通信企业管理通信抗干扰
摘 要
航空通信是一种容易受到干扰的通信体制，因此必须研究有效并且可行的抗
干扰方法避免干扰。随着通信技术和电子对抗技术的发展，数据对通信质量提出
了更高的要求，一种被称为自适应跳频的技术被应用到扩频通信中。它是建立在
自动信道质量分析基础上的一种技术，该技术能使跳频通信过程自动避开被干扰
的跳频频率点，并以最小的发射功率，最低的被截获率，达到在无扰信道上长时
间保持优质通信。本文介绍了基十自适应跳频技术的航空通信系统的设计与实现。
重点研究了自适应跳频技术的信道质量估计、衰落估计和自适应控制。
本文首先介绍了航空通信抗干扰技术，总结了抗干扰技术的现状和发展趋势。
在此基础上，研究了扩频通信抗干扰的原理和技术。
第二章论述了扩频通信的原理和特点，总结了扩频通信中几种扩频方式的简
要原理。在此基础上，研究了跳频和自适应跳频的抗干扰的原理和特点。
第二章给出了基于自适应跳频技术通信系统的结构和原理，并总结了其
中的关键技术，主要包括信道质量估计算法、Viterbi译码及其改进算法、交织和
系统同步方法的实现过程。
第四章研究了自适应跳频技术的信道质量估计，衰落估计和自适应控制。对
十改进的自相关矩阵估计算法给出了其在不同采样点，不同调制方式和不同长度
下的仿真结果;总结了一种衰落估计算法，仿真证明其效率很高;对自适应控制，
将自适应调制和自适应功率控制结合在一起，仿真结果表明这种方法比较有效。
第五章设计了自适应跳频的仿真模型，并与常规跳频进行比较，证明了自适
应跳频的优越性。
关键词:
航 空 通 信 扩 频 技 术 信 道 质 量 估 计
自适应跳频 自适应控制
Abstract
The Aviation communication can be interfered very easily, so the valid
anti一 amming techniques must be studied to resist serious interference. With
the
development of communication and electronic countermeasure,
adaptive
frequency-hopping (AFH) is applied in Spread Spectrum communication. AFH
adjusts
modulation, power control and frequency selection adaptively in accordance with
channel conditions, which can greatly improve the performance of the system.
The
design and implement of Aviation communication system based on AFH is
introduced
in detail in the thesis. There are three focuses on the present study: channel
estimation,
fading estimation and adaptive control.
First, the Aviation communication anti一 amming techniques are introduced
and the
present status and the development trends of anti一 amming techniques are
analyzed.
The principle and techniques of the Spread Spectrum communication Aviation are
given.
In chapter 2, Spread Spectrum communication is described and the principles
of
some Spread Spectrum methods are given. On the basis of this, principles and
characteristics of FH and AFH of anti一 amming are researched on.
In chapter 3, the structure and principles of Aviation communication system
based
on AFH are given, and the key technology is mainly given. Channel estimation
algorithm, Viterbi decode and improved algorithm, interlace and system
synchronization method are mainly introduced.
In chapter 4, channel estimation, fading estimation and adaptive control in
AFH
are researched. For self-correlation matrix algorithm, simulation results in
different
sample points, different modulation methods and different lengths are
given
respectively. A fading estimation algorithm is summarized and it is proved high
efficient. For adaptive control, adaptive modulation and power control are
joint and
simulation results are given. It is proved more effective.
In chapter 5, the AFH simulation model is designed, and the simulation
results
show that the AFH has a better performance compared with general
frequency-hopping.
Keywords:
aviation Communication Spread Spectrum Channel Estimation
Adaptive Frequency-hopping Adaptive Control
目 录
第 一 章 绪
论..............................................................................
.....................................1
研 究 背
景...............................................................................
...............................1
航 空 通 信 抗 干 扰 技 术 研 究 现
状......................................................................... 2
扩 频 通 信 系
统...............................................................................
...................... 3
本 文 的 主 要 研 究 工
作...............................................................................
.......... 4
第 二 章 扩 展 频 谱 技
术..............................................................................
...................5
扩 频 通 信 的 理 论 基
础...............................................................................
........... 5
扩 频 通 信 的 理 论 基
础...............................................................................
5
处 理 增 益 和 干 扰 容
限...............................................................................
6
扩 频 技 术 的 分 类 方
式...............................................................................
6
扩 频 通 信 的 特
点...............................................................................
........ 8
跳 频 系
统...............................................................................
............................... 9
跳 频 扩 频 的 基 本 原
理...............................................................................
9
跳 频 的 处 理 增 益 和 抗 干 扰 性
能...............................................................10
自 适 应 跳 频 系
统...............................................................................
........11
本 章 小
结...............................................................................
...............................12
第 三 章 自 适 应 跳 频 航 空 通 信 系
统.........................................................................13
自 适 应 跳 频 通 信 系
统...............................................................................
...........13
自 适 应 跳 频 通 信 原
理...............................................................................
13
自 适 应 跳 频 通 信 过
程...............................................................................
14
自 适 应 跳 频 系 统 的 关 键 技
术..............................................................................1
