跳时通信系统的研究和仿真simulinkWord文档格式.docx
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1.1.1扩频通信的概念2
1.1.2扩频通信的特点3
1.1.3扩频通信的分类3
1.2跳时通信系统的结构组成4
1.2.1跳时系统的构成4
1.2.2跳时系统的优点6
第2章跳时通信系统的设计与仿真7
2.1Simulink基础知识简介7
2.1.1Simulink简介7
2.1.2Simulink模块8
2.2跳时通信系统的总体仿真图8
2.3跳时通信系统模块的设计9
2.3.1信源的Simulink仿真图10
2.3.2调制解调的Simulink仿真图11
2.3.3编码信道的Simulink仿真图14
2.3.4跳时开关的Simulink仿真图15
第3章仿真结果及测试分析17
3.1仿真结果17
3.2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，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：
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（TimeHoppingSpreadSpectrumCommunicationSystems，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：
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系统所使用的伪码参数。
1.2.2跳时系统的优点
跳时系统的优点在于能够用时间的合理分配来避开附近发射机的强干扰，使一个理想的多址技术（TDMA）。
但当同一信道中有许多跳时信号时，某一时隙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。
从抑制干扰角度看，跳时系统用的很少，一般与其他扩频方式组合，如FH/TH，TH/DS,FH/TH/DS等。
因为跳时系统抗干扰的办法就是减小占空比，对干扰机而言，要有效地对跳时系统实施干扰，因不易侦察跳时系统中所用的伪随机码，就必须连续发射强干扰信号。
跳时系统的主要缺点是对定时要求太严。
第2章跳时通信系统的设计与仿真
2.1Simulink基础知识简介
2.1.1Simulink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]。
它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。
Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样频率的系统。
在Simulink环境中，利用鼠标就可以在模型窗口中直观地“画”出系统模型，然后直接进行仿真。
它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型就像用手和纸来画一样容易。
它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。
Simulink包含有sinks（输入方式）、source（输入源）、linear（线性环节）、nonlinear（非线性环节）、connections（连接与接口）和extra（其他环节）子模型库，而且每个子模型库中包含有相应的功能模块，用户也可以定制和创建用户自己的模块。
用Simulink创建的模型可以具有递阶结构，因此用户可以采用从上到下或从下到上的结构创建模型。
用户可以从最高级开始观看模型，然后用鼠标双击其中的子系统模块，来查看其下一级的内容，以此类推，从而可以看到整个模型的细节，帮助用户理解模型的结构和各模块之间的相互关系。
在定义完一个模型后，用户可以通过Simulink的菜单或Matlab的命令窗口键入命令来对它进行仿真。
菜单方式对于交互工作非常方便，而命令行方式对于运行一大类仿真非常有用。
采用scope模块和其他的画图模块，在仿真进行的同时，就可观看到仿真结果。
除此之外，用户还可以在改变参数后来迅速观看系统中发生的变化情况。
仿真的结果还可以存放到Matlab的工作空间里做事后处理。
模型分析工具包括线性化和平衡点分析工具、Matlab的许多工具及Matlab的应用工具箱。
由于Matlab和Simulink的集成在一起的，因此用户可以在这两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改。
2.1.2Simulink模块
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。
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。
2.2跳时通信系统的总体仿真图
利用Matlab中的Simulink对跳时通信系统进行模型建立，跳时扩展频谱通信系统的仿真框图如图所示：
图2.1跳时通信总体框图
2.3跳时通信系统模块的设计
在跳时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）发送信号，由伪随机码控制开关的开启，将缓冲存储器暂存输入数据以突发的方式调制高频载波并发射出去，其中高频载波调制用BPSK调制。
（3）将经过跳时调制的信号，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，本地伪随机码产生器与发端的伪随码完全同步，用于控制两个选通门，使传号和空号分别由两个门选通后经检波进行判决，从而恢复出传送的信号。
（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。
2.3.1信源的Simulink仿真图
二进制贝努利序列产生器（BrnoulliBinaryGenerator）产生一个二进制序列，并且这个二进制序列中的0和1服从贝努利分布，如公式所示
（2-1）
即二进制贝努利序列产生器产生的序列中，1出现的概率为p，0出现的概率为1—p,其中p是介于0和1之间的实数，根据贝努利的序列性质可知，该序列的均值为1—p，方差等于p（1—p）。
