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1、*实践教学* 兰州理工大学计算机与通信学院2014年秋季学期 通信系统综合训练 题 目： 跳时通信系统的研究与仿真 专业班级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 成 绩： 摘要 跳时通信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，已成为当前短波保密通信的一个重要发展方向。本次综合训练介绍了跳时通信系统的基本工作过程，从跳时系统的结构组成、工作原理、主要技术指标、跳时通信系统的调制和解调等方面阐述了跳时通信基本原理，并对跳时通信系统的抗干扰技术及其性能进行了仿真研究，并且从理论上分析了跳时通信系统的抗干扰性能,其组成部分包括信号生
2、成部分、发送部分、接收部分、判决部分、跳时子系统模块五个部分，给出了上述通信干扰样式下的误码率理论分析结果，并利用Matlab中的Simulink仿真系统实现跳时系统的仿真和分析，达到了预期的效果。关键词：扩频通信；跳时系统；Simulink仿真目 录前言1第1章 跳时扩频通信系统的基本原理21.1扩频通信系统21.1.1扩频通信的概念21.1.2扩频通信的特点31.1.3扩频通信的分类31.2跳时通信系统的结构组成41.2.1 跳时系统的构成41.2.2 跳时系统的优点6第2章 跳时通信系统的设计与仿真72.1 Simulink 基础知识简介72.1.1 Simulink简介72.1.2 S
3、imulink模块82.2 跳时通信系统的总体仿真图82.3 跳时通信系统模块的设计92.3.1 信源的Simulink仿真图102.3.2 调制解调的Simulink仿真图112.3.3 编码信道的Simulink仿真图142.3.4 跳时开关的Simulink仿真图15第3章 仿真结果及测试分析173.1 仿真结果173.2 误码率分析17总结19参考文献20前言扩频通信是现代通信技术的热点技术之一。扩频通信最初用于军事抗干扰通信，后来又在移动通信中得到广泛的应用。扩频通信信息传输系统，有利于提高系统的抗干扰性能，改善性噪比。扩频通信方式主要有：直接序列扩频，跳频扩频，跳时扩频。本次课程设
4、计主要研究跳时扩频，跳时扩频系统就是用伪随机码去控制信号发送时刻及发送时间的长短。在时间跳变中，将一个信号分为若干个时隙，由伪随机码控制在哪个时隙发送信码。时隙选择和持续时间的长短也是由伪随机码控制的。MATLAB的Simulink动态仿真环境很强大，具有方便、直观、灵活的优点。MATLAB集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。在这个环境下，对所要求解的问题，用户只需简单地列出数学表达式，其结果便以人们十分熟悉的数值或图形方式显示出来。本次综合训练根据跳时扩频通信的原理，利用MATLAB提供的可视化仿真工具Simulink建立跳时扩频通信系统的仿
5、真模型，研究扩频通信的特性，为研究以扩频通信为基础的现代通信提供理论依据。第1章 跳时扩频通信系统的基本原理1.1扩频通信系统1.1.1扩频通信的概念 所谓扩展频谱通信，可简单表述如下：“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于所传信息必需的最小带宽，频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关，在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据”。 扩频通信的基本特点，是传输信号所占用的频带宽度（W）远大于原始信息本身实际所需的最小带宽（B），其比值称为处理增益（Gp）。总之，我们用扩展频谱的宽带信号来传输信息，就是为了
6、提高通信的抗干扰能力，即在强干扰条件下保证可靠安全地通信。这就是扩展频谱通信的基本思想和理论依据。扩频通信的可行性是从信息论和抗干扰理论的基本公式中引伸而来的。信息论中关于信息容量的仙农(Shannon)公式为： （1-1）其中：C为信道容量( 即极限传输速率)，B为信号频带宽度，S为信号功率，N为噪声功率。Shannon公式说明：在给定的传输速率不变的条件下，频带宽度和信噪比P可以互换，即可以通过增加频带宽度，在信噪比较低的情况下传输信息。扩展频谱以换取信噪比要求的降低，正是扩频通信的重要特点，并由此为扩频通信的应用奠定了基础。若白噪声的功率谱密度为n0，噪声功率N=n0B ，则信道容量C可
7、表示为： （1-2）由上式可以看出，B、n0、S确定后，信道容量C就确定了。由Shannon第二定理知，若信源的信息速率小于或等于信道容量C，通过编码，信源的信息能以任意小的差错概率通过信道传输。为使信源产生的信息以尽可能高的信息速率通过信道，提高信道容量是人们所期望的。由Shannon公式可以看出：（1）信道容量C为常数时，带宽B与信噪比S/N可以互换，即可以通过增加带宽B来降低系统对信噪比S/N 的要求。（2）要增加系统的信息传输速率，则要求增加信道容量。增加信道容量的方法可以通过增加传输信号带宽B，或增加信噪比S/N来实现。由式（1）可知，B与C成正比，而C与S/N成对数关系，因此，增加
