“人在回路”數(shù)據(jù)鏈建模與Simulink動態(tài)仿真＊

張 良 劉 勇

（92941部隊93分隊 葫蘆島 125000）

1 引言

面對當(dāng)前日益復(fù)雜的威脅環(huán)境，戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈采用“人在回路”制導(dǎo)控制可有效解決目標(biāo)識別計算數(shù)據(jù)量大，計算速度，容量和算法實現(xiàn)困難的問題。“人在回路”數(shù)據(jù)鏈所使用的擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)是一種非常重要的抗干擾通信技術(shù)，目前已被廣泛運用在軍事通信系統(tǒng)中，它與光纖通信、衛(wèi)星通信，一同被譽為信息時代的三大高技術(shù)通信傳輸方式。直擴(kuò)系統(tǒng)，即直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)作為擴(kuò)頻通信的一種，在超長波對潛通信、艦艇戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星通信和“人在回路”制導(dǎo)控制等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用［1］。Matlab是美國Mathworks公司推出的語言軟件，Simulink是Matlab軟件包中最重要的功能模塊之一，是交互式、模塊化的建模和仿真的動態(tài)分析系統(tǒng)。因此，利用Matlab語言及其Simulink工具箱對“人在回路”數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行仿真和分析是非常方便有效的［2］。

2 “人在回路”數(shù)據(jù)鏈建模

直擴(kuò)系統(tǒng)是“人在回路”數(shù)據(jù)鏈經(jīng)常采用的一種傳輸系統(tǒng)，是用待傳輸?shù)男畔⑿盘柵c高速率的偽隨機(jī)碼波形相乘后，去直接控制載波信號的某個參量，來擴(kuò)展傳輸信號的帶寬［3］。一般情況下直接序列調(diào)制均采用PSK調(diào)制方式，而較少采用FSK或ASK。在利用Simulink仿真工具搭建“人在回路”仿真模型時，采用的調(diào)制方式是二相相移鍵控（BPSK）。

2.1 系統(tǒng)仿真構(gòu)成

采用直擴(kuò)系統(tǒng)的“人在回路”數(shù)據(jù)鏈的總體仿真包括發(fā)送端、信道及接收端三大部分。圖1給出了直擴(kuò)系統(tǒng)仿真的原理框圖。

圖1 直擴(kuò)系統(tǒng)原理框圖

發(fā)送端首先對信源出來的原始數(shù)據(jù)信號依次進(jìn)行LDPC信道編碼、直接序列擴(kuò)頻調(diào)制、BPSK調(diào)制，然后送入信道，信號在信道中加入高斯白噪聲和窄帶單頻干擾［4］。接收端收到信號后，首先將信號送入干擾抑制模塊，然后進(jìn)行同步（包括PN碼捕獲和PN碼跟蹤），在同步之后完成解擴(kuò)，再經(jīng)解調(diào)得到基帶數(shù)據(jù)，最后通過LDPC譯碼，恢復(fù)出發(fā)送的原始信息序列［5］。下面就整體系統(tǒng)仿真中載波調(diào)制、窄帶干擾信道和干擾抑制這三個關(guān)鍵模塊加以詳細(xì)分析，并完成模塊的仿真。

2.2 載波調(diào)制模塊的設(shè)計與仿真

在擴(kuò)頻系統(tǒng)中，擴(kuò)頻信號是通過載波調(diào)制后發(fā)送到信道中去的，在直接序列擴(kuò)頻中，通常采用的調(diào)制方式是二相相移鍵控（BPSK），較為復(fù)雜的是四相相移鍵控（QPSK）。由于平衡調(diào)制可以抑制載波，使干擾者難以實現(xiàn)瞄準(zhǔn)式干擾，而發(fā)送者可以用較多的功率來傳輸信號，并且做到在一定的帶寬內(nèi)發(fā)射效率最高，因此擴(kuò)頻系統(tǒng)中常采用相移鍵控。BPSK是擴(kuò)頻系統(tǒng)中最為常用的一種調(diào)制方式。設(shè)擴(kuò)頻碼為c（t），載波頻率為ω0，調(diào)相波可表示為

式中，φ是相位調(diào)制指數(shù)。若規(guī)定在擴(kuò)頻碼序列中，當(dāng)c（t）＝0時，φc（t）＝0時；當(dāng)c（t）＝1時，φc（t）＝π，這種調(diào)制就成為二相相移鍵控［6］。

