基于Simulink的跳频通信系统同步过程建模与仿真＊

赵龙华 王振华

（1.空军预警学院研究生管理大队 武汉 430019）（2.空军预警学院五系 武汉 430019）（3.95112部队 佛山 528000）

1 引言

跳频通信以其强抗干扰性、低截获概率、易实现多址等特点，已成为当今战术通信的主要方式［1］。对于较宽频段工作的跳频通信，传统的方法采用阻塞方式进行干扰，需要大量的干扰资源。如何有效干扰跳频通信仍然是通信对抗急待解决的难题［2］。对于战术电台中使用较多的PTT通信方式，同步是实现跳频通信的关键［3］，是实施高效干扰的突破口。为了对跳频同步过程进行深入研究，文中根据跳频通信的工作原理和跳频电台的同步原理，借助 Matlab／Simulink仿真工具建立具有同步的跳频通信系统模型，着重对模型的同步过程进行了分析。

2 跳频通信系统

跳频通信载频受伪随机码控制而跳变，由于跳频同步过程较复杂，目前对跳频系统的建模分析都假设收发双方共用同一个跳频产生器，忽略了同步过程［4～8］。然而，实际的跳频通信系统必须考虑同步过程，如图1所示。需要发射的数据经数据调制后，与载波混频。载波由伪随机序列（跳频序列）控制频率合成器产生，频率随跳频序列伪随机地跳变，混频后的信号经宽带滤波后，由天线发射出去。在接收端，利用同步电路控制伪随机序列，使频率合成器产生的跳变频率与发射端跳变频率同步，接收到的跳频信号经混频后变成一固定的中频信号，经数据解调，恢复出需要传输的数据。

图1 跳频通信系统

3 跳频同步过程建模

3.1 跳频同步信息和数据发送格式

跳频同步是跳频系统中的关键。由于跳频系统的载频在跳频序列控制下伪随机跳变，接收机要能正确地进行相关解跳，从接收到的有用信号中恢复受信息调制的中频信号并解调出有用信号，必须实现收发双方的跳频同步。跳频同步的方法［9～10，12］很多，包括精确时钟法、同步字头法、独立信道法、匹配滤波器法和自同步法。本文采用跳频通信中实际常用的同步头和时间信息（TOD）相结合的方法，进行跳频同步的建模。

跳频系统发送的同步信息主要分两种：同步帧信息和勤务帧信息。前者完成系统在初始阶段的同步；后者完成迟入网阶段的同步和在取得初始同步后的同步保持。一次完整的数据发送格式如图2所示。跳频系统首先发送同步帧信息，供系统完成初始同步，然后发送数据帧信息，并在发送数据帧中间插入勤务帧信息，供系统完成迟入网同步和同步保持。

图2 数据发送格式

图3 TOD信息格式

在发射机和接收机的内部都有一个TOD时钟，它表示跳频电台的系统时间信息，一般采用一种非线性的表示方式，将时间信息TOD分成两部分表示：TOD高段（年、月、日、时、分）和 TOD低段（分、秒、跳），分别记为TODh和TODl。TOD格式如图3所示。

3.2 跳频同步的Matlab／Simulink建模

在Matlab／Simulink环境中建立的完整跳频通信系统模型如图4所示。系统由按键控制模块PTT、发射机模块Transmitter、信道、接收机模块Receiver以及用于评估的误码率测试模块BER组成。假设信道为高斯白噪声（AWGN）信道与加性干扰Jamming的和。更复杂的信道可通过更换模型来实现。为有效评估本仿真系统，对其性能进行分析，模型中包含了误码率测试模块。其基本原理是在接收端将接收码元与发送码元逐个比较，并对错误码元个数进行累加统计，并提供观察波形的能力。

图4 跳频通信系统的Matlab／Simulink建模

发射机模块Transmitter的工作状态受PTT模块控制，当PTT输出为1时，跳频系统进入工作状态；反之，跳频系统进入静默状态。其内部组成如图5所示，包括发射控制模块Tx＿Contr＿subsys、发射模块 Tx＿message＿subsys和跳频产生器模块Frequency Hopping Generator。

