64_4523266_毕业设计（论文）-跳频通信仿真.doc

前 言当今信息时代，如何有效的利用宝贵的频带资源，如何进行准确可靠的信息通信是通信领域中至关重要的问题。扩频通信正是在这种背景下迅速发展起来的。快调频通信是扩频通信的一种实现方式，在抗干扰和保密性方面，它是扩频通信中很好的通信方式。在具体的实现上，跳频通信是一个用户的载波按某种跳频图案（伪随机跳频序列）在很宽的频带范围内随机的跳变。由于频率跳变的不确定性，所以很好的实现了保密通信。在本次毕业设计中，是用matlab实现快跳频通信系统的仿真。matlab是一种功能强大的软件，在统计、信号处理、人工智能以及通信领域得到了广泛的应用。在快跳频系统的设计中，主要用到simulink和communication blocks两个工具箱。在具体实现过程中，还要结合用matlab语言编写的程序实现整个过程的设计。这篇论文共分五章：第一章是绪论部分，主要介绍一些扩频通信的发展、概念、理论和应用。第二章重点介绍快跳频通信系统的性能分析，包括快跳频通信系统的模型、主要特点，快跳频图案设计和伪随机码的选择。第三章着重介绍快跳频通信系统的仿真实现，主要包括在matlab环境下仿真框图的实现以及功能。快跳频系统仿真模型各个部分的设计原理和设计思路。第四章给出在快跳频系统实现中用到的源程序以及仿真的结果。本篇论文的总结将放在第五章。第一章 绪论11 概述扩频通信，即扩展频谱通信(spread spectrum communication)，它与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。具有巨大的发展前景。扩展频谱通信（spread spectrum communication）的原理发表的很早，它是将待传送的信息数据被伪随机编码也就是扩频序列调制，实现频谱扩展以后再在信道中传输，接收端则采用与发送端完全相同的编码进行解调和相关处理，从而恢复出原始的信息数据。从这里我们可以看出，扩展频谱通信（以下简称扩频通信）作为一种新的通信方式与一般的常见的窄带通信方式是不同的，它们刚好相反，它是在发送端经过扩展频谱以后，在信道中进行宽带传输，然后在接收端进行相关处理以及解扩后恢复成窄带后解调数据。恢复出原始信息数据。因此，扩频通信具有伪随机编码调制和相关处理两个特点。也正是这两个特点，使得扩频通信方式有许多优点:如抗干扰、抗噪音、抗多径衰落、具有保密性、功率谱密度低，具有隐蔽性和低的截获概率、可多址复用和任意选址、可以用于高精度测量等。正是由于扩频通信方式具有上述的优点，所以扩频通信虽然是一种新型的通信方式，但是引起了人们的广泛注意，得到了迅速的发展和广泛的应用。从扩频通信的应用发展来看，真正开始研究它的应用的是在上个世纪50年代中期美国开始的。刚开始一直用于军事通信领域，因为在军事通信中，一般通信方式在强干扰存在的情况下，很难准确的检测出发送来的信号，由于扩频通信具有很好的保密信和抗干扰性，所以首先开始了在军事通信领域的应用。成为扩频通信研究发展的开端，从此，军事通信机关对军事通信、空间探测、卫星侦察等方面广泛应用扩频通信技术。60年代以来，随着民用通信事业的发展，频带拥挤问题日益突出，成为通信技术发展上的一个突出的问题。随着信号处理技术、大规模集成电路和计算机技术的发展，编码和相关处理能够方便的进行，通信技术的发展，推动了扩频通信理论、方法、技术等各方面的研究发展和应用普及。军事产品开始向民用转化。在80年代开始在民用领域得到应用。为了满足日益增长的民用通信容量的需求和有效地利用频谱资源，各国都纷纷提出在数字峰窝移动通信、卫星移动通信和未来的个人通信中采用扩频技术，扩频技术已广泛应用于蜂窝电话、无绳电话、微波通信、无线数据通信、遥测、监控、报警等系统中。扩频通信理论方法、技术和应用的发展，经历了几个阶段，第一阶段是在1977年前后，在早期建立的扩频通信理论的基础上，卓有成效的丰富和发展了扩频通信的理论、方法和实用技术，1977年8月的ieee通信汇刊的扩频通信专集和1978年在日本东京都举行的国际无线通信咨询委员会全会对扩频通信的专门研究集中反映了扩频通信的研究成果，开始了世界性的对扩频通信的全面研究。第二个阶段的显著标志是扩频通信开始民用。1982年美国第一次军事通信会议，公开展示了扩频通信在军事通信中的主导作用，报告了扩频通信在军事通信各个领域的应用，并开始了扩频通信的民用调查。这是扩频通信发展的第二个阶段。扩频通信发展的第三个阶段开始于1985年5月美国联邦通信委员会制定了民用公共安全、工业、科学与医疗和业余无限电采用扩频通信的标准和规范。以后世界各国相继行动，组织扩频通信专门研究机构和学术团体，开始了扩频通信的深入研究和广泛应用，这就是扩频通信发展的第三个阶段。近年来，第三代移动通信的飞速发展，把扩频通信的研究、应用和发展都推向了新的阶段。