在實際運用中，擴(kuò)頻碼通常采用雙極性，即c（t）＝｛－1，＋1｝，因此BPSK擴(kuò)頻調(diào)制信號可以表示成為

如果考慮信息碼為d（t），則直擴(kuò)系統(tǒng)的BPSK調(diào)制輸出為

BPSK擴(kuò)頻調(diào)制器如圖2所示。其中調(diào)制器采用的是平衡調(diào)制器，載波平衡對稱輸入，能抑制載波。

下面對載波調(diào)制模塊進(jìn)行設(shè)計與仿真，在Simulink常見模塊組的Sources組里選擇Sine Wave模塊作為載波信號，正弦波幅度設(shè)為1V，載波頻率設(shè)為510kHz，正弦波初始相位設(shè)為pi。pn＿mod＿out.mat為擴(kuò)頻調(diào)制輸出文件作為信號源。搭建仿真模型如圖3，得到bpsk＿mod調(diào)制模塊。圖中的所有零階保持器（Zero－Order Hold）模塊的采樣率均設(shè)置為1／5.1e6。

圖2 BPSK調(diào)制器

圖3 BPSK擴(kuò)頻調(diào)制仿真模塊

2.3 窄帶干擾信道模塊的設(shè)計與仿真

在抗干擾技術(shù)研究中，首先需要建立實際中遇到干擾信號的近似模型，從不同的窄帶干擾模型出發(fā)，可以得到不同的干擾抑制方法，并且干擾模型越接近實際干擾信號，相應(yīng)算法對干擾的抑制效果也就越好。目前，抗干擾研究中常用的窄帶干擾模型主要有音頻干擾、AR模型干擾和隨機(jī)二元碼調(diào)制信號三種［7］。音頻（單音或多音）干擾是最簡單，也是DSSS系統(tǒng)抗干擾中應(yīng)用最多的窄帶干擾模型，音頻窄帶干擾信號可建模為Q個（復(fù)）正弦信號之和，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中，Pl和fl分別代表第l個正弦波的功率和歸一化頻率；｛θl｝為在區(qū)間［0，2π）上均勻分布的隨機(jī)相位［9］。音頻干擾的功率譜為

信道原理圖如圖4所示。調(diào)制信號在信道中加入高斯白噪聲和窄帶單頻干擾。

圖4 信道原理圖

信道仿真框圖設(shè)計如圖5所示。3個零階保持器模塊的采樣率均設(shè)置為1／5.1e6，AWGN Channel為高斯白噪聲信道，Sine Wave為單音窄帶干擾模塊。

圖5 信道仿真框圖

2.4 干擾抑制模塊的設(shè)計與仿真

針對“人在回路”數(shù)據(jù)鏈可用的干擾很多，如寬帶干擾、窄帶干擾、掃頻干擾、梳狀干擾和轉(zhuǎn)發(fā)式干擾等。窄帶干擾是一種干擾頻帶相對有用信號窄得多的干擾形式，一般是人為產(chǎn)生的，尤其在軍事的電子戰(zhàn)中用得更多。相比其他幾種干擾來說，窄帶干擾的功率最強(qiáng)，它能把有限的干擾功率集中于若干頻點，而其他幾種干擾的功率在信號頻段上則相對分散得多。因此，窄帶干擾一旦干擾成功，將對己方的數(shù)據(jù)鏈造成嚴(yán)重影響。干擾抑制技術(shù)的實現(xiàn)方法很多，從最簡單的信號處理技術(shù)到一些最先進(jìn)的處理方法，已建立了豐富的方法論體系。系統(tǒng)仿真中用到的窄帶干擾抑制技術(shù)是重疊變換FFT頻域陷波算法。該算法在傳統(tǒng)頻域陷波技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了加窗處理和重疊變換，使干擾抑制后的信號損傷降至最小，抗干擾性能得到極大提升。

FFT重疊變換干擾抑制算法的原理是窄帶干擾相對于擴(kuò)頻信號能量集中在很窄的頻帶內(nèi)，在頻域上就表現(xiàn)為很窄的尖峰，所以可以先將混合信號變換到頻域，檢測出干擾的頻譜位置，將這些譜線去掉或進(jìn)行衰減，最后把變換還原成時域信號進(jìn)行解擴(kuò)。其原理框圖如圖6所示。

