基于Simulink的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)仿真及性能分析

摘 要:闡述擴頻通信的基本原理及其在數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中的應(yīng)用，使用Matlab/Simulink軟件構(gòu)建了猝發(fā)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)模型，通過分析仿真結(jié)果，得到不同輸入信號強度下信噪比與捕獲概率的關(guān)系，驗證了算法的正確性，同時通過對系統(tǒng)指標(biāo)分配淺析，提出工程應(yīng)用時中頻接收機的動態(tài)范圍擴展可以為接收系統(tǒng)帶來性價比的提升。

關(guān)鍵詞:擴頻通信;數(shù)據(jù)鏈;Matlab/Simulink;指標(biāo)分配

中圖分類號:TP274 文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)03-029-04

Simulation of Data Link Communication System Based on Simulink

LI Xiukun，LI Zhi

(China Airborne Missile Academy，Luoyang，471009，China)

Abstract:The fundamental theory of spread spectrum communication and its application in the data link system are introduced.A burst mode data link model is established using Matlab/Simulink.According to the result，the relationship between SNR and capture probability in different signal strength situation is obtained.And the algorithm accuracy is proved as well.Meanwhile，with an analysis of system specification distribution，performance-price improvement of the receiving system can be achieved by the extension of its IF receiver dynamic range in practical application.

Keywords:spread spectrum communication;data link;Matlab/Simulink;specification distribution

未來戰(zhàn)場必是網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)格局下的系統(tǒng)一體化作戰(zhàn)，用于制導(dǎo)的武器數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)瞧渲兄匾画h(huán)。通常武器數(shù)據(jù)鏈用于傳輸目標(biāo)信息，信息量小，但要求信息傳輸必須可靠，同時將來戰(zhàn)場通信處于復(fù)雜的電磁環(huán)境中，要求武器數(shù)據(jù)鏈必須具備低截獲、抗干擾性能。基于此，目前的武器數(shù)據(jù)鏈通常選用擴頻技術(shù)進行信息傳送[1-3]。

1 擴頻系統(tǒng)原理

擴展頻譜(Spread Spectrum)技術(shù)是將基帶信號的頻譜擴展至較寬的頻帶上，然后再進行傳輸?shù)囊环N寬帶信號傳輸方法，它將要發(fā)送的制導(dǎo)信息或?qū)椈貍餍畔⒂脗坞S機序列擴展到一個合適的頻帶上， 即將原始信息的能量在頻帶上進行擴展，從而降低了信號被發(fā)現(xiàn)的危險，增加了敵方干擾的難度(需要干擾的范圍變大了)。

接收端使用與發(fā)送端相同的偽隨機序列對接收到的擴頻信號進行相關(guān)處理，恢復(fù)出原來的信息，干擾信號由于與偽隨機序列不相關(guān)，在接收端被擴展，使落入信號頻帶內(nèi)的干擾信號功率大大降低，從而提高了系統(tǒng)的輸出信噪比，達到抗干擾目的，同時擴頻信號在傳輸時的譜密度很低，可使信號淹沒在噪聲中，不易被敵人截獲、偵測，因而具有較強的低截獲特性。

數(shù)據(jù)鏈直擴系統(tǒng)原理見圖1。在發(fā)送端信源通過加密和編碼后的輸出信號a(t)是碼元持續(xù)時間為Ts的信息流，偽隨機碼為c(t)，每一偽隨機碼碼元寬度或切普(chip)寬度為Tc。將信號a(t)與偽隨機碼c(t)進行模2加，產(chǎn)生一速率與偽隨機碼速率相同的擴頻序列，然后再經(jīng)過調(diào)制后通過天線發(fā)射。經(jīng)過調(diào)制后發(fā)送的信號可用式(1)表示:

s(t)=Aa(t)c(t)cos(ω0t)(1)

