跳频扩谱通信系统全流程仿真与性能分析

资 源 简 介

本项目实现了一个完整的跳频扩谱（FHSS）通信系统仿真模型，旨在通过MATLAB代码模拟信号在多个频率点间按伪随机规律切换的通信过程，以提升系统的抗干扰和保密能力。系统功能涵盖了从信源编码、调制到跳频扩频传输以及接收端去扩频、解调的端到端仿真。首先生成随机二进制比特流，并采用2FSK或MFSK调制方式将信息映射至子载波；接着利用由m序列或Gold序列驱动的频率合成器，控制载波频率在预设的跳频带宽内快速随机跳转。仿真环境引入了加性高斯白噪声（AWGN）以及模拟敌方干扰的单频或宽带噪声。接收端通过本地同步的伪

详 情 说 明

跳频扩谱(FHSS)通信系统全流程仿真与性能分析

项目介绍

本项目设计并实现了一个基于MATLAB的跳频扩谱（Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS）通信系统全流程仿真模型。跳频技术是扩谱通信的核心技术之一，通过使载波频率在宽频带内按照伪随机序列快速跳转，显著提升了通信系统的抗干扰性、保密性以及抗多径衰落能力。系统完整模拟了数字信号从发送端处理、信道传输（含噪声与人为干扰）到接收端恢复的全过程，为研究电子对抗和无线安全通信提供了量化的实验数据。

功能特性

1. 全流程端到端仿真：涵盖了信源生成、2FSK基带调制、伪随机跳频控制、射频调制、复杂信道模拟、同步去扩、低通滤波及非相干解调。
2. 动态跳频机制：预设16个离散跳频点，跳频速率与比特率解耦，支持每秒40次的高速频率跳转。
3. 复杂信道环境模拟：系统不仅引入了加性高斯白噪声（AWGN），还专门加入了一个针对特定频点的窄带单频干扰，用于验证FHSS在频率受损环境下的鲁棒性。
4. 综合性能评估：内置自动化的误码率（BER）分析模块，在不同信噪比（-15dB至15dB）下进行循环测试。
5. 多维可视化展示：提供时域信号、跳频图案、功率谱密度、时频图（瀑布图）以及误码率性能曲线的实时绘制。

使用方法

1. 环境准备：确保计算机已安装MATLAB，并具备信号处理工具箱（Signal Processing Toolbox）。
2. 运行仿真：在MATLAB编辑器中打开代码，运行主脚本。
3. 结果观察：程序将自动弹出仿真结果可视化窗口，展示系统在各个环节的信号特征。
4. 结果分析：通过命令行终端查看看在当前配置信噪比下的误码率统计反馈。

系统要求

1. 软件环境：MATLAB R2016b 及以上版本。
2. 硬件环境：建议主频 2.0GHz 以上，内存 4GB 以上的通用 PC 终端。
3. 依赖包：MathWorks 信号处理工具箱。

系统实现逻辑说明

系统的实现流程严格遵循现代扩谱通信理论，具体逻辑如下：

1. 参数预设与信源产生：

系统设定采样率为48kHz，比特率为200bps，跳频速率为40Hz。首先利用随机函数生成一组二进制比特序列作为原始信息流。

1. 2FSK基带调制：

采用二元频移键控（2FSK）方式。逻辑“1”映射为中心频率正偏移的频率点，逻辑“0”映射为负偏移的频率点（偏移量均为200Hz），生成离散频率的基带信号。

1. 跳频扩谱调制：

利用固定的随机数种子确保收发双方同步，从16个候选频点中随机抽取序列组成跳频图案。通过将基带2FSK信号与高速跳频载波进行混频（乘法运算），使信号能量分散到极宽的频带内。

1. 干扰信道注入：

信号进入信道后，叠加指定功率的AWGN。同时，人为添加一个与跳频集中第5个频点重合的强单频信号作为窄带干扰，模拟复杂的电磁对抗环境。

1. 接收端去扩（De-hopping）：

接收机产生与发送端完全一致同步的本地跳频载波，与接收到的信号进行混频处理。通过“频率折回”效应，将跳变的信号还原回固定的基带频率，而原本的窄带干扰信号则在该环节被扩谱为宽带背景噪声。

1. 信号提取与解调：

利用6阶巴特沃斯低通滤波器滤除混频产生的高频分量和部分噪声，恢复出2FSK基带波形。随后采用非相干解调算法，通过计算正负偏置频率点的能量分量，通过能量判决输出最终数据。

关键算法与实现细节分析

1. 伪随机序列一致性控制：

为了模拟现实中的同步机制，代码中特意使用了带有固定种子的随机数生成器（rng(42)），这确保了接收端在不需要额外同步算法的情况下能产生与发送端完全匹配的跳频载波，是评估系统理论性能的基础。

1. 射频信号产生算法：

系统在每个跳频周期（Hop duration）内根据随机索引从频率集中提取对应频率值，并结合连续的时间相位信息构建正弦波载波，保证了物理信号在跳频瞬间的数学表达准确性。

1. 巴特沃斯（Butterworth）低通滤波器设计：

在去扩后，采用了 butter 函数设计6阶滤波器，截止频率设定为 FSK 偏移量的2.5倍，旨在兼顾信号通过性与对混频高频产物的抑制能力。

1. 2FSK非相干能量检测算法：

解调模块不是通过相位判定，而是通过将信号分别与正负偏移频率的正弦/余弦分量进行相关性积分（求平方和能量），从而判断比特值。这种方法在存在相位扰动的无线信道中具有极强的鲁棒性。

1. 时频图可视化实现：

利用 spectrogram 函数（短时傅里叶变换）生成的时谱图，清晰地展示了能量在时间轴和频率轴上的跳转规律，直观地证明了扩谱通信“频率随时间不断变化”的本质特征。