基于FSK调制的FH通信系统设计与实现课程设计报告.docx
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基于FSK调制的FH通信系统设计与实现课程设计报告
基于FSK调制的FH通信系统设计与实现
课程设计报告
摘要
跳频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。
本文介绍了跳频通信系统的基本工作过程，从跳频系统的结构组成、工作原理、主要技术指标、跳频通信系统的解跳和解调等方面阐述了跳频通信基本原理,并对跳频通信系统的抗干扰技术及其性能进行了仿真研究和理论分析。
本文从理论上分析了跳频通信系统的抗干扰性能,其组成部分包括信号生成部分、发送部分、接收部分、判决部分、跳频子系统模块五个部分,并以2FSK系统为例,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仿真系统实现跳频系统的仿真和分析，达到了预期的效果。
关键词：
跳频系统;扩频通信;Matlab;Simulink仿真
1.绪论
1.1概述
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，线性调频。
本文主要研究跳频扩频，跳频扩频系统就是用伪随机码序列构成跳频指令来控制频率合成器，在多个频率中进行有选择的频移键控。
MATLAB的Simulink动态仿真环境很强大，具有方便、直观、灵活的优点[8]。
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。
本文根据跳频扩频通信的原理，利用MATLAB提供的可视化仿真工具Simulink建立跳频扩频通信系统的仿真模型，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。
1.2跳频通信简介
1.2.1跳频通信系统概述
扩频通信，即扩展频谱通信与光纤通信、卫星通信，一般被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式，它是上世纪40年代发展起来的一种技术，用来为战争环境下的军队提供可靠安全的通信[1]。
20世纪50年代，美国麻省理工学院研究成功NOMAC系统，成为了扩频通信研究发展的开端。
时至今日，随着民用、军用通信事业的发展，频带拥挤的矛盾日益突出。
而信号处理技术、大规模集成电路和计算机技术的发展，推动了扩频通信理论、方法、技术等方面的研究发展和应用普及。
扩频通信主要有以下几种方式：
直接序列扩频、跳频扩频和线性调频[4]。
跳频就是用伪随机码序列构成跳频指令来控制频率合成器，可以看成载波频率不断变化的多频移频键控[2]。
跳频指令由所传递的信息码与伪随机序列模二相加构成，其发送频率由跳频指令随机选择。
调制器将发送端的信息码序列与伪随机序列调制，频率的合成由不同的跳频图案控制。
在接收端，接收到的信号与噪声经滤波后送至混频器。
接收机本振信号的跳变规律与发送端相同，而且也是一频率跳变信号，接收机的中频为两个合成器产生的对应的频率的频差。
要使收发双方的跳频与频率合成器产生的跳变频率同步，需要收发方的伪随机码同步。
经混频后，得到一个不变的中频信号，将此中频信号进行解调，就可恢复出发送的信息。
1.2.2跳频技术的应用背景和发展趋势
跳频通信主要用于战术无线电通信和民用移动通信，其工作方式一般以语音为主，也可传输数据。
跳频通信具有良好的组网能力、低截获概率及抗干扰性,跳频技术提高了军事装备的抗截获和抗干扰能力,在军事领域得到了极大的发展,向通信对抗提出了严峻的挑战。
开展跳频通信抗干扰技术的研究,寻求干扰跳频通信的方法,己成了当前通信对抗领域十分紧迫而困难的任务之一[5]。
随着跳频技术的不断发展，其应用也越来越广泛。
在战术中，电台采用跳频技术可以提高通信抗干扰能力。
早在70年代，跳频系统的研究就开始了，现已开发的跳频的波段应用为：
在VHF波段（30—300MHz）的低端30—88MHz、UHF波段（300MHz以上）以及HF波段（1.5—30MHz）。
跳频速率和数据数率，随着研究的不断深入，也越来越高，现在美国Sanders公司的CHESS高速短波跳频电台已经实现了5000跳/秒的跳频速率，最高数据数率可达到19200bps。
此外，CHESS跳频电台以DSP为基础，采用了差动跳频（DFH）技术，与一般的跳频电台有所不同。
CHESS跳频电台，通过现代数字处理技术，较好地解决了多径衰落、短波系统带宽有限、信号间相互干扰等问题。
同时，它的瞬时信号对其信号的影响很小，因为其带宽很窄。
