基于Simulink的數據鏈系統仿真及性能分析
摘要： 擴展頻譜(Spread Spectrum)技術是將基帶信號的頻譜擴展至較寬的頻帶上，然后再進行傳輸的一種寬帶信號傳輸方法，它將要發送的制導信息或導彈回傳信息用偽隨機序列擴展到一個合適的頻帶上，即將原始信息的能量在頻帶上進行擴展，從而降低了信號被發現的危險，增加了敵方干擾的難度(需要干擾的范圍變大了)。
Abstract：
Key words :
未來戰場必是網絡中心戰格局下的系統一體化作戰，用于制導的武器數據鏈是其中重要一環。通常武器數據鏈用于傳輸目標信息，信息量小，但要求信息傳輸必須可靠，同時將來戰場通信處于復雜的電磁環境中，要求武器數據鏈必須具備低截獲、抗干擾性能。基于此，目前的武器數據鏈通常選用擴頻技術進行信息傳送。
1擴頻系統原理
擴展頻譜(Spread Spectrum)技術是將基帶信號的頻譜擴展至較寬的頻帶上，然后再進行傳輸的一種寬帶信號傳輸方法，它將要發送的制導信息或導彈回傳信息用偽隨機序列擴展到一個合適的頻帶上，即將原始信息的能量在頻帶上進行擴展，從而降低了信號被發現的危險，增加了敵方干擾的難度(需要干擾的范圍變大了)。
接收端使用與發送端相同的偽隨機序列對接收到的擴頻信號進行相關處理，恢復出原來的信息，干擾信號由于與偽隨機序列不相關，在接收端被擴展，使落入信號頻帶內的干擾信號功率大大降低，從而提高了系統的輸出信噪比，達到抗干擾目的，同時擴頻信號在傳輸時的譜密度很低，可使信號淹沒在噪聲中，不易被敵人截獲、偵測，因而具有較強的低截獲特性。
數據鏈直擴系統原理見圖1。在發送端信源通過加密和編碼后的輸出信號a(t)是碼元持續時間為Ts的信息流，偽隨機碼為c(t)，每一偽隨機碼碼元寬度或切普(chip)寬度為Tc。將信號a(t)與偽隨機碼c(t)進行模2加，產生一速率與偽隨機碼速率相同的擴頻序列，然后再經過調制后通過天線發射。經過調制后發送的信號可用式(1)表示：
在接收端，經放大和混頻后，用與發送端同步的偽隨機序列對中頻的擴頻調制信號進行相關解擴，檢測器接收到的擴頻信號可用式(2)表示：
對于干擾信號和噪聲而言，由于與偽隨機序列不相關，在相關解擴器的作用下，相當于進行了一次擴頻。干擾信號和噪聲頻譜被擴展后，其譜密度降低，這樣就大大降低可進入信號通頻帶內的干擾功率，使解調器的輸入信干比提高，從而提高了系統的抗干擾能力。
擴頻技術雖然在民用通信領域已獲得廣泛應用，但在導彈武器系統中還沒有成熟應用。為達到低截獲、抗干擾目的，制導信息采用猝發傳送，信息傳輸時間短暫，因而在接收端必須進行快速同步。
由于收發雙方的頻率差異造成接收端的初始同步時間長，同時收發雙方相對運動及造成接收端載波、偽碼的多普勒頻移及一次、二次變化率，導致載波、偽碼同步狀況復雜，為滿足高檢測概率、低漏警概率和快速捕獲時間，以及滿足彈載設備的小型化要求，彈載接收裝置必須采用高效的同步策略并進行相應的算法優化、綜合等。
2基于Simulink的系統仿真
本文應用Matlab／Simulink軟件平臺構建猝發通信系統的仿真系統模型；利用Simulink環境的圖形化建模能力和功能模塊庫開發了同步解調模型庫。通過在中頻的信道仿真有效地避免了加入載頻所帶來的高采樣率。通過仿真驗證了系統設計的正確性，同時分析了中頻輸入信號強度變化時，信噪比與捕獲概率的關系，為系統指標分配提供了依據。
2.1Simulink簡介
Simulink作為Matlab的重要組成部分，是交互式動態系統建模、仿真和分析的圖形環境，是進行基于模型的嵌入式系統開發的基礎開發環境。使用它可以針對通行系統進行系統的建模、仿真和分析等工作。
Simulink支持線性和非線性系統、連續時間系統、離散時間系統、連續和離散混合系統，而且系統可以是多進程的。它提供了友好的圖形界面(GUI)，模型由模塊組成的框圖來表示。用戶建模通過簡單的單擊和拖動鼠標的動作就能完成，使得建模非常容易，比傳統的仿真軟件包更加直觀、方便、靈活。
2.2基于Simulink的系統模型組成
考慮到加解密迭代基本不牽涉誤碼率問題，當以提高系統誤碼率的思想進行算法仿真時，去掉加解密環節；考慮到射頻的影響主要在于多普勒效應和射頻器件的熱噪聲，故將其影響直接折算到中頻上，這樣可有效避免射頻帶來的高采樣率問題。
整個系統仿真模型由三部分組成：信源信道模塊、快速同步解調處理模塊、驗證處理模塊。系統仿真框圖如圖2所示。
(1)信源信道模塊
信源信道模塊組成見圖3。主要功能是為產品的算法仿真提供模擬輸入信號，進行信源數據的編碼、擴頻、調制、多普勒頻移及多普勒加速度模擬、信噪比模擬。編碼采用RS編碼，擴頻采用選擇本原多項式和初相的方式選擇合適的m序列作為擴頻碼，好處是可以根據實際需求進行實時修改，而不影響擴頻解擴的算法仿真結構，為將來的仿真發展帶來靈活性。
