“人在回路”制導鏈路仿真

劉 琨，賀知明

（電子科技大學電子工程學院，四川 成都 611731）

0 引言

面對日益復雜的威脅環境，要求戰術導彈末制導具有能夠自主、智能識別目標的能力。但由于識別目標需要計算的數據量很大，不管是計算速度，容量和算法實現起來都很困難。為此，精確制導導彈引入了“人在回路”電視末制導。導彈上的電視導引頭獲取到目標和背景圖像后，通過上行數據鏈傳輸到發射平臺進行處理顯示，控制人員根據圖像選擇控制指令，控制指令再通過下行數據鏈傳輸到導彈的控制器上，導彈即按收到的指令運動和攻擊目標。可以看到“人在回路”制導鏈路實際上是雙向信息傳輸鏈通信系統。系統框圖如圖1所示。

圖1 雙向信息傳輸鏈通信系統

1 系統設計

1.1 圖像處理

導彈一般打擊的目標比較單一，目標的顏色和輪廓也比較明顯，使用黑白電視圖像就能清楚識別。但這樣也面臨處理巨大的數據量，花費很大的傳輸帶寬。因此需要采用數字視頻壓縮技術。加裝攝像頭的導彈高速運動，一些基于運動補償壓縮技術的編碼效果并不明顯，反而會增加處理時間，而從該系統要求視頻圖像的連續性和實時性來說，對連續視頻的每一幀均采用JPEG2000編碼的JPEG2000更適合[1]。

首先將圖像分割成大小相等、相互不重疊的矩形圖像片（Tile）。然后進行直流電平位移操作，目的是去掉圖像片中直流分量，從而使小波變換后系數取正、負值的概率基本相等。接著每個圖像片進行正向離散小波變換(DWT)。它的實質是把原始圖像的像素值矩陣變換成另一個有利于壓縮編碼的系數矩陣。該系統采用了CDF9/7濾波器進行6層小波分解。變換后，系數的總量并未減少，要真正地壓縮數據量，還要對其進行量化，編碼[2]。由于量化可通過塊截斷有效控制，因此子帶b的量化步長的選擇并不如想象中那樣嚴格[3]。一般量化步長。其中Δ是基本量化步長，可通過調整它來實現所需要的整個壓縮碼率或失真級別。一般取Δ= 2-R,R為經過分量變換后系數的比特位深。G 是能量增b益因子，并近似為 G≈22db，d代表子帶b所在的小波變換bb級數。為方便，引入標記χb[n]∈{-1,1}，且，以及，則量化索引。最后將量化后的各子帶分割成互不相交的矩形編碼塊，分別對每個碼塊進行編碼。JPEG2000選用了EBCOT嵌入式編碼方法。使用兩層編碼策略[4]。第一層編碼對碼塊內的小波系數進行嵌入式碼塊編碼，第二層編碼使用碼率控制算法打包比特流。在接收端，圖像的解壓縮解碼基本是壓縮編碼的逆過程。

1.2 擴頻與調制系統

從隱蔽性和抗干擾的角度，該系統選擇了直接序列擴頻和最小鍵控頻移調制體制。在擴頻系統中，發射端用偽隨機碼(PN)將載有信息的信號擴展到某個較寬的帶寬上，然后在信道上進行傳輸。當這個接收信號乘以一個與發射端同步了的PN碼信號時，所期望的信號被解擴回到窄帶帶寬上，而其它干擾信號都被擴頻到一個較寬的帶寬內。這樣通過接收端的濾波器就能得到期望信號。另外，任何不具有該 PN碼序列的其他接收機不可能解出這個信號[5]。擴頻后的信號經過最小移頻鍵控(MSK)調制發射。MSK是二進制連續相位頻移鍵控(FSK)的一種特殊形式，其頻差是滿足兩個頻率相互正交的最小頻差，并要求FSK信號的相位連續[6]。其頻差式中，Ts為輸入數據流的比特寬度。其中，xk是為了保證，時相位連續而加入的相位常量。在給定的頻帶內，MSK能比2PSK的數據傳輸速率更高，且在帶外的頻譜分量要比2PSK衰減的快[7]。

