摘 要

跳频通信因其抗干扰、抗多径、抗噪声、抗截获等优点，在民用和军用环境中，都被大量的应用，已然成为当前通信领域的一种主流技术。但是，由于现代信号处理技术的飞速进步，如今敌方干扰机能够快速地锁定跳频频率集，并加以针对性的干扰，这使得传统跳频通信无法有效保障通信的安全性。

在传统的跳频通信基础上，自适应跳频通信添加了实时信道质量检测评估技术和自适应控制技术，可以根据信道质量来实时更新跳频频率表，自动避开被干扰信道，大大提高了系统的抗干扰能力以及抗截获能力，有效实现优质通信。

在本论文中，对自适应跳频通信系统的系统构成和工作原理做了详细研究，重点讨论了其中的关键性技术。通过MATLAB建立了自适应跳频通信系统仿真模型，能够实现实时监测信道质量，并自适应地控制不停跳变的跳频载波频率。本文还研究了在不同干扰情况下自适应跳频通信系统的抗干扰性能，研究结果表明，自适应跳频通信的抗干扰性能要优越于常规跳频通信。

关键词：自适应跳频通信；实时信道检测；频率自适应控制

Abstract

Because of its advantages of anti-jamming, anti-multipath, anti-noise, and anti-interception, frequency-hopping communication has been widely used in civil and military environments, and has become a mainstream technology in the current communication field. However, due to the rapid progress of modern signal processing technology, the enemy jammer can quickly lock the frequency-hopping frequency set and perform targeted interference, which makes conventional frequency-hopping communication can’t guarantee the security of communication.

Based on conventional frequency-hopping communication, Adaptive frequency-hopping communication introduces not only the real-time channel quality detection and evaluation techniques but also adaptive control technology. It can update the frequency-hopping frequency table in real time according to the channel quality, so that the interfered channel could be automatically avoided. That greatly improves the system's anti-interception and anti-jamming capabilities. The high-quality communication will be held effectively too.

In this dissertation, the system structure and working principle of adaptive frequency-hopping communication system are studied in detail, and the key technologies are discussed as well. The adaptive frequency-hopping communication system simulation model was built by MATLAB software. It can monitor the channel quality in real time and adaptively control the frequency-hopping carrier’ frequency. This paper also studies the anti-interference performance of adaptive frequency-hopping communication systems under different interference conditions. The results show that the anti-jamming performance of adaptive frequency-hopping communication is superior to that of conventional frequency-hopping communication.

Key Words：adaptive frequency-hopping communication；real-time channel detection；

adaptive frequency control

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的目的及意义 1

1.2 自适应跳频通信系统概述及发展现状 1

1.3 研究内容及章节安排 2

第2章 跳频通信 3

2.1 跳频通信基本原理 3

2.2 跳频通信系统构成 4

2.3 跳频通信关键技术 6

2.3.1 伪随机码跳频序列 6

2.3.2 频率合成技术 7

2.3.3 跳频同步技术 8

第3章 自适应跳频通信 9

3.1 自适应跳频通信的基本原理 9

3.2 自适应跳频通信系统构成 9

3.3 自适应跳频通信关键技术 10

3.3.1 实时信道评估技术 10

3.3.2 频率自适应控制技术 12

第4章 自适应跳频通信系统仿真及性能分析 14

4.1 系统仿真模型 14

4.1.1 原始信号及调制信号生成模块 17

4.1.2 跳频载波模块 18

4.1.3 跳频、信道干扰及解跳模块 19

4.1.4 信道质量评估和频率自控制模块 21

4.1.5 相干解调和采样判决模块 21

4.1.6 误码率计算模块 23

4.2 系统仿真结果 23

4.3 系统性能分析 25

第5章 结论 26

参考文献 27

致 谢 28

第1章 绪论

1.1 课题研究的目的及意义

无线网络是国家技术基础设施中增长最快和最关键的方面之一。因其具有搭建方便，适应性强，机动性强，故被广泛应用在军事、民用移动通信和航空航天等各种领域的通信中。然而，无线通信的开放式的收发电磁波信号的特性使得通信信号很容易被敌人所截获和干扰^[1]。因此，通信系统必须具备一定的抗干扰能力，才能在通信电子对抗中克敌制胜。