跳频电台可以实现更高跳速、更高数据速率，正是跳频通信系统的未来发展方向，新型的跳频电台也已逐渐应用软件无线电这个概念。
当前的军事通信中，短波自适应跳频电台已经占有了很重要的一部分。
短波信道有许多固有特点，与VHF/UHF频段不同，例如，受天气变化、多径时延、幅度衰落等因素的影响，信道条件变化不可捉摸。
但是短波通信的可靠性，随着各种新技术的出现，得到了技术上的保证，这些新技术中包括自适应跳频技术。
它通过自动搜索无干扰或未被占用的跳频信道进行跳频，分析波段上的频率占用率，不仅降低了短波频谱大量占用的影响，也避免了自然干扰。
它会根据需要有效的适应恶劣环境，自动地改变跳频序列。
它在海湾战争中体现出了优越性，因此引起了各国的高度重视。
远近效应，在现有的DS/CDMA系统中是一个很大的问题。
由于远近效应只发生在大功率信号的某个频率上，当载波频率跳变到另一个频率时则不受影响，因此远近效应在跳频系统中并不明显，这使得移动通信中易于应用和发展远近效应。
在数字蜂窝移动通信系统中，如果链路间采用低互相关的跳频图案异步跳频，或者采用相互正交的跳频图案同步跳频，可以完全消除或基本消除链路间的干扰，对提高系统的容量具有重要意义。
此外，跳频的频率分配具有很大的灵活性，是瞬时窄带系统，在现有频率资源比较缺乏的条件下，这一特性具有重要意义。
在组网技术中，跳频的多址性能具有很重要的意义。
加拿大Laval大学，提出了将快跳频技术应用到光纤网络中。
该系统将传统跳频系统中的频率合成器用Bragg光栅替代，跳速达到10G数量级。
系统在比特误码率为10-9，30个用户的条件下，数据速率为500Mb/s。
在具有相同数量的用户使用时，FFH/CDMA系统的比特误码率明显优于DS/CDMA系统，与采用非相干DS/CDMA技术的光纤网络相比。
此外，跳频技术在GSM、室内无线通信、无线局域网、水下通信、卫星通信、微波、雷达等多个领域也得到了十分广泛的应用[3]。
跳频系统本身也存在着一些局限和缺点，如跟踪式干扰能力有限，信号隐蔽性差，以及抗多频干扰性能不够等，而另一种扩频方式直接序列扩频却有较好的抗多频干扰的能力和隐蔽性。
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。
这种技术在直接序列扩展频谱系统的基础上，又具有载波频率跳变的功能。
直扩系统所用的伪随机序列和跳频系统，在时间上是相互关联的，使用同一个时钟进行时序控制，因为它们用的伪随机跳频图案由同一个伪随机码发生器生成。
意大利Telettra公司的HydraV电台是采用了直接序列/跳频混合扩频技术的第一代战术电台，采用了直接序列扩频DBPSK调制方式，提高了电台的抗干扰性能，比单独采用跳频技术多获得9dB的处理增益。
此外，跳频是瞬时窄带系统，其频率分配具有很大的灵活性，在现有频率资源十分拥挤的条件下，研究跳频通信技术具有重要意义。
1.3MATLAB简介
MATLAB诞生于20世纪70年代，具有其他仿真软件所无可比拟的矩阵运算能力和系统仿真能力。
MATLAB可以实现算法、绘制函数和数据、创建用户界面、进行矩阵运算、连接其他编程语言的程序等，主要应用于控制设计、工程计算、图像处理、信号处理与通讯、金融建模设计与分析、信号检测等领域[9]。
MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。
MATLAB是英文MATrixLABoratory（矩阵实验室）的缩写.它是美国的MathWorks公司推出的用于数值计算和图形处理的数学计算环境[10]。
该软件包括:
矩阵计算、数值分析、建模和系统控制、数字信号处理等应用程序。
MATLAB语言简洁、紧凑、使用方便,有丰富的运算符号和库函数,还具有结构化的控制语句和面向对象编程的特点。
MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MathWorks也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。
随着其版本的不断提高,各种工具箱的扩充和完善,MATLAB的功能越来越强,从而被广泛应用于仿真技术、自动控制和数字信号处理等领域。
2.跳频通信系统的基本原理
2.1跳频通信系统的结构组成
跳频通信系统主要由发送端和接收端两部分组成[6]。
在发送端，用信源产生的信息流去调制频率合成器产生的载频，得到射频信号，频率合成器产生的载频受伪随机码的控制，按一定规律跳变。
在接收端，接收端接收到的信号经高通滤波后送至混频器，在混频器与本振信号相乘并经中频带通滤波后，得到一个不变的中频信号，经中频放大器放大后，送到信息解调器恢复出原信息信号。
2.1.1跳频系统的发送部分
发送端包括：
