基于Simulink超短波電臺的故障仿真研究

章小梅，姜茂仁，王 鼎

（海軍航空大學青島校區，山東青島，266041）

基于Simulink超短波電臺的故障仿真研究

章小梅，姜茂仁，王 鼎

（海軍航空大學青島校區，山東青島，266041）

本文以某型航空超短波電臺通信距離近故障為切入點，依據電臺工作的直擴模式通信機理，采用Simulink搭建了直擴通信系統的仿真模型，并設置了接近電臺工作參數的仿真條件。研究了在脈沖調制干擾情況下對電臺接收機靈敏度指標的直接影響和對通信距離間接影響的程度，通過仿真運算和結果分析，可復現電臺的故障產生過程，為查找故障部位分析原因并進行科學處理提供了依據。

超短波電臺；脈沖干擾；故障仿真；接收機靈敏度

0 引言

在軍用航空領域，超短波電臺是現代飛機主要信息傳輸手段，其主要功用是完成飛機與地面（水面）、飛機與飛機之間的視距通信聯絡。電臺通信距離的遠近，對飛機戰斗性能有著直接的影響。因此，研究航空超短波電臺通信距離近故障產生的機理，對保障、保證飛機戰斗力有重要意義。

1 故障現象及原因分析

據飛機維護人員反映，某型超短波電臺在飛機上使用，經常發生通信距離近故障。具體情況是：當飛機飛行高度在2000m，電臺工作在直擴模式時，通信距離僅為60 km左右（此數據為飛行員估計值）。而超短波電臺在地面單獨通電時，無異常，當用手持電臺綜合測試儀，測電臺靜噪靈敏度時，其值為-108dBm，在正常范圍，說明電臺本身無異常，測試儀器連接如圖1所示。此時，打開發動機綜合電子調節器電門（以下簡稱“綜調”），使其工作，再測試電臺靜噪靈敏度，其值變為-84dBm，已偏離了正常值，由此可見，造成電臺靈敏度下降是來自外部的電磁干擾。

圖1 電臺靜噪靈敏度測試連接示意圖

當飛機飛行高度在2000m時，按照公式（1）計算，超短波電臺視距通信距離的理論計算值應達到182.70km或200.72km（假設塔臺超短波電臺天線為16 m），顯然，由于靈敏度值的偏離造成了通信距離的大幅下降。

式中：h1—地面通信電臺天線高度（m）

h2—飛機飛行高度（m）

S、S′—通信距離（km）

其中S′是考慮大氣折射的影響使電波的傳播路徑彎曲，有效傳播距離變遠的經驗公式。

超短波電臺受干擾的故障，往往涉及電臺本身、發動機綜調及其機上連接電纜等，如果它們各自在設計、安裝等方面存在缺陷，均可能導致故障的發生，而這起故障則定位為飛機發動機“綜調”所導致的。

“綜調”是發動機工作狀態控制系統的主要部件，其主要功能為：調節發動機參數、向發動機控制設備和機載飛行參數記錄系統等輸送信號，以及調協燃油泵調節器和噴口加力調節器等工作。

“綜調”對外交聯電纜插座共9個，其中，X4對應的電纜計有43根信號線，信號基本參數是，電壓范圍為-12V~12V，信號形式是正弦或方波，頻率在0~ 2993Hz范圍。

經現場查看， X4在機上安裝時，電纜只做了部分電磁屏蔽，沒有嚴格按照國軍標GJB151A-97（軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求）要求執行，即機上線纜的信號強度和頻率超過一定范圍時，線纜均應采取電磁兼容措施。

2 模型搭建及參數設置

圖2 直擴通信系統仿真圖

在“綜調”電纜中，傳輸含有豐富多次諧波分量的方波信號，相當于電脈沖干擾，因此，在仿真時用脈沖干擾來近似代替，下面重點采用仿真方法，討論脈沖干擾對直擴通信系統靈敏度的影響。

2.1 直擴通信系統仿真

根據擴頻通信理論，運用Simulink對直序擴頻通信進行仿真，其仿真框圖如圖2所示，主要包括：m序列產生模塊組、m序列同步模塊組、平方環載波跟蹤模塊組、誤碼率計算模塊、高斯白噪聲信道、濾波器模塊、載波產生模塊、示波器等。