4
信 道 质 量 评
估...............................................................................
............15
信 道 编 译 码 技
术...............................................................................
........16
卷 积 编
码...............................................................................
.........17
Viterbi译
码...............................................................................
.....17
交
织...............................................................................
.................18
TOD构
造...............................................................................
.......................19
本 章 小
结...............................................................................
.............................. 20
第 四 章 信 道 质 量 评 估 和 自 适 应 控 制 研
究........................................................... 23
基 十 自 相 关 矩 阵 的 信 道 估
计.............................................................................
23
系 统 模
型...............................................................................
....................... 24
信 噪 比 求
解...............................................................................
............... 25
信 号 数 量 的 确
定...............................................................................
......... 26
对 MDL的 补
充...............................................................................
........ 28
算 法 流
程...............................................................................
................. 30
仿 真 分
析...............................................................................
................... 31
衰 落 估
计...............................................................................
.............................. 34
衰 落 信 道 模
型...............................................................................
........... 35
衰 落 估 计 算
法...............................................................................
........... 35
仿 真 分
析...............................................................................
................... 36
自 适 应 控
制...............................................................................
...........................37
自 适 应 调 制 和 自 适 应 控
制...................................................................... 38
仿 真 分
析...............................................................................
................... 39
本 章 小
结...............................................................................
.............................. 41
第 五 章 自 适 应 跳 频 系 统 仿
真..............................................................................
...... 43
Simulink简
介...............................................................................
.................... 43
系 统 仿 真 软 件 的 选
择 ............................................................................
43
Simulink仿 真 的 工 作 原
理…….............................................................. 44
自 适 应 跳 频 通 信 系 统 仿
真...............................................................................
45
自 适 应 跳 频 通 信 系 统 仿 真 的 模
型.......................................................... 45
仿 真 分
析...............................................................................
................. 47
本 章 小
结...............................................................................
............................ 49
结 束
语..............................................................................
................................................50
致
谢..............................................................................
.................................................…51
参 考 文
献..............................................................................
........................................... 52
研 究 成
果..............................................................................
........................................... 54
第一章 绪 论
研究背景
近几年来，我国无线寻呼业务发展十分迅速，适应了国民经济的发展，满足了广
大群众对信息传送的需求。但是，随着无线寻呼台站的大量增加，部分地区电磁
环境恶化，无线电干扰事件时有发生，甚至严重干扰航空导航及通信，危及人民
生命财产安全。
空中电波亦同地面的公路、铁路交通一样，各有各的交通要道和航向；也受
着通信"红绿灯"的指挥，如若违反了应遵守的空中"交通规则"，就会给航空导航、
飞行、升降等带来不可估量的损失，目前对航空通信频率干扰最为严重的当属大
功率无绳电话、广播电视台站设备的辐射和无线寻呼电波。尽管近几年我区无线
电管理委员会 已没收和销毁数百台大功率无绳电视机，但目前仍有公司不顾国
家的规定，暗中违规推销大功率无绳电话机，使大功率无绳电话机的使用屡禁不
止。还有少数单位和个别人员违反国家无线电管理法规，擅自设台、擅自使用空
中无线电波频率、擅自增设基站和网内设备，我行我素地使用不符合国家规定的
通信设备；有些通信台站日常对通信设备维护与保养不善，导致设备技术指标下
降，造成杂散电波发射，这些都对我区正常无线电业务造成干扰，对航空通信安
全造成威胁和危害。另外还有个别台站的值班人员和无线电设备的持有者，有意
占用其它台站的工作频率，恶意干扰正常电台（站）的工作，其中包括对航空通
信电波的干扰。这些都成为无线电通信安全的隐患。
在当今日益恶劣的电磁环境中，对航空通信抗干扰技术的研究具有非常重要
的意义。无线通信的干扰主要来自两个方面，即自然干扰和人为干扰。而人为干
扰又可以分为无意干扰和敌意干扰。敌意干扰是指敌方有意施放的干扰，其目的
是破坏或中断通信，使通信信号不能正常接收。为了压制、破坏通信方接收信号，
干扰方的干扰信号要有合适的特性（如频率、带宽、调制方式等）。干扰方通过
施放电磁干扰来破坏和压制通信方接收信号，通常要经过跟踪、侦查、分析、施
放等步骤。最佳干扰的基本准则是干扰信号应和通信信号在频率域、时间域、空
间域、电平域和速度上的各种特征相吻合。当无线通信系统受到外界电磁干扰威
胁时，只要不是受到最佳干扰，都能采用有效的干扰措施进行对抗，从而保持飞
机正常的通信。
航空通信干扰和抗干扰技术的发展已经有一段历史了，可以说是伴随着通信
技术的发展而发展的。早在冷战时期，前苏联和美国就开始了通信干扰与抗干扰
技术的研究。美国历来都是在发展一种武器装备时，同时研制对抗它的技术，对
航空的干扰技术也不例外。研究卫星通信抗干扰技术必须了解各种可能的干扰威
胁。在航空通信过程中，其上行链路是比较脆弱的，可能遭受的干扰源包括陆地
固定干扰机、车载和舰载移动干扰机、机载干扰机干扰。机载飞航式伞挂式干扰
机干扰可对航空通信的下行链路进行干扰。由此可见，上行链路是敌方干扰的重
点，对它的研究就更为重要。
航空通信抗干扰技术研究现状
抗干扰的基本目的就是通过对信息、信息的载体及传播方式进行特定的处理，
提高通信接收端的输出信干比，使其具备较强的区分有用信号和干扰的能力，从