12 扩频通信的基本概念和理论基础121 扩频通信的定义所谓扩频通信，简单的可以这样表述：扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大与所传输的信息所必需的最小带宽，频带的展宽通过编码和调制的方法来实现，与所传输的信息数据无关，在接收端用相同的扩频码进行相关解扩及恢复所传的信息数据。从这个定义中我们可以看到它包含了以下三个方面的含义：首先，信号的频谱被扩展宽了。在信息传输中，我们知道任何信息都需要一定的带宽，称为信息带宽。为了充分利用频率资源，通常尽量采用大体相当的带宽的信号来传送信息，在无线电通信中，射频信号的带宽与所传信息的带宽是相比拟的，如我们熟悉的调幅信号传送的语声信号，其带宽为语声信息带宽的两倍，这被成为窄带通信，而扩频通信信号带宽与信息带宽之比( 我们称之为处理增益)可以达到1001000倍，这就是我们常说的宽带通信。至于为什么要用这样宽的频带的信号传输信息，在下面的理论分析中可以得到答案。其次，采用扩频码序列调制方式展宽信号频谱。我们知道，在时间上有限的信号，其频谱是无限的。例如很窄的脉冲信号，其频谱则很宽。信号的频带宽度与其持续时间近似成反比。1微秒的脉冲的带宽约为1mhz。因此，如果用限窄的脉冲序列被所传信息调制，则可产生很宽频带的信号。如直接序列扩频系统就是采用这种方法获得扩频信号。这种很窄的脉冲码序列，其码速率是很高的，称为扩频码序列。这里需要说明的一点是所采用的扩频码序列与所传信息数据是无关的，也就是说它与一般的正弦载波信号一样，丝毫不影响信息传输的透明性。扩频码序列仅仅起扩展信号频谱的作用。第三，在接收端用相关解调来解扩。正如在一般的窄带通信中，已调信号在接收端都要进行解调来恢复所传的信息。在扩频通信中接收端则用与发送端相同的扩频码序列与收到的扩频信号进行相关解调，恢复所传的信息。换句话说，这种相关解调起到解扩的作用。即把扩展以后的信号又恢复成原来所传的信息。这种在发端把窄带信息扩展成宽带信号，而在收端又将其解扩成窄带信息的处理过程，会带来一系列好处。弄清楚扩频和解扩处理过程的机制，是理解扩频通信本质的关键所在。c 长期以来，人们总是想法使信号所占领谱尽量的窄，以充分利用十分宝贵的频谱资源。为什么要用这样宽频带的信号来传送信息呢? 简单的回答就是主要为了通信的安全可靠。这可以用信息论和抗干扰理论的基本观点来说明。在信息论中关于信道容量的香农定理用数学表达式可以表示为：c wlog2(1十p/n) （1）从这个公式中我们可以得到：在给定信号功率p和白噪声功率n的情况下，只要采用某种编码系统，就能以任意小的差错概率，以接近于c的传输信息的速率来传送信息。其中w为频带宽度，c为传输速率。这个公式暗示在保持信息传输速路c不变的条件下，可以用不同的频带宽度w和信噪比p/w来传输信息。也就是说，频带w和信噪比p/w是可以互换的。如果增加频带宽度，就可以在较低的信噪比的情况下用相同的信息率以任意小的差错概率传输信息，甚至是在信号被噪声淹没的情况下，只要相应的增加信号的带宽，也能保持可靠的通信。这一公式指明了采用扩展频谱信号通信的优越性，即用扩展频谱的方法换取信噪比的改善。扩频通信可行性的另一理论基础，为柯捷尔尼可夫关于信息传输差错概公式： pow f(e/n。) （2）公式指出：差错概率pow是信号能量e与噪声功率密度n。之比的函数。设信号频带宽度为w，信息时间为t。信号功率为pe/t,噪声功率为nwno,信息带宽为d f1/t，则上式可以表示为：powj f(tw.p/n) = f(p/n.w/d f )（3）。这个式子说明：对于一定带宽 df的信息而言，用gp值较大的宽带信号来传输，可以提高通信抗干扰能力，保证强干扰条件下，通信的安全可靠。即式(4)与式(2)一样，说明信噪比和带宽是可以互换的。13扩频通信的主要特点由于扩频通信大大扩展了信号的频谱，发送端用扩频码序列调制，在接收端利用相关解调技术恢复出信息数据，所以它具有很多特点和其他通信方式所不能有的一系列优良的性能，具体的说它有以下的特点1 抗干扰性强频通信系统的频谱越宽，处理增益越高，抗干扰性能越强，从理论上讲，扩频通信能把信号从噪声淹没中提取出来。当然，在接收端一般采用相关检测或匹配滤波的方法提取信号。此外，对于单频及多频载波信号的干扰、其他伪随机调制信号的干扰以及脉冲正弦信号的干扰等，扩频系统都有抑制干扰提高输出信噪比的作用。特别是对抗敌人人为干扰方面，效果更是突出，这也是在军事通信领域率先广泛应用的主要原因。简单的说，如果信号带宽展宽10倍，干扰方面需要在更宽的频带进行干扰，分散了干扰功率。在总功率率不变的条件下，其干扰强度只有原来的1/10。要保持原有的干扰强度，必须加大10倍总功率，这在实际的战场条件下有时是很难实现的。