王 欣，陶 杰，崔佩璋，胡建旺，孙慧贤

（陆军工程大学石家庄校区，河北 石家庄 050000）

0 引 言

跳频系统的抗干扰能力强，广泛应用于军队和人们的日常生活。军队里各种电台基本都有跳频通信的功能，主要是为了躲避敌人搜索信号或者敌人对某一频率的信号进行干扰。日常生活中，频率资源有限，zigbee、WiFi和蓝牙的频率都在2.4 GHz，同时使用势必会互相干扰。但是，它们都划分了很多信道，会自动选择干扰少的信道使用，即采用跳频技术。可见，跳频技术已经应用于生活和工作的方方面面，分析其原理和抗干扰性能将具有极其重要的意义。

1 跳频通信系统原理

跳频通信是指使发射机的载频在一个信息码元的时间内按照预定的规律离散地快速跳变，从而达到扩展频谱的目的。载频跳变的规律一般由伪码控制频率合成器生成。当跳频序列值改变一次，载波频率将跳变一次。信号调制到这些不同的频率中，即形成跳频信号[1]，然后进行传输。在接收端，用相同的伪随机码控制频率合成器产生本振信号，接收端收到的信号与本振信号相乘，再经过中频滤波得到稳定的中频信号，最后经过解调恢复原始的信号。而其他的跳频信号、干扰信号和噪声，不可能与本地频率合成器的信号混频成固定的中频，所以解跳时这些信号落在中频滤波器通带外，不会对有用信号的解调产生影响。

2 跳频模型建立及主要模块

2.1 基于Simulink的跳频通信仿真模型

根据跳频通信系统的基本原理，用Simulink对跳频系统建立仿真模型。图1为根据跳频系统原理框图在Simulink仿真平台上搭建的FH/MFSK通信系统仿真模型。设置本跳频系统为慢跳频系统，即跳频速率低于信息比特率，每跳可传输连续几个比特率。信源为二进制随机序列，数据速率为100 b/s，调制方式选用BFSK调制，BFSK频率间隔为2 kHz，BFSK频率点数为16个，跳频速率为100跳/s，跳频频率间隔为100 kHz，信道为AWGN信道。

图1 跳频系统仿真模型

由设置的参数可以看出，此系统输出的信号为100 kHz×16=1.6 MHz，频率范围为-0.8～0.8 MHz。如果仿真频谱范围达到-2～2 MHz，根据低通抽样定理，采用频率为4×10-7次/s。下面介绍它的主要模块和参数设置。

2.2 信源模块

如图2所示，信源模块采用Bernoulli BinaryGenerator模块。因为要求的输入数据速率为100 b/s，所以输入一个数据需要0.01 s。设置参数时，采样时间应为0.01 s。

图2 仿真系统中的信源子系统展开结果

2.3 BFSK调制/解调模块

调制解调模块采用M-FSK Modulator Baseband。此模块中，设置M的值实现不同进制的频移键控。如何实现输出信号采样率为4×10-7次/s？因为输入数据速率为100 b/s，所以每个符号的采样点应该是4×10-5，填到对应的每符号采样点即可。

2.4 跳频信号产生模块

跳频信号产生模块如图3所示。图3中的跳频信号的产生过程为：PN Sequence Generator产生的伪随机码为m序列，Buffer的作用是把输入为一列的二进制序列变为4列二进制序列输出，通过Bit to Integer Converter后变为一列十六进制整数。然后，通过解缓存器Unbuffer和零阶采样保持电路Zero-Order Hold，伪随机序列发生器产生的二进制数转变为十六进制的整数，馈送到M-FSK Modulator Baseband的控制输入，从而输出跳频信号。

图3 仿真系统跳频子系统展开

2.5 跳频通信系统的仿真结果

从图4可以看出，系统各节点频谱与理论基本符合，收发数据的波形基本一致。通过仿真波形可以看出，此仿真模型的建立是正确的。为了分析跳频系统的抗噪声性能，可以先分析其频谱特征，进而分析其抗噪声性能。图5为信源信号频谱，图6为经过跳频系统后的信号频谱。通过分析跳频通信系统的频谱发现，其频谱比信源信号频谱展宽了，说明即使有干扰，由于信号频谱展宽了，对信号的影响也会变小。对于不同的干扰，跳频系统存在一定的抗噪声性能。下面就典型干扰对跳频系统的影响展开分析。

图4 系统收发数据对比结果

图5 信源频谱

图6 跳频通信后输出信号频谱

3 典型干扰对跳频系统的影响

跳频通信是快速改变信号的频率，使敌方无法侦查到有用信号。信号速度改变越快，敌方越不容易侦查到。但是，提高跳速，成本必定提高。综合考虑各种性能与成本，下面分析宽频带干扰、单频干扰和多频干扰下的跳频通信系统的抗干扰性能[2]。