而正确地接收所需的信号，降低解调后的误码率。航空通信系统是在遭受各种电
子攻击的环境下进行通信的。为了保证航空通信系统正常工作，必须采取各种保
护措施，即抗干扰措施。航空通信中常用的抗干扰技术有扩展频谱技术、编码调
制技术、抗干扰天线技术、飞机上处理技术、限幅和线性化技术等。
1.扩展频谱技术对航空通信来说，扩频技术在抗干扰中很重要，因其跟用户
及干扰的相对位置无关，更具有鲁棒性。扩频抗干扰技术己成为航空通信中最基
本的抗干扰技术，它包括直接序列扩频和跳频两种基本技术及其组合。
2.编码调制技术适用十航空通信系统差错控制的主要方式是前向纠错 FEC,
可供选用的 FEC码主要有卷积码和 Viterbi译码、自正交卷积码、BCH码、RS码
和级联码。干扰条件下，常采用级联编码技术，级联码由两种简单码级联构成，
它与单一码相比更易获得高的编码增益。
3.抗干扰天线技术主要是天线自适应调零技术，自适应地对消或减小方向性
干扰。在未来的抗干扰航空通信系统中，飞机上采用多波束调零接收天线将是一
种重要的抗干扰技术。
4.飞机上处理技术飞机上处理可以使上、下行链路之间去祸，使上行干扰不
能再对下行链路产生作用，同时设法避免转发器被推向饱和。星上处理技术包括
有飞机上信号解调再生、解跳/再跳、解扩/再扩、译码/编码、速率变换、多波
束交换、SMART-AGC，以及多址/复用方式转换(如上行 CDMA或 FDMA变换成 TDM)
等。
5.限幅和线性化技术其作用是避免转发器中的功率放大器被上行干扰推向
饱和，分为软限幅和硬限幅。硬限幅转发器完全工作在非线性状态，大信号压缩
小信号，压缩比跟输入的信干比及干扰类型有关，连续波干扰引起的压缩比最为
严重。软限幅转发器工作在两个区域，即线性区和限幅区。目前，美国军方采用
的航空通信及其抗干扰技术在国际上处十领先地位。他们主要通过极高增益的扩
频技术和方向性很好的自适应调零天线来提高飞机的抗干扰能力。采用这种方式
主要是为了能够在极其恶劣的电磁环境下仍然保证通信的畅通，并且这两种技术
在成本和技术上都有极高的要求。
航空通信中干扰因素越来越多，因此国内加大了对抗干扰技术的研究。研究
主要是基十对航空通信中干扰信号的监测。我国的航空飞机是采用抗干扰安全措
施的飞机，其飞机抗干扰方案从两个方面进行考虑:一是飞机采用灵活连接、切
换技术，可有效地避免并查找出对可移动点波束和全国区域波束的干扰;二是针
对来自上行的恶意干扰，有效消除了境外敌对分子对飞机实施干扰的可能性，可
有效确保国家航天飞机信息的安全传输。
扩频通信系统
最早应用于航空通信系统中的抗干扰技术是直接序列扩频(DS)抗干扰技术。
早在 1966年，美国航空通信就使用了扩频多址技术。和 DS相比，跳频(FH)具有
更强的抗干扰能力。在扩频带宽较宽的情况，FH比 DS更为实用。美军目前正在
使用的航空飞机系统就采用了 FH技术。在美国等西方国家提出的新一代军用航
空通信的两个方案中均采用了跳频技术，跳频速率为 4000跳/秒。
而 DS/FH混合扩频技术在直接序列扩频的基础上增加了载波频率跳变的功能，
更能有效的对抗干扰。在具体设计 DS/FH混合扩频系统时，需要考虑跳频频点数
的选择、DS/FH处理增益的折中、跳频速率的选择和同步技术等问题。
我国在跳频通信领域虽然起步较晚，但发展迅速航空飞机定位系统就应用了
DS技术。目前我国对中速 FH技术已基本掌握，对快速 FH还在跟踪研究，而 FH
技术应用于航空通信系统已经有了大量的研究成果。
美 军 的 JTIDS系 统 (联 合 战 术 信 息 分 布 系 统 ， Joint Tactical
Inofrmation
Distribution Sysetm)采用了许多抗干扰新技术。在信道传输时它采用了 FH,
DS和跳时(TH)的组合扩频通信体制，而且采用了多层纠检错编码体系使系统具
有很强的抗干扰性。JTIDS系统的纠检错编码体系与直接序列扩频和 MSK调制相
结合，具有很强的纠检错能力，同时给系统带来了抗干扰增益。
JTIDS系统以 TDMA方式工作，采用了诸多抗干扰措施:
1.直扩 JTIDS的脉冲信号是由 32个基码构成的随机码序列段对载频作 MSK
调制而形成的。发送信号的每个脉冲中包含一个 32位的片码(M序列)，代表一
个字符，不同的字符用不同的片码表示，不同的片码之间为循环移位关系，即进
行(32,5)软扩频，并且直扩码随时隙而不同。
2.跳频 JTIDS每个成员所分配的时隙中一共发射 129个脉冲，各个信号脉冲
之间的载频在频段 960-1215MHz之间伪随机选择，跳频的频道间隔为 3MHz,跳频
频道数为 51个，并且跳频图案随时隙变化。JTIDS的跳频是在时隙的各脉冲之
间进行的，跳频速率高达 跳/秒。
3.跳时 JTIDS在每个时隙发送段的起始时刻相对十该时隙的起点有一个随
机
时延，这一随机时延也是随时隙号而变化的。
4.脉冲工作方式 JTIDS采用了 DS和脉冲工作方式。
5.信道编码 JTIDS系统在进行信号检测时，数据部分采用(31, 15)RS纠错
编码。这种信道编码使得 31个字符组中，由于干扰或传播等原因，即便有 16个
字符无法判决，或者有 8个字符判决错了，在信道译码时也均能纠正过来。
本文的主要研究工作
本文在简要分析扩频通信技术原理和特点的基础，给出了基于自适应跳频技
术航空通信系统的结构和原理，并总结了其中的关键技术。对自适应跳频中的关
键技术做了深入研究，其中包括自适应信道质量估计、衰落估计和自适应控制。
并设计了自适应跳频系统仿真模型，分析了其抗干扰性能。
本文的结构安排如下:
第一章研究了航空通信抗干扰技术，总结了抗干扰技术的现状和发展趋势，
以及本文所做的工作。
第二章介绍了扩频通信的原理和特点，总结了扩频通信中几种扩频方式的简
要原理。在此基础上，研究了跳频和自适应跳频的抗干扰的原理和特点。
第二章给出了基于自适应跳频技术航空通信系统的结构和原理，并总结了其
中的关键技术。主要包括信道质量估计算法、Viterbi译码及其改进算法、交织
和
系统同步方法的实现过程。
第四章研究了自适应跳频技术的信道质量估计、衰落估计和自适应控制。对
于改进的自相关矩阵估计算法给出了其在不同采样点，不同调制方式和不同长度
下的仿真结果;总结了一种衰落估计算法，仿真证明其效率很高;对自适应控制，
将自适应调制和自适应功率控制结合在一起，仿真结果表明这种方法比较有效。
第五章设计了自适应跳频的仿真模型，并与常规跳频进行比较，证明了自适
应跳频的优越性。
最后总结了本文所做的工作以及下一步研究的方向。
第二章 扩展频谱技术
扩展频谱(SS ， Spread Spectrum)技术是一种非常重要的抗干扰通信技术，
目前已经被广泛运用在军事和民用通信系统中。扩频是一种信号带宽大十传送信
息带宽的传输方法。信号带宽是受某一独立十传送信息的序列控制的，在接收端
采用同步的序列来进行解扩及信息恢复。在扩频理论刚刚形成时，人们将扩频定
义为“信号带宽远远大十传送信息带宽”。但是，随着后来扩频技术的应用，人
们发现，扩频系统的信号带宽并不一定要远远大十所传信息的带宽，甚至在信号
带宽只有所传信息带宽的数倍时，仍能够体现扩频技术的一些特征。
扩频通信的理论基础
扩频通信的理论基础
虽然目前人们一般认为扩频技术的理论基础是香农的信道容量公式，但是扩
频理论实际上是和香农的信息理论几乎在同一时期逐渐发展并建立起来的。香农
理论虽然不能直接用到抗干扰的研究中，但是它给出的结果确确实实影响了通信
工程师们的想法。
香农信道容量公式给出了带限加性白噪声 (AWGN， Additive White
Gaussian Noise)波形信道的信道容量公式:
C=Wlb(1+S/N) (2-1)
其中:S/N为信道的信号噪声功率比，简称信噪比;W为信道带宽;
N=NoW，No是噪声功率谱密度。
由式(2-1)可知，高斯信道中在信号功率及信道容量不变的情况下，可以通
过
加大信号带宽来降低系统对信噪比的要求;在信号噪声功率比下降时，可以通过
加大信号带宽的方法保持信道容量不变。扩频技术正是利用这一原理，用高速率
的扩频码来达到扩展待传输的数字信息带宽的目的。
目前，在对扩频通信的研究中，很多情况下将扩频伪随机序列称为扩频向量，
即从向量空间的角度来理解扩频的作用:扩频相当于将原来低维度向量空间的信
号向量(即常规通信信号)用扩频向量扩展到高维的信号向量空间，而信号承载
的信息量不变。也就是说，扩频是在用一种高维数的向量来传递低维数的信息，
因而大大增加了信号的冗余度。利用增加的信号冗余度并结合相关处理，最终达
到抗干扰的目的。
处理增益和干扰容限
任何扩频系统都有这样一个特性，即经过解扩器后信干比得到提高。显然，
信干比提高幅度的高低体现了扩频系统的抗干扰性能。人们将扩频系统的这一指
标定义为扩频系统的处理增益。处理增益(Processing Gain)是指扩频系统接收
机相关检测器(解扩器)输出信噪比与接收机输入信噪比的比值。处理增益越大，
标
志着扩频系统对干扰的抑制能力也越强。处理增益用 Gp表示，即式:
(2-2)
针对不同的干扰样式，同一个系统的处理增益是不同的。目前人们一般采用
针对高斯白噪声干扰的理论值来定义处理增益，即将理想处理情况下，相关解扩
器对高斯白噪声干扰信噪比的提高倍数作为系统的处理增益。处理增益虽然给出
了系统对进入接收机的干扰的抑制能力，但通过处理增益并不能直观的知道扩频
系统的抗干扰能力。由十我们最关心的是系统在接收机输入端所能忍受的最大干
扰度，因此，衡量扩频抗干扰能力的另一个更直观的指标是干扰容限。
干扰容限定义为扩频系统在解调性能满足要求的前提下，接收机前端所能容
忍的最大信干比，一般用 M，来表示。干扰容限综合考虑了影响系统抗干扰能力
的各种因素，是一个非常直观的指标。既然干扰容限与处理增益都直接或间接地
反映了扩频系统的抗干扰能力，那么它们之间的关系在用分贝表示时，可用式
(2-3)
来表示。式(2-3)中，(S / N)min为系统解调满足要求的情况下，相关解扩器输
出端的最小信噪比;L定义为系统的执行损耗
系统的执行损耗包括由系统前端射频放大器噪声系数、射频滤波器损耗、同
步剩余误差和相关解扩器实际解扩处理时的非理想性等各种因素造成的系统信
噪比的损失。系统的执行损耗是在实际系统实现时是不可避免的，但是可以通过
各种技术措施来降低系统的执行损耗，如采用低噪声系数的射频前端放大器，提
高扩频系统的同步精度等。
为了提高系统的干扰容限，可以通过提高处理增益，降低系统解调对信噪比
的要求，降低系统的执行损耗等方法来进行。
扩频技术的分类方式
人们虽然受到香农公式的启发而开始研究扩频技术，但是香农公式却没有给出扩
频实现的途径。人们在探索扩频技术的过程中，逐渐统一了对扩频调制体制
与常规调制体制的认识，目前一般认为它们的区别主要体现在两个方面:
1.扩频信号的带宽远大十传输信息的带宽;
2.扩频信号的带宽由特定的扩频函数决定。
虽然宽带模拟调频信号的带宽也远大于传输的基带信号带宽，但是，由于其
带宽不是由扩频函数决定的，因此不属于扩频技术。
人们普遍将扩频技术分为以下几种:DS, FH,跳时(TH, Time Hopping)、线
性调频(Chirp)和混合体制
1. DS系统又称“平均”系统或伪噪声系统，它是目前应用较广泛的一种扩
频系统。GPS(Global Position System)就是一种典型的直扩系统。它是直接用
扩频码序列在发端扩展信号频谱，即用高速的伪随机码序列去调制相对低速的数
据信息，达到扩展信号频谱的功能;在收端用相同的扩频码序列去解扩，还原出
原始的信息。伪随机序列矩形波变化速度不和信息码兀速率 T相比较而言，PN
序列的设定速度要快得多，即 T >>Tc。这里的 T和 Tc常用频率来表征，所以 T
时间宽度称作比特区间 (bit duration),Tc时间宽度称作切普区间 (chip
duration)，它们的倒数分别称作比特速率和切普速率。
2. FH系统跳频系统是用扩频码序列去进行移频键控，使发射信号的载频不
断地变化，在通信瞬间，通信信号的频谱形态与其基带信号的频谱相同，只不过
