基于GUI/Simulink的通信對抗效能仿真平臺設(shè)計與實現(xiàn)

邵正途，張 路，陳 鵬，許登榮

(空軍預(yù)警學(xué)院，湖北 武漢 430019)

0 引 言

通信對抗效能評估在電子對抗作戰(zhàn)中具有重要的意義，由于對通信系統(tǒng)的干擾效果測試外場試驗需要被試通信系統(tǒng)、試驗場地等諸多條件，因此頻繁的外場試驗尤其不便。在此情況下，研制實驗室條件下的基于計算機軟件采用模擬仿真方法構(gòu)建的開放式教學(xué)實驗平臺，避免了硬件構(gòu)建的困難，使大量復(fù)雜的理論分析和電路設(shè)計利用軟件完成，成為仿真試驗的一種重要手段。MATLAB/Simulink采用模塊化框圖進行編程，能夠直觀快速地搭建模型，利用其封裝技術(shù)可將模型簡化，在通信和通信對抗研究中得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。本文以MATLAB為開發(fā)軟件，設(shè)計并構(gòu)建了一個以Simulink和圖形用戶界面(GUI)相結(jié)合的通信對抗效能仿真平臺，闡述分析了平臺實驗方法，給出了實例應(yīng)用。

1 通信對抗效能仿真平臺設(shè)計

1.1 平臺構(gòu)成

基于GUI和Simulink的通信對抗效能仿真平臺的主要功能是：對通信系統(tǒng)加入噪聲和不同干擾信號進行通信對抗效能仿真，顯示受干擾前后的通信信號時頻域波形并計算受干擾影響的通信系統(tǒng)誤碼率，包括4個部分：噪聲和通信信號仿真模塊、干擾信號仿真模塊、受干擾前后通信信號時頻域顯示模塊、誤碼率計算顯示模塊。系統(tǒng)功能構(gòu)成如圖1所示。系統(tǒng)主界面如圖2所示，圖中信號輸出時域波形區(qū)上圖為通信信號時域波形，下圖為受干擾通信信號時域波形。干擾頻譜區(qū)顯示該干擾樣式的頻譜圖。誤碼率顯示為受干擾后該通信系統(tǒng)接收機端的接收誤碼率。用戶可通過軟件主界面設(shè)置通信和干擾方的各類參數(shù)后進行效能仿真，并在波形輸出區(qū)直接觀察各種干擾樣式對不同通信信號的傳輸影響，直觀感受通信對抗效能。

圖1 通信對抗效能仿真系統(tǒng)構(gòu)成

圖2 通信對抗效能仿真系統(tǒng)主界面

1.2 仿真流程

平臺仿真流程步驟如下：

Step1：設(shè)置通信系統(tǒng)類型及通信頻率。通信類型包括直擴通信、跳頻通信、調(diào)幅(AM)信號、調(diào)頻(FM)信號等。

Step2：設(shè)置干擾信號類型及干信比。干擾類型包括窄帶干擾、寬帶干擾、梳狀干擾和掃頻干擾。干信比可以根據(jù)需求任意輸入，干擾模型區(qū)顯示選中的通信干擾樣式的Simulink模型，便于用戶了解干擾產(chǎn)生原理。

Step3：設(shè)置干擾信號參數(shù)。干擾參數(shù)設(shè)置區(qū)可設(shè)置各種不同干擾信號的主要參數(shù)。窄帶干擾參數(shù)包括干擾中心頻率和干擾帶寬，寬帶干擾參數(shù)包括干擾中心頻率和干擾帶寬，梳狀干擾包括干擾帶寬和梳狀干擾頻率間隔，掃頻干擾包括干擾帶寬和掃過該干擾帶寬用的時間周期,即掃頻周期。圖2中主界面顯示的是干擾樣式的默認參數(shù)。

Step4：軟件仿真。按下“開始仿真”按鈕后，根據(jù)界面的參數(shù)設(shè)置調(diào)用后臺的Simulink模型仿真計算該干擾樣式對指定的通信系統(tǒng)的干擾效能，顯示誤碼率和輸出時域、頻域波形等仿真結(jié)果。

2 仿真平臺的實現(xiàn)方法

2.1 通信系統(tǒng)及干擾信號Simulink建模

Simulink是MATLAB中的一個建立系統(tǒng)方框圖和基于方框圖級的系統(tǒng)仿真環(huán)境，是一個對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真并對仿真結(jié)果進行分析的軟件包。使用Simulink可以方便地對通信系統(tǒng)和干擾信號進行可視化建模，并進行基于時間流的系統(tǒng)級仿真，使得仿真系統(tǒng)建模與工程中的方框圖統(tǒng)一起來[4-6]。以直接序列擴頻通信(簡稱直擴通信)為例，介紹通信系統(tǒng)Simulink仿真方法。直擴通信采用高速偽隨機碼作為擴頻碼在發(fā)送端進行擴頻，從而使頻帶較窄的原始信號擴展為頻帶較寬的信號，在接收端用相同的偽隨機碼進行解擴，恢復(fù)出原始信號[7]。直擴信號的類型有很多種，最常用的方式是二進制相移鍵控。直擴二進制相移鍵控(DS-BPSK)通信系統(tǒng)Simulink模型如圖3所示，模型中使用伯努利二進制序列數(shù)作為信息源，使用PN碼作為擴頻碼，調(diào)制載波使用BPSK方式，部分理想化信道和同步。