因為要進行誤碼率分析，故采用使用頂層M文件生成信息數據并保存至計算機內存，再從內存中讀出數據并進行采樣的方式輸出待調制數據。采用AWGNChannel仿真一個加性高斯白噪聲信道。此信道的信噪比可以按照三種方式設置：Eb／N0，Es／N0，SNR，本仿真按照SNR的方式設置信道的信噪比。
中頻采用70 MHz載波調制輸出。
(2)快速同步解調處理模塊
是本仿真系統的重點，完成對中頻信號的采樣、下變頻、數字匹配濾波及功率處理、峰值判斷與頻率搜索、峰值捕獲判斷、PN碼跟蹤及載波同步、數據解調、譯碼。其中采樣、下變頻、預處理、數字匹配濾波及功率、載波同步模塊采用Simulink中的模塊搭建而成，而完成控制部分的峰值判斷與頻率搜索、峰值捕獲判斷、PN碼跟蹤復雜邏輯采用C語言封裝的Simulink-S函數模塊實現。
(3)驗證處理模塊
完成對解調數據的誤碼率判斷，對關鍵參數的記錄和實時事后處理。本模型中每一次仿真的結果，在頂層M文件的控制下保存為相應的*．mat文件，在仿真全部結束后，調用此存儲的文件編程進行事后數據處理。
仿真原理圖如圖4所示。
3仿真結果及性能分析
為便于實現仿真參數的修改，及進行批量仿真，仿真模型的參數設置及仿真條件設置全部由頂層M文件實現。此次仿真主要目的是測試信號不同輸入功率時，在各信噪比條件下的性能情況。測試結果如下：
圖5是輸入信號功率為-20 dBm，信噪比為-16 dB時的門限與峰值關系圖。
圖6是輸入信號功率為-30 dBm，信噪比為-16 dB時的門限與峰值關系圖。
圖7是輸入信號強度分別為0 dBm，-10 dBm，-20 dBm，-30 dBm，-40 dBm時不同信噪比與捕獲概率的關系圖。
從圖7可以看出，信噪比大于-14 dB時，輸入信號強度為0～-30 dBm皆能滿足系統性能要求；信噪比大于-15 dB時，輸入信號強度為-10～-30 dBm時，捕獲概率能滿足系統要求；信噪比大于-16 dB時，輸入信號強度為-20 dBm和-30 dBm時捕獲概率能滿足系統要求?？紤]到在Simulink環境下雖然對截位進行了模擬，但是實際硬件運行中還可能產生的其他的影響，故實際使用仍會有差異。根據對實際硬件的測試結果，實際中頻直擴接收機的性能與仿真結果有3～4 dB的差異，但這種差異是可接受的，仿真結果分析可以為系統指標分配提供了依據。
4系統指標分配淺析
通常通信系統的接收方與發送方有一定的距離，當距離確定時必須確定接收方的動態范圍，通常接收系統的動態范圍由射頻動態范圍和中頻動態范圍兩部分組成，當折算到中頻解調的信噪比確定時，則射頻動態范圍也隨之確定。
假定一個接收系統的靈敏度為-100 dBm，動態范圍為90 dB，即系統輸入信號從-10～-100 dBm時要求接收系統解調數據誤碼率輸出能夠滿足要求，如果系統給中頻分配的指標是輸入信號強度為0 dBm，則射頻的動態范圍就必須為90 dB；如果系統給中頻分配的指標是0～-30 dBm，則射頻的動態范圍則變為60 dB。
中頻接收機的動態范圍主要取決于A／D的動態范圍、信號處理算法及數字處理電路本身的噪聲，由于目前A／D的動態范圍較大，所以實際中頻接收機的動態范圍主要取決于信號處理算法本身，如整個系統資源允許的截位處理，有無內部AGC處理等。
通過仿真分析我們可以看到，如果系統分配性能指標時，適當挖掘中頻接收機的動態能力，一方面可以相應提高中頻接收機的性能，如輸入信號強度為0 dBm，信噪比大于-14 dB時解調數據方能滿足系統要求，而輸入信號為-30 dBm時可以在信噪比為-16 dB時仍能滿足系統誤碼率要求，這樣就相當于提高了整個系統的接收能力；另一方面也減輕了射頻的動態范圍，相應降低了射頻組件的成本。中頻接收機算法的設計通常并不涉及硬件成本，而射頻指標的提升卻必以硬件成本的提升為代價。因而如果系統合理分配指標，則可以使整個接收系統的性價比得到提高。
5結語
在對數據鏈技術、擴展頻譜通信系統工作原理及Matlab／Simulink功能和特點的介紹的基礎上，應用Matlab／Simulink軟件平臺構建了某猝發數據鏈通信系統仿真平臺；利用Simulink環境的圖形化建模能力和完善的功能模塊庫，開發了部件模型庫。雖然本系統的同步算法還有待于進一步的優化，但通過對系統的快速捕獲能力的仿真分析，以及在不同輸入信號強度下信噪比與捕獲概率性能狀況的測試，為系統進行組件指標分配提供了依據。
此內容為AET網站原創，未經授權禁止轉載。