信号的载频的变化是受扩展函数控制的，即信号频谱的中心频率随扩展序列变化，
实现实时窄带通信，宏观上宽带扩频通信。
3. TH系统跳时扩频系统用伪随机序列来键控发射机，将一个信息码元的持
续时间分成若干个时隙，由伪随机序列控制在哪一个时隙中发射信号。由于信号
不是连续发射的，因此跳时扩频信号的占空比小于 1。由于跳时信号的占空比小
于 1，在发射瞬时功率不变的情况下，比特能量降低，对发射机的利用率降低。
因此，跳时技术通常在扩频系统中不单独使用，而是与其它扩频方式结合，组成
混合式扩频方式，如与 FH-SS混合使用，或者利用伪随机序列控制的跳时来实现
时分多址 TDMA(Time Division Multiple Access)。
4. Chirp-SS线性调频扩频系统是基于线性调频信号的扩频系统。由于线性
调
频信号在压缩过程中多普勒频移不敏感，因此被广泛应用在脉冲压缩体制的雷达
系统中。线性调频信号是一种信号瞬时频率随时间线性变化的信号。一般认为线
性调频系统的处理增益等于调频信号的时带积。线性调频信号经过匹配滤波后输
出的连续相关峰信号的处理，与其它扩频信号匹配后处理的过程类似。
5.混合扩频系统将两种或多种基本的扩频方法结合起来利用它们的优点，就
能得到只使用一种扩频方法所不能达到的性能，甚至有可能降低系统的实现难度。
常用的混合扩频调制方式有:FH/DS, Chip/DS, TH/DS和 TH/FH。
扩频通信的特点
扩频信号是不可预测的伪随机的宽带信号，其带宽远大于欲传输数据(信息)
的带宽，同时，接收机中必须有与宽带载波同步的副本。由于扩频信号的上述特
性，扩频系统具有以下特点:
1.抗干扰性强 扩频技术将信号扩展到很宽的频带上，在接收端对扩频信号
进行相关处理，恢复出原信号。对干扰信号而言，由于与扩频信号不相关，则被
扩展到一个很宽的频带上，使之进入信号通频带内的干扰功率大大降低，相应地
增加了相关器输出端的信干比，因此具有很强的抗干扰能力。由于扩频通信系统
在传输过程中扩展了信号带宽，所以，即使信噪比很低，甚至是在有用信号功率
低于干扰信号功率的情况下，仍能够高质量地、不受干扰地进行通信，扩展的频
谱越宽，其抗干扰性越强。
2.低截获性 扩频信号的功率相当于被均匀地分布在很宽的频带上，以至于
被传输信号的功率密度很低，使侦察接收机难以监测到。因此，扩频通信系统具
有低截获概率性。
3.抗多路径干扰性能好 由于在扩频通信系统中增加了扩频调制与解扩过
程，这样可以利用扩频码序列间的相关特性，在接收端解扩时用相关技术从多径
信号中分离出最强的有用信号，或将多径信号中的相同码序列信号叠加，这样就
可以有效地消除无线通信中多径干涉造成的信号衰落现象。
4.安全保密 在一定的发射功率下，由于扩频信号分布在很宽的频带内，无
线信道中有用信号功率谱密度极低。这样，信号可以在强噪声背景下，甚至是在
有用信号被噪声淹没的情况下进行可靠通信，使外界很难截获传送的信息。同时，
对不同用户使用不同的码，其他人无法窃听他们的通信，所以扩频系统的保密性
很高。
5.数模兼容 扩频系统既可以传输数字信号，也能传输模拟信号。
6.可进行码分多址通信 在通信系统中，可充分利用扩频调制中所使用的扩
频码序列之间良好的自相关特性和互相关特性，在接收端利用相关检测技术进行
解扩，则在分配给不同用户、不同码型的情况下，系统可以区分不同用户的信号。
这样在同一频带上，许多用户可以同时通话而互不干扰。
跳频系统
跳频通信系统的组成方框图如图 所示。
设信源产生的信号为双极性信号，调制采用 PSK调制，由频率合成器产生的
频率为，则。
伪随机码决定，在用调制频率合成器产生的频率所得到的射频信
号为:
(2-4)
接收端的信号为: (2-5)
式中: n（t）为噪声分量(白噪声);s(t)为信号分量;J(t)为干扰信号分
量;为不同网的跳频信号。
接收端频率合成器产生的频率由与发端相同的伪随机码控制，产生的频率
，即:。
在混频器中，接收到的信号与本振相乘，可以得到
(2-6)
可简化为:
(2-7)
其中:
(2-8)
由十收发两端频率合成器产生的频率是一一对应的，而且受相同的伪随机码
控制，只是两个伪随机码的初始相位可能不同。若是两个伪随机码的初始相位相
同则就可使双方频率合成器产生的频率同步，即 i= j。这样，收端的频率正好
比
发端的频率相差一个中频，经混频后，取下边带，可得信号分量为:
(2-9)
经滤波后为
(2-10)
是一个固定的中频信号，与非跳频系统送入解调器的信号是相同的，解调后可恢
复出传送的信号。
对分量，由十为高斯白噪声，经混频后，噪声分量与一般的非跳频系统一样，
没有变化。也就是说，跳频系统对白噪声无处理增益。
对干扰分量，因为和跳频系统不同步，经混频后被搬到中频频带以外，
不能进入解调器，形成干扰。
对于，由于它是其它网产生的跳频信号，不同的网有不同的跳频图案。
不同网的信号由于频率跳变的规律不同，所以不能形成干扰。
跳频的处理增益和抗干扰性能
1.跳频系统的处理增益
在一个频带 W内，可用频率数为 N，即 N个频道，频率间隔为△F，信息带
宽为 B。定义跳频系统的处理增益为射频带宽与信息带宽之比，当 B=△F时
(2-11)
即跳频系统的处理增益等于跳频频率数
2.跳频系统抗干扰性能
(1)抗白噪声干扰
假定跳频系统的总频段宽度为 W，把 W分成 N个相等的频段，白噪声功率谱
均匀地分布在这些频段内。可以看出，跳频信号经过解跳后，落入中频频带内的
噪声功率是总噪声功率的 1/N。因此，与常规非扩频系统一样，跳频系统没有增
益。
(2)抗单频干扰和窄带干扰
跳频系统减少了单频干扰和窄带干扰进入接收机的概率。外部干扰 J(t)
在一个跳频时隙内，如果与信息发射频率不同，则接收端混频后不会产生中频信
号，对解调不会干扰。如果外部干扰信号 J(t)的频率(或频带)与跳频系统的 N
个跳频频率(或频带)中的某一个相同，则在该频率(或频带)上会造成干扰。假定
跳频系统在其跳频图案中不重复使用 N个频道中的任何一个，干扰的频率总数为
M，并随机地散布在整个跳频频段中，这样，干扰落入某一特定频道的概率为
M/N。而且在跳频过程中，即使某一特定频道中出现一个非常强的干扰，也只
能在某一特定时刻与所需信号发生频率碰撞。因此，跳频系统对于单频和窄带的
强干扰具有很强的抗干扰能力。
3.抗转发式干扰
发射机把信号直接送到接收机的传播时间为 Td，同样干扰机也能收到发射机的
发射信号，经放大后转发出去，送到接收机。设发射机到干扰机传播时间为 Te，
干扰机到接收机的传播时间为 Tt，干扰机转发处理时间 Tp，则信号从发射机干
扰机到接收机的时间为
如果跳频系统的频率合成器频率跳变时间间隔，即跳频速率
，则转发式干扰对接收机准确接收信号没有影响。
综上所述，跳频通信系统抗干扰能力强，能有效地抗频率瞄准式干扰;
如果跳变的频点数足够多，跳变的频带足够宽，也能较好地抗宽带阻塞式干扰;
只要跳变速率足够高，就能有效地躲避频率跟踪式干扰。
自适应跳频系统
自适应跳频(AFH，Adaptive Frequency Hopping)是通过实时地利用各
种探测评估技术对频率集的频点进行评估及替换算法，自动调整通信双方跳频的
频率集。
原理图如图所示:
自适应跳频通信的工作过程一般可分为通信建立、扫频和通信保持二个阶
段。在通信链路建立阶段，主要是建立同步，在保证通信双方时钟同步、帧同
步的基础上，确保双方跳频图案同步。
在扫频阶段，双方的实时信道质量评估单兀对跳频频率集进行全集扫频，
根据确定的信道质量评估标准确定被干扰的频点，给出可以使用的接收方的跳频
频率集，并把被干扰的全部频率通知对方。使通信双方同时删除被干扰的全部频
率，同时进入自适应跳频通信阶段。在扫频阶段把跳频频率集中的全部坏频点删
除比在通信过程中发现一个删除一个更加简单、方便、快捷和高效。这样，在通
信的初始阶段就有较好的通信质量。
在通信保持阶段，由十信道条件或干扰环境的改变，实时信号质量评估单元
会将变化的检测结果通过通信协议，以信令方式通知对方，随时将频率集中的坏
点删除，保证双方跳频图案的同步。同时调整发射机功率，使双方以最小的发射
功率进行通信。
本章小结
本章详述了扩频通信的原理和特点，总结了扩频通信中几种扩频方式的
简要原理。针对扩频通信的特点，给出了跳频系统的原理和结构。可以得到跳频
技术在抗白噪声干扰、抗单频干扰和窄带干扰以及抗转发式干扰方面的能力很强。
同时给出了自适应跳频通信的原理和通信过程。从中可以看出自适应跳频技术可
以自动调整通信频率和功率，避开干扰频率，比跳频技术具有更强的抗干扰能力。
第三章 自适应跳频航空通信系统
在新一代的航空抗干扰系统中，不但要求系统能够抵抗来自敌方的强干
扰，而且要求系统尽可能多的满足多用户和通信容量的要求。自适应跳频卫星通
信系统不仅可以提供安全可靠的通信链路，而且还能满足系统多用户、大容量的
要求。
自适应跳频通信系统
自适应跳频通信原理
自适应跳频系统原理如图 3. 1所示。
自适应跳频通信除了具备常规跳频通信具备的功能外，还必须具有频率自
适应控制和功率自适应控制功能。在常规跳频的基础上，自适应跳频系统能够实
时去除跳频频率集中被干扰的频率点，实现跳频通信的频率自适应，并以最小的
发射功率获得正常的通信，以达到通信系统的抗干扰性和尽可能增加系统的隐蔽
性。
核心部分是自适应跳频控制单元，它由跳频码发生器、链路质量分析
LQA,
频率集更新映像集 MAP和同步发生器等组成。自适应跳频控制单兀在初始阶
段也是按照通信双方约定的协议产生同步载频序列进行跳频通信传输。在接收数
据时，根据一定规则对每个频点所发送的数据进行误码率判断。当误码率超过一
定门限时，认为此频点受干扰，控制单元自动使用新频点替代此频点，并通知发
射端使用同样的码元序列。
为了简化自适应跳频卫星通信系统的设计难度，同时也便于与现有的绝大多
数航空通信系统互连互通，我们假设:该自适应跳频航空通信系统星上工作在 C
波段，飞机上采用透明转发器，调制方式为 BFSK，信息速率 kb/s，链路层
采用 HDLC 数据帧格式。根据自适应跳频通信技术的特点，该航空通信系统需要
专门配置一个跳频接收信道(也就是信道干扰分析模块)，用于实时监测跳频信道
的受干扰情况，使通信双方能避开干扰以实现可靠通信。每个抗干扰终端设备必
须引入用于实现跳频同步的实时时间 TOD(Time of Day)。另外，考虑到航空通
信的长时延(GEO单跳时延:270 ms)特性，这种自适应跳频航空通信系统宜采用
慢跳频方案，跳频速率选定为 120 Hops/s，它能够躲避单频干扰、多频干扰、
频带干扰、扫频干扰和简单随机干扰等固定干扰。
自适应跳频航空通信系统与传统跳频通信系统有些不同，在设计时既要做到
跳频同步和呼叫建立时间短，又要保证航空转发器资源的利用率和尽量避免多址
干扰，这是一个非常复杂的问题。
自适应跳频通信过程
自适应跳频通信的主要过程一般可分为频率分析、通信链路建立和通信保持
3个阶段。在频率分析阶段，通信双方的实时信道评估器对跳频频率集进行全集
扫描，根据确定的信道评估标准确定被干扰的频率，给出可以使用的接收方的跳
频频率集，并把被干扰的全部频率通知对方，使通信双方同时删除被干扰的全部
频率，使得发送方和接收方的跳频频率集完全相同。在通信链路建立阶段，首先
必须建立同步，在保证通信双方时钟同步、帧同步的基础上，确保跳频图案的同
步。为了保证同步建立和通信质量，在该阶段应该自动进行“自”调整，一旦双
方建立同步，立即接收功率“自”调整。在通信保持阶段，由于信道条件的变化
(例如:通信双方相对位置的变化或者干扰环境的变化等)，实时信道质量评估器
均会将变化的监测结果使用可靠的信令协议，通过信令通信链路及时通知对方，
随时将跳频频率集中被干扰频率去除，并保证通信双方跳频图案的同步，同时调
整发射机功率，保证双方均以最小的发射功率进行通信。
自适应跳频系统的关键技术
信道质量评估
自适应跳频通信系统的核心是发送和接收自适应控制单元，它用信道质
量评估单元(LQA)和自适应跳频序列选择器(MAP)代替常规的跳频序列发生器。如
