“人在回路”數據鏈建模與Simulink動態仿真＊

張 良 劉 勇

（92941部隊93分隊 葫蘆島 125000）

1 引言

面對當前日益復雜的威脅環境，戰術導彈采用“人在回路”制導控制可有效解決目標識別計算數據量大，計算速度，容量和算法實現困難的問題。“人在回路”數據鏈所使用的擴展頻譜通信技術是一種非常重要的抗干擾通信技術，目前已被廣泛運用在軍事通信系統中，它與光纖通信、衛星通信，一同被譽為信息時代的三大高技術通信傳輸方式。直擴系統，即直接序列擴頻通信系統作為擴頻通信的一種，在超長波對潛通信、艦艇戰術衛星通信和“人在回路”制導控制等領域中得到了廣泛應用［1］。Matlab是美國Mathworks公司推出的語言軟件，Simulink是Matlab軟件包中最重要的功能模塊之一，是交互式、模塊化的建模和仿真的動態分析系統。因此，利用Matlab語言及其Simulink工具箱對“人在回路”數據鏈進行仿真和分析是非常方便有效的［2］。

2 “人在回路”數據鏈建模

直擴系統是“人在回路”數據鏈經常采用的一種傳輸系統，是用待傳輸的信息信號與高速率的偽隨機碼波形相乘后，去直接控制載波信號的某個參量，來擴展傳輸信號的帶寬［3］。一般情況下直接序列調制均采用PSK調制方式，而較少采用FSK或ASK。在利用Simulink仿真工具搭建“人在回路”仿真模型時，采用的調制方式是二相相移鍵控（BPSK）。

2.1 系統仿真構成

采用直擴系統的“人在回路”數據鏈的總體仿真包括發送端、信道及接收端三大部分。圖1給出了直擴系統仿真的原理框圖。

圖1 直擴系統原理框圖

發送端首先對信源出來的原始數據信號依次進行LDPC信道編碼、直接序列擴頻調制、BPSK調制，然后送入信道，信號在信道中加入高斯白噪聲和窄帶單頻干擾［4］。接收端收到信號后，首先將信號送入干擾抑制模塊，然后進行同步（包括PN碼捕獲和PN碼跟蹤），在同步之后完成解擴，再經解調得到基帶數據，最后通過LDPC譯碼，恢復出發送的原始信息序列［5］。下面就整體系統仿真中載波調制、窄帶干擾信道和干擾抑制這三個關鍵模塊加以詳細分析，并完成模塊的仿真。

2.2 載波調制模塊的設計與仿真

在擴頻系統中，擴頻信號是通過載波調制后發送到信道中去的，在直接序列擴頻中，通常采用的調制方式是二相相移鍵控（BPSK），較為復雜的是四相相移鍵控（QPSK）。由于平衡調制可以抑制載波，使干擾者難以實現瞄準式干擾，而發送者可以用較多的功率來傳輸信號，并且做到在一定的帶寬內發射效率最高，因此擴頻系統中常采用相移鍵控。BPSK是擴頻系統中最為常用的一種調制方式。設擴頻碼為c（t），載波頻率為ω0，調相波可表示為

式中，φ是相位調制指數。若規定在擴頻碼序列中，當c（t）＝0時，φc（t）＝0時；當c（t）＝1時，φc（t）＝π，這種調制就成為二相相移鍵控［6］。

在實際運用中，擴頻碼通常采用雙極性，即c（t）＝｛－1，＋1｝，因此BPSK擴頻調制信號可以表示成為

如果考慮信息碼為d（t），則直擴系統的BPSK調制輸出為

BPSK擴頻調制器如圖2所示。其中調制器采用的是平衡調制器，載波平衡對稱輸入，能抑制載波。

下面對載波調制模塊進行設計與仿真，在Simulink常見模塊組的Sources組里選擇Sine Wave模塊作為載波信號，正弦波幅度設為1V，載波頻率設為510kHz，正弦波初始相位設為pi。pn＿mod＿out.mat為擴頻調制輸出文件作為信號源。搭建仿真模型如圖3，得到bpsk＿mod調制模塊。圖中的所有零階保持器（Zero－Order Hold）模塊的采樣率均設置為1／5.1e6。