一种行之有效的抗干扰技术是扩频通信技术，目前，跳频通信技术作为扩频通信中的一种比较成熟的技术手段，在现代无线电抗干扰通信中的应用十分的广泛^[2]。常规跳频通信利用与原始信息无关的伪随机序列控制传输信号的频率在相对较宽的频率内范围跳变，然后通过频率点的无规律跳变来削减敌方干扰。由于该伪随机序列所确定的跳频频率表是事先确定的，不能根据实际的电磁环境状态实时调整，来自动选择可通频率，所以通常称之为为“盲跳频”^[3]。

自适应跳频通信是近些年来发展起来的，建立在实时信道检测基础上的一种自适应技术和跳频技术结合起来的通信新技术。它能够在信号传输中实时检测信道质量，确定出被干扰信道频率，然后去除相应跳频信道，在通信效果良好的正常的信道上，维持通信的正常进行^[4]。毫无疑问，在信息化时代的大背景下，在社会需求的引导下，以及通信技术发展的推动下，自适应跳频将是现代通信领域中的主流技术和关键技术，并将在4G、5G、蓝牙通信以及军事通信中都担当起重要角色^[5]。

1.2 自适应跳频通信系统概述及发展现状

身处信息化时代，我们每天都在进行着各种通信。而有通信的地方就会有干扰存在，干扰与通信对立而统一的两个矛盾^[6]。尤其在无线通信领域中，由于信号是电磁波的形式，信道具有开放性，所以更容易在信息传播过程中引入各种干扰^[7]。所以自无线电通信诞生伊始，人们一直致力于研究不同的抗干扰措施来提高通信系统的抗干扰能力。由此无线通信开始了从定频通信到跳频通信再到自适应跳频的进化演变过程。

跳频通信作为扩频技术的一种方式，经过多年来的不断研究，已经成为当下比较成熟的一种抗干扰通信技术。在跳频系统中，伪随机码控制调制载波频率不断地按照一定规律进行跳变，以躲避单频干扰和窄带干扰，而接收端则按照相同规律进行解跳解调，得到原始有用信息。因为传输信号频率一直在不断改变，所以外人很难检测到对应频率来施加干扰，即使部分信道被干扰，也不影响总体通信情况，只是总体的误码率会有所增加。

自适应跳频通信系统结合了跳频通信技术和自适应控制技术，来实现频率自适应、速率自适应和功率自适应的新型通信系统。它能够在跳频通信中实时避开被干扰频率，自动选择无干扰或弱干扰的信道进行信息的传输，有效地提高了通信过程中抗干扰能力，保证了接收信号的质量。

关于跳频技术的使用最早可以追溯到二战时期，如今已经趋于成熟，但对于自适应跳频技术，只到上世纪九十年代，才由瑞典科学家J.Zander率先提出自适应跳频通信系统的模型，自问世以来，在军事环境和民用领域都产生了广泛的运用^[8]。我国从1996年开发出第一台实用型的跳频电台后，又相继研制成功多种类型的短波通信系统。国内还首创了“多合一”自适应技术，并且将其融入到最新的短波跳频系统中。在世界范围内，早在上世纪的八十年代，就已经有了具有自适应功能的跳频电台，而且出现了数字化通信发展趋势，随后各国不断加大研究力度，使得跳频电台的自适应功能不断加强，数字化程度不断加深，各项性能指标不断提升^[9]。

1.3 研究内容及章节安排

本文主要研究了跳频通信和自适应跳频通信系统的基本原理和系统构成。并针对其中的关键性技术做了相关研究，并借此利用MATLAB模拟出完整的自适应跳频通信系统，能够实现载波频率不断跳变，系统不断检测信道的信噪比，并自动控制跳频序列改变频率表来避开坏信道。同时也针对系统做了性能分析，研究了与常规跳频通信系统相比，加上自适应部分，系统的抗干扰能力变化。

本论文的具体安排如下所示：

第1章，绪论。介绍了本课题研究的目的及意义，简述了自适应跳频通信诞生的时代背景与其独特优点，对跳频通信和自适应跳频通信做了简要概述并介绍了其国内外发展情况。

第2章，跳频通信。主要介绍了跳频通信系统的系统构成和基本原理，并对其中的关键技术：伪随机码跳频序列、频率合成技术以及跳频同步技术做了相关分析。

第3章，自适应跳频通信。简述了自适应跳频通信的工作原理和系统构成，并在第二章常规跳频的基础上，重点对实时信道检测和频率自适应控制技术做了研究。

第4章，自适应跳频通信系统仿真及性能分析。对自适应跳频通信系统的系统框架及各部分功能模块进行了分析，利用MATLAB模拟了仿真模型，检验了自适应跳频功能的实现，并进行了抗干扰性能分析。