图 所示。
实时信道质量评估器主要根据接收信号的质量和一定的准则判定信道的好
坏，从而发出指令，去除受干扰的跳频频率，调整跳频频率表，同时根据最低被
截获概率，发出指令调整发送方的发射功率。主要有两个:
1. 门限误码率测定
误码率可以根据通信的信道条件设定要求达到的门限值，例如，短波信道可以
设定一个数据级的误码率，而对超短波信道可以设定一个数据级的误
码率。判决误码率时可以在发送端发送固定的数据，再通过接收端判决收到的
数据与固定数据的错误比特个数，错误的比特个数除以总的比特个数得出误
码率。为了实时测量误码率同时节省额外的消耗，需要采用折中的方案，不单独
发送测试码来专门进行比较大数据量的误码统计，而是一般在帧头、数据段的一
些固定位置的固定比特位来进行小数据量的误码测量。
2. 信号同步概率准则
跳频信号同步是跳频信号报文头同步，如果干扰太大会导致无法同步，从
而也就不能正确解调出数据，信道质量很差。如果在一个频点上信号同步概率很
低则判定该频点被干扰。如果同步的概率根据调整的门限确定通过后，再根据解
调出的数据判决误码率。
在扫频阶段，要把频率集中已被干扰的频点集中删除。因为这是尚为进行通
信数据传输，可以在各频点上全部传输已知码序列的数据，以达到快速误码率判
定的效果，大大提高对信道质量判定的速度。
当门限误码率判定准则用于自适应跳频控制时，应该注意避免偶尔一次触发
干扰而被认定是被干扰信道，从而作为坏频点从跳频频率集中删除。因此，误码
率检测和计算时应该合理采用多次统计的平均。
在自适应跳频过程中，根据抗干扰设备的干扰分析模块提供的质量评估结果，
对被干扰的信道进行互控，从跳频频率集中直接删除被干扰的坏频率。应解决如
何用好频点来替换那些已被判定的坏频点，并保持在跳频过程均匀更新跳频频率
集中的每个频点。
自适应跳频频率集的配置方法有两种:分组配置和不分组配置。分组配置是
把全部可使用的频率分成两组: 一组定义为当前使用的频率集，它与当前的跳
频序列对应;另一组为备用频率集，它用来替换已确定为被干扰的坏频点的跳频
频率。这种方法适用于实时阶段剔除干扰。不分组配置是不分使用频率集和备用
频率集，把全部可以使用的频率组成一个跳频频率集，这种方法频谱利用率较高，
适用于扫频阶段剔除干扰。对于分组频率集配置来讲，一般备用频率集中的频率
数约为使用频率集元素总数的 30%来设置。具体配置方式可以有集中配置和分散
配置。
选用频率集配置方法，最终决定于信道干扰特性、频率集更新方法和尽可能
满足跳频频谱的均匀性。同时，应该考虑到软件的可实现性。
根据信道质量评估结果，自适应跳频系统接收方通过反馈信道，要求发送方
更换在以前传输中被判定为被干扰的坏频点，同时用与发送方相同的一个可以使
用的频率更换该坏频点，这就是频率集的更新。对于不同的频率集配置方法，更
新过程也不一样。在分组频率集配置中，当使用频率集中发现被干扰坏频点，这
种替代可以一直进行下去，直至备用频率集中没有可以使用的频率为止。对于不
分组的频率集配置方式，频率集的更新可以有两种方式:一种是从跳频频率集中
直接删除该被干扰频点;另一种是随机或者按一定的规则选用频率集中没有被干
扰的可使用频点替代该坏频点。由于坏频点被删除或更新，二者同样使实际跳频
频点数减少，但前者改变了频率集总的兀素数量，后者为了保证跳频频谱有良好
的均匀性，其替代算法比较复杂。
信道编译码技术
在数字航空通信系统中，广泛采用差错控制技术，以保证信号经有噪声及各
种干扰的信道传输后的质量。对于飞机功率受限系统，采用差错控制技术后，在
相同误比特率的条件下，对飞机所转发的信号能量可要求小一些，因而可以提高
信道容量。Viterbi算法是基于最大后验概率的卷积译码算法。在编码约束长度
不太长或误比特率要求不太高的条件下，计算速度快，目_设备比较简单，故特
别适用于基本上是高斯白噪声信道的航空通信系统。
卷积编码
卷积码由爱里斯(Elias)提出(1955年)，它是把 k个信息比特编成 n个比特，
编码后的 n个码元不仅与当前段的 k个信息有关，而且与前(N-1)段的信息有关，
编码过程中相互关联的码元为 Nn个。编码器由 N段组成的输入移位寄存器，每
段有 k级，共 Nk位寄存器;对应于每段 k个比特的输人序列，输出 n个比特。n
个输
出比特不仅与当前的 k个输入比特有关，而且与以前的(N-1)k个输入信息比特
有关。整个编码过程可以看成是输入信息序列与由移位寄存器和模 2和连接方式
所决定的另一个序列的卷积。因为 k个信息比特产生 n个码符号，所以码率
R=k/n , k<n . N为编码约束长度。
以(2, 1, 3)码为例。此编码器有 4个可能的状态。对于各种输入的情况，
输出的码字(或码符号序列)用码的网格图来表示。网格图实际上就是编码器的状
态图。网格图是基于编码器起始状态为 00如果第一个信息比特是 1，则编码器
进入状态 10，并输出码符号 11。举个例子，输入序列为 101二产生码符号序列
111000…。
Viterbi译码
1967年，Viterbi提出了一种译卷积码的最大似然译码算法，称作 Viterbi
算法。 Viterbi算法可以看作是对有限状态马尔科夫链在无记忆噪声中的状态
序列估计的一种动态规划方法。
维特比译码算法的提出，使最大似然译码成为可能，它是利用网格图在一定
的深度之后，从不同的状态沿各自的幸存路径回索，最后幸存路径以概率 1趋于
同一路径。
维特比译码算法的步骤简述如下:
1.从某一时间单位 j=M-1开始，对进入每一状态的所有长为 j段分支的部
分路径，计算部分路径度量。对每一状态，挑选并存贮一条有最小度量的部分路
径及其部分度量值，称此部分路径为留选(幸存)路径。
2. j增加 1，把此时刻进入每一状态的所有分支度量与同这些分支相连的前
一时刻的留选路径的度量相加，得到了此时刻进入每一状态的留选路径，加以存
贮并删去其他所有路径，因此留选路径延长了一个分支。
3.若 j < L + (M -1)，则重复以上各步。否则停止，译码器得到了有最大
路径度量的路径，其中 L是译码序列中段的长度。
VA算法的主要过程是加比选和回溯。加比选是 VA算法的核心过程，主要涉及
路径度量值的计算，占据了整个 VA算法的主要运算量。尽可能地优化 ACS过程，
减少其资源消耗，是使用者必须考虑的问题。
优化 ACS的核心就在于使蝶形运算尽可能简单。蝶形运算主要是度量值的加
法和比较。当编码效率为 1/X时，分支度量值表示为
(3-1)
式中，RSn，为接收码元;为网格图上每个节点状态的期望编码输出码元。两
者都采用双极性表示。将式展开可得:
(3-2)
消去两个平方项，简化后可得:
(3-3)
对于(2,1,7)编码，相应的分支度量值为:
(3-4)
可以得出这样的规律:由于每个蝶形单元里的期望输出码字相互成反码对称，
4个分支度量值呈现相同绝对值 M, 而且 M值只能为 0或 2。简化的加比选过程
如下:
其中，L（2•J）和 L（2•J+1)对应于前一时间节点的旧路径度量值; N1(J)和
N2(J)代表进入新状态 J的两条路径的部分路径度量;M对应十该蝶形单元的分
支度量值的绝对值;S(J)则为加比选结果，即为当前状态 J的幸存路径度量。
交织
一般的纠错编码都用来纠正随机性错误，但在实际的无线信道中，错误多属
突发性的。交织编码是将突发差错改造成随机独立差错，然后再用纠正随机独
立并错的纠错码来纠错。这样交织可以在不附加仟何开销的情况下，使得码字中
的码兀在传输过程中所遭受到的衰落不相关。这是一种隐分集技术。通过交织的
作用就是将编码序列中产生的很重要的源比特分散到不同的时间段中，以便出现
深衰落或突发干扰时，来自某一块源比特的重要比特不会被同时破坏。
而且源比特被分开后，还可以利用差错控制编码(或称为信道编码)来减弱信道干
扰对源比特的影响。经过交织和去交织变换后，原来信道中的突发错误变成了收
端去交织器输出的随机性独立差错。
交织器有两种结构类型:分组结构和卷积结构。分组结构是把待编码的 nm个
数据位放入 m行 n列的矩阵中，即每次对 nm个数据位进行交织。通常，每行由 N
个数据位组成一个字，而一个深度为 M的交织器，就是指行数为 M。源比特按列
顺序填入交织矩阵中，而在发送时按行读出，这样就产生了对原始数据以 M个比
特为周期进行分隔的效果。在接收机中，解交织器按行顺序存储接收到的数据比
特，然后按行处理这些数据，一次处理一个字(即一行)。
采用卷积结构的交织器，在多数情况下可以替代分组结构的交织器。而且卷
积交织器在用于卷积编码时，可以取得理想的效果。
TOD构造
系统跳频同步采用了同步字头法和精准时钟法(TOD)相结合的方法。跳频同
步字头法是将带有同步信息的同步头置于跳频信号的最前面，收端根据同步字头
的特点，可以从接收到的跳频信号中将它们识别出来，作为调整伪随机发生器之
用，从而使收发双方实现跳频同步。这种同步方法具有同步搜索快，容易实现，
同步可靠等特点。其缺点是一旦同步头受到干扰，整个系统将无法工作。故使用
同步字头法应设法提高同步字头的抗干扰性和隐蔽性能。可以采用由时间信息
(Time of Day，TOD)控制伪随机序列得到跳频图案来避免此缺点。
在跳频码发生器中，由实际时间映射的由二进制矢量表示的数字序列流就称
为 TOD序列，它从初始的 TOD值起，经有限状态机迭代连续产生。序列的循环周
期 T由表示 TOD的字长(字长通常会超过或远大十 32)和所用的状态机决定，可
表示为式:
(3-8)
对于不同的同步方式，目前有两种不同类型的状态机:
1.计数式 TOD ;
2.移位寄存器式 TOD 。
计数式 TOD，是通用的计数方案。初值是由用户在按压跳频电台 PTT(Press
To
Talk)键的实际时间按一定数据格式转换得到的二进制数字。TOD序列就是从开
始的实际时间按跳频码速映射的单调递增的数字序列。方案优点是:便于用高稳
定和高精度的时钟取得、保持和调整同步。网内接收者能够在一开始凭借时钟近
似地逼近发送方跳频码发生器的实时状态;
如果初始时，收发双方各自认定的时间有差异，接收方可以通过慢(快)扫描或等
待搜索的方法来取得同步信号中的 TOD,用以调整自己的 TOD值，并在通信中一
段很长的时间内保持同步。对十移位寄存器式 TOD, TOD序列的矢量为线性或非
线性反馈移位寄存器的实时状态矢量，再通过某种变换将 TOD信息映射到跳频频
隙集合上，就形成了跳频序列，见下图。
这种方案中，发送方必须将自己的 TOD初值或序列的当前值，用规定的地址
码调制后，插入信息帧中或者通过勤务信道发送出去，接收方则使用接收实时的
TOD值来设置自己的线性或非线性反馈移位寄存器。
训一数器式 TOD产生:
(3-9)
增量△通常为 1
移位寄存器式 TOD序列的产生
(3-11)
H(,)为在密钥 Kye控制下将 TOD向跳频码空间映射的函数。
TOD信息由 14比特组成，分为两部分，第一部分表示毫秒，第二部分
表示微秒。
本章小结
本章给出了自适应跳频航空通信的系统结构和原理。在此基础上总结了其中
的关键技术。对信道质量评估的准则从门限误码率测定和信号同步概率准则两方
面进行了分析;对频率更新方式从分组配置和不分组配置进行了优缺点对比。在
介绍卷积码基本概念的基础上详细论述了卷积编码的 Viterbi算法的计算过程
和优化算法。总结了交织的原理和它在抗干扰中的重要作用。给出了系统的同步
方式
和 TOD的构造方式。通过以上的分析可以得出将自适应技术应用十跳频卫星通信
系统中，可以进一步提高系统的抗干扰性能，增强系统的可靠性。
第四章 信道质量评估和自适应控制研究
在自适应跳频通信中，信道估计占有至关重要的关键地位，自适应调制、自
适应功率控制和自适应频率选择等自适应跳频控制系统都需要以信道质量作为
参数。自适应控制系统的好坏直接依赖于信道估计质量的好坏。对于跳频通信系
统而言，信道状况更加复杂多变，衰落的存在会对系统性能产生很大的影响，因
此，除了进行常规的 AWGN信噪比估计以外，还要进行信道衰落的估计。
无线通信信道质量评估一般基于对接收端每个信道的误帧率(FER) ,误码率
