张之栋，安 宁，马 宇

(国家电网公司东北分部，辽宁 沈阳 110000)

基于跳频的散射通信又称作扩频通信，扩频通信、光纤通信、卫星通信是当前三大主流通信模式。扩频通信的本质是将窄频信号扩展到宽频带上，在接收端将宽频带信号还原到窄频信号接收范围内，这种通信模式可以有效增加信号的抗干扰能力和越障能力，使信号的信噪比得到充分优化，系统抗干扰性能得到提升。

复杂电磁环境是指无线通讯环境中有其他频率或重叠频率的电磁波。如变电站及发电站等环境中，某段频率受到高压电场激发效应的影响，虽然其工频电压的频率仅为50 Hz，但其激发电磁场中较容易出现可能干扰无线通信的次生电磁波。秦莉梅[1]从兼容性角度出发，研究了复杂电磁环境下的扩频通信系统；石智永等[2]研究了电力物联网系统中使用扩频通信系统抵抗电网机房复杂电磁干扰的路径；李勇等[3]研究了窄带无线通信要求下使用扩频通信进行干扰抑制的技术途径。与普通无线通讯不同，军用无线通讯面临敌方的强电磁干扰，会使无线通信环境的复杂度进一步增加。罗明刚[4]研究了军用复杂电磁环境下扩频、跳频无线通信的抗干扰原理并对其技术路径进行了分析。在对扩频通信接收机信号的分析中，刘艳等[5]使用了Logistic映射算法，朱光旭等[6]使用了基于神经网络的机器学习算法，高维珉等[7]使用了自适应变速率硬件层控制方法。综上可见，基于跳频、扩频通信的无线通信技术，不论是硬件还是软件，均有巨大的技术提升空间，近年来对相关领域的信号研究成为了热点。

本文基于跳频通信系统的工作过程，从跳频通信系统的结构组成、工作原理、主要技术指标等方面论述了跳频的基本原理，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。

1 扩频通信的理论基础

对扩频通信的理论研究借助Simulink或SimuWorks仿真平台，使用Simulink动态仿真软件对数据进行回归分析、频域-时域分析、可视化分析，系统的可扩展性较强，且方便、直观、灵活。为了对跳频、扩频过程进行仿真，本文研究了信号在扩频通信过程中的数据特征，并使用Simulink软件对信号进行数据分析。

从信息论的角度，Shannon方程展示了扩频通信的基本原理：

(1)

式中：c为系统的信道容量，bit/s；B为系统的信道带宽，Hz；P为发射机平均发射功率，W；N为信号收发系统的噪声信号平均功率，W；lb为以2为底的对数。

式(1)中，系统的信道容量，即信号收发系统的有效信号传输能力，与信道中的信噪比和信道带宽有关，在不影响信道容量的前提下减小信号发射机功率，则需要对信道带宽进行有效扩充。扩频通信对信道稳定性和信道传输效率的积极意义即源于此。

根据上述Shannon方程，在信息传输效率保持不变的基础上，需要对信号带宽和信噪比进行权衡，通过控制发射机发射功率控制信号系统内的信噪比，通过控制发射带宽和接收带宽控制信号系统的带宽，最终实现复杂通信环境信号系统下的可靠通信。扩频通讯的核心技术是发射机进行扩频发射，接收机进行扩频解调，虽然小范围内可能发生一些额外的频率占用，但对信号系统的稳定性有积极意义。扩频通信过程中，接收机扩频解调过程受伪随机码控制，以保持接受带宽与发射机一致，即在扩频通信中，发射机主动进行跳频和扩频，而接收机受到发射机控制，选择接收带宽，以实现扩频解调过程中的数据恢复。

通过监测信号传输环境的噪声变化，本着最小发射功率和最大信噪比的决策目标，发射机在跳频过程中不断变化载波频率，而接收机跟踪不断变化的载波频率有一定困难，因此跳频接受机需要采用非相干的解调模式，如常用的FSK调制解调模式。该模式的核心公式为：

b(t)=exp(j·2πa(t)Δf)