另外，由于在接收端采用扩频码序列进行相关检测，即使采用同类型信号进行干扰，如果不能检测出有用信号的码序列，由于不同码序列之间的相关性，干扰也起不了太大的作用。可以说。抗干扰性是扩频通信最突出的优点。2 隐蔽性好由于扩频信号在很宽的频带上被扩频，单位频带内的功率很小，即信号的功率谱密度很低，所以应用扩频码序列扩展频谱的序列扩频系统，可在信道噪声和热噪声的背景下在很低的信号功率谱密度上通信。信号既然被淹没在噪声里，敌方就很不容易发现有信号的存在，想进一步检测信号的参数就更困难了。因此，扩频信号具有很低的被截获概率，这在军事通信上是十分有用的，可以进行隐蔽通信。再者，由于扩频信号具有很低的功率谱密度，对目前使用的各种窄带通信系统的干扰很小。近年来在民用通信上，各国都在研究和在原有窄带通信的频带内同时进行扩频通信，大大提高了频带利用率。特别是对于一些信的通信服务，如个人通信服务，采用扩频码分多址方式时，理论和实践证明，不需要分配另外的频段即可实现，因而引起了广泛的重视。3 实现码分多址我们知道，扩频通信提高了抗干扰性，但是却付出了占用频带宽的代价。如果让许多用户共同使用这一宽频带，可大为提高频带利用率。由于在扩频通信中存在扩频码序列之间优良的自相关特性和互相关特性，在接收端利用相关检测技术进行解扩，则在分配给不同用户不同码型的情况下可以区分不同用户的信号，提取信号。这样，在一个宽频带上，许多对用户可以同时通话而不相互干扰，这与利用频带分割或时间分割方法实现多址通信的概念相类似，即用不同的码型进行分割，所以成为码分多址（cdma）。码分多址方式虽然要占用较宽的频带，但是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。最近的研究表明，在数字蜂窝移动通信中，采用扩频码分多址技术可以提高容量20倍，除此之外，采用码分多址，还有利于组网、选呼、增加保密性、解决新用户随时入网等问题。4抗多径干扰在无线电通信的各个频段，即短波、超短波、微波和光纤通信的光波中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一个难以解决的问题之一。一般的方法是排除干扰或变害为利。前者是设法把最强的有用信号分离出来，排除其他路径的干扰信号，这就是采用分集技术的基本思路。后者是设法把不同路径来的延时的信号在接收端从时间上对齐相加，合并成较强的有用信号，这就是采用梳状滤波器的基本思路。这两种基本方法在扩频通信中都是很容易实现的。简单的说。就是可以利用扩频码序列之间的相关性，在接收端用相关技术从多径信号中提取和分离出最强的有用信号，或把多个路径来的同一码序列的波形相加合成。另外，在跳频通信系统中，由于用多个频率的信号传送同一信息，实际上起到了频率分集的作用。因此，在目前民用数字蜂窝移动通信及有的军事通信设备中经常采用简单的跳频技术作为抗多径干扰的一种手段。5 能精确地定时和测距电磁波在空间地传播速度是固定不变地光速，我们可以很自然地想到如果能够精确测量电磁波在两个物体之间传播地时间，也就等于测量出了两个物体之间的距。在扩频通信中如果扩展频谱很宽，意味着所采用的扩频码速率很高，每个码片占用的时间很短。当发射出去的扩频信号在被测物体反射回来后在接收端调出扩频序列，比较收发两端两个码序列的相位之差，就可以精确测出扩频信号往返的时间差，算出两者之间的距离。测量的精确度决定于码片的宽度，也就是扩展频谱的宽度。码片越窄，精度越高。目前广泛应用的全球定位系统也就是利用扩频信号的这一特点来精确定位和定时的。1 4扩频通信的几种方式 扩频通信的框图结构可以用如下的方框图表示：信 道扩频调制信 源数据调制扩频编码发生器 （发送部分的结构框图）同步时钟信息接收数据解调扩频解调扩频编码发生器 （接收部分的结构框图） 从上面的框图结构中我们可以看到与一般的通信方式不同，扩频通信增加了扩频调制和解扩部分两个环节。按工作方式我们可以把扩频通信划分为如下几种工作方式： 1 直接序列扩展频谱系统（ds-ss） 这种扩频系统简称为直接序列（ds）系统，准确的说，这种系统应该称为直接用编码序列对载波调制的系统。直接序列系统中用的编码序列通常是伪随机序列或叫伪噪声（pn）码，要传送的信息经数字化后变成二元数字序列，它和伪随机序列模2加后合成复合码去调制载波。在接收端要有一个和发送端中的伪随机码同步的本地码，对接收的信号进行解扩，解括后的信号送到解调器取出传送的信息。2）跳频扩频系统（fh_ss） 所谓跳频，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，所以称为跳频。更确切的说因该叫做“多频、码选、频移键控”系统。3） 跳时扩频系统（fh_ss）与跳频相似，跳时(thtime 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。