直擴通信系統仿真參數如下：整體采樣率為10-7s、基帶信號是采樣率10-3s的伯努利序列，擴頻碼是采樣率10-5s、周期為31×10-5s的m序列，處理增益為10dB、載波頻率為500kHz、中頻頻率為100kHz，本振頻率為600kHz。

調制信號源使用二進制伯努利序列，即Bernoulli Binary Generator產生一組碼元作為要傳輸的信號，并進行極性變換為有雙極性碼信號；AWGN Channel是高斯白噪聲信道；擴頻碼采用m序列，周期為31個采樣點，五個寄存器相互連接，為雙極性碼。擴頻調制為BPSK方式，波形如圖3所示。

圖3 擴頻系統發端變換波形圖

圖中由上至下分別為伯努利序列（數字基帶信號）、m序列（擴頻碼）、BPSK擴頻調制和載波調制波形。

接收機首先進行偽碼解擴，然后進行混頻，得到中頻信號。通過中頻濾波器之后，再采用平方環跟蹤技術得到的載波并進行解調，最后濾波、比較處理之后得到所需信號，如圖4所示。

圖4所示為加入噪聲狀態波形。由上至下分別為加入噪聲的信號、經過擴頻碼解擴之后的信號和混頻之后的信號，以及中頻濾波之后信號、載波解調之后信號形、低頻濾波之后信號和門限處理之后信號。由于噪聲將有用信號湮沒，所以從圖中很難看到相位突變，但是對于直擴系統而言依然可以解調出原始信息。

圖4 接收端信號變換波形圖

2.2 脈沖干擾仿真

脈沖干擾時間短促，但可以獲得較大的峰值功率，使得接收機在進行解調的時候發生突發性錯誤，其數學表達式為：

其中g（t-nT）為矩形函數、f為載波頻率、d（t）為噪聲。根據公式（2），采用Simulink仿真程序設計出脈沖干擾模型，如圖5所示。

圖5 脈沖干擾產生框圖

仿真中采用高斯噪聲產生模塊通過PAM調制（脈沖振幅調制）實現噪聲的簡短發射，再與載波調制后發射出去，就得到了脈沖干擾信號。

其中可調參數包括：脈沖幅度A脈沖、高斯噪聲功率2σ、低通帶寬ù?通、脈沖周期τ等。其中噪音經過PAM調制之后的表達式為：

載波調制之后的表達式為：

因此，脈沖干擾的功率為：

圖6所示為信號變化的頻譜圖，自左至右分別為帶限噪聲頻譜、噪聲PAM調制頻譜和脈沖干擾頻譜。從圖中可以看出，PAM調制之后，將帶限噪聲的頻譜進行周期延拓，載波調制之后，將中心頻率搬移到載波頻率之上，以實現更好的仿真干擾效果。

圖6 脈沖干擾仿真信號頻譜

3 干擾影響及仿真結果

電臺的通信距離是戰術指標，主要由發射功率和接收靈敏度等技術指標決定，針對部隊發生的故障，這里重點討論接收靈敏度的影響。

3.1 直擴靈敏度測試的仿真

超短波電臺在直擴狀態下，其靈敏度的測量方法在國軍標GJB 1128—91（機載超短波電臺通用規范）中沒有明確規定，但根據電臺技術說明書中指標要求，可推測出其靈敏度的測試方法如下。

首先，將所需測試儀器、設備選好，并按圖7所示進行連接，構建靈敏度測試系統，參照圖2。

圖7 測試儀器、設備連接圖

然后，將電臺工作頻率調整到指定頻率上，此時，調整輸入射頻信號大小，使得接收機輸出的誤碼率不超過0.1%（電臺說明書在描述直擴狀態靈敏度時標注值），則該輸入射頻信號的強度就是接收機靈敏度。