在接收端，經(jīng)放大和混頻后，用與發(fā)送端同步的偽隨機序列對中頻的擴頻調(diào)制信號進行相關(guān)解擴，檢測器接收到的擴頻信號可用式(2)表示:



r1(t)=BAa(t-ts)c(t-ts)c(t-s)#8226;

cos[ω0(t-ts)+φ](2)

式中:B表示為整個通信系統(tǒng)對信號的增益系數(shù);s表示對系統(tǒng)通信延時ts的估計;φ為0~2π的隨機數(shù)。當(dāng)接收端的擴頻碼副本與發(fā)送端同步時(即sts)可實現(xiàn)相關(guān)解擴，將信號的頻帶恢復(fù)到信息序列a(t)的頻帶。然后經(jīng)過解調(diào)，再通過譯碼、解密得到所傳輸數(shù)據(jù)。對于干擾信號和噪聲而言，由于與偽隨機序列不相關(guān)，在相關(guān)解擴器的作用下，相當(dāng)于進行了一次擴頻。干擾信號和噪聲頻譜被擴展后，其譜密度降低，這樣就大大降低可進入信號通頻帶內(nèi)的干擾功率，使解調(diào)器的輸入信干比提高，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力[4-6]。

圖1 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)原理框圖

擴頻技術(shù)雖然在民用通信領(lǐng)域已獲得廣泛應(yīng)用，但在導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中還沒有成熟應(yīng)用。為達到低截獲、抗干擾目的，制導(dǎo)信息采用猝發(fā)傳送，信息傳輸時間短暫，因而在接收端必須進行快速同步。

由于收發(fā)雙方的頻率差異造成接收端的初始同步時間長，同時收發(fā)雙方相對運動及造成接收端載波、偽碼的多普勒頻移及一次、二次變化率，導(dǎo)致載波、偽碼同步狀況復(fù)雜，為滿足高檢測概率、低漏警概率和快速捕獲時間，以及滿足彈載設(shè)備的小型化要求，彈載接收裝置必須采用高效的同步策略并進行相應(yīng)的算法優(yōu)化、綜合等[7，8]。

2 基于Simulink的系統(tǒng)仿真

本文應(yīng)用Matlab/Simulink軟件平臺構(gòu)建猝發(fā)通信系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)模型;利用Simulink環(huán)境的圖形化建模能力和功能模塊庫開發(fā)了同步解調(diào)模型庫。通過在中頻的信道仿真有效地避免了加入載頻所帶來的高采樣率。通過仿真驗證了系統(tǒng)設(shè)計的正確性，同時分析了中頻輸入信號強度變化時，信噪比與捕獲概率的關(guān)系，為系統(tǒng)指標(biāo)分配提供了依據(jù)。

2.1 Simulink簡介

Simulink作為Matlab的重要組成部分，是交互式動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的圖形環(huán)境，是進行基于模型的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)開發(fā)環(huán)境。使用它可以針對通行系統(tǒng)進行系統(tǒng)的建模、仿真和分析等工作。

Simulink 支持線性和非線性系統(tǒng)、連續(xù)時間系統(tǒng)、離散時間系統(tǒng)、連續(xù)和離散混合系統(tǒng)，而且系統(tǒng)可以是多進程的。它提供了友好的圖形界面(GUI)，模型由模塊組成的框圖來表示。用戶建模通過簡單的單擊和拖動鼠標(biāo)的動作就能完成，使得建模非常容易，比傳統(tǒng)的仿真軟件包更加直觀、方便、靈活[9-11]。

2.2 基于Simulink的系統(tǒng)模型組成

考慮到加解密迭代基本不牽涉誤碼率問題，當(dāng)以提高系統(tǒng)誤碼率的思想進行算法仿真時，去掉加解密環(huán)節(jié);考慮到射頻的影響主要在于多普勒效應(yīng)和射頻器件的熱噪聲，故將其影響直接折算到中頻上，這樣可有效避免射頻帶來的高采樣率問題。