二进制贝努利序列产生器如图：
图2.2信源产生模块
图2.3信源参数设置
图2.4信源产生信号序列
2.3.2调制解调的Simulink仿真图
BPSK是二进制相移键控，在二进制数字调制中，当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时，则产生BPSK信号。
通常用已调信号载波的0°
和180°
分别表示二进制数字基带信号的1和0。
理想的BPSK调制可使载波相位瞬时变化180°
。
BPSK信号的调制原理图如图所示
BPSK信号的解调通常都是采用相干解调，解调器原理图如图所示，在相干解调过程中需要用到与接收到的BPSK信号同频同相的相干波。
图是BPSK调制与解调框图，图是BPSK调制与解调的Simulink模型，是信源输入的随机数字信息的波形，图是随机数字信息经BPSK调制后的频谱图。
图2.8BPSK调制与解调模块
图2.9BPSK参数设置
如图2.12所示为解扩后输出信号的频谱图，其与图2.11基带信号频谱图对比可看出解扩效果一般两者频谱图有细微处的差异。
由于发射机信号通过加性高斯白噪声信道，所以接收到的信号中肯定混有噪声所以造成频谱差异。
BPSK基带调制器有两个参数。
1.Phaseoffser（rad）（相位偏移
BPSK基带调制信号的相位偏移
2.Samplespersymbol（输出信号采样数）
对应于每一个输入信号BPSK基带调制器产生的输出信号的抽样的个数。
BPSK基带解调器（BPSKDemodulatorBaseband）对二进制频移键控基带调制信号进行解调，得到原始的二进制序列。
BPSK基带解调器的输入信号可以是一个标量，也可以是帧格式的列向量。
2.3.3编码信道的Simulink仿真图
在数字通信系统中，编码器的输出是某一数字序列，而译码器输入同样也是一数字序列，它们在一般情况下是相同的数字序列。
因此，从编码器输出端到译码器输入端的所有转换器及传输媒质可用一个完成数字序列变换的方框加以概括，这个方框就称为编码信道。
加性高斯白噪声（AWGN）信道，是指信号在信道中传输时加入了高斯白噪声，加性高斯白噪声（AWGN）从统计上而言是随机无线噪声，其特点是其通信信道上的信号分布在很宽的频带范围内。
高斯白噪声的概念：
"
白"
指功率谱恒定；
“高斯”指幅度取各种值时的概率p（x）是高斯函数；
“加性”指噪声独立于有用信号，不随信号的改变而改变。
如图的仿真波形中第一个图形为输入信息，第二个波形为加入高斯白噪声后的波形。
图2.14信道参数设置
2.3.4跳时开关的Simulink仿真图
跳时系统是用伪随机码去控制信号发送时刻及发送时间的长短。
它和跳频的差别在于一个控制的是频率,而另一个控制的是时间。
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、持续时间的长短也是由伪随机码控制的。
因此,信号是在开通的很短的时隙中,以较高的峰值功率传输的,可以看成一种随机的脉位调制（PPM）和脉宽调制（PWM）。
图2.16跳时开关设计模块
图2.17跳时开关参数设置
图2.18跳时开关控制的pn码序列
第3章仿真结果及测试分析
3.1仿真结果
图3.1仿真结果
3.2误码率分析
误码率的计算过程是由一个误码仪来实现的。
它将发送端的信息码元经过一定延迟后与接收端恢复出的码元进行比较，若两者不同则认为码元传输错误，最后将误码个数除以总的传输码元个数，即得到误码率。
在图中的误码率计算部分，上面的输入信号是发送端的原始信息，下面的输入信号是接收端恢复出的信号，送入误码仪以后完成比较、统计和图形用户界面的生成功能。
从误码率计算的显示模块可以看到该跳时通信系统的误码率为0.06。
在统计系统的误码率时，门限值的设定很重要，设定不同的门限值，会得到不同的误码率。
对于不同的系统，门限值的设定是不同的，在本设计中，门限值的取值为1。
经过仿真，并将不同信噪比下的误码率曲线绘制在同一幅图像上，得到的结果如图所示：
图3.2信噪比误码率关系曲线
由图可知，跳时通信系的抗干扰性能与被干扰的频段有关，即误码率与信噪比有关。
随着信噪比的增大，误码率大体呈下降趋势。
对于跳时通信系统而言，宽带噪声干扰虽然功耗大，干扰效率较低，但只要频段覆盖准确，信噪比保持一定比值，跳时通信系统的抗干扰性能和保密性能将最终得到实现。
图中，实际误码率曲线与理论误码率曲线基本吻合，仿真基本正确，存在一定的误差。
通过仿真，可以验证，误码率随着信噪比的递增而递减，从而可以综合考虑带宽与信噪比，寻求最佳参数，最大发挥跳时通信系统的抗干扰性能，实现保密与无失真通信。
总结
跳时通信因其抗干扰性，广泛应用于军事和民用领域，其工作方式一般以语音为主，也可传输数据。
目前流行的蓝牙技术和无线局域网技术都有跳时技术的身影。
随着跳时技术的不断发展，其应用也越来越广泛。
本次综合训练，跳时系统仿真的实现，是利用Matlab中的Simulink仿真系统实现的。
我们在仿真研究的基础上，分析了跳时通信系统的性能，此研究跳时通信为基础的现代通信理论的研究及发展提供了理论依据。
首先介绍了扩频通信的理论基础和基本技术，简单介绍了扩频通信的发展和扩频通信的基本理论和基本概念、扩频通信的主要特点和应用以及在实际中几种常见的扩频频通信的实现方式。
重点介绍了扩频通信中跳时通信系统的原理及应用。
并且对仿真结果进行了分析，基本达到了设计的初衷。
但是由于系统中叠加有噪声，各种滤波器的设计存在一定的缺陷使得滤波特性不理想，以及仿真图中有些部件的参数设置存在误差等原因，在最终的判决恢复时，使得恢复序列存在一些误码。
总体而言，此次综合训练是非常成功的，虽然在设计得过程中遇到了一些问题，但是非常感谢指导老师晏燕的帮助，在她的指导下，顺利结束了此次综合训练。
此次训练，对我们以后的学习和工作都有很大的帮助，我们再以后的学习中将继续努力。
参考文献
[1]曾兴雯,刘乃安,孙献璞.扩展频谱通信及其多址技术.西安：
西安电子科技大学出版社,2004.
[2]曾一凡,李辉,扩展通信原理,北京:
机械工业出版社,2005.
[3]赵颖蕾.无线通信系统调制扩频技术
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