图5 发射机模块

发射控制模块用于产生发射模块和跳频产生器模块所需要的时钟和控制信号。

发射模块数据形成、调制及跳频的功能。其中信息发送模块Tx＿message内部如图6所示，其功能是在TOD时钟的驱动下，由状态控制输入通过Multiport Switch模块选择发送同步帧sync＿Info、数据帧Data＿info、勤务帧Serv＿info和静默状态时的0输出。StateContr输入为发射模块工作状态控制输出同步帧、数据帧、勤务帧和静默状态时的0输出。MessClk输入为TOD时钟，分别进入到同步帧和勤务帧模块供提取TODl信息。Data＿Info模块采用嵌入式Matlab函数编写，便于提取数据帧信息用于对系统误码率的统计；Txmess输出到数据调制模块，进行2FSK调制。

图6 信息发送模块

其中的同步帧模块仿真如图7所示，它包含前导序列、帧同步、网号、TODl和空跳模块，在TOD时钟的作用下依次输出，组成同步帧。TODL Info模块在内部完成对系统时钟低位TODl信息的提取和发送。

勤务同步信息的格式与同步帧信息的格式大致相同，只是传送前导序列的跳数较少。同时为区分初始同步信息和勤务同步信息的接收，勤务同步信息的相关码采用Walsh6－Walsh11，与同步帧（Walsh0－Walsh5）不同，这样通过对前导序列的相关峰的捕获就可以区分出初始同步和迟入网同步。

图7 同步帧模块

发射机内部的跳频产生器模块根据系统时钟，形成如图3所示的TOD格式的数据，选择TODh和TOD值作为伪随机码生成器的初始值，分别产生相应的同步频率和数传频率值，控制图8所示的DDS模块形成载频。

图8 DDS模块

接收机模块主要包括信息接收模块、接收控制模块和本地跳频产生器模块。信息接收模块对经过信道和干扰的发射信号进行解跳和解调；接收控制模块完成对同步信息的捕获，并控制本地跳频发生器产生本地跳频信号；本地跳频产生器模块在接收控制模块的作用下产生本地跳频信号。

图9 接收时同步过程

跳频系统发送数据帧之前，首先发送同步帧信息，由接收机完成初始同步过程。在初始同步过程中，发射机在根据TODh确定的i个同步频率上循环发送相关序列。接收机则在根据自己TODh计算出来的i个同步频率上慢扫描，其扫描速率为发送方的1／（i＋1），以保证在接收的一跳内，能够完整地收到发送方的数据。跳频系统的初始同步过程如图9所示，接收方在慢扫描的状态下，完成对同步信息的捕获，根据捕获到的相关码与本方相关码位置的比较，校正自己的TODh值，同步确认后开始接收帧同步、网号和TODl信息，最终校正自己的TODl，使双方的TOD信息完全一致，达到跳频同步。因此其主要过程包括同步捕获、TODh校正、同步确认和TODl校正。

接收控制模块如图10所示，包含同步控制模块Syn－Contr和本地系统时钟模块local＿TODclk，完成对同步信息的捕获和跟踪，通过从解调的信息中提取出同步帧信息，调整本地的时钟，使收发双方的系统时钟一致。

图10 接收控制模块

跳频产生器产生频率号，进入DDS生成相应的频率，频率号相同则生成的频率相同，否则生成的频率不同。当接收机捕获到同步信息，本地跳频转入跟跳状态后，接收方调整自己的TODh值使双方的同步频率变化一致，可以持续接收到同步帧信息，接收机根据接收到的TODl信息，调整自己的时钟，此时双方的系统时钟达到一致，初始同步完成后，系统进入数传状态，使收发双方的跳频频率达到一致，接收到数据帧。