跳时也可以看成是一种时分系统，所不的地方在于它不是在一帧中固定分配一定位置的时片，而是由扩频码序列控制的按一定规律跳变位置的时片。跳时系统的处理增益等于一帧中所分的时片数。跳时一般和跳频结合起来使用，两者一起构成“跳频跳时”系统4）混合式扩频系统 以上3中基本扩频方式中的两种或多种结合起来，便构成了一些混合扩频体制，如fh/ds、fh/th、ds/fh等，它们比单一的扩频、跳频、跳时体制有更优良的性能。第二章 快跳频通信系统的性能分析 21 跳频系统概述 211 系统结构及信号传输过程跳频通信系统（fh-ss）是一个用户的载波频率按某种跳频图案（伪随机调频序列）在很宽的频带范围内跳变的通信系统。如图2.1所示。信息信号经过波形调制（信息调制）后，送入载波调制。载波由跳变序列（伪随机序列）控制跳变频率合成器来产生，其频率随跳频序列的值的改变而改变，因此，载波首先被跳变序列调制，称作调频调制。跳变频率合成器受跳频序列控制，当跳频序列值改变一次时，则载波频率跳变一次。跳频序列习惯上被称作跳频指令，跳变频率合成器被称作跳频合成器。信息信号经过载波调制后形成跳频信号，经过信道传输被接收机接收。接收机首先从发送来的调频信号中提取跳频同步信号，使接收机频率本地伪随机序列控制的频率跳变与接收到的跳频信号的频率跳变同步。产生与发射机频率完全同步一致的本地载波。这个过程称为解跳。再用本地载波与接收信号作解调（载波解调），可获得携带有信息得信号，从而得到发射机发送来的信息，实现跳频通信。信息解调解 扩信 道扩频调制信息调制信号信息 跳变频率合成器pn码发生器跳变频率合成器 pn码发生器 同步电路 图2。1 调频通信系统的结构框图212 跳频系统的几个概念 1 为什么要跳频 通常我们所接触到的无线通信系统都是载波频率固定的通信系统，如无线对讲机，汽车移动电话等，都是在指定的频率上进行通信，所以也称作定频通信。这种定频通信系统，一旦受到干扰就将使通信质量下降，严重时甚至使通信中断。例如：电台的广播节目，一般是一个发射频率发送一套节目，不同的节目占用不同的发射频率。有时为了让听众能很好地收听一套节目，电台同时用几个发射频率发送同一套节目。这样，如果在某个频率上受到了严重干扰，听众还可以选择最清晰的频道来收听节目，从而起到了抗干扰的效果。但是这样做的代价是需要很多额谱资源才能传送一套节目。如果在不断变换的几个载波频率上传送一套广播节目，而听众的收音机也跟随着不断地在这几个频率上调谐接收，这样，即使某个频率上受到了干扰，也能很好地收听到这套节目。这就变成了一个跳频系统。另外在敌我双方的通信对抗中，敌方企图发现我方的通信频率，以便于截获所传送的信息内容，或者发现我方通信机所在的方位，以便于引导炮火摧毁。定频通信系统容易暴露目标且易于被截获，这时，采用跳频通信就比较隐蔽也难以被截获。因为跳频通信是“打一枪换一个地方”的游击通信策略、使敌方不易发现通信使用的频率，一旦被敌方发现，通信的频率也已经“转移”到另外一个频率上了。当敌方摸不清“转移规律”时，就很难截获我方的通信内容。因此，跳频得到了广泛的研究和应用。2 什么是跳频图案为了不让敌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，跳频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敌方所识破，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(或友军)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，而对敌方则是绝对的机密。所谓“伪随机”，就是“假”的随机，其实是有规律性可循的，但当敌方不知跳频图案时，就很难猜出其跳频的规律来。 22 跳频信号的发送和接收221 跳频信号的发送 在传统的定频通信系统中，发射机中的主振荡器的振荡频率是固定设置的，因而它的载波频率是固定的。为了得到载波频率是跳变的跳频信号，要求主振荡 器的频率应能遵照控制指令而改变。这种产生跳频信号的装置叫跳频器。通常，跳频器是由频率合成器和跳频指令发生器构成的， 跳频系统的频率合成器输出什么频率的载波信号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。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。跳频器输出的跳变的频率序列，就是跳频图案。因此，有什么样的跳频指令就会产生什么样的跳频图案?通常，是利用伪随机发生器来产生跳频指令的，或者由软件编程来产生跳频指令。所以，跳频系统的关键部件是跳频器，更具体地，是能产生频谱纯度好的快速切换的频率合成器和伪随机性好的跳频指令发生器。由跳频信号产生的过程可以看出，不论是数字的或模拟的定频发送系统，在原理上，只要加装上一个跳频器就可变成一个跳频的发送系统。