3.2 脈沖干擾的影響

在仿真實驗中，將圖5產生的脈沖干擾，加至圖2直擴接收機輸入端，通過靈敏度測試，觀察干擾對其影響程度，方法如下。

（1）根據實測值加入環境基底噪聲。根據某型電臺的實際直擴通信帶寬使用掃頻儀可測得自然環境下的基底噪聲為-85dBm（4MHz帶寬范圍內）。

（2）無脈沖干擾時靈敏度測試。加入環境基底噪聲，調整輸入信號的強度使得誤碼率接近于0.1%，測得此時系統的初始靈敏度。

（3）有脈沖干擾時靈敏度測試。在環境基底噪聲的基礎上加入脈沖干擾，同時不斷調整干擾與輸入信號強度，使靈敏度接近于0.1%，此時記錄下相應數據。

通過仿真實驗得到了脈沖干擾對直擴系統的影響曲線，如圖8所示。

3.3 仿真結論

由于用脈沖干擾來近似代替飛機發動機“綜調”電纜的輻射干擾，所以，該曲線只能是近似值。在脈沖調制干擾中，脈沖信號將帶限噪聲的頻域進行了周期延拓，并且與載波調制之后，其中心頻率與接收機接收載頻相接近，因此，會對接收機產生較強的影響。

同時，對直擴系統而言，脈沖調制干擾對靈敏度的影響程度主要取決于脈沖干擾中的脈沖頻率。由于本實驗中采用的脈沖頻率與通信頻率500kHz相接近，且脈沖信號也可以類歸為數字信號，所以其影響程度較大。

圖8 脈沖干擾對靈敏度影響曲線

由圖8可見，10dB處理增益的接收靈敏度比5dB的高,說明增加處理增益可提高抗干擾能力；在脈沖干擾強度為-80dBm左右，接收靈敏度約-90dBm處出現轉折點，即低于-80dBm時，對于不同處理增益下的接收靈敏度下降均較快，而高于-80dBm時，其下降速率均減慢，且脈沖干擾為-73dBm時對應的接收靈敏度為-84dBm。

4 結束語

由實驗可以明顯看出，仿真運算基本反映了故障產生的機理，仿真結果驗證了脈沖干擾對直擴系統靈敏度有較大的影響，對于超短波電臺通信距離而言，當周圍存在干擾或者由于飛機本身電磁兼容性能問題而產生干擾時，即干擾信號大于接收信號的功率，說明接收機已在噪聲湮沒的條件下進行通信，都會對接收機靈敏度產生影響，在受到電臺擴頻處理增益性能指標的限制時，進而間接造成電臺的通信距離下降是理所當然的。

[1]雷蕾.直接序列擴頻通信抗干擾性能分析[J].高等函授學報，2011,24（3）：81-84.

[2]成偉蘭，劉堅強，諶麗.干擾條件下接收機減敏機理分析[J].艦船科學技術，2012.

[3]樊昌信，曹麗娜．通信原理（第六版）[M]．國防工業出版社，2012,34（3）：122-125.

[4]劉學勇．詳解Matlab/Simulink通信系統建模與仿真[M]．電子工業出版社，2011.

Study on the Fault Simulation of UHF Radio Based on Simulink

Zhang Xiaomei, Jiang Maoren, Wang Ding
（Naval Aviation University Qingdao Campus, Qingdao Shandong, 266041）

This paper takes the short distance fault of an airborne UHF radio as the breakthrough point,and the simulation models of the UHF radio communication system in DSSS mode and pulse interference are built And the simulation condition is set according to the working parameter of the UHF radio The direct influence on the UHF radio receiver sensitivity and the indirect influence on the communication distance of the pulse interference are studied In simulation, the failure process in the UHF radio was recurred, and the simulation provides a basis for trouble shooting and the removal of fault after result analysis

UHF Radio;Pulse Interference; Fault Simulation; Receiver Sensitivity

章小梅（1963-），女，教授，博士研究生，主要研究方向為軍用無線電通信與導航。

姜茂仁（1959-），男，教授，碩士研究生，碩士生導師，主要研究方向為航空無線電通信與導航。

王鼎（1988-），男，講師，碩士研究生，主要研究方向為軍用無線電通信與導航。