由于扩频系统可以使用码周期很长的伪随机码，在一个伪随机码周期中具有随机特性，经它调制后的数字信息类似于随机噪声，将其用于保密通信中，另一方采用普通侦察手段和破译方法不易发现和识别信号。接收端进行解扩时，只有当本地码和发射的伪随机码完全一致时才能有效地恢复信息，不易被破密。若要破密，必须准确地知道所用伪随机码的种类、码长和初相，这显然是比较困难的。

3、抗衰落性强

抗衰落特别是频率选择性衰落这是室内通信环境下必须解决的问题。由于直扩系统的射频带宽很宽，小部分的频谱衰落不会使信号频谱产生严重的畸变;而对FHSS系统而言，频率选择性衰落将导致若干个频率受到影响，导致系统性能恶化。FHSS系统要抗这种选择性衰落可采用快速跳频的方法，使每个频率的驻留时间非常短，平均衰落就非常低。此外还可以采用一比特信息用M个频率编码传输，也可以较好的解决频率选择性衰落问题，这些都

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是以提高跳频速率为代价的。

4、可以实现码分多址

扩频通信提高了抗干扰性能，但付出了占用频带带宽的代价。如果让许多用户共同用这一宽频带，则可大为提高频带的利用率。在扩频时充分利用各种不同码型的扩频码序列之间优良的自相关特性和很弱的互相关特性，在解扩时利用分配给不同用户不同码型的情况，来区分不同话音信号并提取出有用信号。这样一来，在一定频带上许多对用户可以同时通话而互不干扰。它与利用频带分割或时间分割的方法实现多址通信的概念类似，即利用不同的码型进行分割，所以称为码分多址。这种码分多址方式虽然要占用较宽的频带，但平均到每个用户占用的频带来计算，其频带利用率是很高的。

5、组网能力强

直扩系统和FHSS系统都有很强的组网能力，直扩系统用不同的伪随机码可组成不同的网，FHSS系统用不同的跳频图案组成不同的网。FHSS系统的组网能力和频谱利用率高于直扩系统。

6、可实现多种信号处理

直扩系统一般采用相干解扩解调，其调制方式多采用PSK,DPSK,QPSK,MSK等调制方式。而FHSS系统多采用非相干解调，采用的调制方式多为FSK或ASK。从性能上看直扩系统利用了频率和相位信息性能优于FHSS系统。从实验的角度看，由于相干检测需要载波恢复电路，在一些对设备要求严格的场合，比如移动通信，复杂程度高就难以满足系统的要求，导致成本增加、稳定性变差。FHSS系统本身信号隐蔽性差、抗多频干扰以及跟踪式干扰能力有限，而直接序列扩频却有较好的隐蔽性和抗多频干扰能力，把这两种扩频技术结合起来就构成了直接序列/跳频扩展频谱技术。它在直接序列扩展频谱的基础上增加载波频率跳变的功能，直扩系统所用的伪随机序列和FHSS系统所用的伪随机跳频图案由同一个伪随机码发生器生成。从而提高系统的抗干扰能力，成为优秀的扩频方案。

1.4FHSS通信

FHSS，跳频技术 (Frequency-Hopping Spread Spectrum)在同步、且同时的情况下，接受两端以特定型式的窄频载波来传送讯号，对于一个非特定的接受器，FHSS所产生的跳动讯号对它而言，也只算是脉冲噪声。FHSS所展开的讯号可依特别设计来规避噪声或One-to-Many的非重复的频道，并且这些跳频讯号必须遵守FCC的要求，使用75个以上的跳频讯号、且跳频至下一个频率的最大时间间隔(Dwell Time)为400ms。

FHSS就是用扩频的码序列去进行移频键控(FSK)调制，使载波的频率不断地跳变。FHSS系统的跳变频率有多个，多达几十各甚至上千个。传送的信息与这些扩频码的组合进行选择控制，在传送中不断跳变。在接收端，由于有与发送端完全相同的本地发生器发生完全相同

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的扩频码进行解扩，然后通过解调才能正确地恢复原有的信息。

所谓FHSS，比较确切的意思是：用一定码序列进行选择的多频率频移键控。也就是说，用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率不断地跳变，所以称为FHSS。简单的频移键控如2FSK，只有两个频率，分别代表传号和空号。而FHSS系统则有几个、几十个、甚至上千个频率、由所传信息与扩频码的组合去进行选择控制，不断跳变。

下图1-1为FHSS的原理示意图。发端信息码序列与扩频码序列组合以后按照不同的码字去控制频率合成器。

图1-1 FHSS原理图

跳频图案的伪随机性和跳频图案的密钥量使FHSS系统具有保密性。即使是模拟话音的FHSS通信，只要另一方不知道所使用的跳频图案就具有一定的保密的能力。当跳频图案的密钥足够大时，具有抗截获的能力。

由于载波频率是跳变的，具有抗单频及部分带宽干扰的能力。当跳变的频率数目足够多时，跳频带宽足够宽时，其抗干扰能力是很强。这也是它能在WLAN系统中得到广泛使用的原因。利用载波频率的快速跳变，具有频率分集的作用，从而使系统具有抗多径衰落的能力。条件是跳变的频率间隔具要大于相关带宽。利用跳频图案的的正交性可构成跳频码分多址系统，共享频谱资源，并具有承受过载的能力。

FHSS系统为瞬时窄带系统，能与现有的窄带系统兼容通信。即当FHSS系统处于某一固定载频时，可与现有的定频窄带系统建立通信。另外，FHSS系统对模拟信源和数字信源均适用。

FHSS系统无明显的无近效应。这是因为当大功率信号只在某个频率上产生远近效应，当载波频率跳变至另一个频率时则不再受其影响。这一点，使FHSS系统在移动通信中易于得到应用与发展。FHSS系统也有其缺点和局限：

