基于Simulink的猝發(fā)通信系統數據鏈系統仿真及性能分析

未來(lái)戰場(chǎng)必是網(wǎng)絡(luò )中心戰格局下的系統一體化作戰，用于制導的武器數據鏈是其中重要一環(huán)。通常武器數據鏈用于傳輸目標信息，信息量小，但要求信息傳輸必須可靠，同時(shí)將來(lái)戰場(chǎng)通信處于復雜的電磁環(huán)境中，要求武器數據鏈必須具備低截獲、抗干擾性能?；诖?，目前的武器數據鏈通常選用擴頻技術(shù)進(jìn)行信息傳送。
　　
　　
1擴頻系統原理
　　
　　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(jìn)行傳輸的一種寬帶信號傳輸方法，它將要發(fā)送的制導信息或導彈回傳信息用偽隨機序列擴展到一個(gè)合適的頻帶上，即將原始信息的能量在頻帶上進(jìn)行擴展，從而降低了信號被發(fā)現的危險，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(jìn)行相關(guān)處理，恢復出原來(lái)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，使落入信號頻帶內的干擾信號功率大大降低，從而提高了系統的輸出信噪比，達到抗干擾目的，同時(shí)擴頻信號在傳輸時(shí)的譜密度很低，可使信號淹沒(méi)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。
　　
　　數據鏈直擴系統原理見(jiàn)圖1。在發(fā)送端信源通過(guò)加密和編碼后的輸出信號a(t)是碼元持續時(shí)間為T(mén)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(mén)c。將信號a(t)與偽隨機碼c(t)進(jìn)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(guò)調制后通過(guò)天線(xiàn)發(fā)射。經(jīng)過(guò)調制后發(fā)送的信號可用式(1)表示：

　　
　　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制信號進(jìn)行相關(guān)解擴，檢測器接收到的擴頻信號可用式(2)表示：

　　
　　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，相當于進(jìn)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(jìn)入信號通頻帶內的干擾功率，使解調器的輸入信干比提高，從而提高了系統的抗干擾能力。
　　
　　擴頻技術(shù)雖然在民用通信領(lǐng)域已獲得廣泛應用，但在導彈武器系統中還沒(méi)有成熟應用。為達到低截獲、抗干擾目的，制導信息采用猝發(fā)傳送，信息傳輸時(shí)間短暫，因而在接收端必須進(jìn)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(shí)間長(cháng)，同時(shí)收發(fā)雙方相對運動(dòng)及造成接收端載波、偽碼的多普勒頻移及一次、二次變化率，導致載波、偽碼同步狀況復雜，為滿(mǎn)足高檢測概率、低漏警概率和快速捕獲時(shí)間，以及滿(mǎn)足彈載設備的小型化要求，彈載接收裝置必須采用高效的同步策略并進(jìn)行相應的算法優(yōu)化、綜合等。

　　
2基于Simulink的系統仿真
　　
　　本文應用Matlab／Simulink軟件平臺構建猝發(fā)通信系統的仿真系統模型；利用Simulink環(huán)境的圖形化建模能力和功能模塊庫開(kāi)發(fā)了同步解調模型庫。通過(guò)在中頻的信道仿真有效地避免了加入載頻所帶來(lái)的高采樣率。通過(guò)仿真驗證了系統設計的正確性，同時(shí)分析了中頻輸入信號強度變化時(shí)，信噪比與捕獲概率的關(guān)系，為系統指標分配提供了依據。
　　
　　2.1Simulink簡(jiǎn)介
　　
　　Simulink作為Matlab的重要組成部分，是交互式動(dòng)態(tài)系統建模、仿真和分析的圖形環(huán)境，是進(jìn)行基于模型的嵌入式系統開(kāi)發(fā)的基礎開(kāi)發(fā)環(huán)境。使用它可以針對通行系統進(jìn)行系統的建模、仿真和分析等工作。
　　
　　Simulink支持線(xiàn)性和非線(xiàn)性系統、連續時(shí)間系統、離散時(shí)間系統、連續和離散混合系統，而且系統可以是多進(jìn)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(lái)表示。用戶(hù)建模通過(guò)簡(jiǎn)單的單擊和拖動(dòng)鼠標的動(dòng)作就能完成，使得建模非常容易，比傳統的仿真軟件包更加直觀(guān)、方便、靈活。

2.2基于Simulink的系統模型組成
　　
　　考慮到加解密迭代基本不牽涉誤碼率問(wèn)題，當以提高系統誤碼率的思想進(jìn)行算法仿真時(shí)，去掉加解密環(huán)節；考慮到射頻的影響主要在于多普勒效應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(lái)的高采樣率問(wèn)題。
　　
　　整個(gè)系統仿真模型由三部分組成：信源信道模塊、快速同步解調處理模塊、驗證處理模塊。系統仿真框圖如圖2所示。

　　
　　(1)信源信道模塊
　　
　　信源信道模塊組成見(jiàn)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(jìn)行信源數據的編碼、擴頻、調制、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，好處是可以根據實(shí)際需求進(jìn)行實(shí)時(shí)修改，而不影響擴頻解擴的算法仿真結構，為將來(lái)的仿真發(fā)展帶來(lái)靈活性。