（BER)、信噪比((SNR)和接收信号强度(RSS)等参数的估计来实现的。跳频通信
系统
一般采用两个方法:
1.基于信噪比的信道质量评估方法信噪比是衡量信道通信质量的很重要的
指标，可以作为自适应跳频控制的依据。
2.基于误码率的信道质量评估方法它是通过纠错编码和统计计算估计出误
码率，然后与门限值进行比较，超过门限值判定为坏信道，低于门限值判定为好
信道。这种方法适合于慢跳频，即一帧数据可在一个频率持续时间内传送完毕。
基于观测向量的自相关矩阵进行 SNR估计是一个经典的方法，但是信噪混杂
使其信号数难以确定。由于结果服从以理论均值为中心的正态分布，所以单一的
一次估计可能存在比较大的误差。不过需要提供给系统的结果并不是精确的信噪
比数值，而是简单的“可用”和“不可用”，所以在信道质量远高十或者远低十
门限要求时，即使误差比较大也不可能影响判决的结果。而在信道质量与门限要
求比较接近的时候，判决结果对误差就很敏感。把可用的信道误判为不可用或者
把不可用的信道误判决为可用的事件都有一定的发生概率。最主要的算法有两种:
AIC算法和 MDL算法。AIC算法是一种基于信息论的最大似然信号数估计算法，
它通过引入补偿因子达到了无偏估计的目的。MDL算法是在 AIC算法的基础上提
出来的，它是基于贝叶斯准则的估计算法，它通过引入事先制定好概率的模型解
决问题。
基于自相关矩阵的信道估计
对于信噪比的估计方法，大多依赖较多的先验知识即需要对接收信号的各种
参数有精确的了解。在缺乏先验知识的情况下，往往会有很大的估计偏差，甚至
完全失效。
在自适应通信中，信道质量估计显的尤为重要。由于通信过程是一个随机过
程，而随机过程的自相关矩阵含有非常多的信息，可以考虑从接收信号的自相关
矩阵入手进行自信噪比估计。
系统模型
对于一个离散的平稳随机信号 x(n)（n=1,2…）可以分解为。个向量之和即：
(4-1)
其中 T表示转置。
噪声也可以分解为 n个向量之和:
(4-2)
对于一个通信系统，观测向量(接收向量)可以表示为
(4-3)
其中， 为 N×l的复向量，它表征了信号处理的阵列特性;s[i]为 i个
信号。
假设 s（n）为平稳各态历经复随机信号;噪声 e（n）同样为平稳各态历经随
机信号，并且与 s(n)独立，均值为 0，自相关矩阵为δ²I所以式(4-3)可简化为:
(4-4)
其中，A为 N×m维矩阵:
(4-5)
S（n）为 m维信号向量。
(4-6)
假设:
1. 信号 s[n]的相关矩阵满秩，即:。
的列互不相关，即:rank(A)=m。
可以求得 x[n]的自相关矩阵为:
(4-7)
其中 Rxx和 Rss分别为 N×N和 m×m的 Toeplitz矩阵。
(4-8)
其中，
(4-9)
因为，所以 N×N阶矩阵 Rxx分别由 N个自相关函数
Rxx(0), …,Rxx(N-1)完全确定。
由于 Rxx和 Rss都为共扼矩阵，目‘为半正定的，可以进行特征值和奇异值分解。
又因为所以 Rss是正定矢巨阵。
信噪比求解
首先必须得到观测向量的相关矩阵 Rxx。理论上，Rxx（i）是一个统计平均量，
即
(4-10)
实际中，由于观测向量 x[n]的长度是有限的，所以是不可实现的。必须用近
似的方法得到 Rxx。这就必须依靠长度为 M的观测向量。可以使用如下逼近方法
(4-11)
这其中涉及到观测向量 M的选取问题。如果间隔比较大的相关函数，如:
i=N-1，则相关的样本点只有一个即 M-N+1。这可能会造成非常大的误差。
所以，如果 M过大，则系统误差减小，但系统计算量增大;如果 M过小，则系
统误差增大，有效数据量严重不足。因此在实际实现中，要根据系统的精度选择
合适的 M。
假设 N×m阶矩阵 A是列满秩的，则为 NxN阶矩阵。由于 Rss也为满
秩矩阵，而且与 A不相关，所以矩阵为满秩矩阵，秩为 m。由此，我们知道有 m
个大于 0的特征值和 N-m个等于 0的特征值。所以
可分解为: (4-12)
其中， U为特征向量组成的正交矩阵。由信号处理知识可知:
信号总功率为：
(4-13)
但是，在实际中不能得到信号的相关矩阵 Rss，所以必须从观测向量的相关
矩阵 Rxx入手。
对于观测矩阵凡，结合式(4-11)和式(4-12)我们可以得到:
(4-14)
其中，
(4-15)
即：
(4-16)
若 m为已知，则可得信噪比:
(4-17)
由于只有观测值的相关矩阵 Rxx，必须从这里得到信号数的问题。
对于信噪比很大的情况，很容易得到信号与噪声相关的特征值。首先，信噪
比很大的保证是难以实现的，对于渐进变化的特征值我们很难确定其中的信号数;
其次，即使信噪比很大，经过特征值分解后的含信号特征值也不一定很大;最后，
我们的自相关矩阵是 Rxx是通过近似得到的，即使在理想情况下，这个步骤也会
造成一定的误差。它使得所有特征值各不相同，很难通过肉眼观测得到信号数。
于是，我们必须寻求一种有效的确定信号数量的方法。
信号数量的确定
假设给定 M个观测向量，和一个参数化的模型
簇，以⊙来表示此模型参数。此时可以考虑使用最大似然评估，选择使概
率密度函数最大的参数化模型。
AIC准则选择是使下式最小的模型:
(4-18)
其中，是的最大似然估计;k是里面可以自由调节参数个数，其存在
是为了消除和之差造成的 AIC估计误差。
MDL准则为:
(4-19)
其判定意义等同与 AIC准则。它可由两种方法得到:模型对观测数据进行编
码，选择具有最小编码长度的模型;每一个模型都有一定的事先出现概率，使用
Bayes准则进行估计，选择使后验概率最大的模型。
可以考虑对维数进行参数化建模。先定义一簇参数化模型:
令。Ψ的秩为
表示为:
(4-20)
利用线性代数的知识有：
(4-21)
其中，λi和 Vi分别为的特征值和特征向量。由此我们可以定义下面的模型:
(4-22)
假设观测向量为独立的复高斯随机过程，可以定义其联合概率密度函数为:
(4-23)
取对数得到对数似然函数为:
(4-24)
为N x N阶观测向量自协方差矩阵的数值近似值。的最大似然估计就是使式(4-22)
最大的参数，这些参数可以表示为
其中，和，吼分别为的特征值和特征向量。有:
(4-28)
可以看出括号内的内容为最小 N-k个特征值的几何平均与算术平均之比。
然后确定的自由参数个数。有 k+1+2Nk个参数。特征向量被标准正交
化后参数减少了 2k+k(k+1)个，所以自由调节的参数为:k(2N-k)+1
分别带入式(4-18)和式(4-19)中可得:
从抽样点数增加时估计的一致性进行考虑，比较 AIC和 MDL的优劣。在抽样
点数趋向于无穷大的时候，AIC计量过量的估计了信号的数量;MDL估计量具有
更好的一致性，其结果更符合实际值。
所以信号数量的估计量为:
(4-31)
对 MDL的补充
通过以上的讨论我们可以对信噪比进行估计了。但是，还有一个例外的
情况，即在 MDL中我们假设信号 s(n)和噪声 e(n)是相互独立的复高斯随机过程，
在实际中，这样的条件不一定满足。
针对 MDL(k)随 k的变化曲线可以看到:
曲线有两个明显的拐点，第一个拐点为信号子空间和噪声子空间的分界点，
第二个拐点为带内信号和带外信号的分界点第二个拐点的存在是因为接收机
带宽比实际信号的带宽要宽，引入了额外的带外噪声，因此估计信噪比时，为了
提高精度，必须从曲线中估计出这两个点。否则，按照原始的 MDL算法，会引入
额外的带外噪声，从而造成估计量偏小。
考虑此种情况后，信号功率可以从第一个点之前的特征值得到，而噪声的功
率可以从第一个点与第二个点之间的特征值得到。为了识别拐点，可以利用其差
分性，定义如下的目标函数:
(4-32)
所以可以得到:
由此可以得到信号功率和噪声功率:
(4-35)
为了简化问题的讨论，以 AWGN进行说明。此时信号的模型为:
假设信号的自相关矩阵 Rss的秩为 m。观测向量的自相关矩阵表示为:
对 Rss做特征值分解，即
(4-39)
其中，
可以得到:
其中，
。
同样可得到信噪比为
._5算法流程
综上所述，完整的算法流程如下:
(1)由 M点接收信号采样 x(n)估计 N维相关函数序列,
估计公式如下:
通过自相关函数序列，构造观测向量的 NxN阶相关矩阵。
(2)对矩阵进行特征值分解，得到特征值序列。确定信号与噪声数量:
(3)计算信号功率和噪声功率。
(4)计算信噪比
仿真分析
下面对算法分别在不同的采样点数、不同的调制方式和不同的自相关矩阵维
数下估计的性能进行仿真分析。
从图 和图 我们可以看出，随着采样点数的增加，估计 SNR的均
值越来越接近真实值，并且 RMSE越来越小。采样点数增加使自相关函数的计算
越来越准确，估计的准确度变好，将不确定性降低。
从图 可以看出，对于不同的信噪比，采取 FSK调制方式时 SNR估计量
会偏离正确值，其数量最多可达 1dB, 而 BPSK与 QPSK则拟合较好;采取 FSK
调制方式时 SNR估计量的 RMSE明显高于采取其它调制方式。所以，算法对 FSK
调制的性能不是太好。但是对于信噪比在 5 ~20dB范围内，不同的调制方式估计
偏差都相对较小，说明算法对于不同的调制方式在一定的范围内都具有比较好的
性能。
图 为采用不同的自相关矩阵长度时，估计 SNR均值和 RMSE随信噪比的变
化曲线图。从图 可以看出，在 N=100的时候，估计的偏差最小，这是因为随
着自相关矩阵长度的增大(从 50到 100)，获取的自相关信息越来越多，估计也
会变得越来越准确;但是当长度增大到 200的时候，性能反而开始下降，因为长
度过大导致自相关函数计算不准确，近似度增大。可以看出，当数据长度 N分别
在 200和 500时，估计值标准差浮动最大超过 1dB而当 N>2000时，在[-10，
25]dB范围内，估计值标准差不超过 。
在低信噪比的时候，估计 RMSE比较大;当信噪比升高到大于 3dB的时候，开
始减小;当信噪比继续升高到 13dB以上的时候，RMSE又开始增大。这是因为在
低 SNR(<3dB)的时候，信号分量相对较小，在一定程度上为噪声所淹没，而 MDL
算法难以统计出确切的信号数，造成估计的随机性和波动比较大，其偏差和 RMSE
都较大;而高 SNR(>13dB)的时候，由于相关函数及相关矩阵的计算误差而造成总
的 SNR估计均方根误差波动较大。
衰落估计
在短波信道中，衰落现象非常明显，它们的存在对系统性造成了非常大的
影响。正确的衰落估计，能大幅度的提高系统解调精度。本节将对此问题进行分
析。
衰落信道模型
目前常用的跳频通信系统常采用非相干解调方式，信道的相位信息不重要，
所以本文的研究着重于估计信道的功率(幅度)衰减因子，记为。
对于衰落估计，可以采取自估计或者基于已知序列(训练穿列、同步头和导
频等)进行。在跳频通信中，盲衰落估计通常是基于判决的，即需要先进行判决，
确定本跳的实际工作频点，然后用判决的信息和接收功率进行实时信道估计;而
基于已知序列的信道估计则不需要进行判决，可以直接确定实际工作频点，然后
利用接收功率进行信道估计。
对于频点的衰落估计，可以采取两种方式进行。一种是基于几跳的历史信息
(功率)进行下跳或者下几跳的估计，另一种是基于当前跳的信息进行下一跳的实
时衰落估计。对于高速跳频通信系统或者慢变信道，前一种方式将会得到更好的
结果，因为它可以更好的克服噪声的随机性造成的影响。为了使问题描述的更全
面，我们将讨论前一种情况，即基于几跳的历史信息进行的衰落估计。
本章假设基于 M跳的信息进行信道估计。
衰落估计算法
首先定义误差指标：
表示接收功率;表示第 k个工作频点的接收功率。对求导得:
将式(4-52)带入式(4-51)中可得最小的 LS误差为:
首先评估噪声的影响，如果噪声分量，那么可以得到;如果噪
声分量很大则:此时。如果噪声介于两者之间，
则。经分析随信噪比的下降而增大。
对于当前跳的信息进行下一跳的实时衰落估计，在本情况下的应用进行说明。
此时只有一个接收数据，估计值即直接接收功率为估计真实值。这时。但是 LS
误差不等于真实的误差结果，仅仅是估计。在这种情况下，如果信噪比很小，则