整個系統(tǒng)仿真模型由三部分組成:信源信道模塊、快速同步解調(diào)處理模塊、驗證處理模塊。系統(tǒng)仿真框圖如圖2所示。

圖2 基于Simulink的系統(tǒng)仿真框圖

(1) 信源信道模塊

信源信道模塊組成見圖3。主要功能是為產(chǎn)品的算法仿真提供模擬輸入信號，進行信源數(shù)據(jù)的編碼、擴頻、調(diào)制、多普勒頻移及多普勒加速度模擬、信噪比模擬。編碼采用RS編碼，擴頻采用選擇本原多項式和初相的方式選擇合適的m序列作為擴頻碼，好處是可以根據(jù)實際需求進行實時修改，而不影響擴頻解擴的算法仿真結(jié)構(gòu)，為將來的仿真發(fā)展帶來靈活性。

圖3 信源信道組成圖

因為要進行誤碼率分析，故采用使用頂層M文件生成信息數(shù)據(jù)并保存至計算機內(nèi)存，再從內(nèi)存中讀出數(shù)據(jù)并進行采樣的方式輸出待調(diào)制數(shù)據(jù)。采用AWGN Channel仿真一個加性高斯白噪聲信道。此信道的信噪比可以按照三種方式設(shè)置:Eb/N0，Es/N0，SNR，本仿真按照SNR的方式設(shè)置信道的信噪比。

中頻采用70 MHz載波調(diào)制輸出。

(2) 快速同步解調(diào)處理模塊

是本仿真系統(tǒng)的重點，完成對中頻信號的采樣、下變頻、數(shù)字匹配濾波及功率處理、峰值判斷與頻率搜索、峰值捕獲判斷、PN碼跟蹤及載波同步、數(shù)據(jù)解調(diào)、譯碼。其中采樣、下變頻、預(yù)處理、數(shù)字匹配濾波及功率、載波同步模塊采用Simulink中的模塊搭建而成，而完成控制部分的峰值判斷與頻率搜索、峰值捕獲判斷、PN碼跟蹤復(fù)雜邏輯采用C語言封裝的Simulink-S函數(shù)模塊實現(xiàn)。

(3) 驗證處理模塊

完成對解調(diào)數(shù)據(jù)的誤碼率判斷，對關(guān)鍵參數(shù)的記錄和實時事后處理。本模型中每一次仿真的結(jié)果，在頂層M文件的控制下保存為相應(yīng)的*.mat文件，在仿真全部結(jié)束后，調(diào)用此存儲的文件編程進行事后數(shù)據(jù)處理。

仿真原理圖如圖4所示。

圖4 仿真原理圖

3 仿真結(jié)果及性能分析

為便于實現(xiàn)仿真參數(shù)的修改，及進行批量仿真，仿真模型的參數(shù)設(shè)置及仿真條件設(shè)置全部由頂層M文件實現(xiàn)。

此次仿真主要目的是測試信號不同輸入功率時，在各信噪比條件下的性能情況。測試結(jié)果如下:

圖5是輸入信號功率為-20 dBm，信噪比為-16 dB時的門限與峰值關(guān)系圖。

圖5 -20 dBm門限與峰值關(guān)系圖

圖6是輸入信號功率為-30 dBm，信噪比為-16 dB時的門限與峰值關(guān)系圖。

圖6 -30 dBm門限與峰值關(guān)系圖

圖7是輸入信號強度分別為0 dBm，-10 dBm，-20 dBm，-30 dBm，-40 dBm時不同信噪比與捕獲概率的關(guān)系圖。

從圖7可以看出，信噪比大于-14 dB時，輸入信號強度為0~-30 dBm皆能滿足系統(tǒng)性能要求;信噪比大于-15 dB時，輸入信號強度為-10~-30 dBm時，捕獲概率能滿足系統(tǒng)要求;信噪比大于-16 dB時，輸入信號強度為-20 dBm和-30 dBm時捕獲概率能滿足系統(tǒng)要求。考慮到在Simulink環(huán)境下雖然對截位進行了模擬，但是實際硬件運行中還可能產(chǎn)生的其他的影響，故實際使用仍會有差異。根據(jù)對實際硬件的測試結(jié)果，實際中頻直擴接收機的性能與仿真結(jié)果有3 ~ 4 dB的差異，但這種差異是可接受的，仿真結(jié)果分析可以為系統(tǒng)指標(biāo)分配提供了依據(jù)。

圖7 不同輸入信號強度下信噪比與捕獲概率關(guān)系圖

4 系統(tǒng)指標(biāo)分配淺析

通常通信系統(tǒng)的接收方與發(fā)送方有一定的距離，當(dāng)距離確定時必須確定接收方的動態(tài)范圍，通常接收系統(tǒng)的動態(tài)范圍由射頻動態(tài)范圍和中頻動態(tài)范圍兩部分組成，當(dāng)折算到中頻解調(diào)的信噪比確定時，則射頻動態(tài)范圍也隨之確定。

假定一個接收系統(tǒng)的靈敏度為-100 dBm，動態(tài)范圍為90 dB，即系統(tǒng)輸入信號從-10~-100 dBm時要求接收系統(tǒng)解調(diào)數(shù)據(jù)誤碼率輸出能夠滿足要求，如果系統(tǒng)給中頻分配的指標(biāo)是輸入信號強度為0 dBm，則射頻的動態(tài)范圍就必須為90 dB;如果系統(tǒng)給中頻分配的指標(biāo)是0 ~ -30 dBm，則射頻的動態(tài)范圍則變?yōu)?0 dB。

中頻接收機的動態(tài)范圍主要取決于A/D的動態(tài)范圍、信號處理算法及數(shù)字處理電路本身的噪聲，由于目前A/D的動態(tài)范圍較大，所以實際中頻接收機的動態(tài)范圍主要取決于信號處理算法本身，如整個系統(tǒng)資源允許的截位處理，有無內(nèi)部AGC處理等。

通過仿真分析我們可以看到，如果系統(tǒng)分配性能指標(biāo)時，適當(dāng)挖掘中頻接收機的動態(tài)能力，一方面可以相應(yīng)提高中頻接收機的性能，如輸入信號強度為0 dBm，信噪比大于-14 dB時解調(diào)數(shù)據(jù)方能滿足系統(tǒng)要求，而輸入信號為-30 dBm時可以在信噪比為-16 dB時仍

能滿足系統(tǒng)誤碼率要求，這樣就相當(dāng)于提高了整個系統(tǒng)的接收能力;另一方面也減輕了射頻的動態(tài)范圍，相應(yīng)降低了射頻組件的成本。中頻接收機算法的設(shè)計通常并不涉及硬件成本，而射頻指標(biāo)的提升卻必以硬件成本的提升為代價。因而如果系統(tǒng)合理分配指標(biāo)，則可以使整個接收系統(tǒng)的性價比得到提高。

5 結(jié) 語

在對數(shù)據(jù)鏈技術(shù)、擴展頻譜通信系統(tǒng)工作原理及Matlab/Simulink功能和特點的介紹的基礎(chǔ)上，應(yīng)用Matlab/Simulink軟件平臺構(gòu)建了某猝發(fā)數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)仿真平臺;利用Simulink環(huán)境的圖形化建模能力和完善的功能模塊庫，開發(fā)了部件模型庫。雖然本系統(tǒng)的同步算法還有待于進一步的優(yōu)化，但通過對系統(tǒng)的快速捕獲能力的仿真分析，以及在不同輸入信號強度下信噪比與捕獲概率性能狀況的測試，為系統(tǒng)進行組件指標(biāo)分配提供了依據(jù)。

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