　　因為要進(jìn)行誤碼率分析，故采用使用頂層M文件生成信息數據并保存至計算機內存，再從內存中讀出數據并進(jìn)行采樣的方式輸出待調制數據。采用AWGNChannel仿真一個(gè)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置：Eb／N0，Es／N0，SNR，本仿真按照SNR的方式設置信道的信噪比。
　　
　　中頻采用70 MHz載波調制輸出。
　　
　　(2)快速同步解調處理模塊
　　
　　是本仿真系統的重點(diǎn)，完成對中頻信號的采樣、下變頻、數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、數據解調、譯碼。其中采樣、下變頻、預處理、數字匹配濾波及功率、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碼跟蹤復雜邏輯采用C語(yǔ)言封裝的Simulink-S函數模塊實(shí)現。
　　
　　(3)驗證處理模塊
　　
　　完成對解調數據的誤碼率判斷，對關(guān)鍵參數的記錄和實(shí)時(shí)事后處理。本模型中每一次仿真的結果，在頂層M文件的控制下保存為相應的*．mat文件，在仿真全部結束后，調用此存儲的文件編程進(jìn)行事后數據處理。
　　
　　仿真原理圖如圖4所示。

　
　　
3仿真結果及性能分析
　　
　　為便于實(shí)現仿真參數的修改，及進(jìn)行批量仿真，仿真模型的參數設置及仿真條件設置全部由頂層M文件實(shí)現。此次仿真主要目的是測試信號不同輸入功率時(shí)，在各信噪比條件下的性能情況。測試結果如下：

　　
　　圖5是輸入信號功率為-20 dBm，信噪比為-16 dB時(shí)的門(mén)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(shí)的門(mén)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(shí)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(shí)，輸入信號強度為0～-30 dBm皆能滿(mǎn)足系統性能要求；信噪比大于-15 dB時(shí)，輸入信號強度為-10～-30 dBm時(shí)，捕獲概率能滿(mǎn)足系統要求；信噪比大于-16 dB時(shí)，輸入信號強度為-20 dBm和-30 dBm時(shí)捕獲概率能滿(mǎn)足系統要求?？紤]到在Simulink環(huán)境下雖然對截位進(jìn)行了模擬，但是實(shí)際硬件運行中還可能產(chǎn)生的其他的影響，故實(shí)際使用仍會(huì )有差異。根據對實(shí)際硬件的測試結果，實(shí)際中頻直擴接收機的性能與仿真結果有3～4 dB的差異，但這種差異是可接受的，仿真結果分析可以為系統指標分配提供了依據。
　　
　　
4系統指標分配淺析
　　
　　通常通信系統的接收方與發(fā)送方有一定的距離，當距離確定時(shí)必須確定接收方的動(dòng)態(tài)范圍，通常接收系統的動(dòng)態(tài)范圍由射頻動(dòng)態(tài)范圍和中頻動(dòng)態(tài)范圍兩部分組成，當折算到中頻解調的信噪比確定時(shí)，則射頻動(dòng)態(tài)范圍也隨之確定。
　　
　　假定一個(gè)接收系統的靈敏度為-100 dBm，動(dòng)態(tài)范圍為90 dB，即系統輸入信號從-10～-100 dBm時(shí)要求接收系統解調數據誤碼率輸出能夠滿(mǎn)足要求，如果系統給中頻分配的指標是輸入信號強度為0 dBm，則射頻的動(dòng)態(tài)范圍就必須為90 dB；如果系統給中頻分配的指標是0～-30 dBm，則射頻的動(dòng)態(tài)范圍則變?yōu)?0 dB。
　　
　　中頻接收機的動(dòng)態(tài)范圍主要取決于A(yíng)／D的動(dòng)態(tài)范圍、信號處理算法及數字處理電路本身的噪聲，由于目前A／D的動(dòng)態(tài)范圍較大，所以實(shí)際中頻接收機的動(dòng)態(tài)范圍主要取決于信號處理算法本身，如整個(gè)系統資源允許的截位處理，有無(wú)內部AGC處理等。
　　
　　通過(guò)仿真分析我們可以看到，如果系統分配性能指標時(shí)，適當挖掘中頻接收機的動(dòng)態(tài)能力，一方面可以相應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(shí)解調數據方能滿(mǎn)足系統要求，而輸入信號為-30 dBm時(shí)可以在信噪比為-16 dB時(shí)仍能滿(mǎn)足系統誤碼率要求，這樣就相當于提高了整個(gè)系統的接收能力；另一方面也減輕了射頻的動(dòng)態(tài)范圍，相應降低了射頻組件的成本。中頻接收機算法的設計通常并不涉及硬件成本，而射頻指標的提升卻必以硬件成本的提升為代價(jià)。因而如果系統合理分配指標，則可以使整個(gè)接收系統的性?xún)r(jià)比得到提高。
　　
　　
5結語(yǔ)
　　
　　在對數據鏈技術(shù)、擴展頻譜通信系統工作原理及Matlab／Simulink功能和特點(diǎn)的介紹的基礎上，應用Matlab／Simulink軟件平臺構建了某猝發(fā)數據鏈通信系統仿真平臺；利用Simulink環(huán)境的圖形化建模能力和完善的功能模塊庫，開(kāi)發(fā)了部件模型庫。雖然本系統的同步算法還有待于進(jìn)一步的優(yōu)化，但通過(guò)對系統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，為系統進(jìn)行組件指標分配提供了依據。