圖2 BPSK調制器

圖3 BPSK擴頻調制仿真模塊

2.3 窄帶干擾信道模塊的設計與仿真

在抗干擾技術研究中，首先需要建立實際中遇到干擾信號的近似模型，從不同的窄帶干擾模型出發，可以得到不同的干擾抑制方法，并且干擾模型越接近實際干擾信號，相應算法對干擾的抑制效果也就越好。目前，抗干擾研究中常用的窄帶干擾模型主要有音頻干擾、AR模型干擾和隨機二元碼調制信號三種［7］。音頻（單音或多音）干擾是最簡單，也是DSSS系統抗干擾中應用最多的窄帶干擾模型，音頻窄帶干擾信號可建模為Q個（復）正弦信號之和，其數學表達式為

式中，Pl和fl分別代表第l個正弦波的功率和歸一化頻率；｛θl｝為在區間［0，2π）上均勻分布的隨機相位［9］。音頻干擾的功率譜為

信道原理圖如圖4所示。調制信號在信道中加入高斯白噪聲和窄帶單頻干擾。

圖4 信道原理圖

信道仿真框圖設計如圖5所示。3個零階保持器模塊的采樣率均設置為1／5.1e6，AWGN Channel為高斯白噪聲信道，Sine Wave為單音窄帶干擾模塊。

圖5 信道仿真框圖

2.4 干擾抑制模塊的設計與仿真

針對“人在回路”數據鏈可用的干擾很多，如寬帶干擾、窄帶干擾、掃頻干擾、梳狀干擾和轉發式干擾等。窄帶干擾是一種干擾頻帶相對有用信號窄得多的干擾形式，一般是人為產生的，尤其在軍事的電子戰中用得更多。相比其他幾種干擾來說，窄帶干擾的功率最強，它能把有限的干擾功率集中于若干頻點，而其他幾種干擾的功率在信號頻段上則相對分散得多。因此，窄帶干擾一旦干擾成功，將對己方的數據鏈造成嚴重影響。干擾抑制技術的實現方法很多，從最簡單的信號處理技術到一些最先進的處理方法，已建立了豐富的方法論體系。系統仿真中用到的窄帶干擾抑制技術是重疊變換FFT頻域陷波算法。該算法在傳統頻域陷波技術的基礎上進行了加窗處理和重疊變換，使干擾抑制后的信號損傷降至最小，抗干擾性能得到極大提升。

FFT重疊變換干擾抑制算法的原理是窄帶干擾相對于擴頻信號能量集中在很窄的頻帶內，在頻域上就表現為很窄的尖峰，所以可以先將混合信號變換到頻域，檢測出干擾的頻譜位置，將這些譜線去掉或進行衰減，最后把變換還原成時域信號進行解擴。其原理框圖如圖6所示。

圖6 頻域陷波技術的實現框圖

下面以FFT重疊變換干擾抑制算法為例進行設計，FFT陷波模塊框圖如圖7所示。firstroad～fourthroad每條支路的內部組成基本與圖6相同。由信道過來的含高斯白噪聲和窄帶干擾的信號由In1輸入頻域陷波算法模塊，消除窄帶干擾后的信號由Out1輸出。Add1為加法器，功能是將時域對齊的4條支路信號合并相加輸出。

圖7 FFT重疊變換干擾抑制模塊

3 Simulink動態仿真實現

直擴系統仿真框圖如圖8所示。其中bpsk＿mod模塊為BPSK擴頻調制模塊，channel模塊為信道模塊，anti＿interference模塊為抗干擾模塊，pn＿dopple模塊完成了多普勒頻移估計和PN碼同步，carrier＿demod模塊為載波解調模塊。

