基于matlab的跳频通信系统的仿真与设计

基于matlab的跳频通信系统的仿真与设计内容摘要：

制载波。 在接收端要有一个和发送端中的伪随机码同步的本地码，对接收的信号进行解扩，解括后的信 号送到解调器取出传送的信息。 信 源 数据调制 扩频调制 扩频编码发生器 信 道 扩频解调 数据解调 信息接收 扩频编码发生器 同步时钟 第 1章 引 言 7 2 跳频扩频系统（ FH_SS） 所谓跳频，比较确切的意思是：用一定码序列进行选择的多频率频移键控。 也就是说，用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率不断地跳变，所以称为跳频。 更确切的说因该叫做“多频、码选、频移键控”系统。 3 跳时扩频系统（ FH_SS） 与跳频相似，跳时 (TH－ Time Hopping)是使发射信号在时间轴上跳变。 首先把时间轴分成许多时片。 在一帧内哪个时片发射信号由扩频码序列去进行控制。 可以把跳时理解为：用一定码序列进行选择的多时片的时移键控。 跳时也可以 看成是一种时分系统，所不的地方在于它不是在一帧中固定分配一定位置的时片，而是由扩频码序列控制的按一定规律跳变位置的时片。 跳时系统的处理增益等于一帧中所分的时片数。 跳时一般和跳频结合起来使用，两者一起构成“跳频跳时”系统。 4 混合式扩频系统 以上 3 中基本扩频方式中的两种或多种结合起来，便构成了一些混合扩频体制，如 FH/DS、 FH/TH、 DS/FH 等，它们比单一的扩频、跳频、跳时体制有更优良的性能。 电子科技大学成都学院本科课程设计论文 8 第 2 章 MATLAB 通信系统仿真组件及流程介绍 MATLAB 仿真环境 MATLAB 是美国 Math Works 公司推出的用于数值计算和信号处理的数学计算软件包，与其他高级语言（ BASIC、 FORTRAN、 C 等）相比，不仅语法规则更为简单，而且在解决工程问题和科研教学的辅助方面更加直观、简洁和高效。 正因为如此，受到了专业研究人员的广泛重视。 随着版本的不断升级， MATLAB 的功能越来越强大，应用范围也越来越广泛。 在 MATLAB 中，不同应用领域的专用库函数和模板汇集起来作为工具箱添加到 MATLAB 的软件包中。 借助这些工具箱，各个领域和各个层次的科研人员可以直观、方便地进行分析、计算和设计仿真，大大的提高了 工作的效率。 目前在 MATLAB 中推出的工具箱主要有信号处理、控制系统、神经网络、图象处理、小波分析、通信系统等。 而且还在不断增加新的功能。 在这篇论文中，要用到的是 MATLAB 在通信系统中的应用，学习 SIMULINK模块的应用和 COMMUNICATIONS BLOCKET 的应用。 这两个模块的工作界面如下所示： 图 21 SIMULINK 工作窗口 可以看到，在 SUMULINK 中，包含有七个模块库，分别为信源库（ Sources Library）、信宿库（ Sink Library）离散库（ Discrete Library）、线性库（ Linear Library）第 2 章 MALTLAB 通信系统仿真组件及流程介绍 9 非线性库 (Nonlinear Library)、连接库（ Continuous）、数学库（ Math Library）、信号与系统库（ Signalsamp。 Systems Library ）、 专 用 模 块 和 工 具 箱 集 合（ Blocksetsamp。 Toolboxes）共 10 个模块库。 另外，在 SIMULINK 工作窗口的右下还有一个 Demos 图标，它提供仿真的各种例子。 双击某个库的图标，可以进入下一级的窗口，窗 口中排列这该模块库包含的图标以及名称。 