1、信号的隐蔽性差。因为FHSS系统的接收机除跳频器外与普通超外差式接收机没有什么差别，它要求接收机输入端的信号噪声功率比是正值，而且要求信号功率远大于噪声功

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率。所以在频谱仪上是能够明显地看到跳频信号的频谱。特别是在慢速跳频时，跳频信号容易被另一方侦察、识别与截获。

2、FHSS系统抗多频干扰及跟踪式干扰能力有限。当跳频的频率数目中有一半的频率被干扰时，对通信会产生严重影响，甚至中断通信。抗跟踪式干扰要求快速跳频，使干扰机跟踪不上而失效。

3、快速跳频器的限制。产生宽的跳频带宽、快的跳频速率、伪随机性好的跳频图案的跳频器在制作上遇到很多困难，且有些指标是相互制约的。因此，使得FHSS系统的各项优点也受到了局限。

一种用RF载波在大量RF信道上跳频实现扩频的技术，它用随机或伪随机代码确定使用通道的序列。同DSSS一样，FHSS使用一个PN码。但是它不是将PN码调制到RF载波上，而是用这个PN码确定离散频率的次序。这些离散频率就成了RF载波。本质上，FHSS是一个RF系统，在这个系统中，RF载波不断跳变（这也是它名字的由来），从一个频点跳到另一人频点（在给定的频率范围内）。

1.5 设计内容及结构

本设计主要研究设计FHSS通信系统，设计要求FHSS通信系统要具有抗干扰、FHSS同步、误码率小等特性。对FHSS系统来说，抗干扰技术是FHSS通信系统中的关键技术。它增强了FHSS通信系统在恶劣情况下的使用能力，实现了保密通信，在增强信号处理能力上也起到了积极的促进作用。

本设计针对FHSS通信系统技术指标的要求，对FHSS通信技术进行了比较全面和深入的研究，设计了低误码率的FHSS同步方案和抗干扰方案。所以本设计介绍了FHSS通信的理论基础和FHSS系统的原理及组成，进而对FHSS系统进行了深入精心的设计。其中主要设计了FHSS通信系统的MATLAB仿真，其中涉及到PN码，频率合成器，BPSK调制解调等仿真系统。

论文结构包括：扩频通信的理论基础、FHSS通信系统原理、FHSS通信系统仿真和仿真结果及分析等模块。

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第二章 扩频通信

2.1扩频通信

2.1.1扩频通信的定义

扩频通信，即扩展频谱通信技术（Spread Spectrum Communication），它的基本特点是其传输信息所用信号的带宽远大于信息本身的带宽。除此以外，扩频通信还具有如下特征: 1、是一种数字传输方式；

2、带宽的展宽是利用与被传信息无关的函数(扩频函数)对被传信息进行调制实现的； 3、在接收端使用相同的扩频函数对扩频信号进行相关解调，还原出被传信息。 2.1.2扩频通信的理论基础

扩频通信的工作原理是先用周期性地址码或伪随机噪声序列码(PN)与信息信号相乘(即进行调制)得到扩频信号，它包含原始信息和地址码信息。再把扩频信号与载波相乘，得到数字微波信号，此信号的相位载有原始信息和地址码信息。这个信号经过天线发射出去后在接收点接收，接收机收到此信号经解调、滤波得到扩频信号。扩频信号与接收机里的地址码(与发射机里的相同)相乘，称为解扩，得到原始信息信号。这些PN序列是具有多个码位的0, 1序列(至少几十个bit)，它们是经过严格挑选的、具有良好的自相关性、但彼此间却近似相互正交、线性无关的。在众多的码型中，它们很容易识别出与自己相同的码型，而不容易与其他码型混淆。通常的调制技术都是在加性高斯白噪声信道中争取达到更好的功率效率或带宽效率。而扩频调制技术使用的传输带宽是传输所需的最小信号带宽的几个数量级。对于单个用户其带宽效率很低，扩展频谱的优点是很多用户可以共享带宽。根据香农信息理论，有扰连续信道的信道容量满足以下香农公式:

C?Wlog2(1?S/N) （2-1）

公式（2 -1）表明，在给定的信号功率S和白噪声功率N的情况下，只要采用某种编码系统，就可以以任意小的差错概率、以接近C的信息传输速率来传送信息。同时也表明，在信道容量C一定时，频带宽度W和信噪比S/N之间可以彼此互换。也就是说，如果增加频带宽度，就可以在较低的信噪比情况下用相同的信息率以任意小的差错概率来传输信息。扩频通信正是利用了这一点，即用扩展频谱的方法来换取较好的信噪比。柯捷尔尼可夫理论公式为:

Pe?F(E/n0) （2-2）

Pe是误码率，E是每比特信号能量，n0是噪声功率谱密度。把此式适当改变一下就可以

很容易看出其含义。设传输带宽为W，信号功率是S?E/T,噪声功率N?Wn0，信号持续时间为T，信息信号带宽?F?1/T，将这些代入式（2-2）中可以得到:

E/n0?ST/(N/W)?(S/N)?(W/?F) （2-3）

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上式说明，Pe是由(S/N)?(W/?F)决定的。就是说传输一定带宽?F的信息，信噪比SN可以和带宽W互换，此结果与仙农定理完全一致。在扩频通信中，W/?F是处理增益，处理增益越大，(S/N)?(W/?F)越大，误码率越低，通信安全可靠性越好。

总之 ，扩频通信是用宽的带宽W来换取低的SN或S，或者说用宽的带换取低的误码率，提高通信的抗干扰能力和增加通信的隐蔽性。这是扩展频谱通信的基本思想和理论据。 依据这个理论我们就得到了扩频与解扩频基本过程如下。

一般的无线扩频通信系统都要进行三次调制。一次调制为信息调制，二次调制为扩频调制，三次调制为射频调制。接收端有相应的射频解调，扩频解调和信息解调。根据扩展频谱的方式不同，扩频通信系统可分为：直接序列扩频（DS）、跳频（FH）、跳时（TH）、线性调频以及以上几种方法的组合。