8、B比增加S/N更有效。 1.1.2扩频通信的特点主要有以下几项特点：1 易于重复使用频率，提高了无线频谱利用率 无线频谱十分宝贵，虽然从长波到微波都得到了开发利用，仍然满足不了社会的需求。在窄带通信中，主要依靠波道划分来防止信道之间发生干扰。为此，世界各国都设立了频率管理机构，用户只能使用申请获准的频率。 2 抗干扰性强，误码率低 扩频通信在空间传输时所占有的带宽相对较宽，而收端又采用相关检测的办法来解扩，使有用宽带信息信号恢复成窄带信号，而把非所需信号扩展成宽带信号，然后通过窄带滤波技术提取有用的信号。这祥，对于各种干扰信号，因其在收端的非相关性，解扩后窄带信号中只有很微弱的成份，信噪比很高
9、，因此抗干扰性强。3 码分多址能力强由于扩频通信中存在扩频码序列的扩频调制，充分利用各种不同码型扩频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，系统可以区分不同用户的信号，这样在同一频带上许多对用户可以同时通话而互不干扰。4 高速可扩展能力强由于独占信道且码分多址，所以速率很高。由于在IEEE802.11标准中，11位随机码元中只有1位用来传输数据，因此吞吐量的扩展能力强。相对于通用标准采用的相位变化DQPSK/DPSK调制技术，增强型采用了直序/脉冲位置调制（DS/PPM）技术。PPM技术使用了预置的8位码元中的3位传输数据，这
10、就使传输率产生了飞跃。在目前商用的通信系统中，扩频通信是唯一能够工作于负信噪比条件下的通信方式。1.1.3扩频通信的分类按照扩展频谱的方式不同：现有的扩频通信系统可分为直接序列(DS)扩频、跳频(FH)、跳时(TH)、线性调频(chirp)以及上述几种方式的组合。(1)直接序列扩频系统(DS)直接序列扩频系统简称直接扩频(DSS)系统或直接序列(DS)系统。要传送的信息经数字化后变成二元数字序列，它和伪随机序列模二加，合成复合码去调制载波。在直接序列系统中通常对载波进行相移键控调制，为了节省发射功率和提高发射机的工作效率，扩频系统中采用平衡调制器，抑制载波的平衡调制对提高扩频信号的抗侦破能力也
11、有利。当扩频信号采用相移键控调制后由天线发射出去，在接收机中要有一个和发射机中的伪随机码同步的本地码，对接收信号进行解扩，解扩后的信号送到解调器取出传送的信息。(2)频率跳变扩频系统(FH)频率跳变扩频系统更确切地说应叫做“多频、码选、频移键控”系统。简单的频移键控通常只利用两个频率，例如用f1表示传号，f2表示空号。而频率跳变系统常常有成百上千甚至数万个频率可供选用，选用哪个频率由码决定。频率跳变系统辛要由码发生器和频率合成器两部分组成，快速响应的频率合成器是频率跳变系统的关键部件。(3)时间跳变扩频系统(TH)在时间跳变扩频系统中，扩频码是用来控制发射机的通断的。对于m序列来说，由于0与1
12、各占了约一半，时间跳变系统的发射占空比接近一半。本次设计我们做的是时间跳变系统。(4)混合扩频系统上面的三种基本扩频系统各有优缺点，单独使用一种系统有时难以满足要求，将几种扩频方法结合起来就构成了混合扩频系统。常见的有频率跳变一直接序列混合系统、频率跳变一时间跳变系统、时间跳变一直接序列混合系统。1.2跳时通信系统的结构组成1.2.1 跳时系统的构成跳时通信系统主要由发送端和接收端两部分组成。在发送端，经调制后的信号送到一开关电路，此开关的闭启受一伪随机码的控制，以脉冲的形式发送出去，如下图：信源调制开关门1检测PN码门2检测判决振荡器PN码在接收端，本地伪随机码产生器与发端的伪随机码产生器完
13、全同步，用于控制两个选通门，使传号和空号分别有两个门选通后经检波进行判决，从而恢复出传送的信息，如下图：图1.1 跳时系统原理框图图1.2 跳时信号波形时间跳变也是一种扩展频谱技术，跳时扩频通信系统（Time Hopping Spread Spectrum Communication Systems，TH-SS）是时间跳变扩展频谱通信系统的简称，主要用于时分多址(TDMA)通信中。与跳频系统相似，跳时是使发射信号在时间轴上离散地跳变。我们先把时间轴分成许多时隙，这些时隙在跳时扩频通信中通常称为时片，若干时片组成一跳时时间帧。在一帧内哪个时隙发射信号由扩频码序列去进行控制。因此，可以把跳时理解为
14、：用一伪随机码序列进行选择的多时隙的时移键控。由于采用了窄得很多的时隙去发送信号，相对说来，信号的频谱也就展宽了。 跳时扩频系统也可以看成是一种时分系统，所不同的地方在于它不是在一帧中固定分配一定位置的时隙，而是由扩频码序列控制的按一定规律跳变位置的时隙。跳时系统能够用时间的合理分配来避开附近发射机的强干扰，是一种理想的多址技术。但当同一信道中有许多跳时信号工作时，某一时隙内可能有几个信号相互重叠，因此，跳时系统也和跳频系统一样，必须采用纠错编码，或采用协调方式构成时分多址。由于简单的跳时扩频系统抗干扰性不强，很少单独使用。跳时扩频系统通常都与其他方式的扩频系统结合使用，组成各种混合方式。从抑制干扰的角度来看，跳时系统得益甚少，其优点在于减少了工作时间的占空比。一个干扰发射机为取得干扰效果就必须连续地发射，因为干扰机不易侦破跳时