但是在实际系统中尚需考虑信道机的通带宽度。 222跳频信号的接收 定频信号的接收设备中，一般都采用超外差式的接收方法，即接收机本地振荡器的频率比所接收的外来信号的载波频率相差一个中频，经过混频后产生一个固定的中频信号和混频产生的组合波频率成分。经过中频带通滤波器的滤波作用，滤除组合波频率成分，而使中频信号进入解调器。解调器的输出就是所要传送给收端的信息。跳频信号的接收，其过程与定频的相似。为了保证混频后获得中频信号，要求频率合成器的输出频率要比外来信号高出一个中频。因为外来的信号载波频率是跳变的，则要求本地频率合成器输出的频率也随着外来信号的跳变规律而跳变，这样才能通过混频获得一个固定的中颇信号。跳频器产生的跳频图案应当与所要要高出一个中频，并且要求收、发跳频完全同步。所以，接收机中的跳频器还需受同步指令的控制，以确定其跳频的起、止时刻。 可以看出，跳频器是跳频系统的关键部件，而跳频同步则是跳频系统的该心技术。223 正确接收跳频信号的条件跳频系统要实现跳频通信，正确接收跳频信号的条件是跳频系统的同步。 跳频系统的同步是关系到跳频通信能否建立的关键。那么，怎样才能实现通信双方的跳频同步呢? 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。（在本次快跳频系统仿真中，发送端和接收端的扩频信号的同步是通过使用同一脉冲序列实现的）系统的同步包括以下几项内容： 收端和发端产生的跳频图案相同，即有相同的跳频规律。 收、发端的跳变频率应保证在接收端产生固定的中频信号，即跳变的载波频率与收端产生的本地跳变频率相差一个中频。 频率跳变的起止时刻在时间上同步，即同步跳变，或相位一致。 在传送数字信息时，还应做到帧同步和位同步。 图22 示出了跳频同步的几种情况： 其中，图(a)只是跳频图案相同；图(b)是跳频图案及跳频频率一致的情况；图(c)为跳频图案、跳频频率以及跳频起止时刻完全一致的同步情况。图中黑色矩形块代表接收端的跳频图案，带有斜线的矩形块代表发送端的跳频图案，即所要接收的外来信号的跳频图案。图(b)和图(c)中，接收端跳频图案的瞬时频率比外来信号高出一个中频。 224 跳频信号的波形与定频连续信号波形不同，跳频信号的波形是不连续的，这是因为跳频器产生的跳变载波信号之间是不连续的。频率合成器从接受跳频指令开始到完成频 率的跳变需要一定的切换时间。为了保证其输出的频率纯正而稳定，防止杂散辐射，在频率切换的瞬间是抑止发射机末级工作的。 频率合成器从接受指令开始建立振荡到达稳定状态的时间叫作建立时间；稳定状态持续的时间叫驻留时间；从稳定状态到达振荡消失的时间叫消退时间。从 建立到消退的整个时间叫作一个跳周期，记作th。建立时间加上消退时间叫作换频时间。只有在驻留时间(记作td)内才能有效地传送信息。图23给出频率 合成器的换频过程和载波信号的波形。 图23 跳频通信系统为了能更有效地传送信息，要求频率切换占用的时间越短越好。通常，换频时间约为跳周期th的1/8 1/10。比如跳频速率每秒500跳的系统，跳周期th2ms，其换频时间为0.2ms左右。跳频速率每秒20跳的系统，跳周期是50ms，其换频时间约为5ms。 23 快跳频系统的扩频码序列和跳频图案的设计231 引言 具有良好的伪随机特性和相关特性的编码对于扩频通信和它的应用是非常重要的。在跳频通信中，抗干扰、抗截获、信息数据隐蔽和保密、抗多径干扰和抗衰落多址通信、实现同步和捕捉都是与编码设计密切相关的。这些编码被称为扩频编码。能满足上述要求的扩频编码应具有如下的理想特性： 1 有尖锐的自相关特性。 2 具有处处为零的互相关值。 3 不同的码元数平衡相等。 4 有足够多的编码。 5 有尽可能大的复杂度。 然而，上述理想特性和目前任何编码所不能达到的。所以在实际中，我们将把具有尖锐自相关和几乎为零的互相关特性的码称作序列，扩频编码被称作扩频序列。基本符合扩频序列理想特性的是伪随机序列，最简单、最常用的是m序列。它有尖锐的自相关特性，有较小的互相关值，码元平衡。但是m序列的序列数不多，序列复杂度不大。1976年r.gold提出了一类序列:gold序列，它的自相关旁瓣值和互相关值与m序列的互相关值一样，但是序列数目大大增加了。序列的复杂度也略有改善，因此，它是一种重要的扩频序列。在本次的快跳频系统仿真设计中，扩频码就是采用gold序列。在本节中重点介绍gold序列的实现。 232 gold序列的实现 gold在提出gold序列时指出：给定移位寄存器级数r时，总可以找到一对互相关函数值是最小的码序列，采用移位相加的方法构成新码组，其互相旁瓣都很小，而且在相关函数和互相关函数均是有界的。由上述可见，r级移位寄存器产生的两个m序列可以相对移位2-1位，模2相加就可得到2-1个gold序列，再加上原来的两个m序列共有21个gold码。