基于Simulink的高速跳频通信系统抗干扰性能分析

0 引 言
    跳频通信以其强抗干扰能力和高安全性在军事通信领域得到了越来越广泛的应用。随着C4ISR系统要求的不断提高，跳频通信系统正向着跳速不断提高，跳频带宽越来越大，跳频图案越来越复杂的方向发展。目前每秒钟万跳以上的高速跳频已成为跳频技术的发展方向。以美军的JTIDS为例，其跳速能够达到76 923跳／s，跳频带宽也达到了153 MHz。
    本文将利用Matlab仿真软件中的Simulink对采用MSK调制的高速跳频通信系统进行仿真，并针对各种干扰样式对其进行分析，并得出结论。

1 跳频通信原理
    跳频就是用伪码序列构成跳频指令来控制频率合成器，并在多个频率中进行选择的移频键控。所传递的信息码与伪随机序列模二相加(或波形相乘)构成跳频指令(即跳频图案)，并由它随机选择发送频率。跳频通信系统的简化框图如图1所示。

    发送端的信息码序列与伪随机序列经过调制后，按不同的跳频图案控制频率的合成。在接收端，接收到的信号与干扰经高放滤波后送至混频器。接收机的本振信号也是一频率跳变信号，跳变规律是相同的，两个合成器产生的频率相对应，但对应的频率有一频差，正好为接收机的中频。只要收发方的伪随机码同步，就可使收发双方的跳频源一频率合成器产生的跳变频率同步，经混频后，就可得到一个不变的中频信号，然后对此信号进行解调，就可恢复出发送的信息。而对干扰信号而言，由于不知道跳频频率的变化规律，与本地的频率合成器产生的频率不相关，因此，不能进入混频器后面的中频通道，不能对跳频系统形成干扰，这样就达到了抗干扰的目的。在本文的实际仿真过程中，不考虑跳频时钟的不能同步的情况，即认为发送端和接收端的跳频时钟是完全同步的。
    调制中采用的是MSK(最小频移键控)，就是h=0．5的CPFSK，由于具有连续的相位从而能够获得良好的频谱特性，是扩频技术中经常运用的调制技术。其表达式为：
   
式中：ωc为载波角频率；Ts为码元宽度；αk为第k个码元中的信息，取值为1或-1；ψk为第k个码元的相位常数，在时间(k-1)Ts≤t≤kTs内保持不变。

2 高速跳频通信系统仿真模型
    利用Matlab中的Simulink对跳频系统进行仿真，建立仿真模块如图2所示。

    系统的主要性能参数有：系统的跳频点64个，频率间隔3 MHz，跳速为40 000跳／s，信道为高斯白噪声信道(AWGN)。Bernoulli Binary Generator是信号源，用来产生一个10 Mb／s的二进制信号。该信号经过调制以后与由伪随机序列产生的跳频载波相乘完成跳频。跳频扩频后的信号在经过AWGN信道之后，受到来自Subsystem noise模块产生的人为干扰。在解调模块里，包含人为干扰分量的信号与来自跳频信号发生器产生的跳频信号的共轭(由Math Funetion完成)相乘，完成解跳，然后经过解调，恢复原信号。
    Subsystem PN Sequence是为随机序列产生子模块，其结构如图3所示。伪随机码采用m序列，每6 b产生一个0～63的十进制整数，用来随机控制跳频输出频率。这个模块输出的序列经过2FSK调制后成为跳频载波。

    跳频载波、信源的调制输出和跳频后的信号分别如图4～图6所示。

    Subsystem noise子模块用来产生干扰。本文主要采用宽带噪声干扰和梳状干扰两种形式。

3 高速跳频通信系统抗干扰性能分析
3．1 抗宽带噪声干扰能力分析
    宽带噪声干扰是指干扰信号能量加到目标电台所适用的整个频谱带宽上，也被称为全频段干扰或拦阻式干扰。宽带噪声干扰是多信道干扰，主要不足在于它所产生的干扰功率密度很低，因为有限的干扰功率被扩展得很宽，因此不能像部分频段干扰那么有效。
    宽带噪声干扰的仿真模型如图7所示。