(2)

式中：b(t)为等效的低通信号；a(t)为信号载波流的集合；Δf为跳频过程中的频率偏差；j为系数。

由式(2)计算确立跳频载波条件下跳频信道上的等效低通信号集c(t)：

c(t)=exp(j·2πf(t))

(3)

式中：f(t)为时间序列上通过伪随机序列控制的瞬时发射功率。f(t)为伪随机的跳点离散数据，其取值为fi,i=1,2,…,N。

在式(2)、(3)基础上，计算发射机在时间序列上输出的等效低通信号集d(t)：

d(t)=b(t)c(t)=exp[j·2π(a(t)Δf+f(t))]

(4)

根据前文分析，接收机应对发射机发射频率的伪随机变化情况进行适应性解调，其主要解调原理来自接收信号的混频和解扩。其输出信号集bsj可以写作：

bsj=(d(t)+N(t)+I(t))c(t)=exp(j·2πa(t)Δf)+(N(t)+I(t))exp(-j·2πf(t))

(5)

式中：N(t)为噪声信号的信号集；I(t)为干扰信号的信号集。

上述跳频、扩频、混频过程，在考虑前置窄频信号b(t)及相关噪声干扰的前提下，其跳频扩频通信的实际过程，如图1所示。

图1中，发射机将混频的数据经过高通滤波后通过有源天线输出，接收机接收到信号后，经过信号混频处理将信号带宽压缩到常规窄频带宽后，再进行带通滤波，输入到信号解调器中形成数字信号。

图1 跳频扩频通信过程示意图

2 仿真模型的建立

Simulink是一个用于信号分析的常用插件包，在MATLAB、CAE中均有应用，通过在Simulink中构建仿真方框图进行仿真环境搭建，实现对信号系统的可视化模拟。常规信号分析中，在时域空间上构建链路仿真系统，通过Simulink方框图的方式构建其链路仿真模型，在伪随机码的控制下实现对信号链路仿真的实时数字化、可视化处理，特别是在Simulink数据链路模拟仿真MATHWORK工具包的支持下，可以有效地提高仿真效率和仿真精度。

本文构建的仿真模型方框图如图2所示。

在Simulink仿真环境下，构建数据信号扩频通信系统方框图，对跳频扩频通信的动态工作过程进行全程仿真，在实时分析的过程中，观察系统扩频后的信号频谱变化，在仿真实验过程中，还可以对该过程进行实时调整，特别是宽度信号源、噪声源、PN源等方框图节点的仿真，从而在复杂的研究需求和设计需求下对模型进行持续优化，以实现对跳频扩频过程的高保真仿真。

3 仿真结果

基于上述Simulink仿真环境，通过伪随机数驱动的信号集对系统跳频扩频过程进行仿真分析，跳频频率为50跳/s，频率锚定点设为64个，数据调制模式参照FSK标准，将其频率设定为200 Hz(参照图2)，控制机的采样点数量设定为120个，在接收机中运用解决跳频的方法跟踪载波频率的变化，仿真时间为1 000 s。跳频前原始信号源的Q-f信号图谱如图3所示。

图2 信号链路模拟仿真方框图

图3中，跳频前原始数据在f(0)两侧构成了一个f(±0.2)的窄频带信号，其余信号为系统杂波信号和衍波信号。该信号由Simulink的信号源模块产生，与工程中实测的调制器原始信号的工频基本一致。将该信号在Simulink中进行跳频扩频后，形成的信号图谱如图4所示。

图3 跳频前的信号图谱 图4 跳频后的信号图谱

图4中，信号在f(+0)方向基本无频率扩展，但其峰值被拉长到f(-1.6)，即系统带宽从0.4 kHz扩频到了1.6 kHz，带宽扩大了4倍。但是，从图4与图3中可以看到，其衍波部分的Q-f周期变短，衍波复杂度有显著增加。由于上述仿真并未考虑干扰信号对信号质量的影响，因此启动PN发生器在信号中加入干扰源后，接收机接收到的信号图谱如图5所示。