这样，用gold码作为地址码，地址数可以大大超过用m序列作地址码的数量。产生gold码可以用两种方法，一种是对应于优选对的两个移位寄存器串连成2r级的线性移位寄存器；另外一种方法是将两个移位寄存器并联然后模2加。在本次的设计中，gold码的实现就是采用第二种方法的。在gold码序列中，有平衡gold码和非平衡gold码之分，所谓平和gold码是指码序列中1比0的个数仅多一个的码，而非平衡gold码就是0和1个数之差不再是1的码。在扩频通信中尤其是在直接扩频通信中，扩频码的0、1平衡性直接影响载波抑制度，在跳频通信中，码的不平衡性将严重影响系统的系能。因此在实际的调频通信中，我们一般采用平衡的gold码序列。 为了产生平衡gold码需要选择两个原始的m序列的特定的相对状态，即所谓的特征相位。当序列处于特征相位时，对该序列每隔一位进行抽样所得的抽样序列仍为原序列。（这方面的更详细的论述请参考国防工业出版社的扩谱通信）。在求得序列的特征相位以后，还要研究两个处于特征相位的m序列优选对的相位关系，这样才能寻找平衡gold码。233 跳频图案的设计1） 跳频图案和跳频频率表跳频图案是由跳频指令控制频率合成器所产生的频率序列。跳频系统中，跳频带宽和可供跳变的频率(频道)数目都是预先定好的。 比如说，跳频带宽为5mhz，跳频频率的数目是64个，频道间隔是25khz。这样，在5mhz带宽内可供选用的频道数远大于64个，那么你怎样选择出64个频率来呢? 这就是所谓的跳频频率表。 根据电波传播条件、电磁环境条件以及敌方干扰的条件等因素来制定一张或几张具有64个频率的频率表，即f1，f2，f64，另一张可以是f1，f2,f64。如果采用f1，f2，f64这张频率表，那么跳频指令发生器则是根据这张频率表向频率合成器发出指令进行跳频的。那么又怎样在这64个频率中做到伪随机地跳频呢? 这是由跳频指令发生器和频率合成器来实现的。跳频指令发生器主要是一个伪码发生器。伪码发生器在时钟脉冲的推动下，不断地改变码发生器的状态。不同的状态对应于一张跳频频率表中的一个频率。64种状态则对应64个频率。再根据此频率，按照频率合成器可变分频器、置位端的要求，转换成控制频率合成器的跳频指令。由于伪码发生器的状态是伪随机地变化，所以频率合成器输出的频率也在64个频率点上伪随机的跳变，便生成了伪随机地跳频图案。当频率表不同时，虽然用同一个伪码发生器，实际所产生的跳频图案也是不同的。2) 跳频图案的选择 一个好的跳频图案应考虑以下几点： 图案本身的随机性要好，要求参加跳频的每个频率出现的概率相同。随机性好，抗干扰能力也强。 图案的密钥量要大，要求跳频图案的数目要足够多。这样抗破译的能力强。 各图案之间出现频率重叠的机会要尽量的小，要求图案的正交性要好。这样将有利于组网通信和多用户的码分多址。 上面谈过，跳频图案的性质，主要是依赖于伪码的性质。所以选择伪码序列成为获得好的跳频图案的关键。常见的伪随机码序列除了上面介绍的gold码以外，常用到的还有m序列，m序列，rs序列。下面简单介绍一下这三种常用伪随机序列的特点：m序列的优点是容易产生，自相关特性好，且是伪随机的。但是可供使用的跳频图案少，互相关特性不理想，又因它采用的是线性反馈逻辑，就容易被敌人破译码的序列，即保密性、抗截获性差。由于这些原因，在跳频系统中不采用m序列作为跳频指令码。 m序列是非线性序列，可用的跳频图案很多，跳频图案的密钥量也大，并有较好的自相关和互相关特性，所以它是较理想的跳频指令码。其缺点是硬件产生时设备较复杂。 rs序列的硬件产生比较简单，可以产生大量的可用跳频图案，很适于用作跳频指令码序列。 第三章 快跳频通信系统的仿真实现31 matlab语言与仿真环境介绍311 matlab仿真环境 matlab是美国math works公司推出的用于数值计算和信号处理的数学计算软件包，与其他高级语言（basic、fortran、c 等）相比，不仅语法规则更为简单，而且在解决工程问题和科研教学的辅助方面更加直观、简洁和高效。正因为如此，受到了专业研究人员的广泛重视。随着版本的不断升级，matlab的功能越来越强大，应用范围也越来越广泛。在matlab中，不同应用领域的专用库函数和模板汇集起来作为工具箱添加到matlab的软件包中。借助这些工具箱，各个领域和各个层次的科研人员可以直观、方便地进行分析、计算和设计仿真，大大的提高了工作的效率。目前在matlab中推出的工具箱主要有信号处理、控制系统、神经网络、图象处理、小波分析、通信系统等。而且还在不断增加新的功能。在这篇论文中，要用到的是matlab在通信系统中的应用，学习simulink模块的应用和communications blockset的应用。这两个模块的工作界面如下所示： 图3。