光電雷達系統二進制數字傳輸特性研究

戚士斌

摘要：光電雷達整體組件將方位、俯仰信息轉化為二進制代碼，傳輸給機載計算機處理后再映射為雙極性碼元，通過計算機進行模/數轉換為二進制信息碼送往其他交聯設備。受元器件電子熱運動、傳輸電纜老化等影響，傳輸信號可能嚴重畸形，造成誤碼率升高，實際抽樣判決值不僅有本碼元的值，還有其他碼元在該碼元抽樣時刻的串擾值及噪聲。接收端能否正確恢復信息，在于能否有效抑制噪聲和減小碼間串擾。本文結合實際故障，簡要分析在光電雷達系統中，二進制數字信號的傳輸特性，并對傳輸過程進行了仿真分析，可為相關故障的分析提供參考。

關鍵詞：光電雷達；二進制傳輸；串擾；誤碼率

Keywords：photoelectric radar；binary digital transmission；crosstalk；error rate

1 故障概述

一架某型飛機火控專業調試時，打開火控雷達系統的搜索瞄準開關，前座艙狀態控制臺置于“光學雷達”位置，待系統運行穩定后，將左起落架艙的控制開關轉到“接通光電瞄準”位置時，平視顯示器和多功能顯示器上的俯仰標尺直接跳至上極限位置，與正常狀態俯仰標尺應指示在中間位置（零位）不符。調整狀態控制臺上的高度差旋鈕（ΔΗ），俯仰標尺無變化。先后串裝了合格交付的光電雷達整體組件、計算機輸入輸出部件、2號機載計算機、信號形成部件后，故障依舊存在。再次串裝其他架次飛機的計算機輸入輸出部件后，多次通電故障未復現。

2 光電雷達工作原理

某型飛機的火力控制系統主要包括雷達火控系統和光電火控系統，其中，光電火控系統主要由光電雷達整體組件、2號機載計算機（包括計算機輸入輸出部件）以及其他控制附件。光電雷達整體組件通過插頭X16的1、2號針將光電雷達的狀態信息傳給2號機載計算機，經2號機載計算機處理后由計算機輸入輸出部件轉換后傳輸到顯示系統。2號機載計算機接收到經過計算機輸入輸出部件轉換的一次性指令，通過Ш4號插頭的7、8號針傳給光電雷達整體組件，以便控制光電雷達的掃描。信號傳輸過程中，計算機輸入輸出部件是很重要的“信息傳遞者”，用于保證2號機載計算機與外圍設備之間的信息交換及2號機載計算機與火力控制系統之間的設備交聯。計算機輸入輸出部件由串/并轉換器、A/D和D/A轉換器、交換器模塊、帶電源模塊的框架組成，主要完成：

1）將輸入到計算機輸入輸出部件輸入端的模擬信號轉換成并行碼，并將其傳送到2號機載計算機中。

2）接收由2號機載計算機輸出的并行碼數據，并轉換成模擬信號發送到外圍設備。

3）接收來自于外圍設備的雙極性串行數據，并將其轉換成并行碼傳送到2號機載計算機。

4）接收來自于2號機載計算機的并行碼信號，并將其轉換成一次性指令信號傳送到外圍設備。

2號機載計算機將計算機輸入輸出部件送來的信息解算后，輸出到其他設備或控制光電雷達工作。2號機載計算機主要包括中央處理器、轉換控制設備、非穩壓整流器以及一些導線束。其中，轉換控制設備是2號機載計算機的重要組成部分，包括：

1）輸入—輸出處理器部件，通過32位串行碼、16位并行碼組織計算機與外圍設備之間的協同工作。

2）接口部件，轉接與機載計算機輸入端相連的輸入線和輸出線，將雙極性串行碼變成單極性串行碼，將輸出信息的單極性串行碼變為雙極性串行碼。

3）交換部件，在外圍設備交換信息時，用于串行碼與并行碼之間的切換。

因此，整個光電雷達系統的信息傳輸特性可簡化為圖1。

在信號的傳輸過程中，電阻性元器件中電子的熱運動會產生熱噪聲，由于在一般的通信系統的工作頻率范圍內熱噪聲的頻譜是均勻分布的，而且熱噪聲是由大量自由電子的運動產生的，其統計特性服從高斯分布，因此，通常將熱噪聲稱為高斯白噪聲[1]。

綜上所述，光電雷達系統可以簡化為一個引入了高斯噪聲的二進制傳輸系統，如圖2所示。

從圖2可以看出，光電雷達將含有方位、俯仰偏移量的信息轉換為2號機載計算機能夠識別的二進制碼，并由2號機載計算機對信息進行處理。為了傳輸的穩定性，在傳輸到計算機輸入輸出部件之前，要將2號機載計算機輸出的二進制碼映射為雙極性串行碼。計算機輸入輸出部件接收到雙極性串行碼后，需要對信號進行采樣、判決，最后通過總線將信息傳輸到其他交聯系統中。

3 傳輸特性分析

在通信系統中，E/n0又稱為信噪比（SNR）。由式（11）可知，在發送概率相等且在最佳門限電平下，雙極性數字傳輸系統的總誤碼率僅依賴于傳輸系統的信噪比，而與采用什么樣的信號形式無關。誤碼率Pe與信噪比E/n0的關系如圖4所示。

從圖4可以看出，當信噪比E/n0較小時，互補誤差函數（erfc）逐漸趨向于1，導致誤碼率就越趨向于0.5；隨著信噪比的增大，誤碼率呈現降低的趨勢；當信噪比提高到特定值時，誤碼率急劇下降，且E/n0比值越大，誤碼率Pe就越小。

4 仿真驗證

本文對二進制數字傳輸系統的傳輸特性進行matlab仿真[3]。假設發送端的信息為0、1二進制代碼，映射為單位雙極性碼，傳輸的過程中引入均值為0、方差為1的高斯白噪聲，其離散信號如圖5所示。

為了說明強噪聲對二進制數字傳輸特性的影響，分別仿真了在SNR=1dB、SNR=6dB、SNR=10dB時接收端對信號的復原情況，仿真結果如圖6、圖7、圖8所示。

仿真結果表明，二進制數字傳輸系統在傳輸二進制碼元的過程中，當SNR=1dB，強噪聲會影響接收端對信號的判決，使得接收端對傳輸信號碼元復現能力差；隨著信噪比的提高（SNR=6dB），接收端對傳輸信號碼元的復現能力有所提高，但噪聲還是會對某一時刻的碼元產生干擾，影響接收；當信噪比達到一定程度時（SNR=10dB），接收端能夠完成復現傳輸信號碼元。

5 結論

本文對光電雷達系統的二進制數字傳輸特性進行分析，采用數理統計的方式給出了二進制碼元的概率密度，并推導出二進制信號碼元在傳輸過程中的誤碼率情況。在光電雷達系統中，電子元器件中電子的無規則運動產生熱噪聲，引入高斯噪聲，建立光電雷達系統二進制數字傳輸模型，并對其進行matlab仿真。為了說明噪聲對二進制數字傳輸特性的影響，分別仿真了不同信噪比下接收端對信號碼元的復原情況。仿真結果表明，由于系統中噪聲的影響，使得傳輸的有效信號發生畸變，接收端抽樣判決時產生誤碼，導致二進制數字傳輸系統的可靠性下降。

參考文獻

[1]樊昌信.通信原理[M].第5版.北京：國防工業出版社，2006.

[2]趙穎.應用數理統計[M].北京：北京理工大學出版社，2008.

[3]孫祥. matlab 7.0基礎教程[M].北京：清華大學出版社，2005.