图5中，干扰信号叠加后，接收机所接收到的信号带宽为f(-1.8)～f(+0.4)，响应带宽为2.2 kHz，其中，f(0)～f(+0.4)及f(-1.6)～f(-1.8)的信号超出了发射机发射的信号源的带宽，理论上这一部分的信噪比较低。接收机接收的干扰信号在f(0)和f(+0.5)附近形成了两个干扰信号波峰，这种干扰信号可以通过低通滤波进行有效滤除。因此，在扩频通信过程中，更应该考虑对噪声信号的识别和滤除。对接收机接收的信号进行解调，获得的信号如图6所示。

图5 干扰下的信号图谱 图6 解调后的信号图谱

经过信号解调，最终在f(±0.2)上形成了一个核心峰值(图6)，且该峰值的数据可视化图形表现较为平滑，受到的干扰较少，但在f(+0.2)～f(+2.2)区间上，构成了较宽频带的噪声信号，通过后置低通滤波器可以对该部分信号有效滤波，但仍给信号处理过程带来一定的负面压力。

4 结果讨论

4.1 扩频通信在一定程度上增加了信号接收机的噪声

通过仿真分析可知，扩频通信信号源的峰值频率和接收机最终输出的信号频率均处于f(±0.2)区间上，但信号解调后，在f(+0.2)～f(+2.2)区间上构成了一个频带较宽的噪声信号，且这一信号的功率在+5 dB以上。在后续信号处理中，需要将这部分噪声信号有效滤除，才可以确保信号的可用性和可靠性。在当前技术条件下，使用低通滤波器可以有效滤除这部分噪声信号，但低通滤波器也可能带来主要信号的失真。在实际处理过程中，通过对不同信号的频域分析，可以使用软件提取f(±0)信号，这在扩频通信过程中是必备的措施。

理论上该噪声的主要来源是在信号传输过程中进行了跳频和扩频，更大带宽上的数据进行重新解调整合后，会因为模拟信号本身的噪声叠加及通信蝴蝶效应，产生了一定程度的噪声功率放大，同时产生了部分系统电噪声,而且因为无线传输过程中可能需要跳频，会在局部扩大对信号带宽资源的占用需求，导致局部无线电环境进一步复杂化。虽然大带宽信号传输过程带来的干扰稀释作用可能造成一部分干扰被有效屏蔽甚至通过跳频隔离掉噪声源，但这一过程可能会给空间区域内的其他无线信号传输带来一定程度的干扰和频率占用影响。

4.2 扩频通信保障了信号接收机的接收效率

仿真分析中，信号源的信号发射功率为+18 dB，而接收机的实际接收信号功率为+16 dB，信号源的噪声信号为负功率信号，信号功率约为-5 dB，部分噪声信号达到-40 dB，而接收机的噪声信号为正功率信号，信号功率最大为+5 dB，背景噪声信号约为+2 dB。扩频通信确保了在复杂电磁环境下信号接收机的接收效率，特别是本文实验环境下，信号接收效率达到了88.9%。因为扩频系统产生的噪声信号，有效避开了f(±0.2)的核心信号频率，使其对核心信号的信噪比影响降到最低，且在后续信号处理过程中可以使用软件高保真地提取相关信息。

5 结束语

本文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，对通信质量，通信中的干扰与杂波、衍波、噪声等进行有效模拟。采用扩频系统产生的噪声信号，有效避开了f(±0.2)的核心信号频率，使其对核心信号的信噪比影响降到最低。基于Simulink仿真，对扩频通信系统进行了优化。由本文的研究可以看出，选择适合的扩频通信信号频率，可以对信号的调制解调算法进行有效的优化。