圖6 頻域陷波技術(shù)的實現(xiàn)框圖

下面以FFT重疊變換干擾抑制算法為例進(jìn)行設(shè)計，F(xiàn)FT陷波模塊框圖如圖7所示。firstroad～fourthroad每條支路的內(nèi)部組成基本與圖6相同。由信道過來的含高斯白噪聲和窄帶干擾的信號由In1輸入頻域陷波算法模塊，消除窄帶干擾后的信號由Out1輸出。Add1為加法器，功能是將時域?qū)R的4條支路信號合并相加輸出。

圖7 FFT重疊變換干擾抑制模塊

3 Simulink動態(tài)仿真實現(xiàn)

直擴(kuò)系統(tǒng)仿真框圖如圖8所示。其中bpsk＿mod模塊為BPSK擴(kuò)頻調(diào)制模塊，channel模塊為信道模塊，anti＿interference模塊為抗干擾模塊，pn＿dopple模塊完成了多普勒頻移估計和PN碼同步，carrier＿demod模塊為載波解調(diào)模塊。

仿真主要參數(shù)如下：數(shù)據(jù)碼速率為666b／s；信道編碼方式為LDPC（756，3，9）碼，碼率2／3，編碼后碼速率1kb／s；擴(kuò)頻調(diào)制PN碼碼長為255bit；BPSK調(diào)制載頻為510kHz；信道信噪比為10dB，信干比為－30dB；PN碼同步時間為兩個數(shù)碼碼片（0.2ms）內(nèi)。通信系統(tǒng)中常用的性能指標(biāo)之一是誤碼率，但它是基于統(tǒng)計量而言，不僅仿真時間長，而且會耗費大量的系統(tǒng)資源。為了能在短時間內(nèi)即可以觀察到擴(kuò)頻系統(tǒng)的仿真結(jié)果，本文不采用誤碼率而用誤碼個數(shù)作為擴(kuò)頻系統(tǒng)仿真的一個指標(biāo)。仿真結(jié)果如圖9～圖14所示。

圖8 直擴(kuò)通信系統(tǒng)仿真框圖

圖9 調(diào)制后信號頻譜圖

圖10 經(jīng)信道后信號頻譜圖

圖11 抗干擾后信號頻譜圖

圖12 解擴(kuò)后信號頻譜圖

圖13 經(jīng)過縮放的擴(kuò)頻調(diào)制前輸入波形

圖14 經(jīng)過縮放的最終解調(diào)輸出波形

從圖9可以看出，經(jīng)過BPSK調(diào)制后信號中心頻率被搬移到510kHz處。從圖10可以看出，調(diào)制信號的頻譜中混雜了大量的高斯白噪聲，且在調(diào)制信號的載波頻率510kHz處可以清晰地看到一個頻譜的尖峰，這個尖峰代表了窄帶干擾的頻譜量，其能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過調(diào)制信號，此時如果不加抗干擾措施，系統(tǒng)將無法正常工作。從圖11可以看出，去干擾后中心頻率為510kHz已無明顯窄帶干擾分量。從圖12可以看出，解擴(kuò)后在510kHz處已恢復(fù)出有用信號。圖13為經(jīng)過縮放的擴(kuò)頻調(diào)制前輸入波形。從圖14可以看出，最終得到的包絡(luò)信號含有噪聲信息，其分布在［－2，2］區(qū)間，結(jié)果符合解調(diào)要求，成功解調(diào)，對比圖13可以看出，去掉系統(tǒng)本身的時延，仿真得到的最終解調(diào)輸出信號波形包絡(luò)與原始信息包絡(luò)基本吻合，因此仿真達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。程序運行結(jié)果如圖15所示，圖中“derr”表示譯碼前錯誤位數(shù)，“err”表示LDPC譯碼過后錯誤位數(shù)。

圖15 譯碼后的誤碼個數(shù)

4 結(jié)語

本文通過Simulink搭建了采用直擴(kuò)系統(tǒng)的“人在回路”數(shù)據(jù)鏈的仿真模型，并對載波調(diào)制、窄帶干擾信道和干擾抑制這三個關(guān)鍵模塊的設(shè)計仿真進(jìn)行了詳細(xì)說明，仿真結(jié)果及譯碼后的誤碼個數(shù)表明該仿真逼近真實環(huán)境，符合預(yù)期結(jié)果。為后續(xù)分析“人在回路”數(shù)據(jù)鏈抗干擾能力，進(jìn)行“人在回路”數(shù)據(jù)鏈抗干擾試驗研究提供了理想的試驗?zāi)Ｐ停且环N方便、可靠的試驗輔助手段。

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