基于Matlab/Simulink的電離層探測系統仿真設計

王寧+楊國斌+劉桐辛+蘭婷+周晨+姜春華

摘 要： 為了評估電離層探測系統性能，研究了電離層信道的傳播特性，完成電離層探測系統的仿真建模及后續的數據處理。系統采用偽隨機二相編碼調制方式，選取Watterson信道模型仿真電離層信道，以超外差接收機和正交解調方式完成回波信號的采集，最后利用武漢大學電離層實驗室的雷達數據處理軟件對得到的數據進行處理，得到高質量的雙時響應圖和散射函數圖。仿真結果驗證電波在電離層中傳播時受到的各項影響，確定系統性能最佳時各模塊的參數，表明該模型能夠用以指導實際電離層探測系統的設計和研發。

關鍵詞： 電離層探測系統； 仿真建模； 偽隨機二相編碼； Watterson信道； 超外差接收機； 正交解調

中圖分類號： TN011+.2?34； TN95 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）06?0001?04

Abstract： To evaluate the performance of ionospheric sounding system and study the propagation feature of ionospheric channels， simulation modeling and subsequent data processing for ionospheric sounding system were achieved. The pseudo?random binary code modulation mode is adopted in the system to select Watterson channel model for simulation of ionospheric channels. Superheterodyne receiver and quadrature demodulation mode are used to complete return signal acquisition. The radar data processing software in the ionosphere laboratory of Wuhan University is used to process the obtained data and obtain the high?quality double?delay response diagram and scattering function diagram. The simulation results verified the influences of radio wave on radio waves propagating in ionosphere， and determined parameters of each module when the system reaches optimum performance， which demonstrates that the model can be used to direct the actual design and development of ionospheric sounding system.

Keywords： ionosphere sounding system； simulation modeling； pseudo?random binary code； Watterson channel； superheterodyne receiver； quadrature demodulation

1925年，美國的G.Breit和M.A.Tuve首次證明了電離層存在，開啟了利用無線電探測技術研究電離層的時代[1]，此后，各種電離層探測技術和設備都得到廣泛發展。與此同時，隨著計算機技術的進步，電離層探測系統的仿真研究也日趨重要。通過建模開發出針對實際系統的軟件仿真模型，能夠對系統的硬件設計和研制提供理論支持，評估系統的各項性能，同時可以從信號級角度上對電波在電離層中傳播的工程化應用問題進行仿真和復現，具有重要的科學應用價值。

目前國內系統仿真的主要平臺有Simulink，ADS，SPW，VC++等，兼顧編程難度、通用性、可擴展性、以及人際交互性等因素，Simulink的應用較為廣泛，是一個提供動態系統建模、仿真和綜合分析的集成環境，具有模塊庫豐富、適應面廣、仿真精細等優點[2]。本文基于Simulink仿真平臺搭建完整的電離層探測系統模型，并展示了相應的仿真結果及數據處理結果，驗證了仿真模型的正確性。

1 系統仿真建模

1.1 仿真模型

圖1為仿真模型整體框圖。電離層探測系統主要包括發射模塊、短波信道模塊和接收機模塊，其中接收機模塊又分為模擬部分和數字部分。發射模塊完成發射信號的產生、調制以及信號功率放大過程，短波信道模塊模擬電離層信道的傳播效應，包括多徑效應、多普勒頻移效應、衰落、噪聲以及各種損耗[3?4]。接收機模塊完成對信號的解調、接收和數據采集，得到的I，Q數據流用于后續的數據處理。