图2-1 信息的频谱扩展过程

所谓直接序列扩频（DS-Direct Scquency），就是用高码率的扩频码序列在发端直接去扩展信号的频谱，在收端直接使用相同的扩频码序列对扩展的信号频谱进行解调，还原出原始的信息。直接序列扩频的频谱扩展和解扩过程在图上我们可以看出：

图2-2 扩频信号的解扩过程

在发端，信息码经码率较高的PN码调制以后，频谱被扩展了。在收端，扩频信号经同样的PN码解调以后，信息码被恢复；信息码经调制、扩频传输、解调然后恢复的过程，类似与PN码进行了二次\模二相加\的过程。在以下的图2-3中我们还可以用能量面积图示概

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图2-3 信号与噪声的功率密度

念看出：待传信息的频谱被扩展了以后，能量被均匀地分布在较宽的频带上，功率谱密度下降；扩频信号解扩以后，宽带信号恢复成窄带信息，功率谱密度上升；相对与信息信号，脉冲干扰只经过了一次被模二相加的调制过程，频谱被扩展，功率谱密度下降，从而使有用信息在噪声干扰中被提取出来。

2.2扩频通信方式

1、直接序列扩频（DS）

直接序列扩频(DirectSe quence,DS)直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱，而在收端用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。

2、频率跳变（FH）

频率跳变调制(Frequency Hopping, FH)用较低比特率的伪随机序列的指令去控制载波的中心频率，离散的在一个给定的频带内跳变，形成一个宽带的离散频率谱。

3、线性跳频(Chirp)

线性跳频（Linear frequency-hopping）如果发生的射频脉冲信号在一个周期内其载频的频率作线性变化，则称为线性调频。下面将对系统中用到的跳频技术做一更为详细的介绍。 4、跳变时间(TH)

跳时(TH－Time Hopping)是使发射信号在时间轴上跳变。首先把时间轴分成许多时片。在一帧内哪个时片发射信号由扩频码序列去进行控制。可以把跳时理解为：用一定码序列进行选择的多时片的时移键控。

2.3随机序列码

序列元素间有确定关系存在，但具有与随机序列类似性质的一种特殊的离散信号形式，

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可表示为 ?a-1，a0，a1，a2?其中ai可取值0，1或1，-1也可以取符号域中的元素。前者叫二元序列，后者叫q元序列。但实用中最主要的还是前者。序列长度可以为有限，也可以为无穷。后者主要着重的是周期序列，即存在最小正整数夞，使对一切i有ap?ap?i，p为周期。

序列的各元素为相互独立且具有相同分布的随机变量时，称为随机序列。实际应用的主要是伪随机序列。它指序列元素间有确定关系存在，但具有与随机序列类似的下列性质：

1、在有限长度或一周期内各元素的个数相差不超过1，即接近等概率； 2、出现 l个相同值或称l长游程的概率接近1q； 3、相关函数 R(?)??aiai?c

i?0p?1在??0时为p,?=0时不超过±1，式中p为序列的长度或周期。实际上有时将大体满足以上条件的序列也称为伪随机序列。

伪随机序列可用图中a的反馈移位寄存器得到。图中f(an?i?1,an?i?2,?,ai)表示反馈函数。

n级移位寄存器只能有2（一般为qn）种

, 故经一定时间后会回到原来的某一状态,

产生周期性输出, 若反馈函数的输出an?i与各输入an?i?1,?,ai间有线性关系存在,则为线性移位寄存器，否则为非线性移位寄存器。

图2-4 序列发生器原理图

对于线性移位寄存器序列有

an?i?c0an?i?1?c1an?i?2???cn?1ai (i＝0,1,?) （2-4）

它当初始值 a0,a1,?,an?1全为零时输出恒为零。除去这种全零状态外，它最多可能取遍所有2n?1个非零状态，故最大周期为2n?1。一般情况下周期是2n?1的因子。

周期达到2n?1的序列称为最长线性移位寄存器序列，简称M序列，图中b就是三级M序列，它的输出为…，0，0，1，0，1，1，1,…。M序列完全满足伪随机序列的三点要求，特别是它的相关函数为

R(?)??aiai???{i?02n?2[??0(mod2n?1)]2n?1?1[??0(mod2n?1)] (2-5)

因而是典型的伪随机序列。M序列的周期一定是2n?1,实用上还需要有其他的周期,这

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可用非线性移位寄存器序列得到。n级非线性移位寄存器序列的周期不大于2n，达到2n的序列称M序列。

利用以上原理，我们要产生一个伪随机序列直接去控制频率合成器合成载频频率。频率合成器每接到一个PN序列就会输出一组不断跳变的频率。这样只有相同的PN码才会输出相同跳变次序的频率。PN码不同时频率合成器输出的频率是不会有相同的周期性的。

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第三章 FHSS通信系统原理

3.1FHSS通信的概述

定频通信系统容易暴露目标且易于被截获，这时，采用FHSS通信就比较隐蔽也难以被截获。因为FHSS通信是“打一枪换一个地方”的游击通信策略、从而不易发现通信使用的频率，一旦被对方发现，通信的频率也已经“转移”到另外一个频率上了。当对方摸不清“转移规律”时，就很难截获我方的通信内容。

因此，FHSS通信具有抗干扰、抗截获的能力，并能作到频谱资源共享。所以在现代通信中FHSS通信已显示出巨大的优越性。 3.1.1FHSS系统的组成部分

FHSS通信系统和其他通信系统一样，也是分为信号的编码、调制和放大等过程的发送端。另一端就是信号的接收、放大、解调得到有用的信息。完成一次FHSS通信就要分以上两步进行。

在发送端，被传送的信号经过调制器的相应调制，便获得载波频率固定的已调波信号，再与频率合成器输出的主载波频率信号进行混频，其输出的已调波信号的载波频率达到射频通带的要求，经过高通滤波器后反馈至天线发射出去。