    用一个调制频率f=200 MHz的正弦波将高斯白噪声信号调制到200 MHz频段上，这个宽带干扰的频谱图如图8所示。为了更好地进行分析，分别在f=200 MHz，50 MHz，5 MHz，0．5 MHz四个频率点上进行仿真。经过仿真，并将不同信干比下的误码率曲线绘制在同一幅图像上，得到的结果如图9所示。
    战场上电磁环境非常复杂，10-2这一数量级的误码率被认为是可以接受的，许多用于战术层次的装备误码率设计值为10-2。因此，较之为低的误码率被认为是成功的抗干扰。从图上可以看出，高速跳频通信系的抗干扰性能与被干扰的频段有关，越接近跳频频带的中心抗干扰性能越强。对于干扰机而言，在接收端信号的能量只有达到相当的强度(数倍乃至数十倍于信号)才能有效达成干扰，必须采取增大发射功率和缩短干扰距离的方式。对于高速跳频而言，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，干扰距离和功率达到要求，仍然不失为一种有效的干扰手段。
3．2 梳状干扰
    梳状干扰就是在预干扰的频带内施放多个窄带干扰信号，特点是不需要复杂的侦察检测系统，适用于干扰各种通信系统，其模型如图10所示。

    采用7个不同频率的正弦信号将7个高斯噪声调制后相加来模拟梳状干扰。模块图如图11所示。

    载波的频点分别是200 MHz，175 MHz，150 MHz，125 MHz，100 MHz，50 MHz，40 MHz，其频谱图如图12所示。

    先后对在7个频点(200 MHz，175 MHz，150 MHz，125 MHz，100 MHz，50 MHz，40 MHz)调制的高斯噪声和10个频点(250 MHz，200 MHz，175 MHz，150 MHz，125 MHz，100 MHz，75 MHz，50 MHz，40 MHz，20 MHz)调制的高斯噪声进行仿真，得到两条信干比和误码率的对应曲线，如图13所示。

    从图13上可以看出，对高速跳频通信系统而言，梳状干扰的影响远大于宽带干扰。梳状干扰的频点越多，所占的带宽就越大，跳频通信误码率越高，干扰效果越明显。
3．3 其他干扰
    瞄准式干扰难以捕获跳频信号的瞬时载频，所以很难达到干扰效果，其他干扰手段也存在类似问题。对跳频通信系统能够产生良好干扰效果的是跟踪式干扰。跟踪式干扰是建立在对敌方跳频通信信号的侦察、处理的基础之上的。只有通过提取跳频信号的瞬时频率、信号功率等参数，发射一个具有相同信号特征的干扰信号，才能达到干扰目的。通常，接收机、干扰机、发射机满足图14所示的位置关系。

    为了使干扰有效，必须满足：

   
    式中：c是电波的传播速度；Tpr是侦察处理时间；Td是信号驻留时间；η为小于1的常数。
    由图13可知，实际有效的干扰时间是：
   
    所以，在敌方跳速和干扰机与通信机几何分布都不变的条件下，只有将信号处理时间缩短到敌方信号驻留时间以内，才能达到有效干扰，这个时间越短，有效干扰时间就越长，干扰效果越好。
    对于高速跳频通信系统而言，信号驻留的时间非常短。美军JTIDS信号驻留时间只有13μs，本文采用的模型信号驻留时间为1／40 000 s(25 μs)，对于目前的技术状况来看，通信侦察机和干扰机的处理时间远远大于这个时间(毫秒量级)，不能达到有效干扰的目的，一旦跳频速率达到每秒一万跳以上，跟踪式干扰就只能在理论上成立，故本文只做理论分析。

4 结 语
    通过Simulink对高速跳频通信系统进行了建模和仿真，达到了预期的效果。本文分析结果可以为今后的高速跳频通信的仿真和应用研究提供良好的借鉴。