基于LabVIEW的跳频抗干扰传输系统实验研究

2021-11-10徐招君王明旭肖友鹏魏俊玲童峥嵘

天津理工大学学报 2021年4期

徐招君，王明旭，肖友鹏，张集，巩澳，魏俊玲，童峥嵘

（天津理工大学电气电子工程学院，天津300384）

信息技术在现代军事领域占有越来越重要的地位，成为决定战争胜负的一个关键因素。从早期使用广为人知的莫尔斯密码和英格玛密码等军用码进行保密通信，到现在使用各种手段控制电磁频谱不被敌方截获干扰，足以看出信息保密性的重要意义。而跳频技术，是一种实现载波频率不断跳变，从而有效避开干扰的手段。王旭亮[1]对超短波中跳频通信抗干扰技术进行相关探究。齐刘宇等[2]通过分析跳频通信的特点和硬件实现要点，提出了一种可以实现跳频通信的异步组网的硬件设计和实现方案，给出了基于二进制频移键控（binary frequency shift keying，2FSK）的跳频收发两端的硬件逻辑和详细信号流程设计，并在跳频同步捕获模块做出了改进，最后通过频谱仪和干扰源等测试验证了接收端的抗干扰性能。丁海军等[3]基于经典通信对抗理论，建立了一种跳频通信干扰分析模型，综合定性分析与定量计算，研究相关干扰策略，并进行了通信干扰仿真.

软件定义无线电（software defined radio，SDR）是一种无线电通信技术。它采用可编程的硬件和可重构的软件，通过软件的安装与更新来升级通信系统的功能和接口协议，是一个通用性、拓展性、兼容性较高的实验平台，减少了通信系统的搭建成本。编程软件与硬件结合，可将理论模型与实践验证、实验创新等有效结合起来，因此受到业界的广泛关注[4-5]。孟梅梅等[6]利用美国国家仪器（NI）公司的USRP外设和LabVIEW编程环境，设计了多模式自适应软件无线电实验平台。纪艺娟等[7]设计了虚实结合的通信试验平台，利用USRP和LabVIEW相结合实现了在线实验、网络交互式实验教学。

本文设计了一种基于LabVIEW的跳频抗干扰传输系统，详细描述了系统关键原理与系统设计方法，并最终通过两组对比实验，得出了此系统在不同干扰下传输的误码率，证明了其抗干扰性好、通信可靠性高的优势。

1 系统原理

1.1 多进制相移键控

1.1.1 多进制相移键控（multiple phase shift keying，MPSK）调制

MPSK作为一种误码率较低的数字调制技术相比于模拟调制技术用途更加广泛。其输入信号的信息是用载波相位表示，同时M种不同的状态可以决定链路传输的数据量，从而可提高带宽利用率。例如二进制相移键控（binary phase shift keying，BPSK）、正交相移键控（quadrature phase shift keying，QPSK）、8PSK、16PSK等。

以QPSK为例，在发送端将输入的二进制数据序列经串－并转换分组成2个并行数据流，再通过电平转换将码元信息映射为载波不同相位的分量，an、bn经脉冲g（t）成形滤波得到I（t）、Q（t）信号，确定载波的相位条件，最后对cosωct和sinωct进行调制，相加后即得到QPSK已调信号，如公式（1），然后将其送入射频前端进行发射[8]。

1.1.2 QPSK解调

接收端对QPSK信号采用相干解调法，QPSK信号最佳接收系统的接收信号为:

假设本地参考的同步载波为：

采用正交下变频的方法，将eQPSK（t）分别与参考载波相乘，再经过低通滤波来滤除载波的高频分量，可得到同相和正交两路信号，经抽样判决、电平转换后，恢复成并联的an、bn两路信号，经过并-串转换后即可得到原来的比特序列[9]。

1.2 跳频系统

跳频通信是通信双方或多方在同步算法和伪随机跳频算法的控制下，射频频率在约定的频率表（集）内以离散频率的形式伪随机且同步地跳变[10]。

在发送端，输入的信息对频率为fc的载波进行调制，得到调制信号。独立产生的伪随机码，即跳频序列，从跳频频率表中取出频率控制码，控制频率合成器在不同的时隙内输出频率跳变的本振信号[11]。用它对调制信号进行变频，使变频后的射频信号频率按照跳频序列跳变，即为跳频信号，跳频系统发送端如图1所示。