1.3 MATLAB仿真

對于上行鏈路，圖像源采用一幅512×512標準測試灰度圖像“Lenna”，如圖2(a)所示。在實際硬件電路中，如果時鐘為8.33 MHz，完成一幅圖像的壓縮時間為65 ms。小波壓縮解壓縮芯片(如ADV202)可實現壓縮比達350～400∶1。該仿真中設置圖像壓縮比為350：1，這樣碼元速率約為Rb1=300Kb/s。采用Matlab結合Jasper軟件來實現JPEG2000的編解碼。解碼后圖像如圖2(b)所示。

圖2 原始圖像和解壓后圖像

然后進行DS擴頻。擴頻過程就是和PN碼進行逐碼片邏輯異或。選用gold碼[8]，碼長為128bit。經過DS擴頻后，碼元速率變為 Rc1×128 =38.4Mb/s,則擴頻帶寬 B1約為80 MHz。設工作頻率 fc1為20 GHz，碼元寬度 Ts1=1/ Rc1? 2 .6×10-8s。再將單極性碼元變為-1，+1的雙極性碼元并送入MSK調制發射。在信道中加入高斯白噪聲及噪聲調幅干擾[9]，如圖3所示。接收到的信號經過MSK解調，解擴及圖像解碼，即可獲得重構后的圖像。

圖3 噪聲及干擾信號

對于下行鏈路，實現方式與上行鏈路基本相同。只是由randsrc命令生成1，0單極性碼的信源，以此來模擬發射指令。武器系統要求導彈控制指令傳送碼率為 Rb2= 1 2.8Kb/s，gold碼長度選為512bit，則擴頻后碼元速率Rc2= Rb2×512 = 6.55Mb/s，則擴頻帶寬 B2約為13 MHz。工作頻率 fc2設為3 GHz，碼元寬度 Ts2=1/ Rc2? 1 .5×10-7s。

2 性能分析

2.1 干擾容限

干擾容限，是指在保證系統工作正常的條件下，接收機能夠承受的干擾信號比有用信號高出的分貝數，干擾容限直接反映了擴頻系統接收機可能抵抗的極限干擾強度，用jM表示，單位為dB[10]。

式(1)中，Ls為擴頻系統解擴解調的固有處理損耗，它是擴頻信號處理以及工程實現中的誤差對信號造成的損傷而引起的； ( S/N )out為系統正常工作時要求的最小輸出信噪比；GP= ( Rc/ Rb)為系統的處理增益； Rb為信息速率； Rc為偽碼速率。則上下行鏈路處理增益分別為 Gp1= 2 1 dB ，Gp2= 2 7 dB 。假設進入基帶解調器的最小輸出信噪比(S/ N )out= 1 0 dB ；處理損耗 Ls= 3 dB ，將上述參數代入式(1)，得上行鏈路干擾容限 Mj1= 8 dB ；下行鏈路干擾容限Mj2= 1 4 dB 。計算結果說明，要提高擴頻系統的抗干擾能力，就應該提高擴頻系統的處理增益，即可以采用更高位數的擴頻碼以提高偽隨機碼的速率。當處理增益提高到一定程度時，不能再靠提高偽隨機碼速率的方法來提高系統的處理增益，而應考慮用別的辦法，比如可以降低信息速率。

2.2 誤碼率

采用Monte Carlo仿真說明了系統在抑制調幅干擾方面的有效性。對于每個SNR值，發送符號的個數N=10 000。圖4給出了對于擴頻碼位數為128,在3種不同的調幅干擾下所得的仿真結果。圖中還給出當除掉這個干擾時所測得的誤碼率。在這些仿真過程中，加性噪聲的方差都保持不變，產生兩種干擾的高斯白噪聲的方差也不變。

圖4 系統的誤碼率

從圖4中可以看到，在無干擾的情況下，即使是在信噪比很小的條件下，擴頻系統的誤碼率依然很低。加了干擾以后，特別是在大功率的擾下，隨著信噪比的增加，誤碼率會緩慢減小。可以看到擴頻系統的抗干擾性能還是很強的。

3 結語

根據“人在回路”制導鏈路的工作原理提出了一種圖像制導加 DS-MSK通信體制的雙向通信鏈路的建模方案并用MATLAB編程實現[11]。從而建立了一種簡單且有效的信息傳輸鏈路。由于聯系導彈和后方載體平臺的數據鏈回路工作距離可達幾百至上千公里，是一個容易被干擾的環節[12]。因此程序中預留了干擾的接口，這樣就可利用此模型進一步研究數據鏈的抗干擾性能或尋求破壞制導鏈路通信的突破口。另外鏈路中為了仿真方便沒有涉及差錯控制編碼的內容，需要完善。

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