信源、数据调制器、频率合成器、跳频序列发生器、高通滤波器、以及发送端天线等。
其原理框图如图2.1所示：
图2.1跳频通信系统发送端原理框图
信源输出的是双极性二进制码，用频率合成器合成载波信号。
跳频系统通过伪随机地改变发送载波频率，用跳变的频率来调制基带信号，得到载波频率不断变化的射频信号，然后发送到信道中。
在传统的定频通信系统中，载波频率是固定的，因为发射机中的主振荡器的振荡频率是固定设置的。
一般要求主振荡器的频率应能遵照控制指令而改变，这样是为了得到载波频率是跳变的跳频信号。
这种产生跳频信号的装置叫跳频器。
通常，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，跳频器是由频率合成器和跳频指令发生器构成的。
在时钟的作用下，频率合成器不断地改变其输出载波的频率，跳频指令发生器不断地发出控制指令。
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，这就是跳频信号。
跳频图案，就是跳频器输出的跳变的频率序列。
跳频图案的产生取决于跳频指令。
通常，跳频指令是利用伪随机发生器来产生的，或者由软件编程来产生此跳频指令。
所以，跳频器是跳频系统的关键部件，更具体地说，是能产生伪随机性好的跳频指令发生器和频谱纯度好的快速切换的频率合成器。
由跳频信号产生的过程可以看出，在原理上，不论是模拟的或数字的定频发送系统，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，信道机的通带宽度在实际系统中尚需考虑。
2.1.2跳频系统的接收部分
接收端部分包括：
高通滤波器、频率合成器、跳频序列发生器、带通滤波器、同步电路、数据解调器、信宿以及接收端天线等。
其原理框图如图2.2所示：
图2.2跳频系统接收端原理框图
定频信号的接收设备中，接收方法一般都采用超外差式，即接收机本地振荡器的频率与所接收的外来信号的载波频率产生频差，即相差一个中频。
经过混频后，混频产生组合波频率成分和一个固定的中频信号。
中频带通滤波器的滤波作用，将滤除组合波频率成分，而使带通中频信号进入解调器。
所要传送给收端的信息即为解调器的输出。
跳频信号的接收过程与定频相似。
要求频率合成器的输出频率要比外来信号高出一个中频，是为了保证混频后获得带通中频信号。
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，是因为外来的信号载波频率是跳变的，这样才能通过混频获得一个固定的带通中颇信号。
跳频器产生的跳频图案应当与所要求的高出一个中频，并且收、发跳频要求完全同步。
所以，为了确定其跳频的起、止时刻，接收机中的跳频器还需受同步指令的控制。
可以看出，跳频系统的关键部件是跳频器，同时跳频系统的该心技术是跳频同步。
相关器中进入的接收信号，与本地信号相乘，再经过滤波器，得到的信号送入同步系统进行判决。
同步系统将调整本地伪码系统，直到滤波器输出接收信号为止。
如果系统未同步，则滤波器输出的是噪声信号。
2.2跳频通信系统的性能指标
对于跳频通信系统的技术性能，应注意下列各项指标：
（1）跳频带宽
跳频带宽，即为跳频系统工作时的最高频率与最低频率之间所占的频率宽度[6]。
跳频带宽越宽，跳频的频率数目越多，跳频的速率越快，跳频码的周期越长，跳频系统的同步时间越短，跳频系统性能越好。
跳频部分频带的抗干扰能力，受跳频带宽大小的影响。
跳频带宽越宽，跳频系统抗宽带干扰能力越强。
（2）跳频频率数
跳频电台工作时跳变的载波频率点的数目，称为跳频频率数目。
跳频的频率数目，取决于抗单频干扰及多频干扰的能力。
跳变频率数目越多，抗疏状干扰、单频以及多频干扰的能力越强。
（3）跳频速率
跳频速率，是指跳频电台载波跳变的速率，通常用每秒钟频率跳变的次数来表示。
抗跟踪式干扰的能力与它有关。
跳频速率越高，抗跟踪式干扰的能力越强。
（4）跳频周期
跳频周期是指每一跳占据的时间。
它等于跳频驻留时间和信道切换时间之和，与跳频速率成倒数关系。
其周期长度决定跳频图案延续时间的长度，这个指标与抗截获的能力有关。
（5）跳频系统的同步时间
跳频系统的同步时间，是指系统使收发双方的跳频图案完全同步，并建立通信所需要的时间。
同步建立时间越短越好、越隐蔽越好。
2.3跳频通信系统的调制方式
跳频通信系统一般采用FSK、ASK等非相干解调的调制方式，尤其以2FSK方式最为常用，本文跳频通信系统采用2FSK调制方式。
在二进制频移键控调制方式中，二进制数字信号“1”对应于载波频率f1,而“0”对应于载波频率f2。
信息码元的宽度记为Td,则2FSK调制信号的表达式如式（2-1）所示：
（2-1）
其产生原理图如图2.3所示：