FHSS系统的频率合成器输出的载波信号的频率是受跳频指令（伪随机序列）控制的。在时钟的作用下，跳频指令发生器不断地发出控制指令，频率合成器不断地改变其输出载波的频率。因此，混频器输出的已调波的载波频率也将随着指令不断地跳变，从而经高通滤波器和天线发送出去的就是跳频信号。

收信机通常采用超外差式接收机，使接收到的信号比接收端频率合成器的输出信号低一个中频，然后该接收信号与频率合成器的输出信号进行混频从而实现解扩，输出一个固定中频信号。之后经中频带通滤波器滤波后，把不需要的干扰抑制掉，经解调器把传送的信息恢复出来。FHSS系统组成框图如图3-1所示。

图 3-1 系统组成框图

频率合成器输出的最低频率min和最高频率max之间的变化范围指频率范围。用覆盖

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系数k=max/min表示（k 又称之为波段系数）。如果覆盖系数k>2~3 时,整个频段可以划分为几个分波段。在频率合成器中,分波段的覆盖系数一般取决于振荡器的特性。频率间隔（频率分辨率）频率合成器的输出是不连续的。两个相邻频率之间的最小间隔,就是频率间隔。频率间隔又称为频率分辨率。不同用途的频率合成器,对频率间隔的要求是不相同的。对短波单边带通信来说,现在多取频率间隔为100Hz,有的甚至取10Hz、1Hz 乃至0.1Hz。对超短波通信来说,频率间隔多取50kHz、25kHz 等。在一些测量仪器中,其频率间隔可达兆赫兹量级。频率转换时间是指频率合成器从某一个频率转换到另一个频率,并达到稳定所需要的时间。它与采用的频率合成方法有密切的关系。频率准确度是指频率合成器工作频率偏离规定频率的数值,即频率误差。而频率稳定度是指在规定的时间间隔内,频率合成器频率偏离规定频率相对变化的大小。

跳频码发生器是产生伪随机序列的部分，用它产生的伪随机序列去控制频率合成器来产生我们所需要的频率。此外系统还有编码、调制、解调等组成部分。

3.2FHSS通信系统工作原理

3.2.1FHSS通信系统数学模型

FHSS通信是扩展频谱通信的一个分支，是一个“多频、选码、频移键控”系统，即用伪码序列构成跳频指令来控制频率合成器，并在多个频率中进行选择的频移键控。具有“躲避”式抗干扰、易于解决远近问题、码分多址、频率分集等特点。

频率跳变系统主要由伪码发生器和频率合成器两部分组成。发射机在一个预定的频率集中由伪码序列控制频率合成器使发射频率随机地由一个跳到另一个。接收机中的频率合成器也按相同的顺序跳变，产生一个本振频率，经混频后，送到解调器解调出传送的信息。图3-2 是FHSS系统相关处理的数学模型：

图3-2 FHSS信号相关处理

设s1(t) 为发送的跳频信号

s1(t)?m(t)cos[(?0?n??)t??n] （3-1）

其中:n?0,1,2,......,N?1， cos[(?0?N??)t??n]为输出的FH信号(令振幅A=1)，??为FHSS合成器跳变间隔，每跳持续时间为T，一般取???2?T， m(t)是待传送的数字信息

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流，?n为初相 。s1(t)在信道中与其它地址信号s1(t) , 噪声n(t)以及千扰j(t)组合后进入接收机的信号sr(t)为：

ksr(t)?s1(t)??sj(t)?n(t)?j(t) （3-2）

j?2其中:s1(t) 为发射端的有用信号:sj(t) 是其它地址信号(j?2,?,k)，sr(t)进 入 接收机与本地信号cos[(?r?n??)t??r]相乘后得:

ksp(t)?[s1(t)??sj(t)?n(t)?j(t)]cos[(?r?n??)t??r] （3-3）

j?2式中:?r为本地频率合成器的中心频率，与?0差一个中频?1。假设收发两端跳频序列同步，将式（3-1）代入（3-3）得:

sp(t)?1/2m(t){cos(?1t??r)?cos[(?0??r?2n??)t??n??r]}?[?sj(t)?n(t)?j(t)]cos[(?r?n??)t??r]j?2k （3-4）

式中中频是：?r是本地跳频信号的初相?t??r??0。

式（3-4）中nT?t?(n?1)T的每次跳变使混频器输出一个固定中频，经中频滤波器后得到有用信号分量为:

s12(t)?12m(t)cos(?1t??1) （3-5）

将式(3-5)中的信号送入解调器中，即可解调出信息?(t)。而其它地址跳频信号、干扰信号、噪声不能在每次跳频时隙内都与本地输出信号混频成固定中频。这样，相乘后就落在中频带通滤波器的通带之外，自然就不会对有用信号的解调发生影响。 3.2.2跳频图案

为了不让另一方知道我们通信使用的频率，需要经常改变载波频率，即“打一枪换一个地方”似地对载波频率进行跳变，FHSS通信中载波频率改变的规律，叫作跳频图案。

通常我们希望频率跳变的规律不被另一方所识破，所以需要随机地改变以至无规律可循才好。但是若真的无规律可循的话，通信的双方也将失去联系而不能建立通信。因此，常采用伪随机改变的跳频图案。

只有通信的双方才知道此跳频图案，而对另一方则是绝对的机密。所谓“伪随机”，就是“假”的随机，其实是有规律性可循的，但当另一方不知跳频图案时，就很难猜出其跳频的规律来。图6－1所示为一个跳频图案。图中横轴为时间，纵轴为频率。这个时间与频率的平面叫作时频域。也可将这个时频域看作一个棋盘，横轴上的时间段与纵轴上的频率段构成了棋盘格子。阴影线代表所布棋子的方案，就是跳频图案；它表明什么时间采用什么频率进行通信，时间不同频率也不同。