第5章，结论。总结了针对自适应跳频通信的全部研究内容，并在此基础上分析不足之处以及值得对其进行更深入研究的问题。

第2章 跳频通信

跳频系统是自适应跳频通信系统的基础，要研究自适应跳频通信系统，就得先搞清楚跳频通信的工作原理和相应技术。所谓跳频扩频方式，是跳频载波中心频率在伪随机序列的控制下，以一定的顺序和速率在预先设定好的一组频率表中随机地跳变，而接收机则以一定的规律进行相应的接收和解调。本章主要针对跳频通信的基本原理，系统构成以及其中的关键技术进行了研究，同时为后续的自适应研究打下基础。

2.1 跳频通信基本原理

扩频通信系统，是指利用伪随机码将已经调制过的窄带信号扩展成比原本信息带宽大很多的宽带信号，来实现通信系统任意选址、增强保密性和抗干扰性的无线通信体制。跳频通信系统作为最典型的扩频通信系统之一，是现下抗干扰通信和保密通信中最有效的手段之一^[10]。在跳频通信过程中，通过二进制伪随机序列来控制跳频载波的输出频率，使其随伪随机码的变化而跳变，可以看成是载波频率按照一定规律进行变化的多频频移键控（MFSK）^[11]。跳频系统中可供随机选择的载波频率一般是几百个甚至上万个离散频率，而系统的工作频率在伪随机序列的控制下在不停地跳变，每次持续的时间极短，通常为微秒级。所以，在某个相对的时间段里，就可以看作是宽带传输，即在一个相对较宽的频段里分布了传输信号，这相当于是扩展了频谱范围，因此，一般也就将它归于了扩频通信内。

跳频通信的基本工作过程如下：首先，在发射机中，产生将要传输的有用原始信息，然后经过信息调制器得到调制信号。与此同时，独立生成的伪随机跳频序列通过跳频表中的频率控制码，控制频率合成器按照约定好的跳频变化规律，在不同的时隙内输出一个频率跳变的本振信号，将它与调制信号一起进行跳频调制得到跳频信号，经过信道传输到接收端。在接收机中，在检测到跳频信号以后，与发送端跳频序列相同的本地跳频序列，按照相应的规律对接收信号进行变频解跳，然后得到的调制信号，再在本地载波的信号解调下恢复出有用信息，完成整个跳频系统的工作过程。

跳频通信主要有以下特点：

1. 抗干扰性强，这也是跳频通信的最大特点。与传统通信方式不同，跳频通信通过躲避干扰来工作，被认为是一种相对主动的抗干扰方式。当跳频频率点足够多，它就能有效地对抗宽带阻塞式干扰，只要跳频的速率足够大，它也能够很好的躲避频率跟踪式干扰。
2. 不易被截获。载波频率跳变快速，敌人不易截获到传输信息。而由于跳频序列的伪随机性，即便敌人截获了部分的载波频率也无济于事。所以跳频通信具有低截获概率，使得敌人不容易有效截获到我方的通信信息。
3. 易于组网，具有多址组网能力。在通信系统中，可采用跳频信号作为通信地址码，不同的码，可以产生不同的跳频图案，组成不同的通信网，构成跳频码分多址系统，可以共享频谱资源，频谱利用率较高。
4. 兼容性强。跳频系统既是一种瞬时窄带通信系统，也可以当作一种宽带通信系统。而且它还能够像常规通信系统一样采用固定频率工作，具有多种的工作模式。
5. 通信灵敏度低。跳频通信系统更加复杂，在无干扰下，跳频同步误差损失，接收滤波器失谐，跳频信道切换时间开销以及跳频内部噪声等多种因素的影响，使得其通信灵敏度要比常规通信灵敏度要低。

针对跳频通信的最大特点，本章对跳频通信的抗干扰机理做出了相关研究：在通信系统中，只要干扰信号得到频率与调制载波的频率相同，就能形成干扰。而在跳频通信过程中，发射机的伪随机码通过控制频率合成器生成的载波频率随机地，不断地改动，避开被干扰的频率点。而接收机中，控制生成与发射端载频跳变一致的频率，在相乘后进入到中频频带内。对于干扰信号来说，接收后在中频频带外，然后被过滤掉，这样就达到了系统抗干扰的目的。