图2.32FSK产生框图
时域波形如图2.4所示：
S（t）
t
图2.42FSK信号波形
2.4频率合成器
在跳频系统中，其核心部分是跳频控制器，简称跳频器，它的主要作用是产生受伪码控制的随机跳变的载波频率。
对跳频控制器的主要要求有：
（1）要求输出信号的频谱要纯，输出频率有很好的稳定度和准确度；
（2）跳频图案要多，频率跳变的随机性要强；
（3）要求频率转换速度要快，输出频率数要多。
跳频控制器主要由频率合成器和伪码产生器组成。
因此跳频器的关键是频率合成器。
所谓频率合成器是以一个或少量的标准频率，导出多个或大量的输出频率。
频率合成器通常可分为直接式频率合成器、间接式频率合成器及直接数字式频率合成器三类。
2.5跳频信号的解跳与解调
跳频信号的解跳与解调包括两个方面：
首先是跳频信号的解跳（解扩），解跳后信号频率集中在窄带滤波器通带之内。
接着是对解跳后的信号进行解调，得到发送的信息。
在跳频系统中一般不采用相干解调器，因为在频率合成器中难以保证各个频率跳变信号之间的相干性。
所以跳频系统中的解调器不用锁相环路，而采用包络检波器。
2.5.1跳频信号的解跳
跳频系统的接收机，应对发射信号进行相应的反变换。
首先，为了完成解跳功能，将每个接收到的跳频信号切普（Chip）变换到窄带滤波器的通带内。
为了恢复发射端的原始信息流，需要再将已解跳的信号送到基带解调器。
解跳乘法器及其后的带通滤波器，能否从接收信号中提取有用信号的能力，将影响跳频接收机的性能。
双通道“传号-空号”跳频接收机的原理框图如图2.5所示：
图2.5双通道传号/空号跳频接收机原理框图
在二进制的FH发射机里，数据的传输采用2FSK时，是用发射某个频率（切普）表示“传号”，而发射另一个频率表示“空号”来实现的。
对于每一个信息比特，无论只发一个切普，还是发多个切普（每个切普都一定是两个频率中的一个），接收机应能判断两个频率中哪一个是有用信号。
因此，接收机必须能够同时观测两个交替信道，或者先对一个取样，然后紧接着对另一个取样。
2.5.2跳频信号的解调
在跳频系统中，多采用非相干的包络检测器。
典型的非相干跳频解调器如图2.6所示：
图2.6非相干跳频解调器
这个解调器适用于每比特信息多个频率切普的接收机，其中切普判决是根据顺序而来的每一对切普进行的。
这个解调器设计成适合于“1”和“0”频道的顺序取样。
也就是说，本地频率合成器把发射“1”所对应的频率插到接收机的积分清洗电路判决器中，而后紧跟着是一个与发射“0”对应的频率。
每次交替都占用半个切普周期取样。
3.跳频通信系统仿真及性能分析
3.1Simulink基础知识和设计开发原理简介
3.1.1Simulink基础知识简介
Simulink是MATLAB软件的应用，是一个对动态系统进行建模、仿真和对仿真结果进行分析的一个软件包，是在MATLAB中建立系统方框图和基于方框图的系统仿真环境[12]。
Simulink将工程中通用的方框图设计方法与仿真系统建模统一起来，其采用的是基于时间流的链路级仿真方法。
这种系统中，仿真结果可以实时的通过可视化模块，将输入输出数据显示出来，可以更加方便地对系统进行可视化建模，使系统设计、模型检验和仿真调试工作更为方便。
经过多年的应用，MATHWORK公司开发出了很多工具箱，其中包括Simulink通信系统。
此系统目前已成为科学研究和工程应用的软件工具包[11]。
Simulink能够完成大部分系统的动态仿真，提供了大量的内置模块，用户只需要知道模块的参数配置、输入输出等少数外部接口即可，而不必去关心其内部实现方式[13]。
这些模块都是图形化的。
整个Simulink的建模过程都是在图形用户界面上完成的，这样可以使得用户把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。
Simulink本身可以实现微分方程和差分方程的求解等复杂的数值计算问题，用户只需要根据问题类型及精度要求对求解器类型进行配置即可。
通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来，就可以构成所需要的系统模型，从而进行系统仿真与分析。
3.1.2Simulink的设计和开发
Simulink非常有利于建造和管理一个大型系统，其模型具有层级结构。
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，这样是为了便于实现分层设计，同时Simulink还为子系统模块提供了封装（MASK）功能[8]。
1）子系统模块
动态模型包含许多环节时，可以把此系统按功能分块，其中每一块都可以建立一个子系统。
在设计中使用子系统，可以减少窗口中的模块数，降低模型的复杂度，并易于对模型进行修改和扩充。