1 simulink工作窗口可以看到，在sumulink中，包含有七个模块库，分别为信源库（sources library）、信宿库（sink library）离散库（discrete library）、线性库（linear library）非线性库(nonlinear library)、连接库（continuous）、数学库（math library）、信号与系统库（signals&systems library）、专用模块和工具箱集合（blocksets&toolboxes）共10个模块库。另外，在simulink工作窗口的右下还有一个demos图标，它提供仿真的各种例子。双击某个库的图标，可以进入下一级的窗口，窗口中排列这该模块库包含的图标以及名称。如下页所示是通信模块的工作窗口，我们可以看到，这个工作窗口包含有信源（comm source）、信宿（comm sink）、信源编码（source code）、信道编码（channel code）、调制与解调（munication）、信道（channel）、同步（synchronication）等9个模块库，与simulink一样，也包含有一个demos模块。可以方便的对各种实例进行演示。 图 3。2 communications blockset 工作窗口 312 matlab语言介绍 mablab语言是一种高效率的用于科学工程计算的高级语言，与c、c+、rortran等高级程序设计语言相比，matlab不但在数学语言的表达与解释方面表现出人机交互的高度一致，而且具有作为优秀高技术计算环境所不可缺少的很多特征：1高质量、高可靠的数值计算能力。 2基于向量、数组和矩阵的高级程序设计语言。 3高级图形和可视化数据处理能力。 4广泛解决各学科专业领域内复杂问题的能力。 5支持科学和工程计算标准的开放式、可扩充结构。 6跨平台兼容，可以和c语言、c+语言相互调用。同c语言一样，在matlab语言中提供了4种决策或者说控制流结构，它们是：for循环，white循环，ifelseend结构和switchcase结构，它们的用法和c语言中这几种结构的用法相似但是由于这些结构经常包含大量的matlab命令，所以经常出现在m文件中,一般结构如下：1 for循环的一般形式：while expression 2 while循环的一般形for x = array commands commandsend end3 if-else-end结构：if expression 4 switch-case结构switch expresscommands case test1 commands end case test2,test3 commands end 313 simulink的核心s函数matlab最受人们欢迎的特点之一是其具有开放性，也就是说用户可以通过对工具包源文件的修改或加入自己编写的文件去构成新的用户专用工具包，为了修改和编写源文件，就必须熟悉和掌握simulink中的s函数（s-function）.s-函数是simulink的核心，它具有的表现形式有三种：（1） 框图形式（2） m文件形式（3） mex文件形式（c语言或fortran语言子程序）一旦simulink窗口中的仿真框图建立好，simulink即利用该框图的信息生成一个s函数，用来代表simulink模型。有时标准模块库中现有的模块不能满足用户的需要，为了完成某个特定的功能或进行一种特定的数学运算，我们可以用标准的matlab语言编写m文件，也可以用c语言，但是如果用c语言必须用matlab/bin目录下的批处理comex.bat将其编译成ms-windows下的动态链接文件，才可以在matlab下直接调用。1 s函数的仿真工作原理s函数与simulink非线性库中的s函数模块配合使用。将s函数模块从非线性库中拷贝到用户自己的模块框图中，然后在模块的对话框中定义调用的s函数的名称，则该模块完成的功能由调用的s函数决定。在每个simulink模块中都有三个基本参数，输入矢量u，输出矢量y和状态矢量x。三者的连接关系如图33所示 x 输入矢量 状态矢量 输出矢量 图 33 simulink模块基本参数输入矢量、输出矢量和状态矢量的数学关系如下 y=f(t,x,u) x=f(t,x,u) x=f(t,x,u)2 s函数的仿真流程在仿真的特定阶段，simulink反复调用模型文件中的每个模块，控制它们完成特定的功能，如计算输出、更新离散状态值和计算状态导数等，为了执行初始化或中止仿真任务，在仿真的开始部分和结束部分还要调用一些附加过程。下图给出了simulink进行一次仿真的完整流程。在结束时执行所需的任务定位零交点计算输出计算导数计算导数最大步长计算离散状态最大步长计算输出计算下次抽样时间用于抽样时间可变模块初始化模块 仿真环积分最小时间步长 34 仿真的工作流程图3 simulink的设计和开发simulink模型具有层级结构，非常有利于建造和管理一个大型系统。