基于Simulink的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)仿真及性能分析
摘要： 擴(kuò)展頻譜(Spread Spectrum)技術(shù)是將基帶信號(hào)的頻譜擴(kuò)展至較寬的頻帶上，然后再進(jìn)行傳輸?shù)囊环N寬帶信號(hào)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(jī)序列擴(kuò)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(kuò)展，從而降低了信號(hào)被發(fā)現(xiàn)的危險(xiǎn)，增加了敵方干擾的難度(需要干擾的范圍變大了)。
Abstract：
Key words :
未來戰(zhàn)場(chǎng)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(shí)將來戰(zhàn)場(chǎng)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?；诖?，目前的武器數(shù)據(jù)鏈通常選用擴(kuò)頻技術(shù)進(jìn)行信息傳送。
1擴(kuò)頻系統(tǒng)原理
擴(kuò)展頻譜(Spread Spectrum)技術(shù)是將基帶信號(hào)的頻譜擴(kuò)展至較寬的頻帶上，然后再進(jìn)行傳輸?shù)囊环N寬帶信號(hào)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(jī)序列擴(kuò)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(kuò)展，從而降低了信號(hào)被發(fā)現(xiàn)的危險(xiǎn)，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(jī)序列對(duì)接收到的擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，恢復(fù)出原來的信息，干擾信號(hào)由于與偽隨機(jī)序列不相關(guān)，在接收端被擴(kuò)展，使落入信號(hào)頻帶內(nèi)的干擾信號(hào)功率大大降低，從而提高了系統(tǒng)的輸出信噪比，達(dá)到抗干擾目的，同時(shí)擴(kuò)頻信號(hào)在傳輸時(shí)的譜密度很低，可使信號(hào)淹沒在噪聲中，不易被敵人截獲、偵測(cè)，因而具有較強(qiáng)的低截獲特性。
數(shù)據(jù)鏈直擴(kuò)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(hào)a(t)是碼元持續(xù)時(shí)間為Ts的信息流，偽隨機(jī)碼為c(t)，每一偽隨機(jī)碼碼元寬度或切普(chip)寬度為Tc。將信號(hào)a(t)與偽隨機(jī)碼c(t)進(jìn)行模2加，產(chǎn)生一速率與偽隨機(jī)碼速率相同的擴(kuò)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(hào)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(jī)序列對(duì)中頻的擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)，檢測(cè)器接收到的擴(kuò)頻信號(hào)可用式(2)表示：
對(duì)于干擾信號(hào)和噪聲而言，由于與偽隨機(jī)序列不相關(guān)，在相關(guān)解擴(kuò)器的作用下，相當(dāng)于進(jìn)行了一次擴(kuò)頻。干擾信號(hào)和噪聲頻譜被擴(kuò)展后，其譜密度降低，這樣就大大降低可進(jìn)入信號(hào)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。
擴(kuò)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(dá)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(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(zhǎng)，同時(shí)收發(fā)雙方相對(duì)運(yùn)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(dǎo)致載波、偽碼同步狀況復(fù)雜，為滿足高檢測(cè)概率、低漏警概率和快速捕獲時(shí)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(jìn)行相應(yīng)的算法優(yōu)化、綜合等。
2基于Simulink的系統(tǒng)仿真
本文應(yīng)用Matlab／Simulink軟件平臺(tái)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(kù)開發(fā)了同步解調(diào)模型庫(kù)。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(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性，同時(shí)分析了中頻輸入信號(hào)強(qiáng)度變化時(shí)，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)。
2.1Simulink簡(jiǎn)介
Simulink作為Matlab的重要組成部分，是交互式動(dòng)態(tài)系統(tǒng)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(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)開發(fā)環(huán)境。使用它可以針對(duì)通行系統(tǒng)進(jìn)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(shí)間系統(tǒng)、離散時(shí)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(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表示。用戶建模通過簡(jiǎn)單的單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)的動(dòng)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。