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图 3-3 跳频图案

图3-3 (a)中所示为一快跳频图案，它是在一个时间段内传送一个码位(比特)的信息。通常称此时间段叫跳频的驻留时间，称频率段为信道带宽。 图3-3 (b)所示则是一慢跳频图案，它是在一个跳频驻留时间内传送多个(此处3个)码位(比特)的信息。在时频域这个“模盘”上的一种布子方案就是一个跳频图案。当通信收发双方的跳频图案完全一致时，就可以建立FHSS通信了。图3-4所示就是建立FHSS通信的示意图。

图3-4 发射接收跳频图

其中t表示时间，s表示空间，f表示频率。当收、发双方在空间上相距一定距离时，只要时频域上的跳额图案完全相重合，就表示收、发双方同步跳频地进行通信。

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3.2.3FHSS通信抗干扰方式

通信收、发双方的跳频图案是事先约定好的，或者是由发方通知收方的。这个跳频图案是另一方所不知道的。另一方若想于扰FHSS通信，有几种策略可供选择，举其二为例说明：

干扰方式1，在某一个频率上施放长时间的大功率的干扰，即单频干扰。 干扰方式2，在不同时间内在不同的频率上施放大功率的干扰。

这些干扰方式和FHSS通信的关系正像二人对奕时相互“出子”一样，当双方的“布子”落在时一频域棋盘内的同一小格时，则干扰有效。因此，跟踪跳频图案施放的干扰策略就是最佳的干扰FHSS通信的策略了。 图3-5给出了方式1和方式2的干扰策略与跳频图案的关系。

图3-5 跳频被干扰的方式

图3-5中示出一种跳频图案，方式1干扰策略是在时间上连续的施放一个窄带干扰，即第l0个频率段以斜线表示的干扰带；方式2干扰策略是在第一个时间段用第一个频率段进行干扰，第二个时间段用第二个频率段进行干扰，依次下去，就形成了沿时频域模盘对角线上的于扰带。跳频图案中受到这两种干扰时就用全黑色方块来表示。由图中可以看出，干扰方式1只干扰了一个跳频驻留时间的通信，而干扰方式2则干扰了三个跳频驻留时间的通信。

跳频图案的不同，其干扰的效果也不尽相同。当跳频图案的随机性越大时，跳频抗干扰的能力就越强；“棋盘”越大时，即频率和时间的乘积越大时，可容纳的随机图案也越多，跳频图案本身的随机性也越大，从而抗干扰能力也越强。所谓抗于扰能力强，实际上是指碰到干扰的概率小。

现代电子战中，通信方采用跳频技术来分散干扰的影响，干扰方则想截获通信方的信号

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以减少于扰的盲目性，并尽量作到有的放矢，这就是跟踪式干扰策略。跟踪式干扰的有效干扰是有条件的，这个条件除功率因素外，还应当满足干扰椭圆的要求，如图3-6所示。

图3-6 转发干扰

图中的通信方为收、发信机，干扰机用来对通信的信号进行侦听、处理，然后以同样的载波频率施放干扰。为了有效地干扰跳频系统，在通信频率跳到新的频率之前，干扰机必须完成从侦听到施放干扰的全过程。

FHSS系统更换载频的跳频间隔时间，就是跳频信号在空间驻留的时间。根据收、发信机的距离d1，干扰机与发、收信机的距离d2和d3，以及跳频驻留时间和干扰机施放干扰的处理时间，可以得到以发射机和接收机为两个焦点的椭圆。只有当干扰机设置在这个椭圆内时，才能使干扰有效，如果干扰机设置在椭圆之外时，则此跟踪式干扰策略无效。显然，为了对付跟踪式干扰，希望跳频信号的驻留时间越短越好，让干扰机来不及施放干扰。考察一个系统的跳频技术性能，应注意下列各项指标：

1、跳频带宽 2、跳频频率的数目 3、跳频的速率 4、跳频码的长度(周期) 5、FHSS系统的同步时间

一般说来，希望跳频带宽要宽，跳频的频率数目要多，跳频的速率要快，跳频码的周期要长，FHSS系统的同步时间要短。跳频带宽的大小，与抗部分频带的干扰能力有关。 跳频带宽越宽，抗宽带干扰的能力越强。

跳频频率的数目，与抗单频干扰及多频干扰的能力有关。跳变的频率数目越多，抗单频、多频以及梳状干扰的能力越强。在一般的跳频电台中，跳频的频率数目不超过100个。 跳频的速率，是指每秒钟频率跳变的次数，它与抗跟踪式干扰的能力有关。 跳速越快，抗跟踪式干扰的能力就越强。一般在短波跳频电台中，其跳速目前不超过100跳／秒。在甚高频电台中，一般跳速在500跳／秒。

FHSS系统的同步时间，是指系统使收发双方的FHSS图案完全同步并建立通信所需要

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的时间。系统同步时间的长短将影响该系统的顽存程度。因为同步过程 一旦被另一方破环，不能实现收、发跳频图案的完全同步，则将使通信系统瘫痪。因此，希望同步建立的过程越短越好，越隐蔽越好。根据使用的环境不同，目前跳频电台的同步时间可在秒或几百毫秒的量级。当然，一个FHSS系统的各项技术指标应依照使用的目的、要求以及性能价格比等方面综合考虑才能作出最佳的选择。

FHSS系统的特点，在很大程度上取决于它的扩展频谱机理。FHSS扩展频谱在机理上与直接序列扩展频谱大不相同。从图3-3的跳频图案上可以看出，每一跳频驻留时间的瞬时所占的信道带宽是窄带频谱，依照跳频图案随时间的变化，这些瞬时窄带频谱在一个很宽的频带内跳变，形成一个跳频带宽。由于跳频速率很快，从而在宏观上实现了频谱的扩展。图3-7所示是由频谱仪上观察到的跳频信号的频谱。