如下页所示是通信模块的工作窗口，我们可以看到，这个工作窗口包含有信源（ Comm Source）、信宿（ Comm Sink）、信源编码（ Source Code）、信道编码（ Channel Code）、调制与解调（ Munication）、信道（ Channel）、同步（ Synchronication）等 9 个模块库，与 SIMULINK 一样，也包含有一个 Demos模块。 可以方便的对各种实例进行演示。 图 22 COMMUNICATIONS BLOCKET 工作窗口 MATLAB 语言介绍 MABLAB 语言是一种高效率的用于科学工程计算的高级语言，与 C、 C++、RORTRAN 等高级程序设计语言相比， MATLAB 不但在数学语言的表达与解释方面表现出人机交互的高度一致，而且具有作为优秀高技术计算环境所不可缺少的很多特征： 1 高质量、高可靠的数值计算能力。 2 基于向量、数组和矩阵的高级程序设计语言。 3 高级图形和可视化数据处理能力。 4 广泛解决各学科专业领域内复杂问题的能力。 电子科技大学成都学院本科课程设计论文 10 5 支持科学和工程计算标准的开放式、可扩充结构。 6 跨平台兼容，可以和 C 语言、 C++语言相互调用。 同 C 语言一样，在 MATLAB 语言中提供了 4 种决策或者说控制流结构，它们是： FOR 循环， WHITE 循环， IF－ ELSE－ END 结构和 SWITCH— CASE 结构，它们的用法和 C 语言中这几种结构的用法相似但是由于这些结构经常包含大量的 MATLAB 命令，所以经常出现在 M－文件中 ,一般结构如下： 1 FOR 循环的一般形式： while expression 2 WHILE 循环的一般形 for x = array { mands } {mands} end end 3 IFELSEEND 结构： if expression 4 SWITCHCASE 结构 switch express {mands} case test1 {mands} end case {test2,test3} {mands} end SIMULINK 的核心 — S－函数 MATLAB 最受人们欢迎的特点之一是其具有开放性，也就是说用户可以通过对工具包源文件的修改或加入自己编写的文件去构成新的用户专用工具包，为了修改和编写源文件，就必须熟悉和掌握 SIMULINK 中的 S－函数（ sfunction） . S函数是 SIMULINK 的核心，它具有的表现形式有三种： （ 1） 框图形式 （ 2） M 文件形式 （ 3） MEX 文件形式（ C语言或 FORTRAN 语 言子程序） 一旦 SIMULINK 窗口中的仿真框图建立好， SIMULINK 即利用该框图的信息生成一个 S－函数，用来代表 SIMULINK 模型。 有时标准模块库中现有的模块不能满足用户的需要，为了完成某个特定的功能或进行一种特定的数学运算，我们可第 2 章 MALTLAB 通信系统仿真组件及流程介绍 11 以用标准的 MATLAB 语言编写 M文件，也可以用 C语言，但是如果用 C 语言必须用 matlab/bin目录下的批处理 MSWindows下的动态链接文件，才可以在 MATLAB 下直接调用。 S－函数的仿真工作原理 S－函数与 SIMULINK 非 线性库中的 S－函数模块配合使用。 将 S－函数模块从非线性库中拷贝到用户自己的模块框图中，然后在模块的对话框中定义调用的S－函数的名称，则该模块完成的功能由调用的 S－函数决定。 在每个 SIMULINK 模块中都有三个基本参数，输入矢量 u，输出矢量 y和状态矢量 x。 三者的连接关系如图 23所示 输入矢量 状态矢量 输出矢量 图 23 SIMULINK 模块基本参数 输入矢量、输出矢量和状态矢量的数学关 系如下 y=f0 (t,x,u) xc =fd (t,x,u) x1kd=fu (t,x,u) S－函数的仿真流程 在仿真的特定阶段， SIMULINK 反复调用模型文件中的每个模块，控制它们完成特定的功能，如计算输出、更新离散状态值和计算状态导数等，为了执行初始化或中止仿真任务，在仿真的开始部分和结束部分还要调用一些附加过程。 