圖3 DS-BPSK通信系統(tǒng)Simulink模型

其中，伯努利二進制發(fā)生器用以產(chǎn)生{0，1}序列碼，PN序列產(chǎn)生器，用以產(chǎn)生m序列，模型中設(shè)為8階m序列。極性轉(zhuǎn)換器用以將單極性碼{0，1}碼轉(zhuǎn)換為{-1，1}的雙極性碼。正弦信號作為載波信號，幅度默認設(shè)為1，頻率可自由輸入。高斯白噪聲信道(AWGN Channel)模擬高斯信道，默認信噪比(SNR)為10 dB。干擾用以產(chǎn)生干擾信號。模擬濾波器設(shè)置為一階低通濾波器。

通信系統(tǒng)的常見干擾信號有窄帶干擾、寬帶干擾、梳狀干擾、掃頻干擾。以寬帶干擾為例介紹干擾信號Simulink建模方法。寬帶干擾通常采用調(diào)頻制寬帶干擾。寬帶干擾表達式為[8]：

(1)

由此數(shù)學(xué)模型，利用低通濾波后的高斯噪聲對壓控振蕩器進行控制，建立寬帶噪聲信號仿真模型如圖4所示，軟件中該模型顯示在主界面，幫助使用者理解干擾產(chǎn)生原理。

圖4 寬帶干擾Simulink模型

2.2 基于GUI和Simulink的聯(lián)合建模方法

基于可視化建模工具Simulink和圖形用戶界面GUI的聯(lián)合建模方法原理如圖5所示。

圖5 基于GUI和Simulink的仿真平臺設(shè)計原理

在仿真平臺的構(gòu)建中，利用Guide進行用戶界面GUI的設(shè)計，當(dāng)GUI界面上有事件觸發(fā)，即利用M函數(shù)文件對各個模型中的分函數(shù)文件進行調(diào)用，利用這些M函數(shù)文件對Simulink模型進行調(diào)用。所建Simulink模型在封裝時各參數(shù)都以變量形式表示，在不進入Simulink環(huán)境下，采用set_param函數(shù)跨空間將GUI界面中設(shè)置參數(shù)傳遞給Simulink模型計算，實現(xiàn)Simulink與GUI之間的參數(shù)調(diào)用。通過Simulink的仿真，將仿真結(jié)果輸入到MATLAB工作空間workspace，GUI調(diào)用計算結(jié)果顯示圖形輸出和仿真計算結(jié)果。通過GUI和Simulink的結(jié)合，充分地結(jié)合界面操控與模型仿真的優(yōu)點，提高軟件實用性。利用GUI開發(fā)了平臺的圖形用戶界面，利用Simulink構(gòu)建功能級通信和通信干擾仿真模型，將抽象的理論通過圖形方式描述。

3 運用實例

目前，該平臺已用于相關(guān)教學(xué)和科研任務(wù)的通信干擾效能分析中。以寬帶干擾對直接序列擴頻通信系統(tǒng)的干擾為例，寬帶干擾仿真參數(shù)：中心頻率：500 kHz；干擾帶寬100 kHz。在干信比為1的情況下，對該直擴通信系統(tǒng)進行干擾效能仿真，并進行誤碼率測試，通過Simulink仿真得到受干擾前后的通信時域波形仿真結(jié)果如圖6所示，干擾頻域波形如圖7所示。

圖6中由上至下分別是通信信號、寬帶干擾和

圖6 寬帶干擾下的直擴通信波形圖

圖7 寬帶干擾信號頻譜

受干擾后的通信信號波形圖。從圖6可以看出寬帶干擾的時頻域特征及其對直擴通信的影響。通過將輸出結(jié)果傳遞至GUI界面顯示，可以得到圖2中的界面顯示效果。

同時，在干信比為5的情況下，誤碼率為0.02，表明直擴通信具有較好的抗干擾性能，使用者可改變干信比輸入，得出隨著信干比的增大，輸出誤碼率也在逐漸增大，直觀感受干信比對信號傳輸?shù)挠绊憽?/p>

4 結(jié)束語

本文基于GUI和Simulink設(shè)計構(gòu)建了通信對抗效能仿真平臺，以直擴通信的寬帶干擾效能分析為例給出了模型原理和仿真結(jié)果。結(jié)果表明，Matlab GUI/Simulink仿真的引入和結(jié)合，將抽象的概念具體化，使動態(tài)仿真過程與知識邏輯鏈有機融合，可有效回避繁雜公式的推導(dǎo)，直觀改變仿真參數(shù)，得到可視化的仿真結(jié)果，實現(xiàn)對抗評估系統(tǒng)化、便捷化、直觀化，在通信對抗效果評估中具有廣闊的應(yīng)用前景。