3.1 宽频带干扰

宽频带干扰即全频段干扰，利用Simulink中的加性高斯白噪声AWGN模块，将其叠加到信号上进行干扰。调整模块中干信比的大小不同，此跳频系统的误码率也不同。图7为Matlab仿真得到的宽带干扰频谱。

图7 Matlab仿真下的宽带干扰频谱

其他参数设置不变的情况下，改变干信比的大小，得到如图8所示的误码率干信比曲线结果。

由误码率曲线图可知，全频段干扰对通信系统的干扰效果非常明显。当干信比上升时，误码率急剧上升。可以看出，干信比在0 dB时，误码率为10-2，一般的通信系统可以进行正常通信；当干信比高于7 dB时，误码率已经达到0.1，此时跳频系统已经不能正常通信；当干信比为20 dB时，误码率已经接近0.5，此时系统已经完全无法通信。当然，全频段干扰付出的代价必定也很大，需要设备更复杂、功率更高。

3.2 单频干扰

单频干扰也称点频干扰，即只有一个频率上有干扰信号，也就是一个信道上有干扰。本次仿真采用正弦波发生器实现单频干扰，通过改变其幅度和频率的值，观察其对跳频系统的影响。仿真模型如图9所示。

图9 单频干扰仿真模型

采用一个频点为0.5 MHz的正弦波发生器模块进行干扰。在信噪比为10 dB的情况下，不同信干比得到了不同的误码率。从图10的仿真结果可以看到，单频干扰对跳频系统的干扰影响较小，误码率较小。当信干比越大时，误码率趋于不变，总小于10-1。所以，单干扰不能对跳频系统造成有效干扰。理论上，单频干扰只影响信号的很少一部分，也就是在干扰频率上被干扰，而其他频率不受影响。所以，通过仿真得到的结果与理论分析的单干扰对跳频系统不起作用的结论基本吻合，说明跳频系统对单频干扰具有良好的抗干扰性能。

图10 单频干扰下BFSK跳频误码率仿真曲线

3.3 多频干扰

多频干扰是在多个频率上干扰，而不再是单个频率干扰，其干扰时的功率更大。仿真时采用多个正弦波发生器相加来实现，设置正弦波发生器的不同频率和不同幅度受到不同的干扰，其对跳频系统的影响亦不同，仿真模型如图11所示。

图11 多频干扰仿真模型

图11中，4个正弦波发生器信号叠加，设置4个发生器的频率分别为0.1 MHz、0.3 MHz、0.5 MHz和0.7 MHz，即可产生4个频率的信号。将这4个信号叠加后的信号进行频谱仿真，得到如图12所示的频谱图。4个频点均匀分布在跳频系统的频带内，如果功率较大，对系统的干扰也会较大。

图12 多频干扰频谱

图13为多频干扰在不同干信比时误码率的结果。横轴为干信比，纵轴为误码率。改变干信比得到不同的误码率，可以看到，当干信比大于5 dB时，误码率Pe≥10-1，此时系统受到了较大干扰。当干信比为20 dB时，误码率很大，即使在干信比为0 dB时，误码率也能达到了2×10-2，可见多频干扰对跳频系统造成了较大影响。

图13 多频干扰下BFSK跳频误码率仿真曲线

4 结 语

跳频通信是扩频通信的一种，用多个载频乘以原信号，而每个载频由伪随机码控制。载频的频率变高，用载频与原信号相乘，频谱被扩展，就能躲避一定的干扰[3]。

从上述3种典型干扰对跳频通信的影响可以看出，跳频系统对抗定频干扰有较好的性能。跳频系统按照跳频图案跳变，但定频干扰只有一个频率，对通信干扰小，接收方也能正确恢复出信息。如果干扰有几个频率，跳频系统的频道数很大，则对系统性能的影响不大。

一般来说，跳频带宽越宽，跳频的频率数目越多，跳频的速率越快，跳频系统的抗干扰能力越强。

当然，一个跳频系统的各项技术指标应当根据使用的要求、性能价格比等方面进行综合考量，从而做出最佳的选择。

[1] 高宝华,张涛.跳频通信系统仿真[J].现代电子技术,2012(03):22-25.GAO Bao-hua,ZHANG Tao.Frequency Hopping Communication System Simulation[J].Modern Electronic Technology,2012(03):22-25.

[2] 王晨光,王振华.跳频通信干扰装备干扰效能分析[J].空军雷达学院学报,2012(02):21-22.WANG Chen-guang,WANG Zhen-hua.Interference Effectiveness Analysis of Frequency Hopping Communication Jamming Equipment[J].Journal of Air Force Radar,2012(02):21-22.

[3] 樊昌信,曹丽娜.通信原理[M].北京:国防工业出版社,2014：399-400.FAN Chang-xin,CAO Li-na.Communication Principle[M].Beijing:National Defense Industry Press,2014:399-400.