下图给出了 SIMULINK 进行一次仿真的完整流程。 X 电子科技大学成都学院本科课程设计论文 12 仿真环 积分 最小时间 步长 24 仿真的工作流程图 SIMULINK 的设计和开发 SIMULINK 模型具有层级结构，非常有利于建造和管理一个大型系统。 为了便于实现分层设计，在 SIMULINK 模块库中的非线性字库中含有一种专用的模块子系统模块，同时 SIMULINK 还为子系统模块提供了封装（ MASK）功能。 初始化模块 计算下次抽样时间用于抽样时间可变模块 最大步长计算输出 最大步长计算离散状态 计算导数 计算输出 计算导数 定位零交点 在结束时执行所需的任务 第 2 章 MALTLAB 通信系统仿真组件及流程介绍 13 1. 子系统模块 (1) 当一个动态模型包含许多环节时，可以把系统按功能分块，每一块建立一个子系统。 在设计中使用子系统，可以降低模型的复杂 度，减少窗口中的模块数，并易于对模型进行扩充和修改。 具体而言，可以采用“自顶向下”的设计方式，也可以采用“自底向上”底设计方式。 详细的设计步骤将在快跳频系统设计中介绍 2. 封装功能 具有封装功能是 SIMULINK 模块一个非常有用的特点，通过封装可以为子系统建立用户自定义的对话框和图标，可以在当前窗口中隐藏子系统的设计内容，用简单的图标来代替子系统。 另一方面，由于子系统中的每个模块都有一个对话框，进行仿真的时候要分别定义参数，比较麻烦。 而封装功能可以简化用户定义仿真参数的过程，同时也可以使仿真模型有一个更友好的界 面。 3. 设计用户自定义模块 创建一个用户自定义的 SIMULINK 模块的步骤为： (1) 根据算法和公式编写核心部分的 S函数。 (2) S－函数经过通用 S－函数模块处理后，转化为用户自创建的模块。 (3) 根据要求的功能构造用户子系统，包括输入端口、输出端口、 S－函 数模块和其它一些附加功能模块。 (4) 利用 SIMULINK 中的封装功能将子系统封装起来，生成用户自定义的封装对话框和图标，为整个子系统提供统一的设置。 这样就完成了用户自定义的 SIMULINK 模块，并能完成所要求的功能。 电子科技大学 成都学院本科课程设计论文 14 第 3 章 跳频通信系统的性能分析 跳频系统概述 系统结构及信号传输过程 调频通信系统（ FHSS）是一个用户的载波频率按某种跳频图案（伪随机调频序列）在很宽的频带范围内跳变的通信系统。 如图 31 所示。 信息信号经过波形调制（信息调制）后，送入载波调制。 载波由跳变序列（伪随机序列）控制跳变频率合成器来产生，其频率随跳频序列的值的改变而改变，因此，载波首先被跳变序列调制，称作调频调制。 跳变频率合成器受跳频序列控制，当跳频序列值改变一次时，则载波频率跳变一次。 跳频序列习惯上被称作跳频指令，跳变频率合成器被称作跳频合成器。 信息信号经过载波 调制后形成跳频信号，经过信道传输被接收机接收。 接收机首先从发送来的调频信号中提取跳频同步信号，使接收机频率本地伪随机序列控制的频率跳变与接收到的跳频信号的频率跳变同步。 产生与发射机频率完全同步一致的本地载波。 这个过程称为解跳。 再用本地载波与接收信号作解调（载波解调），可获得携带有信息得信号，从而得到发射机发送来的信息，实现跳频通信。 信号信息 信息调制 扩频调制 PN码发生器 跳变频 率合成器 信 道 解 扩 信息解调 跳变频率合成器 PN码发生器 同步电路 第 3 章 跳频通信系统的性能分析 15 图 31 调频通信系统的结构框图 跳频系统的几个概念 1 为什么要跳频 通常我们所接触到的无线通信系统都是载波频率固定的通信系统，如无线对讲机，汽车移动电话等，都是在指定的频率上进行通信，所以也称作定频通信。 这种。