为了便于实现分层设计，在simulink模块库中的非线性字库中含有一种专用的模块子系统模块，同时simulink还为子系统模块提供了封装（mask）功能。1) 子系统模块当一个动态模型包含许多环节时，可以把系统按功能分块，每一块建立一个子系统。在设计中使用子系统，可以降低模型的复杂度，减少窗口中的模块数，并易于对模型进行扩充和修改。具体而言，可以采用“自顶向下”的设计方式，也可以采用“自底向上”底设计方式。详细的设计步骤将在快跳频系统设计中介绍2） 封装功能具有封装功能是simulink模块一个非常有用的特点，通过封装可以为子系统建立用户自定义的对话框和图标，可以在当前窗口中隐藏子系统的设计内容，用简单的图标来代替子系统。另一方面，由于子系统中的每个模块都有一个对话框，进行仿真的时候要分别定义参数，比较麻烦。而封装功能可以简化用户定义仿真参数的过程，同时也可以使仿真模型有一个更友好的界面。3）设计用户自定义模块创建一个用户自定义的simulink模块的步骤为：（1） 根据算法和公式编写核心部分的s-函数。（2） s函数经过通用s函数模块处理后，转化为用户自创建的模块。（3） 根据要求的功能构造用户子系统，包括输入端口、输出端口、s函数模块和其它一些附加功能模块。 （4） 利用simulink中的封装功能将子系统封装起来，生成用户自定义的封装对话框和图标，为整个子系统提供统一的设置。这样就完成了用户自定义的simulink模块，并能完成所要求的功能。32 快跳频系统的仿真框图及功能 3。3 快跳频通信系统的仿真结构框图如图3，3所示，该跳频通信系统按功能可以划分为六个部分，信号产生部分、发送部分、跳频扩频调制部分、信道部分、接收部分和结果分析部分。各部分的具体结构都封装在子系统中，各部分的详细结构和设计将在下面的叙述中给予介绍信号在系统中的处理过程为：（1） 由信源端生成准备传送的有用信号。（2） 由伪随机码序列控制mfsk部分，然后与有用信号进行相乘运算。伪随机码元控制msfk部分的载波的频率（在设计中使得载波的相位为零）。从而实现信号的跳频通信。（3） 将经过跳频调制的信号经过信道传输（信道是rayleigh&awgn信道）叠加上信道噪声，信道噪声为加性高斯噪声。 （4） 接收端的相关器对接收信号进行相关处理，相关处理时采用的伪随机码与发送端的随机码字保持严格的同步，未随机码仍然由伪随机生成模块来长生 （5） 利用一个计数器对相关器的输出结果进行统计，然后完成比较，判决过程，恢复出原始信号。 （6） 将恢复出的有用信号与发送端的原始信号同时送入误码仪进行比较，计算出误码率。33 快跳频通信模型各部分介绍331 信号生成部分如图35为发送信号的生成模块，其中，最左边的脉冲模块可以生成脉冲矢量，在设计中，设定脉冲模块输出二维脉冲信号，信号频率取为1hz和10hz。其中，频率为1hz的脉冲作为码元同步信号，10hz的脉冲作为切普同步信号，码元信号为方波，码元同步信号送至接收部分的比较判决模块，用于恢复出原始的信息码元，切普同步信号用于同步生成伪随机扩频码，在图3-4中两个伪随机码元生成模块采用同一个切普同步信号，保证了用于扩频的伪随机码和用于解扩的伪随机码的完全同步。（当然在实际的通信系统中，切普同步信号需要从接收信号中提取，是接收设备中非常关键的部分，本例中的切普同步是由前端提供的） 35 发送信号生成模块框图 1 跳频调制部分1） 伪随机码（gold码序列）的生成在设计中，伪随机码采用gold码序列，在第二章的论述中我们已经知道gold码可以由m序列经过串联或并联产生，在本设计中采用第二种的实现方法。即两个m序列经过模2加运算以后产生gold序列。原理框图的结构如下 图32 gold码生成的原理框图在这部分的设计中，gold码的设计利用s函数，采用matlab语言编写程序，采用的算法就是根据上面的原理图，用matlab语言参照s函数的模板程序编写一个m序列的生成程序，然后构建自己的动态仿真模块。两个模块的输出经过模2加以后产生gold序列。下面具体介绍一下如何利用s函数、子系统和封装功能来开发自己的simulink模块。（1）在matlab工作窗口中键入simulink命令，打开simulink标准模块库，从它的file菜单中选取new命令，创建新的方框图窗口。（2）双击模块库中的fanctions&tables库的模块图标，将其中的sfunction模块用鼠标拖入方框图窗口中。（3）用matlab语言编写产生m序列的程序。m文件形式的s函数在matlabr11toolboxsimulinkblocks子目录下有一个模板文件funtmpl.m文件。参照它的格式编写文件，当然也可以采用其它形式来编写，利用上面的编写方式可以很清晰的了仿真的具体流程。（关于s函数的工作原理在前面的叙述中已