图3-7 频率跳变

图中箭头所标示的，是载波频率跳变的过程。载波频率之间的频率间隔就是信道带宽，跳频的载波数目乘上信道带宽就是跳频带宽。因此，FHSS系统有如下特点：

由于它是瞬时窄带系统，它易于与目前的窄带通信系统兼容。

目前的通信系统不论是模拟调制的还是数字调制的，通常都是窄带的通信系统。如果给现有的窄带通信系统加装上能使其载波频率按照某种跳频图案跳变并能实现同步接收的装置，则可改造成为FHSS通信系统。 由于它是宏观的宽带系统，它具有扩展频谱的抗干扰能力。 FHSS扩展频谱具有抗单频干扰、多频干扰的能力，还具有抗部分频带和宽带干扰的能力。图3-8给出单频干扰和部分频带干扰对FHSS信号影响的示意图。

图 3-8 多种干扰

利用跳频图案的不同，可以在一个宽的频带内容纳多个跳频通信相同同时工作，达到频谱资源共享目的，从而可以提高频谱的有效利用率。

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3.2.4FHSS通信系统的同步

同步的含义是：跳频图案相同,跳变的频率序列(也称频率表)相同，跳变的起止时刻(也称相位)相同。因此，为了实现收、发双方的跳频同步，收端首先必须获得有关发端的跳频同步的信息，它包括采用什么样的跳频图案，使用何种频率序列，在什么时刻从那一个频率上开始起跳，并且还需要不断地校正收端本地时钟，使其与发端时钟一致。

在FHSS系统中，接收机本地频率合成器产生的跳变频率必须与发端的频率合成器产生的跳变频率严格同步。由于时钟漂移、收发信机之间的距离变化，在时间上有差异;又因为振荡器频率的漂移等不确定因素，所以同步的过程就是搜索和消除时间及频率偏差的过程，以保证收发双方的码相位和载波的一致性。FHSS系统的同步一般包括跳频图案的同步、帧同步、信息码元同步等。在这些同步中，关键是跳频图案的同步。跳频同步主要有以下几种方法:

1、精确时钟定时法

由于产生跳变频率的方法是一样的，所用的伪随机码是一样的。唯一不知道是时间。若收发双方都保持时间一致，且通信距离己知，则可保证跳频图案的同步。

2、 同步字头法

将同步信息作为同步字头置于FHSS信号的最前面，或在信息的传输过程中离散地插入这种同步字。收端根据同步字头的特点，可以从接收到的FHSS信号中将它识别出来，作为调整本地时钟或伪随机码发生器的依据，从而使收发双方同步。

3、匹配滤波器法

匹配滤波器具有很强的信号处理能力，将其用于同步系统会使同步系统简化、同步时间缩短、同步性能提高。用匹配滤波器同步，一般是对同步字头进行匹配滤波，一旦输入的FHSS信号与匹配滤波器相匹配，就表示收到了同步字头，即完成了时间的同步，接收端就可以从此刻启动本地频率合成器，从而完成了跳频同步口为提高同步性能，多采用匹配滤波器组，如采用声表面波匹配滤波组。

4、自同步法，也称同步信息提取法。

这种方法是利用发端发送的数字信息序列中隐含的同步信息，在接收端将其提取出来从而获得同步信息实现跳频。

数字FHSS系统是指传送数字话音或数据的FHSS通信系统。因此，它传送跳频同步信息是以数据帧的格式进行的。数字系统跳频同步方法也不外乎同步字头法，自同步法和参考时钟法。

同步字头法，发端需发送含有同步信息的码字，收端解码后，依据同步信息使收端本地跳频器与发端同步。同步信息除位同步、帧同步外，主要应包括跳频图案的实时状态信息或

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实时的时钟信息，即所谓的“TOD”信息(Time of the Day)。为了保证TOD信息的正确接收，在如图3－9所示的同步信息数据帧格式中装有位同步和帧同步位。此外，对TOD信息位可采用差错控制技术，如纠错编码，相关编码或采用大数判决，以提高传输的可靠性。

图3－9 同步帧的结构

自同步法，数字FHSS系统中，根据需要也可采用不同方法的组合。比如，自同步法具有同步信息隐蔽的优点，但是存在同步建立时间长的缺点；而同步字头法具有快速 建立同步的优点而存在同步信息不够隐蔽的缺点。因此可将这两种方法进行组合，得到一个综合最佳的同步系统。图3－10所示的是等待自同步法的跳频同步过程。

图3-10帧同步过程

图中，接收端在频率f6上等待接收跳频信号；发送端发送的跳频信号的载波频率依次在f5、f1、f3、f4、f2、f6 …上跳变。当发端信号的载频跳变至f6时，收端接收到跳频信号，这时称作同步捕获，即可从跳频信号中解出它所携带的同步字头内的同步信息。接着，就依照同步信息的指令开始同步跳频，即由等待阶段转入同步跳频的阶段，从而建立了FHSS系统的同步。

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第四章 FHSS通信系统仿真

4.1FHSS通信系统MATLAB仿真

MATLAB与通信仿真

一般来说，通信电路与系统仿真过程可以分为五个步骤：

1、系统建模：根据要分析的通信电路与系统，建立相应的数学模型。

2、仿真算法：找到合适的仿真算法。MATLAB已经被确认为准确、可靠的科学计算标准软件。

3、仿真语言：应用仿真语言编写计算程序。MTLAB语言有非常突出的优点，是通信电路与系统仿真首选的仿真语言。

4、仿真计算：根据初步的仿真结果对该数学模型进行验证。 5、系统仿真：进行系统仿真，并认真地分析仿真的结果。

仿真算法、仿真语言和仿真程序构成了数字仿真软件。数学模型的正确性、仿真算法的可行性、仿真程序的准确性和可靠性，最后编制成一个成熟的仿真软件。

4.2FHSS通信系统仿真模型

信息序列经过调制器的BPSK调制，便获得载波频率固定的已调BPSK信号，再与频率合成器输出的跳变频率的信号进行混频，其输出的FHSS信号的载波频率达到射频通带的要求，经过高通滤波器后反馈至天线发射出去。而FHSS系统的频率合成器输出的载波信号的频率是受跳频指令控制的。在时钟的作用下，跳频指令发生器不断地发出控制指令，频率合成器不断地改变其输出载波的频率。