1.2 發射模塊建模

發射模塊建模要考慮到雷達的最大作用距離和距離分辨力兩個特性，脈沖雷達方程和雷達的距離分辨力如下：

[ Rmax=PtτGtσλ2F2tF2r4π3D0kTsBnL14] （1）

[ΔR=cτ2=c2B] （2）

式中：[Pt]是發射功率；[τ]為脈沖寬度；[Gt]為發射天線增益；[Gr]為接收天線增益；[σ]為雷達散射截面；[λ]為信號波長；[Ft]是發射天線到目標的方向圖傳播因子；[Fr]是目標到接收天線的方向圖傳播因子；[k]為波爾茲曼常數；[Ts]為接收系統噪聲溫度；[D0]為可見度系數；[Bn]為帶寬較正系數；[L]為損耗因子；[c]為光速；[B]為發射信號的帶寬[5]；[Ptτ]是發射脈沖能量。由式（1）可以看出脈寬越大，雷達的發射功率越大，最大作用距離也越大。但這同時會造成雷達探測距離分辨力的下降。為了解決這一矛盾，系統采用脈沖壓縮技術，從而使雷達能夠同時獲得較大的作用距離和較高的距離分辨力[6]。脈沖壓縮有相位編碼脈沖和線性調頻脈沖兩種。相對于線性調頻脈沖而言，在電離層狀態變化較平穩，多普勒頻移較小的情況下，二相編碼壓縮脈沖具有較高的距離分辨力，且相比于多相編碼，其復雜性大大降低。因此實際仿真中采用二相編碼脈沖。圖2是發射模塊的Simulink建模。endprint

首先通過脈沖信號與正弦調制信號相乘來實現幅度調制，利用脈沖信號的周期和脈寬設置發射信號的碼寬和脈寬。然后采用偽隨機序列進行調制信號的相位選擇，其中偽隨機m序列的產生可以用Simulink庫的m序列產生器模塊，也可以用延時單元構建反饋移位寄存器來實現。在Matlab函數模塊中編寫的BPSK_a函數用于選擇正弦載波信號的初始相位。由于偽隨機序列具有良好的自相關特性，能夠降低系統發射功率，保證最大主旁瓣峰值比，得到的波形近似一個噪聲調制的信號，使得雷達能夠兼顧速度和距離上的測試精度和分辨力，增強其抗干擾能力，減小多徑造成的影響[7]。

1.3 Watterson信道建模

電離層信道的傳播特征主要有多徑效應、衰落效應、多普勒效應、噪聲和損耗等。本文采用一種窄帶信道模型（Watterson信道模型）來模擬電離層信道。Watterson信道的數學模型的原理是：在窄帶和有限時間的條件下，將時變的非平穩電離層信道看作是平穩的，從而建立一個靜態的模型來模擬電離層信道[8]。

圖3是利用Simulink建模得到的Watterson信道模型。首先將信號進行希爾伯特變換，得到解析信號；然后進行數據格式轉換，將基于采樣的解析信號轉化為基于幀格式的信號，轉換后的信號進入信道特性模塊。Watterson信道模型是利用抽頭時延線來模擬信道的多徑效應，每條路徑可單獨設置響應的時延和增益，增益函數的幅度服從瑞利分布，相位均勻分布。此特性由模型中的瑞利衰落模塊實現，其中各路徑參數輸入都以向量的形式輸入，向量中元素的個數就是信道路徑數；高斯白噪聲模塊的作用是設置信號的信噪比，模擬信道的噪聲，信噪比越小，則信道模型產生的噪聲越大，信號受到噪聲的影響也越大。模型中的三個損耗分別是自由空間傳播損耗，地面反射損耗和額外系統損耗（極化損耗，多徑干涉損耗等）。其中自由空間傳播損耗由收發點的位置確定，地面反射損耗與工作頻率，射線仰角及地面參數有關，額外系統損耗是難以確定的參量，通常取其經驗值，其值一般與探測時間相關。

1.4 接收模塊建模

仿真系統的接收機部分采用超外差結構。首先由接收機模擬前端采用二次混頻方案得到中頻信號；然后由數字中頻模塊經過數字混頻將頻率搬到零中頻；零中頻信號經過抽取濾波，從而轉化為目的基帶信號。計算機后續的軟件處理工作都是圍繞著基帶信號展開的。圖4和圖5分別是接收機模擬端建模和數字中頻模塊建模。

由圖4可知，系統工作在3～30 MHz的短波頻段，接收機模擬端首先通過預選濾波和亞倍頻濾波器組進行濾波，消除不必要的頻率分量，經過直通或高放后輸入第一混頻器單元得到一中頻信號，頻率為41.4 MHz。匹配發射信號的帶寬，一中頻濾波器通帶設置為41.36 ～41.44 MHz，該濾波器能夠抑制混頻器產生的不需要的變頻頻率分量，同時也可以抑制鏡像頻率。一中頻經過濾波放大后進入二混頻器，二混頻器得到的信號經二中頻濾波放大輸出到數字中頻模塊。二中頻頻率為1.4 MHz。