造成的大幅度波动，估计性能会很差;反之，则估计性能很好。
下面讨论接收功率的计算。目前的跳频通信系统，不管是常规还是差分跳
频，大多采取了 FFT的处理方式。在此情况下，如果采取单音调制，可以进行
简化处理，只需要取实际工作频点的 FFT值 F(k}，然后以 Parseval定理训一算
功率即可。对于更精确的应用要求，或者存在频谱泄露的情况，可以进行更精确
的功率谱估计(FFT估计即为粗略的周期图法)，然后以 Parseval定理计算功率。
在采取其它调制方式的情况下，可以进行类似处理。
仿真分析
算法如下:
(1)通过 FFT计算接收功率序列对，
(2)训一算实际接收功率估计值:
(3)计算衰落因子:
本仿真主要用来在不同历史信息长度 M的前提下，估计的 MSE与信噪比的关
系。由于 MSE表明了估计值与真实值的累积偏差与波动效应，所以它可以用来评
估估计的性能，即偏差与方差。不论在何信噪比下，估计的 MSE都随着 M的增大
而减小，这是因为多次的平均能减小误差的影响，使估计的波动减小。同时，随
着 SNR的增加，估计越来越准确，这是因为接收功率中噪声分量所占的比重越来
越小，从而更容易提取信号功率分量，使得估计更加精确。
仿真结果如下:
从图 可以看出，不论在何信噪比下，估计的 MSE都随着 M的增大而减小，
这是因为多次平滑误差的影响，减小估计的波动，即估计的 MSE。同时，随着 SNR
的增加，曲线波动越来越小，估计越来越准确，这是因为接收功率中噪声分量所
占的比重越来越小，从而更容易提取信号功率分量，使得估计更加精确。从图
可以看出，在信噪比达到 lOdB的时候，M=1也能取得很好的估计效果。虽然
在很低的 SNR下，M较大时能取得较好的估计效果，但是 M的增大会降低估计的
实时性。需要考虑选取适当的 M，在信噪比较高的时候，可以适当减小 M以得到
更实时的衰落估计结果;而在慢变信道条件下则可以增大 M以提高估计的精度。
自适应控制
功率和频率自适应控制是自适应跳频通信的又一个关键技术。实现通信系统
的频率和功率自适应控制是自适应跳频通信的最终目标。它以实时信道质量评估
的结果为依据，自适应的从跳频频率集中删除被干扰的坏频点，在无干扰的频率
集中用跳频指令控制频率合成器产生频率序列，实现收发双方在同一频率集上进
行通信。自适应的调整发射功率，在满足系统的误码率需求和最小被截获率的前
提下使通信双方以最小的信号功率进行通信。
自适应调制和自适应控制
在自适应跳频通信系统中，自适应调制与自适应功率控制具有非常重要的作
用，它们能大幅度提高系统性能，或者降低系统被截获的概率。一般的自适应控
制都仅限于自适应功率控制。本章分析了联合自适应调制与功率控制，而不再孤
立的考虑自适应功率控制或者自适应调制，这种方式可以使得系统性能达到最优。
实际的系统都有一定的误码率要求，并且发送功率也有限制，在传输信道条
件恶劣的情况下，采取固定的资源分配方式可能难以达到相应的传输速率。如果
生硬的提高传输速率到预定的值，会使系统的误码率性能下降，或者通信中断。
因此，采取恒速率的机制，可能会造成误码率性能的严重下降，这相对于减速传
输是得不偿失的。所以，可以考虑提出自适应功率控制的想法。在系统误码率要
求的限定下，自适应地给跳频频点分配功率，在衰落幅度大的传输频点上分配较
多的功率，以补偿其功率损失，满足误码率要求;在衰落幅度小的传输频点上，
相应地减少传输功率，以较小的功率达到同样的效果。这种功率自适应分配使得
功率使用更加合理，系统的误码率性能将会得到较大的提升。
另外，还要考虑信道的因素。在短波衰落信道下，每个跳频频点或者跳频与
频带所承受的衰落是不同的。在极度深衰落的频点上，如果采取功率分配方式，
使该频点误码率达到预定的要求，需要的传输功率可能是非常大的。显然，这时
候应该删除这个频点;反之，如果对于信道质量较好的子带，如果仍然采用常规
跳频的 BFSK 调制方式，就造成了优质信道的浪费。实际上在相同的功率下，该
子带可以传递更多的信息。因此，可以考虑在该频带上采取高阶 MFSK调制方式。
这种自适应调制方式，使得信道的利用率更高，使系统的速率更大或者误码率更
低。
上述两种自适应控制方式不是孤立的，其本质是内在统一，相辅相成的。对
于自适应功率控制，如果不考虑自适应调制，那么功率控制的结果不可能是最优
的，因为它没有充分利用优质信道，并且在恶劣信道上过多地消耗了功率;对于
自适应调制方式，也需要自适应功率控制的配合。所以可以考虑，联合自适应功
率控制与自适应调制的问题。
在实际的通信系统中，我们必须考虑三个主要的性能指标:传输速率、传输
功率与误码率。为避免被侦测，正常传输条件小，减小发送功率;在无干扰的环
境中，考虑在发送功率允许的情况下，提高传输速率;在误码率敏感的情况下，
则考虑在充分利用发送功率的情况下，尽可能的降低系统的误码率性能。基于上
面的分析，我们可以归纳出如下的三个自适应优化问题。
速率优化:在传输功率与误码率一定的情况下，尽量地提高传输速率;
功率优化:在传输速率与误码率一定的情况下，尽量地降低传输功率;
误码率优化:在传输速率与传输功率一定的情况下，尽量地降低误码率。
仿真分析
仅采取自适应功率控制而不用自适应调制，称为仅功率控制;仅采取自
适应调制而不用自适应功率控制，称为仅调制;对联合自适应功率控制与调制方
案，称为最优控制。
仅功率控制，其目的是在好信道上减小发送功率以节省功率并降低被截获的
概率，在差信道上增加发送功率以降低系统误码率。这样可能会有两种结果:比
特分配完毕，功率尚有剩余;功率分配完毕，速率尚未达到要求。前一种结果，
是一种优越的控制方案，它在系统性能要求下最大限度的减小了发送功率。后一
种结果，说明我们的系统设计不合理，此时我们必须改变系统要求，要么放松误
码率要求，要么减小发送速率。
仅自适应调制是为了满足发射机功率控制单元的简单性。发射机需要用常规
的恒功率方式发送信息。这种方案实际上不容易实现，这是因为每个频点衰落不
同，但是发送功率相同，造成接收功率是不相同的，此时需要考虑接收 MFSK调
制信号各频点幅度不同的情况。此时采取一种近似方案，因为跳频工作频点集是
相邻频点，每个工作频点的信道增益是相差不大的。
仿真分析是在瑞利衰落信道模型下进行的。本仿真将以 64﹑ 128和 256跳
频频点集为前提，分别考虑最优控制、仅调制与仅功率控制的情况，并限定相应
前提下的最大分配比特数分别为 3(8FSK), 4(16FSK), 5(32FSK)。
图 ,图 ,图 分别为 64, 128, 256频点集下，三种自适应控制方式
与无自适应的效果比较图。从图上我们可以看出，无自适应都是最差的;联合控
制方案的确是最优的，仅功率控制则最差;仅采取自适应调制则可以取得较大的
增益。随着比特信噪比(Eb/N。)的增大，自适应相比无自适应表现出越来越大的
优势。在误码率为 10-²时，相比无自适应，最优控制具有 5dB的增益，仅自适
应调制具有 4dB的增益，仅功率控制增益最小为 2dB。
从这个结果我们可以看出，仅采用自适应调制也能取得比较好的效果，因
为自适应调制可以更大地利用系统资源;仅采用自适应调制会平均分配功率，在
恶劣频点上，自适应调制方案可以避免在该点分配信息，即跳过了恶劣频点，系
统最多只是损失了相应的功率;仅采用功率控制则平均分配了信息，坏频点的存
在是性能提高的最大障碍，因为即使将全部功率分配到该频点上，可能也不足以
使系统误码率达到要求;相比仅自适应调制，仅自适应功率控制的劣势就是无法
避开恶劣频点的影响;但是相比无自适应，它的功率自适应分配方案能使得功率
流向更加合理，从而提高系统误码率性能。
本章小结
本章总结了基于观测向量自相关矩阵的信道估计算法，给出了算法的原
理、实现以及细节问题，并对 MDL改进算法进行了分析。通过对不同采样点，不
同调制方式，不同自相关矩阵长度下算法的仿真，可以得出:采样点数越多，估
计 SNR的均值越来越接近真实值，并且 RMSE越来越小，使自相关函数的计算越
来越准确，估计的准确度变好，将不确定性降低;算法对 FSK调制的性能不是太
好;自相关矩阵的长度在一定范围内时，估计随长度的增加而更加精确。对衰落
估计的情况，本章总结了一个实现简单的算法。可以得出在同一信噪比下，估计
的 MSE都随着 M的增大而减小。针对自适应控制分析了自适应调制和自适应功率
结合的方式。通过详细分析 64, 128, 256频点集下不同的控制方式的误码率和
信噪比可以得出自适应调制和自适应功率结合的方式可以提高系统的性能。
第四章 自适应跳频系统仿真
Simulink简介
系统仿真软件的选择
通信系统的设计研发，在进行实际硬件系统实验之前，软件仿真是必不可少
的一部分。目前国内外常用的几个通信系统仿真工具软件包有 SPW, Acolade,
Cossap, SystemView, Simulink, Tesla等，其特点如表 所示。
从表 可以看出 SPW, Acolade, Cossap软件包是目前较先进的通信系统仿
真软件包，但是价格昂贵，主要应用十企业。因此本文用 Matlab/Simulink来构
件自适应跳频系统的仿真平台。
Simulink是 MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和
综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，Ifu只需要通过简单直
观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程
清晰及仿真精细、贴近实际、效率高和灵活等优点。基于以上优点，Simulink
已被广泛应用十控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三
方软件和硬件可应用于或被要求应用于 Simulink 。
Simulink是 MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于 MATLAB
的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛
应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。
Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建
模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。
为了创建动态系统模型, Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接
口(GUI)，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种
更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。
Simulink有以下特点:
丰富的可扩充的预定义模块库;交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模
块图;以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理;通过 Model
Explorer导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型
代码;提供 AP工用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成;使用定步长或变
步 长 运 行 仿 真 ， 根 据 仿 真 模 式 (Normal, Accelerator,
Rapid Accelerator)来决定以解释性的方式运行或以编译 C代码的形式来运行
模型;图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为;可