2.2 跳频通信系统构成

跳频通信系统的系统主要由发射机，接收机和传输信道三大部分组成，其系统构成示意图如图2.1所示。

图2.1 跳频通信系统结构示意图

在发送端部分，主要包括信源、数字调制器、PN（伪随机码）序列生成器、频率合成器、跳频调制器等。信源模块产生需要传输的有用信号，经过信号的数据调制（多采用FSK、PSK等调制方式），转化为适合传输的调制信号。与此同时，PN序列生成器生成伪随机码序列，进一步转化为多进制的频率控制器，需要N个跳频频率点就取相应位数的伪随机码转化为N进制数，用以控制频率合成器合成各个频率的跳频载波，不同时隙内的载波频率各不相同。频率随着时间变化的跳频载波再进一步与调制信号进行相乘，得到跳频信号，进入信道进行信号传输。

在传输信道中，可能会引进各种噪声以及干扰信号，与跳频信号相叠加后一起被接收端所接受。接收端会按照与发送端一致的跳频规律合成跳频载波（只要保证收发双方的PN码同步，就能使得产生的跳频频率同步），与接收到的跳频信号进行混频后，就能得到一中频信号，实现解跳。最后再进行解调，就能恢复出有用信号来送给信宿。

跳频通信工作的信号数学分析如下：

假设调制采用FSK调制，不妨设经过FSK调制后的发射信号为m(t)，跳频载波信号为，其中，为跳频起始频率，为跳变间隔，为初相，则跳频信号为

(2.1)

则接收端得到信号为

(2.2)

其中，为不同网的地址信号；J(t)为干扰信号；n(t)为噪声分量。

接收机中本地频率合成器产生频率为，与发射机载波相差一个中频的本振信号，为其初相，与接收到的来自发射机的信号相乘后，得到解跳信号

[

(2.3)

其中，为中频，；。

经过低通滤波取得下边频信号后可得一固定中频信号，再进一步中频滤波即可输出有用信号分量，为

(2.4)

这一信号送入调制解调器中后，经过解调即可恢复出传送的有用原始信号。对于白噪声信号n(t)，由于混频后和普通的非跳频系统一样，所以跳频系统对于白噪声是没有处理增益的。而对于干扰信号J(t)，除非与某一时隙内的跳频频率相同，否则混频后会被搬移到中频频带之外，不能再进入调制解调器，无法形成干扰。当然，就算它与某一跳频频率点相同，由于频率一直跳变，其干扰程度也是极其有限的。对于其他网生成的跳频信号，其跳频图案各不相同。由于频率跳变是正交的，不会发生重叠，所以也不会互相干扰。

根据跳频速率和信息速率的大小比较，一般可将跳频系统分为快跳频和慢跳频。如果跳频时隙内可以传送多个信号，说明跳频速率是低于数据调制器输出的符号速率，即为慢跳频。而如果传输一个符号的时间内，频率会跳变多次，就可称其为快跳频。

2.3 跳频通信关键技术

跳频通信系统由多个功能模块组成，涉及到很多现代通信技术，各个模块分别用到了不同的通信技术手段，其中的关键技术主要包括伪随机码跳频序列生成技术，频率合成技术以及跳频同步技术。这几大关键技术的有效应用确保了跳频通信的顺利进行，下面将逐一介绍。

2.3.1 伪随机码跳频序列

跳频序列是指用来控制跳频载波频率进行跳变的多值序列，跳频系统的抗干扰、抗截获和同步等性能同跳频码的性能有着直接联系。对于跳频序列，通常有以下要求：

1. 易于产生，且具有较好的随机性，以避免被敌方所破译。
2. 具有良好的汉明白相关及互相关特性，有利于接收的跟踪和截获。
3. 具有较长的周期，使得干扰者不易去破译整个码序列。
4. 具有较长的频率间隔，这能提高跳频系统抗阻塞式干扰的能力。

从理论上来说，采用纯随机序列作为跳频序列去扩展信号频谱是比较理想的。但是因为我们需要在接收机中采用与发射机相同的码序列，所以必须用有规律的跳频序列。而随机序列具有不可复制性，因此，一般采用伪随机（PN）序列作为跳频码。伪随机码容易产生和处理，而且既有周期性又有规律性，很适合用来作跳频序列用。

伪随机码也叫伪噪声码，是一种有周期性的脉冲序列。它既有随机噪声的一些优点，同时又避免了其它的缺点，有着广泛的实际应用。目前常用的PN码有：m序列、M序列、Gold序列和RS序列^[12]。

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