具体地说，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
Simulink通过封装可以为子系统建立用户自定义的图标和对话框，具有封装功能是Simulink模块一个十分实用的特点，可以用简单的图标来代替子系统，从而在当前窗口中隐藏子系统的设计内容。
此外，子系统中的每个模块都有一个对话框，因此仿真的时候，需要分别定义参数，这相对来说，比较麻烦。
而封装功能，可以使仿真模型有一个更友好的界面，可以简化用户定义仿真参数的过程。
3）用户自定义模块的设计
用户自定义Simulink模块的设计步骤为：
（1）根据公式和算法编写核心部分的S-函数。
（2）通用S－函数模块处理S－函数后，可以转化为用户自创建的模块。
（3）根据要求的功能，可以构造用户子系统，其中包括S－函数模块、输入端口、输出端口和一些其它的附加功能模块。
（4）利用Simulink中的封装功能，将子系统封装起来，其生成用户自定义的图标和封装对话框，将为整个子系统进行统一的设置。
这样，就完成了用户自定义的Simulink模块，其中包含的子系统能完成所要求的功能。
3.2跳频通信系统仿真模型的建立
基于Simulink建立的跳频通信系统的仿真模型，可以实时地观测到系统跳频前后信号的频谱变化，并且能够反映跳频通信系统的动态工作过程，还可以根据需要设计和研究相应的跳频仿真模型，实现现代通信的模拟仿真，为系统的设计和研究提供了强有力的研究平台，此系统以跳频通信为基础，仿真模型如图3.1所示：
图3.1系统仿真模型
在跳频通信系统仿真模型中,信号的处理过程为：
（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2FSK部分，然后与有用信号进行相乘运算。
伪随机码元控制2SFK部分的载波的频率，在设计中使得载波的相位为零，进而可以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，叠加上信道噪声，加性高斯噪声为其信道噪声。
（4）接收信号，在接收端的相关器中进行相关处理，相关处理时要求发送端的随机码字与采用的伪随机码保持严格的同步，其中伪随机生成模块产生相应的伪随机码。
（5）相关器的输出结果利用计数器进行统计，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其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。
3.3S－函数的仿真流程
Simulink在仿真的特定阶段，控制模块完成特定的功能，同时反复调用模型文件中的每个模块，如更新离散状态值、计算状态导数和计算输出等，为了中止仿真任务或者执行初始化，仿真的开始部分以及结束部分还需要调用一些附加过程。
Simulink进行一次仿真的完整流程图，如图3.2所示：
图3.2仿真的工作流程图
对于此仿真流程，先将模块初始化，再进入仿真环。
在仿真环中，先计算出下次抽样时间用于可变模块的抽样时间，然后再计算最大步长输出、最大步长离散状态、导数及输出计算，在仿真环的最后进行零交点定位。
其中，积分最小步长时间为导数、输出、再到导数的时间。
最后，结束程序，完成所执行的任务。
3.4跳频通信系统的仿真框图
利用Matlab中的Simulink对跳频通信系统进行模型建立，跳频扩展频谱通信系统的仿真框图如图3.3所示：
图3.3跳频通信系统的仿真结构框图
跳频通信系统，将其中的2FSK调制部分，2FSK解调部分，跳频子系统分别进行封装，封装之后的跳频通信系统的仿真结构框图如图3.4所示：
图3.4含有封装子系统的跳频通信系统的仿真结构框图
（a）2FSK调制子系统
仿真结构框图
（b）2FSK解调子系统仿真结构框图
（c）跳频子系统仿真结构框图
图3.5跳频通信系统的子系统仿真结构框图
其中，2FSK调制子系统，2FSK解调子系统，跳频子系统结构框图分别如图3.5中的图（a）、图（b）、图（c）所示。
该跳频通信系统按功能可以划分为五个部分：
信号生成部分、发送部分、跳频调制部分、接收部分和判决部分，各部分的详细结构和设计介绍如下：
（1）信号生成部分
信号生成部分是利用随机整数信号发生器（Random-integerGenerator）来产生，该模块的参数设置是产生二进制随机序列信号，采样时间设为1，即1秒产生一个码元。
它产生的是频率为1HZ的二进制随机信号。
（2）发送部分
由信源产生的二进制随机信号，先通过频率键控来产生一个2FSK信号（发送“
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