短波通信對抗實踐教學系統的設計

陳英豪 ，洪家平

(湖北師范大學 計算機與信息工程學院，湖北 黃石 435002)

0 概述

在通信基礎理論和概念比較復雜、通信技術飛速發展的背景下，對于通信工程專業的學生而言，學習掌握好通信專業知識是有一定難度的，出于理論性強、跨學科知識面要求廣、概念抽象理解難度大[1]、政策法規制度管理約束等原因，對通信工程專業知識的學習很難建立起現實的感性認識和學習反饋。短時間內系統全面地掌握好相關知識，實踐中熟練地綜合運用也是有較大難度的。

以往對于無線通信系統的實訓，大多以實際搭建電臺，點對點達成通信系統為主要方式[2]。利用實際裝備搭建通信對抗教學平臺來組織實驗教學，會受到以下條件的制約：首先需要大量實際電臺裝備，各類型電臺裝備需要布設到不同的場所，裝備、存放場地空間、維護保養、調試需要耗費大量的財力物力；其次，頻率的使用要受到國家無線電委員會的管控[3]，有一定的協調難度，并且暴露的通信信號以及干擾信號有可能對正常的通信造成影響；再比如，隨著通信的發展，受原有裝備功能的限制，很多復雜以及新型通信制式無法實際驗證。再者，通信對抗實驗的達成需要多個部門、多個崗位協同配合，組織難度很大[4]。另外，無線通信達成受很多客觀自然條件的影響等等。綜上所述，如果組織通信對抗實踐教學，除了要求一定的理論知識積累外，還受更多的環境、條件因素的制約，同時還需要較大的資金投入。

為了規避無線電頻段使用管理規定，同時加強學生對相關通信知識的理解運用，借助智能教學系統即ITS為代表的現代教學手段和技術來解決這一難題無疑將是首選。而短波通信對抗實驗是通信工程專業實驗的一個重要分支，其實驗難度比通信工程專業的一般實驗難度更大。因此，本文提出使用MATLAB軟件實現通信系統仿真[5]，使用Visual C++與MATLAB聯合編程設計一套短波通信對抗虛擬實現的模擬教學系統，為通信工程專業師生提供一個教學和實踐平臺，該系統能夠實現對短波各種通信系統及通信干擾的模擬仿真，促進學生對通信專業知識的理解和實際運用能力；提高學生對無線電磁頻譜的認知能力實際管理能力；通過對抗的方式進一步提高學生對通信資源的綜合組織運用能力[6]。教師通過該平臺，更好地了解掌握學生對通信專業知識的理解掌握情況，有針對性的指導幫助學生提升學習水平，提升教學效果，并且能夠在一定程度上檢驗和評估學生的學習水平和能力。

1 短波通信對抗系統的組成

在現實中，由于短波通信對手、通信對象的復雜性和不確定性，短波通信頻率、通信方式等短波通信要素的不可預知性，造成有效的實施短波通信干擾的難度增大。因此，短波通信對抗不是簡單地使用單一干擾設備實施單一干擾的過程，而是以干擾設備為主體的一個集短波通信偵察、目標識別、指揮控制、通信干擾及干擾效果評估于一體的系統平臺[7]。系統內部高效協調配合，才能實現有效的通信對抗。

短波通信對抗系統一般由指揮控制系統、短波通信偵察系統、短波通信干擾系統以及內部通信系統等部分組成[8]。指揮控制系統主要完成收集偵察系統上報的各類情報、信息和數據；統籌協調系統內部其他系統工作狀態；建立對上通信鏈路，內部通信鏈路；指揮干擾系統實施干擾等任務，同時要具備實時態勢顯示，輔助決策，數據存儲，指揮控制，對抗效果評估等功能[9]。短波通信偵察系統主要完成對短波通信對抗頻段內的通信信號截獲、篩選、通信參數分析測試、短波通信信號測向定位、數據存儲、情況上報等任務，具備無線電磁環境感知，測向定位，數據分析、存儲、上報等功能。短波通信干擾系統主要完成發射短波干擾信號，實施短波通信干擾的任務，具備短波干擾信號調制參數選擇、干擾功率選擇、干擾頻率選擇、干擾方向和干擾天線選擇等功能。

2 短波通信對抗模擬教學系統的硬件結構及原理

短波通信對抗模擬教學系統硬件組成如圖1所示。分別是偵察機柜、分析機柜和干擾機柜等幾個主要部分組成，以實現信息采集、系統控制、系統輸出等功能。其他硬件如面板、操作臺、開關、輸入輸出卡、數據采集卡等設備。

