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跳頻技術具有良好的抗干擾、抗截獲、抗衰落性能，特別是在軍事無線戰術通信領域有著廣泛的應用。傳統的跳頻系統一般采用非相干解調的MFSK作為數字基帶調制方式，優點就是能夠通過降低對硬件速度的要求來降低硬件復雜度，但是這種調制方式的致命缺點就是頻譜利用率低，難以實現高速的數據傳輸速率，這一缺點使得跳頻技術很難適應未來的信息化、數字化高速數據傳輸的要求。 OFDM調制是一種高效的數據傳輸方式，通過串/并變換將高速數據流分散到多個正交的子載波上傳輸，一方面使各個子載波的符號率大幅降低，相應的符號持續時間變大，減少符號間干擾的影響，有較強的抗時延擴展能力;另一方面信號的并行傳輸分散了信道衰落引起的突發性錯誤，提高了系統的抗干擾錯誤的能力。由于各子載波的相互正交，因此允許子載波頻譜混疊，充分利用有限的資源，使得其頻帶利用率高于傳統的FDM(頻分復用)調制方式。 圖形用戶界面(GraphicalUserInteRFace，GUI)是由窗口、光標、按鍵、菜單、文字等對象(Objects)構成的一個用戶界面，可以簡單、便捷地設計出美觀、方便的菜單化和控件式的人機交互界面。 本文基于Matlab中的GUI設計了跳頻OFDM系統，界面設計友好，能夠動態地改變系統參數進行仿真，結果顯示該設計系統能夠很好地進行實時仿真，實用性較強。 1跳頻OFDM系統原理 跳頻OFDM系統原理框圖如圖1所示。 在發射端，輸入數據首先經過信源編碼，將輸入s(t)變換成二進制數據s(k)，將得到的二進制數據進行MASK調制，得到sMASK(k)，然后進行OFDM調制。 在進行OFDM調制時，先對sMASK(k)進行數字映射，變換成，然后進行串/并變換，進行IFFT變換得到： 式中：N是子載波數。然后進行跳頻調制，主要由跳頻序列產生器、頻率合成器和混頻器組成，假設在一個跳頻點發送一個OFDM調制符號，則經過混頻后的輸出為： 式中，ωi為跳變頻率，T為OFDM符號周期。 最后經發射端發射。 在接收端，經過與發射端相反的過程恢復原始信號，同時要考慮系統的同步，首先是進行跳頻解調，然后是OFDM解調，最后是信源解碼，輸出接收信號。文獻中指出，在跳頻系統中應用OFDM技術，如果在一個跳頻點上發送一個OFDM符號時，只存在ICI和高斯噪聲，不存在ISI，所以不需要加入保護間隔就可以保證信號功率不受損失，信息傳輸速率不受影響。 2跳頻OFDM系統的仿真設計 用Matlab中的GUI來設計跳頻OFDM通信系統，最基本的一點就是要明白Matlab系統中圖形對象的樹形結構。Matlab系統內部使用對象語言描述各種圖形單元，并將這些圖形單元按照樹形結構組織起來進行管理和實施各種操作。計算機屏幕作為該結構的根，它的一級樹節點是圖形窗口對象;二級節點同樣是圖形窗口對象;三級節點即圖形窗口的子對象用戶界面控制元和用戶界面菜單等。本系統主要包括兩個界面：開始界面和仿真界面，由開始界面進入仿真界面，仿真界面可以根據不同的需求通過動態地設置參數來進行仿真，操作簡單、方便，為操作者提供了一個良好的人機交互方式，單擊幫助可以查看相關的內容和操作說明，并且已經編譯成.exe的可執行文件，在沒有Matlab的情況下，也可運行。仿真界面如圖2所示。 本系統仿真界面可以大致分為3部分：參數設置部分、仿真演示部分和系統操作部分。參數設置部分主要是用來設置跳頻OFDM的相關參數，點擊每個按鈕都會出現相應的參數設置圖形，部分參數設置如圖3所示，可以通過直接輸入參數來改變系統的狀態，每個參數設置圖形都有默認值，可以不輸入任何信息，系統也可以按默認的設置來進行仿真。系統操作部分主要是進行系統的仿真運行、結果分析、信息幫助、返回上一級菜單和退出系統等。 仿真演示部分是本系統的主要部分，用來演示跳頻OFDM系統，將參數設置好以后，點擊運行，仿真開始，用紅色顯示運行的進度，當所用的模塊都成紅色后，系統就運行結束了。可以通過點擊每個按鈕來查看各個模塊相應的輸出信號。 3系統仿真及分析 鑒于上面所述，本文對跳頻OFDM進行了仿真，參數設置如下：時間為0～2π，信源輸入信號為sint+cos2t-cos3t+sin4t，信道編碼采用差分脈沖編碼，設置k=3，OFDM的子載波數N=128，IFFT變換點數為1024，跳頻序列產生器的初始狀態設為[10010]，反饋系數設為75，可以產生31個跳頻點，頻率合成器采用間接式頻率合成，設壓控振蕩器的頻率為1000Hz，固定分頻系數為100，信道中加入高斯白噪聲，信噪比為5dB，假設系統接收時跳頻序列，OFDM解調均與發射時同步，運行系統，可以得到仿真結果如圖4～圖6所示。 從結果可以看出，跳頻OFDM的仿真系統對于給定的輸入信號，可以很好地經過OFDM調制和跳頻調制來傳輸，而且從誤比特率曲線可以看出，該系統的性能也較好，在低信噪比的情況下，誤比特率不是很高，隨著信噪比的增加，誤比特率下降很明顯，當信噪比在10dB時，就很接近于零了。 4結論 本文通過Matlab中的GUI設計了跳頻OFDM通信系統，能夠直觀地顯示出信號在通信系統中各部分的時域波形，有利于理解和掌握完整的跳頻OFDM通信系統概念。由于實際的通信系統是一個功能結構相當復雜的系統，對系統做出的任何改變(如改變某個參數的設置、改變系統的結構等)都可能影響到整個系統的性能和穩定。因此，在對實際的通信系統做出改進或建立一個新系統之前，通常需要對這個系統進行建模和仿真。通信仿真是研究通信系統的重要方法之一。通信仿真的設計方法靈活多變，掌握了其設計方法，對通信系統的仿真研究能夠打下一個堅實的基礎。 |