4 对同步过程的仿真实验

在仿真运行环境为Windows XP Professional SP3下Matlab R2009a中，利用所建立的模型模拟了跳频系统的初始同步、数传过程和同步保持时的勤务同步过程。

发射模块输出的信号时频分析部分截图如图11所示。其中发射机的跳频取值范围为2.5～12MHz。图中在发送同步帧信息的时间（0～0.15s）内同步频率在六个频率上循环跳变，同步帧信息发送完后发送数据帧信息，数传频率开始伪随机地变化。

图11 发射信号的时频图

当收发双方的频率达到同步时，接收信号经过解跳后的信号频谱如图12（b）所示。图12（a）中也给出了发射机中2FSK调制信号频谱。图13为发送和接收码元信息的波形。

图12 发射模块2FSK调制信号与接收模块解跳后信号的频谱

图13 发送和接收码元信息的波形

利用系统模型得到的收发双方在初始同步、数传过程和同步保持时勤务同步过程的频率与工作状态变化如图14所示。为便于观察，频率采用控制频率集序号的频率号描述。状态0表示未同步状态，状态1表示初始同步状态，状态2表示数传状态，状态3表示勤务跳跟踪状态。图中接收模块在初始同步过程中，其频率号与发射机的频率号由不一致到一致，初始同步完成后，系统进入数传状态双方频率号变化一致，当发射模块开始发送勤务帧信息时，接收模块内的跳频产生器处于勤务跳跟踪状态，由于双方系统时钟一致，同步得到保持，勤务跳结束时，同步转入数传状态，从而可以接收数据帧信息。

5 结语

实际的跳频系统具有复杂的同步过程，利用数学方式很难完全描述系统的性能。Simulink／Matlab是可视化建模仿真平台，采用方框图建模的形式更贴近于工程习惯。实验表明，利用该模型能完整地模拟跳频系统的初始同步和勤务同步的过程，较好地仿真了具有同步过程的跳频系统，为进一步深入分析跳频通信系统的性能以及对其各种干扰的效果提供了一种较好的实验平台。

图14 系统在初始同步，数传和勤务同步时收发双方频率号的变化

［1］梅文华.跳频通信［M］.北京：国防工业出版社，2005.

［2］朱永松，张海勇，汲万峰.跳频通信抗干扰性能分析［J］.现代防御技术，2005，33（5）：37－41.

［3］陈永军，吴杰，许华，等.快速跳频通信系统同步技术研究［J］.电子设计工程，2010，18（11）：58－61.

［4］R.C.Robertson and J.F.Sheltry，“Multiple tone interference of frequency－hopped noncoherent MFSK signals transmitted over Rician fading channel，”IEEE Trans.Commun.，1996，44：867－877.

［5］王向鸿，赵海涛，关晓东.跳频扩频系统的Matlab模拟仿真实现［J］.军事通信，2010，10：74－75.

［6］刘克飞，杨东凯，吴江.跳频通信系统的Simulink仿真实现［J］.系统仿真学报，2009，21（24）：7969－7973.

［7］聂伟，郭梅花，张永杰.跳频通信系统的研究与 Matlab仿真［J］.军事通信，2010，10：74－75.

［8］闫云斌，全厚德，崔佩璋.GMSK跳频通信干扰模式分析及仿真［J］.计算机测量与控制，2011，19（12）：3082－3088.

［9］程郁凡，韩玮，李少谦.基于FFT的快速跳频同步信号存在性监测［J］.电子科技大学学报，2003，23（5）：535－540.

［10］杨土安.基于频率估计的短波跳频同步捕获技术的研究［D］.武汉大学，2004.

［11］李正民，陈京育，姬晓阳.基于ARM的多功能无线通信模块设计［J］.计算机与数字工程，2010（3）.

［12］A.K.Elhakeem，GS.Takhar，S.C.Gupt.A New code acquisition techniques in spread－spectrum communiactions，IEEE Trans.Commun，1980：249－257.