仿真主要參數如下：數據碼速率為666b／s；信道編碼方式為LDPC（756，3，9）碼，碼率2／3，編碼后碼速率1kb／s；擴頻調制PN碼碼長為255bit；BPSK調制載頻為510kHz；信道信噪比為10dB，信干比為－30dB；PN碼同步時間為兩個數碼碼片（0.2ms）內。通信系統中常用的性能指標之一是誤碼率，但它是基于統計量而言，不僅仿真時間長，而且會耗費大量的系統資源。為了能在短時間內即可以觀察到擴頻系統的仿真結果，本文不采用誤碼率而用誤碼個數作為擴頻系統仿真的一個指標。仿真結果如圖9～圖14所示。

圖8 直擴通信系統仿真框圖

圖9 調制后信號頻譜圖

圖10 經信道后信號頻譜圖

圖11 抗干擾后信號頻譜圖

圖12 解擴后信號頻譜圖

圖13 經過縮放的擴頻調制前輸入波形

圖14 經過縮放的最終解調輸出波形

從圖9可以看出，經過BPSK調制后信號中心頻率被搬移到510kHz處。從圖10可以看出，調制信號的頻譜中混雜了大量的高斯白噪聲，且在調制信號的載波頻率510kHz處可以清晰地看到一個頻譜的尖峰，這個尖峰代表了窄帶干擾的頻譜量，其能量遠遠超過調制信號，此時如果不加抗干擾措施，系統將無法正常工作。從圖11可以看出，去干擾后中心頻率為510kHz已無明顯窄帶干擾分量。從圖12可以看出，解擴后在510kHz處已恢復出有用信號。圖13為經過縮放的擴頻調制前輸入波形。從圖14可以看出，最終得到的包絡信號含有噪聲信息，其分布在［－2，2］區間，結果符合解調要求，成功解調，對比圖13可以看出，去掉系統本身的時延，仿真得到的最終解調輸出信號波形包絡與原始信息包絡基本吻合，因此仿真達到預期目標。程序運行結果如圖15所示，圖中“derr”表示譯碼前錯誤位數，“err”表示LDPC譯碼過后錯誤位數。

圖15 譯碼后的誤碼個數

4 結語

本文通過Simulink搭建了采用直擴系統的“人在回路”數據鏈的仿真模型，并對載波調制、窄帶干擾信道和干擾抑制這三個關鍵模塊的設計仿真進行了詳細說明，仿真結果及譯碼后的誤碼個數表明該仿真逼近真實環境，符合預期結果。為后續分析“人在回路”數據鏈抗干擾能力，進行“人在回路”數據鏈抗干擾試驗研究提供了理想的試驗模型，是一種方便、可靠的試驗輔助手段。

［1］［美］Peterson Roger L，Ziemer Rodger E，Borth David E.擴頻通信導論［M］.沈麗麗，侯永宏，馬蘭譯.北京：電子工業出版社，2006.

［2］［美］約翰·G，普羅克斯（John G Proakis），馬蘇德·薩勒赫（Masoud Salehi）.現代通信系統—使用 MATLAB［M］.劉樹棠譯.西安：西安交通大學出版社，2001.

［3］田日才.擴頻通信［M］.北京：清華大學出版社，2007，4.

［4］袁東風，張海剛，等.LDPC碼理論與應用［M］.北京：人民郵電出版社，2008.

［5］趙剛.擴頻通信系統實用仿真技術［M］.北京：國防工業出版社，2009，（10）.

［6］王燕，等.BPSK信號盲SNR估計方法的分析仿真及性能比較［J］.四川大學學報（自然科學版），2008，45（9）.

［7］張邦寧，等.通信抗干擾技術［M］.北京：機械工業出版社，2006.

［8］周進，張曦，劉宏波.基于OMNeT＋＋的數據鏈分布式仿真設計與實現［J］.計算機與數字工程，2013，41（5）.

［9］吳文英，等.直擴通信系統中自適應窄帶干擾抑制技術研究［J］.四川大學學報（自然科學版），2008，45（9）.