接收機模擬端輸出的信號經過A/D轉換以后進入數字中頻模塊[9]，A/D轉換器采樣率設為10 MHz。圖5是數字中頻模塊的Simulink模型。為了保證對信號進行較好的接收，下變頻的抽取因子設置為256，第一級抽取采用積分梳狀濾波器（CIC）實現，CIC的抽取因子設置為16，第二級抽取由Simulink庫的下采樣模塊實現，抽取因子也是16。數字壓控振蕩器（NCO）相當于一個理想的正余弦函數發生器，其作用是實現相干檢波[10]，防止單路檢波產生的過零點檢測盲相。一路信號和余弦信號進行檢波，得到同相支路I，另一路信號和正弦信號進行檢波，得到正交支路Q，通過這兩路信號，能夠同時提取幅度和相位信息。

2 仿真結果及信號處理

2.1 仿真波形分析

為了測試上述仿真系統的性能，對該仿真系統進行測試，選擇的探測模式及參數設置如下：探測頻率為6 MHz；脈沖寬度[τ=25.6 μs]；二相調制序列為m序列；階數為6；碼寬為10；脈寬為2；傳播路徑數為1；路徑時延為1.28×10-3 s；多普勒頻移為2 Hz；信噪比為10 dB；探測次數為128。圖6是仿真輸出波形。

圖6中：①是發射波形，發射信號采用二相編碼調制方式，占空比為0.2，每個碼元的相位由m序列調制，這種調制方式適合單站探測；②是解調以后的中頻信號，頻率為1.4 MHz，從波形看出，信號經過信道傳輸以后信噪比有所下降，可見信號疊加了噪聲的干擾，并且由于窄帶濾波的影響，波形有一定程度的畸變；③是經過A/D采樣和正交鑒相后得到的基帶I，Q信號，由波形可以看出，該數據流能夠采集到m序列的碼元信息，仿真結果正確。

2.2 數據處理

將仿真得到的I，Q數據流進行相關處理運算得到雙時響應圖和散射函數圖，如圖7所示。

系統距離分辨力的計算公式為[τ?c]。其中[τ]為發射信號的脈沖寬度，c為光速，由此計算出仿真系統的距離分辨力為7.68 km。由圖7a）可以看出，探測次數為128次，在群距離為415 km左右處出現回波信號，同時由圖7b）可以看出，信號的多普勒頻移為2 Hz左右。

雙時響應圖中的群距離由公式[τs?c]決定，[τs]為信號時延。信號時延來自兩部分：一部分是系統時延，約1×10-4；另一部分是信道時延，由信道參數知，信道時延為1.28×10-3，信號時延為兩部分時延之和。經過計算可知回波應出現在415 km左右處，這與圖7a）中的結果是一致的，通過更改信道時延參數可以模擬電離層各層回波信號。Watterson信道中設置的多普勒頻移為2 Hz，這與圖7b）中的結果基本符合，驗證了仿真系統的正確性。endprint

單次探測的距離響應圖和415 km處的多普勒響應圖如圖8所示。

從圖8a）可以看出，一次探測時回波能量在群路徑415 km左右處出現較大值，證明回波信號應出現在415 km左右處。由圖8b）可以看出，在415 km距離處進行多次探測得到的回波多普勒頻移約為2 Hz，仿真結果正確。

3 結 論

基于Matlab/Simulink設計的電離層探測系統仿真模型能夠準確模擬實際電離層探測系統的工作過程和電離層信道的傳播特點，仿真結果正確。在仿真系統搭建和調試過程中通過不斷更改各硬件仿真模塊參數，使系統各項性能達到最優，對實際探測系統研制過程中遇到的調制方式選擇，濾波器帶寬設置，以及解調方式等都提供了借鑒，且仿真成本小、模型清晰、調試方便，因此電離層探測系統的仿真研究能夠為實際系統的研發提供堅實的理論基礎，具有重要的指導意義。

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