图 4-1 FHSS系统仿真模型

因此，混频器输出的已调波的载波频率也将随着指令不断地跳变，从而经高通滤波器和天线发送出去的就是跳频信号如图4-1。

在接收信号时收信机通常采用超外差式接收机，使接收到的信号比接收端频率合成器的输出信号低一个中频，然后该接收信号与频率合成器的输出信号进行混频从而实现解扩，输

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出一个固定中频信号。之后经中频带通滤波器滤波后，把不需要的干扰抑制掉，经解调器把传送的信息恢复出来。

仿真参数：工作频段：1~40MHz；跳频间隔：0.1KHz；跳频范围：5MHz~6MHz；跳频速度：200h/s。码长：27-1=127位

4.3FHSS仿真程序

4.3.1 FHSS发送端仿真程序 % By 程金石

% Frequency Hopping Spread Spectrum clc clear

s=round(rand(1,25)); % 生成 20 bits signal=[]; carrier=[];

t=[0:2*pi/119:2*pi]; % Creating 60 samples for one cosine for k=1:25 if s(1,k)==0

sig=-ones(1,120); % 120 minus ones for bit 0 else

sig=ones(1,120); % 120 ones for bit 1 end c=cos(t); carrier=[carrier c]; signal=[signal sig]; end

subplot(4,1,1); plot(signal);

axis([-100 3100 -1.5 1.5]); title('\\bf\\it 原始的比特序列');

bpsk_sig=signal.*carrier; % 调制信号 subplot(4,1,2); plot(bpsk_sig)

axis([-100 3100 -1.5 1.5]);

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title('\\bf\\it 原始信号的BPSK调制'); t1=[0:2*pi/9:2*pi]; t2=[0:2*pi/19:2*pi]; t3=[0:2*pi/29:2*pi]; t4=[0:2*pi/39:2*pi]; t5=[0:2*pi/59:2*pi]; t6=[0:2*pi/119:2*pi]; c1=cos(t1);

c1=[c1 c1 c1 c1 c1 c1 c1 c1 c1 c1 c1 c1]; c2=cos(t2);

c2=[c2 c2 c2 c2 c2 c2]; c3=cos(t3); c3=[c3 c3 c3 c3]; c4=cos(t4); c4=[c4 c4 c4]; c5=cos(t5); c5=[c5 c5]; c6=cos(t6); spread_signal=[]; for n=1:25

c=randint(1,1,[1 6]); switch(c) case(1)

spread_signal=[spread_signal c1]; case(2)

spread_signal=[spread_signal c2]; case(3)

spread_signal=[spread_signal c3]; case(4)

spread_signal=[spread_signal c4]; case(5)

spread_signal=[spread_signal c5];

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case(6)

spread_signal=[spread_signal c6]; end end

subplot(4,1,3)

plot([1:3000],spread_signal); axis([-100 3100 -1.5 1.5]); title('\\bf\\it 跳频信号的几个频率'); freq_hopped_sig=bpsk_sig.*spread_signal; subplot(4,1,4)

plot([1:3000],freq_hopped_sig); axis([-100 3100 -1.5 1.5]); title('\\bf\\it 跳频扩频信号'); % FFT算法 figure,subplot(2,1,1)

plot([1:3000],freq_hopped_sig); axis([-100 3100 -1.5 1.5]);

title('\\bf\\it 跳频扩频信号及其FFT算法'); subplot(2,1,2);

plot([1:3000],abs(fft(freq_hopped_sig))); 4.3.2FHSS接收端仿真程序 clc clear % 接收信号

s=round(rand(1,25)); signal=[]; carrier=[];

t=[0:2*pi/119:2*pi]; for k=1:25 if s(1,k)==0

sig=-ones(1,120); else

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设计总结

通过本次FHSS通信系统仿真设计我又学到了不少的知识和技能：第一，学会了使用MATLAB软件编写程序来实现一些简单的通信系统。深入了解和掌握了程序设计的基本方法。第二，比较系统的学习了扩频通信，重点掌握了FHSS通信系统的原理以及设计要求。第三，深刻的了解了跳频通信的优点并将这些特点在设计中做了充分的考虑和体现，使设计的FHSS系统具有较高的通信能力和抗干扰能力。

设计是在我充分利用了FHSS通信的理论的基础上，又发了挥通信课程知识的潜力，通过设计构想、理论论证、理论设计、仿真设计、仿真程序构架和设计等过程从而实现了FHSS通信系统的仿真。从仿真的过程和结果再结合现实生活我得出了如下一些结论：

1、通信系统的设计思想是整个设计的主体，在有了好的思想之后再加上正确的理论引导就是一个可行的方案了。

2、设计要反复推敲每一步的可行性和合理性，只有这样出来的结果才经得起实际的考验。

3、本设计实现的是FHSS通信系统。在程序的运行和结果分析中可以看出系统很好的实现了设计的要求，充分体现了FHSS通信系统一些良好的特性。

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参考文献

[1] 王兴亮.数字通信原理与技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2003 [2] 刘颖.数字通信原理与技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2002

[3] 郭文斌.通信原理-基于Matlab的计算机仿真[M].北京：北京邮电大学出版社，2006 [4] 宋兆基、徐流美.MATLAB6.0在科学计算中的应用[M].北京：清华大学出版社 2005 [5] 韦岗.通信系统建模与仿真[M].电子工业出版社，2007

[6] 梅文华,杨义先.跳频通信地址编码理论[M].北京: 国防工业出版社，1996 [7] 曹志刚.现代通信原理[M].北京：清华大学出版社，2000

[8] 陈 萍,等.现代通信实验系统的计算机仿真[M].北京: 国防工业出版社，2003 [9] Bijan G. Mobasseri,“Digital modulation classification using constellation shape”, 1999 IEEE. [10]Xiaoming Huo and David Donoho,“A simple and robust modulation classification methodvia counting”

.