圖1 短波通信對抗模擬教學系統硬件組成原理框圖

通信干擾主要任務是破壞或者降低對方通信系統的工作效能，因此，設計短波通信對抗模擬實驗教學系統，首先要模擬搭建完整的短波通信系統；然后，模擬短波信號在信道傳輸過程中加入各種不同的短波信號實現對敵方通信干擾。在整個過程中通過仿真軟件產生各種通信信號、干擾信號，以及實施干擾后的仿真結果輸出。

根據以上分析，在整個短波通信對抗模擬實驗教學系統設計過程中，有以下幾個關鍵環節：

1)信息采集模擬：即采集系統內部各分系統控制面板、開關的輸入指令信息，控制臺指令信息等；

2)信息輸出模擬：即各分系統的輸出顯示、面板狀態指示燈等信息輸出；

3)信號的仿真模擬：即各種短波模擬、數字信號的仿真模擬；

4)信道的仿真模擬：即短波通信信號實際傳輸的信道的仿真模擬，包括干擾信號的疊加仿真模擬，現實中噪聲的仿真模擬等；

5)信號處理的仿真模擬：即短波數字搜索接收機、短波數字分析接收機等仿真模擬。短波通信對抗原理實現流程圖如圖2所示。

圖2 短波通信對抗實現流程原理圖

3 短波通信對抗系統的干擾仿真設計案例

仿真設計主要通過電腦端音頻采集系統采集一段時長為4s左右的真人語音信號，通過使用MATLAB軟件，采用不同的噪聲信號對原始音頻信號進行疊加干擾仿真試驗。

3.1 對AM模擬通信系統的干擾仿真設計

AM模擬通信系統干擾的系統框圖搭建如圖3所示：對真人語音信號采用DSB AM、DSBSC AM及FM干擾信號進行疊加干擾仿真，圖3是該系統框圖。

圖3 對AM模擬通信系統干擾的系統框圖

3.2 對FM模擬通信系統的干擾仿真設計

對FM模擬通信系統干擾的系統框圖搭建如圖4所示：對真人語音信號采用FM干擾信號進行疊加干擾仿真，圖4是該系統框圖。

圖4 對FM模擬通信系統干擾的系統框圖

3.3 對2FSK數字通信系統的干擾仿真設計

FSK是頻移鍵控的英文縮寫，FSK頻移鍵控的基本原理是利用載波的不同頻率來傳送數字基帶信號信息。當數字基帶信號為二進制時，就稱為2FSK，即二進制頻移鍵控。調制時將“0”和“1”兩個二進制基帶數字信號分別對應兩個載波調制頻率ω1和ω2.對2FSK數字通信系統干擾的系統框圖搭建如圖5所示。

圖5 對2FSK數字通信系統干擾的系統框圖

3.4 對2ASK數字通信系統的干擾仿真設計

ASK即幅移鍵控又稱為振幅鍵控，ASK幅移鍵控的基本原理是利用載波的不同幅值來傳送數字基帶信號信息。當數字基帶信號為二進制時，就稱為2ASK，即二進制幅移鍵控。調制時將“0”和“1”兩個二進制基帶數字信號分別對應兩個載波不同幅值A1和A2.對2ASK數字通信系統干擾的系統框圖搭建如圖6所示。

圖6 對2ASK數字通信系統干擾的系統框圖

4 短波通信對抗模擬教學系統軟件設計

4.1 面板控制功能模塊的軟件設計

根據教學和實際應用的需求，將軟件系統模塊劃分為若干功能子模塊，根據不同功能的模塊設計相對應的界面來實現整個軟件模塊的功能。如圖7所示是面板控制功能模塊軟件控制流程圖。主要工作過程是系統通電自檢后進行系統初始化，然后判斷是否有按鍵按下，如果有按鍵按下，就執行相應的處理。

圖7 面板控制功能模塊軟件控制流程圖

4.2 發射機柜軟件系統設計

如圖8所示是發射機柜模擬臺面板控制功能模塊的軟件流程圖：

圖8 發射機柜模擬臺面板控制功能模塊的軟件流程圖

5 結語

本文給出了一個短波通信對抗實踐模擬教學系統。首先對短波通信對抗模擬教學系統的功能、硬件結構進行了簡要介紹，同時對系統軟件功能設計進行了討論，進而分別對短波通信對抗模擬教學系統中部分模擬信號和數字信號干擾仿真的設計方面進行了詳細的探討。另外，考慮到系統的利用率與功能的拓展性，系統在設計時還可以考慮增加教學考核、故障診斷等功能模塊，進一步貼近教學實踐需求。這樣不僅可使初學者加深對短波通信原理基本理論及基本概念的理解，建立起完整的短波通信系統及短波通信對抗系統概念，同時更加有利于學生理論聯系實際，從系統的高度把握和運用短波通信及其抗干擾技術，還有利于培養學生實踐動手能力和分析解決通信過程中出現的實際問題的能力。