图1 跳频系统发送端Fig.1 Transmitter of frequency hopping system

在接收端，用与发送端相同的伪随机码控制本地频率合成器产生的频率，使之与发送端的载频同步跳变，与接收信号混频后进入中频频带内，将频率搬回fc实现解跳[12]。解跳后的调制信号，在本地载波作用下，经解调后，恢复出信息。跳频系统接收端如图2所示。

图2 跳频系统接收端Fig.2 Receiver of frequency hopping system

由此可见，跳频系统以在一定频段内不断改变发射频率的方式，增加带宽，躲避干扰，提高抗噪能力。

1.3 ALOHA协议

ALOHA是夏威夷人表示致意的问候语，这项研究计划的目的是要解决夏威夷群岛之间的通信问题。ALOHA协议或称ALOHA网，是世界上最早的无线电计算机通信网。

协议原理如下：发送端发完数据后进入等待状态，如果接收到来自接收端“确认字符（acknowledge character，ACK）”信息，表示传输成功，进而传输下一个数据包；如果“确认字符”未到达，发送端等待固定时间后，再次重新传输这个数据包。用户可以选择重新传输次数（默认4次），如果重新传输还是失败，发送端将转到下一个数据包的发送。

通过将标识标头与每个数据包一起封装，实现了上述ALOHA协议。标头由目标地址、源地址、ACK标志、数据包ID、同步标志等组成。然后在每个有效负载的开头追加标头，每个数据包排队，并为每个成功的ACK发送一个接一个的数据包。

2 系统设计

2.1 系统整体设计

发送端将数据进行MPSK调制后通过天线发送出去，经过信道干扰与人为干扰后，接收端接收到信号并解调出信息；接收端在正确收到数据后会发送一个反馈信号“ACK”，发送端只有在收到正确反馈后才会进行下一个数据包的发送，若等待超时，则重新发送此包。当重发次数大于给定的次数，则为了保证系统传输有效性，转而发送下一个数据包。传输系统框图如图3所示。

图3 传输系统框图Fig.3 Block diagram of transmission system

2.2 发送端设计

发送端从指定的文件路径中读取文件后，对数据进行截取，每次截取200个字符，并进行包封装，然后将封装的数据包送到调制处进行MPSK调制，再将调制的信号通过跳频技术发射。此后，如果发送端接收到了接收端发送的ACK回执，则继续发送下个数据包；如果没有收到，则重传本次数据包。若在规定最大的重传次数内未收到回执，则放弃此数据包，进行下个数据包的发送。发送端流程图如图4所示。

图4 发送端流程图Fig.4 Flow chart of transmitter

2.3 接收端设计

接收端等待接收数据，当接收到数据后对其进行相应的MPSK解调，并在数据包相应位置检查IP地址是否为发送端，如果不符合便直接丢弃此数据包，继续等待；如果符合，则发送ACK回执给发送端，并计算前后两个成功接收包的序号之差，从而判断是否需要填充数据以及储存数据包中的信息。最后收到有末尾结束标志的数据包结束等待，将所有缓存数据写入文件，从而可以计算误码率，接收端流程图如图5所示。

图5 接收端流程图Fig.5 Flow chart of receiver

3 实验结果与分析

为了更好地体现设计基于ALOHA协议的跳频抗干扰模型的鲁棒性，选取了多组对比实验。

3.1 定频传输与跳频传输

首先设置传输初始参数：选取1 000 000个字符，IQ Rate设置为800 kHz，发射功率与干扰功率分别为5 dBm和9 dBm，数据包的最大重传次数设置为4次。

由于空间中存在各种各样的电磁干扰，会对发射信号产生不可估计的影响，为了使实验数据更加准确，对每组数据进行5次测量，然后取平均值，得到最终的定、跳频对比组误码率如表1所示。

表1 定、跳频对比组误码率Tab.1 Bit error rate of fixed-frequency and frequency-hopping comparison group

在定频传输实验过程中，对于88~108 MHz中不同的频点，除了已有的广播电台的干扰，人为加入了一定功率的相应频率干扰，故其信号传输受到较大影响，误码率升高。例如88 MHz、99 MHz这些频点，由于频率与电台频率非常接近，信道串扰较为严重，故其误码率很高。而对于94 MHz、96 MHz这些频点，其频率与电台频率频差较大，受电台影响小，但由于人为加入的干扰，其误码率虽然降低，但仍不够理想。

而在跳频传输实验中，由于发射频率在88~108 MHz之间不断跳变，且跳变速率快，传输带宽很大，抗噪性好，受定频干扰的影响很小，故其传输可靠性高，误码率小，达到10-4数量级，较为理想。

综上所述，本系统所设计的跳频传输的抗干扰性能比定频传输好，通信系统的可靠性更高。