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附录 外文文献原文、翻译

英文文献

Spread Spectrum Communication system and MATLAB simulation

Daniel Sexton

General Electric Global Research, Niskayuna New York

Abstract

This thesis expounds the basic principles of spread spectrum communication , and then the article mainly acts according to the Shannon theorem and tan oak Czechoslovakia you Nepal may the husband latent antijamming theory,With the aid of MatLab toolbox and Monte Carlo simulation algorithm,it has established the direct sequence spread spectrum communications system simulation model which does not have when the disturbance through the analysis error rate simulation curve and theory predicted value,had proven constructs the simulation model the accuracy.

Key words：Spread spectrum；communication；MATLAB 1 Introduction

1.1 Spread Spectrum Communication System

Spread spectrum communication, namely, spread spectrum communications (Spread Spectrum Communication), with fiber-optic communications, satellite communications, with access to the information age as the three major high-tech communications transmission.Spread spectrum communication is to send the information to be pseudo-random data is coded (spread spectrum sequence: Spread Sequence) modulation, spread spectrum and then the realization of transmission; the receiving end is using the same modem code and related processing, the restoration of the original data.Spread spectrum communication system has three main characteristics [1]:

Carrier is an unpredictable, or so-called pseudo-random broadband signal Carrier data bandwidth than the modulation bandwidth is much wider

Receiving process is generated by local broadband carrier signal and receiving a copy of the signal to the broadband signal to achieve.

The main way of spread spectrum are as follows:Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) using high-speed pseudo-random code on to the low-speed data transmission spread spectrum modulation;Frequency-hopping system using pseudo-random code to control the carrier frequency in a wider band of the change;TH is the data transmission time slot is a pseudo-random;Chirp

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frequency system is a linear extension of the process of change.Combination of a number of ways of hybrid systems are often applied.

The most important measure of spread-spectrum system is an indicator of spreading gain, also known as processing gain.It is precisely because of the spread spectrum system itself with its performance characteristics with a series of advantages.

1.2 The purpose of spread spectrum communication studies and significance of

Spread spectrum communication is an important branch of communication and channel the direction of development of communication systems.Spread-spectrum technology, with strong anti-interference ability, confidentiality, and is easy to realize the advantages of multiple-access communications, so the technology is receiving increasing attention.In recent years, with very large scale integrated circuit technology, the rapid development of microprocessor technology, as well as the application of some new components, spread spectrum communications is technically feasible to enter a new level, not only in an important military communications status, and are quickly penetrated into the personal communications and computer communications and other civilian areas, to become the new century, the most potential of communication technologies.The study is spread spectrum communication with far-reaching significance, I through the thesis the design, conduct in-depth study of the spread spectrum communication technology and its applications for simulation, knowledge will be summarized and summed in order to consolidate the basic knowledge of communications for the After the individual to lay a foundation to study and work.

2 the basic principles of spread spectrum communication 2.1 the definition of spread spectrum communication

The so-called spread spectrum communications, can be simply expressed as follows:\spectrum communication technology is a means of information transmission,Share some of its signal bandwidth is much larger than the minimum mass of information necessary bandwidth;The expansion of the band through a separate code sequence to complete, using the method of coding and modulation to achieve, with the mass of information has nothing to do;Receiving end in the same synchronization code related to receiving, despreading and recovery of the mass data. \definition includes the meaning of the following three aspects: 1)the signal spectrum by a broadening.

We know that the transmission of any information needs to a certain bandwidth, as the information bandwidth.For example, the human voice information bandwidth of 300Hz --- 3400Hz,

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television image information bandwidth of MHz.In order to make full use of frequency resources, which are roughly the same as far as possible the signal bandwidth to transmit information.In the radio communication bandwidth RF signals with the mass of information is comparable to the bandwidth.Such as the AM signal used to transmit voice messages, voice messages of their bandwidth for twice the bandwidth;Television broadcasting RF signal bandwidth is only the video signal bandwidth more than doubled.These are among the narrow-band communications.General FM signal, or pulse code modulation signals, their bandwidth and the information ratio of bandwidth to only a few dozen.Spread spectrum communication signals and information bandwidth than the bandwidth of up to 100 --- 1000, belonging to broadband

communications.Why use such a wide-band signal to transmit information? Do not waste valuable resources in the frequency of it?

2)the use of spread-spectrum code sequence modulation signal approach to broadening the spectrum.

We know that in time limited signal, its spectrum is infinite.For example, very narrow pulses, the spectrum is very wide.Signal bandwidth is inversely proportional to its approximate duration.1 microsecond pulse bandwidth is about 1MHz.Therefore, if the use of limited and narrow pulse sequence has been modulated by the mass of information it may give rise to very broad-band signal.As described in the following direct sequence spread spectrum system is the method used to obtain spread spectrum signals.

This very narrow pulse sequences, the code rate is very high, as the spreading code

sequence.Should be noted here that the spreading codes used by the mass and sequence data is not relevant, that is to say it and in general the same sinusoidal carrier signal, will not affect the transparency of information transmission.Sequence spread-spectrum code signals only from the expansion of the role of the spectrum.

3)In the receiving end to use of the relevant despreading demodulator.

As the narrow-band communications in general have been transferred signal demodulation receiver have to be to restore the mass of information.In spread spectrum communications receiver and transmitter used the same spread spectrum code sequence spread spectrum signals received by the relevant demodulation, the restoration of the mass of information.In other words, this correlation despreading demodulation role to play.That is, to expand beyond the original signal is restored by the mass of information.

This narrow-band information in the originator to expand into the broadband signal, and in

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/e8h7.html