访问 MATLAB从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信号参数和测
试数据;模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误。
Simulink仿真的工作原理
Simulink仿真包括两个阶段:初始化阶段和模型执行阶段。
1.初始化阶段
在初始化阶段，Simulink内部主要完成模型参数估值、模型展开、模块更
新排序、决定模块信号属性和采样时间以及分配存储空间。
2.模型执行阶段
在仿真开始时，模型设定待仿真系统的初始状态和输出。在每个时间步内，
计算系统的输入、状态和输出，并更新模型来反映计算出的值。在仿真结束时，
模型得出系统的输入、状态和输出。
在每个时间步中，Simulink所采取的动作一次如下:
（1)按照安排好的次序更新模型中模块的输出;
（2)按照安排好的次序更新模块中模块的状态;
(3)检查模块连续状态的不连续点;
(4)计算下一个仿真时间步的时间。
自适应跳频通信系统仿真
自适应跳频通信系统仿真的模型
系统模型包括信源模块、编码模块、跳频载波生成模块、调制模块、信道模
块、解调模块、解码模块、误码统计模块等，在增加自适应功能之后，还有频点
通信质量分析模块。系统框图如图 所示:
自适应跳频的思想是:找出被干扰的频点，然后用没有被干扰的频点代替。
通过如下的过程来达到这个目的:首先进行扫频的工作，这样接收端就可以评价
出每个频点的质量，确定到底哪些频点是被干扰的需要被替换，然后接收端通过
反馈回路将要替换的频点信息传送回发送端。在仿真中，利用.mat文件来保存
和共享更改频点后的跳频序列，具体的过程如下:首先在扫频模型中，载波的频
率序列从 0到 255依次跳变，通过频点评价模块将找到的被干扰的频点以变量的
形式存入工作区间，完成扫频阶段后，执行一个 m文件，将被干扰的频点换掉并
将新的跳频序列以.mat文件的形式保存下来。在通信阶段，将保存着新的跳频
序列的.mat文件导入到模型中。
仿真分析
经过仿真，发现被干扰的频点都能被正常通信的频点所替代。从下面的频谱
图上可以看出，自适应跳频避开了被干扰的频点。图 为施加的干扰为
~的部分频带干扰。
图 为跳频载波在仿真过程中的频谱。
从图 可以看出，跳频载波避开了干扰信号，保证了通信过程的可靠性。
而对跳频来说，对于干扰可以分为两种情况:一种是载波的频率在干扰频段
之内，则此时通信被破坏，和定频通信时被干扰的情况一样;另外一种情况是载
波的频率落在未被干扰的频段上，此时能够正常通信。图 为载波频率在干扰
频段内;图 为载波未被干扰。
经过比较可以看出，自适应跳频具有很强的抗干扰能力的结论，验证了自适
应跳频理论的可行性和优越性。
根据自适应跳频系统的主要指标:避开 90%以上被干扰源干扰的坏频点所需
的时间，表 列出了在信噪比条件下误码率与扫频次数的对应关系。
所以可以看出至少扫频 5次以上，才能保证 90%以上信道为好信道，但是
仍然存在误码率。
在信噪比比较适中的情况下，自适应跳频系统和常规跳频系统误码率
进行比较可以看出，在信噪比大于-lOdB的情况下，自适应跳频系统的误码率有
l~2个数量级的改善。
仿真结果表明:在对跳频通信系统危害最大的干扰下，自适应跳频通信系
统的抗干扰性能大大提高，其误码率平均有 l~2个数量级的改善。在常规跳频系
统不能正常工作的区间内，自适应跳频系统仍然工作良好。
本章小结
本章在对仿真软件的对比的基础上，总结了 Matlab/Simulink仿真的原
理和工作过程。设计了自适应跳频仿真模型，并通过与常规跳频对比。可以看出
自适应跳频自适应跳频避开了被干扰的频点，而常规跳频当载波的频率在干扰频
段之内时，则通信被破坏。通过仿真从中可以得到至少扫频 5次以上，才能保证
90%以上信道为好信道，但是仍然存在误码率;在对跳频通信系统危害最大的干扰
下，自适应跳频通信系统的抗干扰性能大大提高，其误码率平均有 l~2个数量级
的改善。能够得出自适应跳频系统有很大的优越性。
结束语
本文在参考有关资料的基础上，对自适应跳频技术在航空通信中的应用做了
研究。在介绍系统结构和原理的基础上，对系统中部分关键技术进行了详细阐述。
重点研究了自适应跳频技术的信道质量估计，衰落估计和自适应控制。
本文的主要工作有:
1、研究了航空通信抗干扰技术，总结了扩频技术的原理和特点。在此
基础上给出了自适应跳频的原理和通信过程。
2、介绍了自适应跳频技术航空通信系统的结构和原理，总结了系统中
用到的关键技术，包括信道质量评估算法、Viterbi译码及其改进算法、交织和
系统同步方法的实现过程。
3、研究了自适应跳频技术的信道质量估计，衰落估计和自适应控制。
对于改进的自相关矩阵估计算法给出了其在不同采样点，不同调制方式和不同长
度下的仿真结果;总结了一种衰落估计算法，仿真证明其效率很高;对自适应控制，
将自适应调制和自适应功率控制结合在一起，仿真结果表明这
种方法比较有效。仿真结果对其应用有很大的指导意义。
4,设计了自适应跳频仿真模型，并通过与常规跳频对比。可以看出自适
应跳频避开了被干扰的频点，而常规跳频当载波的频率在干扰频段之内时，则
通信被破坏。通过仿真从中可以得到至少扫频 5次以上，才能保证 90%以上
信道为好信道，但是仍然存在误码率;在对跳频通信系统危害最大的干扰
下，自适应跳频通信系统的抗干扰性能大大提高，其误码率平均有 l~2个
数量级的改善。能够得出自适应跳频系统有很大的优越性。
作者认为，可在以下几个方面做进一步的研究:
1、需要研究更精确的针对信道干扰和信道估计的算法;
2、对自适应控制的实现问题需要进行更多的研究。自适应跳频需要非
常复杂的控制逻辑和交互系统，它们之间的高效协调工作显得非常重要;
3、研究自适应跳频技术与飞机上处理、宽带、智能组网技术等航空通
信新技术的结合。
致谢
大学本科学习生涯已近结束，回顾四年来的点点滴滴感慨万千。在此，
对在这四年里关心和帮助过我的师长、同学、家人致以真挚的谢意。
再次感谢所有关心和帮助过我的老师和同学们
参考文献
[1]吕洪生，杨新德，刘德军.实用卫星通信工程.电子科技大学出版社，1994
[2]储钟沂.数字卫星通信.上海高级专家协会电子电讯专业委员会.2006
[3]魏瑾.卫星通信抗干扰技术的研究[学位论文].西安:西安电子科技大学，
[4]谷春燕，陈新富，易克初.卫星通信抗干扰技术的发展趋势.系统工程与
电子技术.2004,第 26卷，第 12期
[5] Ronald Y. Paradise. Technology insertion inJTIDS
terminals. IEEE Militay Communications
[6]十全，陈迎锋.JTIDS 系统抗干扰体制研究.系统工程与电子技术.2001,
23卷，第 11期
[7] 曾兴雯，刘乃安，孙献璞.扩展频谱通信及其多址技术.西安:西安电
子科技大学出版社，2004.
[8]张辉，曹丽娜.现代通信原理与技术.西安:西安电子科技大学出版社，
2002.
[9]韦惠民.扩频通信技术及应用.西安:西安电子科技大学出版社.2007.
[10]韦惠民.扩频通信技术及应用.西安:西安电子科技大学出版社.2007.
[11]韦惠民.扩频通信技术及应用.西安:西安电子科技大学出版社.2007.
[12]姚富强.跳频处理增益有关概念分析与修正.电子学报.2003,第 7期
[13]宋国森，姜霞，修国浩.自适应跳频技术在蓝牙系统中的应用及其性能
分析.北京电子科技学院学报.2003, 12期
[14]杨光松，严嘉瑛.蓝牙中的自适应跳频技术.现代电子技术.2004
[15]沈连丰，邹乐，宋扬.一种适用十 WPAN应用环境的高速自适应跳频系统
及其性能分析.电子学报.2002
[16]凌静.自适应跳频卫星通信系统的设计与实现.现代电子技术.2006,第
巧期
[17]郭永志.自适应跳频原理及其关键技术.舰船电子工程.2008.第 11期
[18]宋国森，姜霞，修国浩.自适应跳频技术在蓝牙系统中的应用及其性能
分析 2003(11)
[19] HIS学玉，甘良才.短波跳频 FH/QDPSK系统信道自适应监测的研究.系
统工程与电子技术.2000
[20]魏刚.一种先进的短波自适应跳频通信系统.1997
[21]董鹏，张锁熊，田迎举.数字卫星通信中的 Viterbi算法及 DSP实现.现
代电子技术，
[22」赵旦峰，刘会红.卷积码及维特比译码在卫星通信中的应用.无线电工
程 2003.第 33卷，第 12期
[23]土新梅，肖国镇.纠错码原理与方法[M].西安:西安电子科技大学出版社，
[24]郭洪剑.基十 DS_ FH混合扩频技术卫星通信系统的研究.2007
[25] . Information theory and an extension of the
maximum likelihood Int. .
Theory, of Control and Inform. Theory,1973
[26] . A new look at the statistical model
identification .Automatic Control. IEE Transactions on Volume 1 9 }
Issue 6 } Dec 1974
[27] . Modding by shortest data description.
Automatica,vol. 14, 1978
[28] . Estimating the dimension of a mode.
} 1978
[29」徐健，杜丽娟.自相关矩阵奇异值分解法进行信噪比估计研究.淮海工
学院学报.2006第 15卷，第 2期
[30] Mati Wax、Thomas Kailath. Detection of signals by
information theoretic criteria. Transactions on acoustics speech,
and signal processing, v01 .Assp-33， April 1985
[31]胡广书.数字信号处理.清华大学出版社.2003
[32] Q. Schwartz. Estimating the dimension of a mode. Ann.
,1978
[33] nderson. Asymptotic theory for principal component
analysis. . , 1963
[34]詹业锋，曹志刚，马正新.无线数字通信的自信噪比估计.清华大学学
报.2003第 43卷第 7期
[35]徐健，杜丽娟.自相关矩阵奇异值分解法进行信噪比估计研究.淮海工学
院学 报(自然科学版).2006第 2期
[36] YM. Lam. PH. Wittke. Frequency-Hopped Spread-Spectrum
Transmission with Band-Efficient Modulations and Simplified
Noncoherent Sequence Estimation, IEEE Trans. Commun, v01 .38，,
[37] P. , Brown, Frequency Hopping for
High Data-Rate Communications with Adaptive Use of Spectrum.
Vehicular Technology Conference, 2006.
[38]成璐.自适应跳频通信系统抗干扰性能分析与仿真研究.2006年
[39]邵佳，董辰辉.MATLAB/Simulink通信系统建模仿真实例精讲[M].北京:
电子工业出版社.
[40]李红平.短波全数字自适应跳频通信.现代通信.2000年，12期
[41]王树甲.GSM数字蜂窝移动通信系统的主要特征.现代电信科技.1996年，
第 8期，-29
研究成果
参加课题:航空通信抗干扰研究
课题作者：huangnizhen
QQ：573410359
2010年 6月