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(jìn)行算法仿真時(shí)，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(gè)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(yàn)證處理模塊。系統(tǒng)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圖3。主要功能是為產(chǎn)品的算法仿真提供模擬輸入信號(hào)，進(jìn)行信源數(shù)據(jù)的編碼、擴(kuò)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(kuò)頻采用選擇本原多項(xiàng)式和初相的方式選擇合適的m序列作為擴(kuò)頻碼，好處是可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行實(shí)時(shí)修改，而不影響擴(kuò)頻解擴(kuò)的算法仿真結(jié)構(gòu)，為將來的仿真發(fā)展帶來靈活性。
因?yàn)橐M(jìn)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(jì)算機(jī)內(nèi)存，再?gòu)膬?nèi)存中讀出數(shù)據(jù)并進(jìn)行采樣的方式輸出待調(diào)制數(shù)據(jù)。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(shè)置：Eb／N0，Es／N0，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(diǎn)，完成對(duì)中頻信號(hào)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(shí)現(xiàn)。
(3)驗(yàn)證處理模塊
完成對(duì)解調(diào)數(shù)據(jù)的誤碼率判斷，對(duì)關(guān)鍵參數(shù)的記錄和實(shí)時(shí)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(chǔ)的文件編程進(jìn)行事后數(shù)據(jù)處理。
仿真原理圖如圖4所示。
3仿真結(jié)果及性能分析
為便于實(shí)現(xiàn)仿真參數(shù)的修改，及進(jìn)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(shí)現(xiàn)。此次仿真主要目的是測(cè)試信號(hào)不同輸入功率時(shí)，在各信噪比條件下的性能情況。測(cè)試結(jié)果如下：
圖5是輸入信號(hào)功率為-20 dBm，信噪比為-16 dB時(shí)的門限與峰值關(guān)系圖。
圖6是輸入信號(hào)功率為-30 dBm，信噪比為-16 dB時(shí)的門限與峰值關(guān)系圖。
圖7是輸入信號(hào)強(qiáng)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(hào)強(qiáng)度為0～-30 dBm皆能滿足系統(tǒng)性能要求；信噪比大于-15 dB時(shí)，輸入信號(hào)強(qiáng)度為-10～-30 dBm時(shí)，捕獲概率能滿足系統(tǒng)要求；信噪比大于-16 dB時(shí)，輸入信號(hào)強(qiáng)度為-20 dBm和-30 dBm時(shí)捕獲概率能滿足系統(tǒng)要求?？紤]到在Simulink環(huán)境下雖然對(duì)截位進(jìn)行了模擬，但是實(shí)際硬件運(yùn)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(jù)對(duì)實(shí)際硬件的測(cè)試結(jié)果，實(shí)際中頻直擴(kuò)接收機(jī)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)。
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(shí)必須確定接收方的動(dòng)態(tài)范圍，通常接收系統(tǒng)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(dāng)折算到中頻解調(diào)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(tǒng)的靈敏度為-100 dBm，動(dòng)態(tài)范圍為90 dB，即系統(tǒng)輸入信號(hào)從-10～-100 dBm時(shí)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(hào)強(qiáng)度為0 dBm，則射頻的動(dòng)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(dòng)態(tài)范圍則變?yōu)?0 dB。
中頻接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍主要取決于A／D的動(dòng)態(tài)范圍、信號(hào)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(dòng)態(tài)范圍較大，所以實(shí)際中頻接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍主要取決于信號(hào)處理算法本身，如整個(gè)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(shí)，適當(dāng)挖掘中頻接收機(jī)的動(dòng)態(tài)能力，一方面可以相應(yīng)提高中頻接收機(jī)的性能，如輸入信號(hào)強(qiáng)度為0 dBm，信噪比大于-14 dB時(shí)解調(diào)數(shù)據(jù)方能滿足系統(tǒng)要求，而輸入信號(hào)為-30 dBm時(shí)可以在信噪比為-16 dB時(shí)仍能滿足系統(tǒng)誤碼率要求，這樣就相當(dāng)于提高了整個(gè)系統(tǒng)的接收能力；另一方面也減輕了射頻的動(dòng)態(tài)范圍，相應(yīng)降低了射頻組件的成本。中頻接收機(jī)算法的設(shè)計(jì)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(jià)。因而如果系統(tǒng)合理分配指標(biāo)，則可以使整個(gè)接收系統(tǒng)的性價(jià)比得到提高。
5結(jié)語
在對(duì)數(shù)據(jù)鏈技術(shù)、擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)工作原理及Matlab／Simulink功能和特點(diǎn)的介紹的基礎(chǔ)上，應(yīng)用Matlab／Simulink軟件平臺(tái)構(gòu)建了某猝發(fā)數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)仿真平臺(tái)；利用Simulink環(huán)境的圖形化建模能力和完善的功能模塊庫(kù)，開發(fā)了部件模型庫(kù)。雖然本系統(tǒng)的同步算法還有待于進(jìn)一步的優(yōu)化，但通過對(duì)系統(tǒng)的快速捕獲能力的仿真分析，以及在不同輸入信號(hào)強(qiáng)度下信噪比與捕獲概率性能狀況的測(cè)試，為系統(tǒng)進(jìn)行組件指標(biāo)分配提供了依據(jù)。
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