“人在回路”数据链建模与Simulink动态仿真＊

张 良 刘 勇

（92941部队93分队 葫芦岛 125000）

1 引言

面对当前日益复杂的威胁环境，战术导弹采用“人在回路”制导控制可有效解决目标识别计算数据量大，计算速度，容量和算法实现困难的问题。“人在回路”数据链所使用的扩展频谱通信技术是一种非常重要的抗干扰通信技术，目前已被广泛运用在军事通信系统中，它与光纤通信、卫星通信，一同被誉为信息时代的三大高技术通信传输方式。直扩系统，即直接序列扩频通信系统作为扩频通信的一种，在超长波对潜通信、舰艇战术卫星通信和“人在回路”制导控制等领域中得到了广泛应用［1］。Matlab是美国Mathworks公司推出的语言软件，Simulink是Matlab软件包中最重要的功能模块之一，是交互式、模块化的建模和仿真的动态分析系统。因此，利用Matlab语言及其Simulink工具箱对“人在回路”数据链进行仿真和分析是非常方便有效的［2］。

2 “人在回路”数据链建模

直扩系统是“人在回路”数据链经常采用的一种传输系统，是用待传输的信息信号与高速率的伪随机码波形相乘后，去直接控制载波信号的某个参量，来扩展传输信号的带宽［3］。一般情况下直接序列调制均采用PSK调制方式，而较少采用FSK或ASK。在利用Simulink仿真工具搭建“人在回路”仿真模型时，采用的调制方式是二相相移键控（BPSK）。

2.1 系统仿真构成

采用直扩系统的“人在回路”数据链的总体仿真包括发送端、信道及接收端三大部分。图1给出了直扩系统仿真的原理框图。

图1 直扩系统原理框图

发送端首先对信源出来的原始数据信号依次进行LDPC信道编码、直接序列扩频调制、BPSK调制，然后送入信道，信号在信道中加入高斯白噪声和窄带单频干扰［4］。接收端收到信号后，首先将信号送入干扰抑制模块，然后进行同步（包括PN码捕获和PN码跟踪），在同步之后完成解扩，再经解调得到基带数据，最后通过LDPC译码，恢复出发送的原始信息序列［5］。下面就整体系统仿真中载波调制、窄带干扰信道和干扰抑制这三个关键模块加以详细分析，并完成模块的仿真。

2.2 载波调制模块的设计与仿真

在扩频系统中，扩频信号是通过载波调制后发送到信道中去的，在直接序列扩频中，通常采用的调制方式是二相相移键控（BPSK），较为复杂的是四相相移键控（QPSK）。由于平衡调制可以抑制载波，使干扰者难以实现瞄准式干扰，而发送者可以用较多的功率来传输信号，并且做到在一定的带宽内发射效率最高，因此扩频系统中常采用相移键控。BPSK是扩频系统中最为常用的一种调制方式。设扩频码为c（t），载波频率为ω0，调相波可表示为

式中，φ是相位调制指数。若规定在扩频码序列中，当c（t）＝0时，φc（t）＝0时；当c（t）＝1时，φc（t）＝π，这种调制就成为二相相移键控［6］。

在实际运用中，扩频码通常采用双极性，即c（t）＝｛－1，＋1｝，因此BPSK扩频调制信号可以表示成为

如果考虑信息码为d（t），则直扩系统的BPSK调制输出为

BPSK扩频调制器如图2所示。其中调制器采用的是平衡调制器，载波平衡对称输入，能抑制载波。

下面对载波调制模块进行设计与仿真，在Simulink常见模块组的Sources组里选择Sine Wave模块作为载波信号，正弦波幅度设为1V，载波频率设为510kHz，正弦波初始相位设为pi。pn＿mod＿out.mat为扩频调制输出文件作为信号源。搭建仿真模型如图3，得到bpsk＿mod调制模块。图中的所有零阶保持器（Zero－Order Hold）模块的采样率均设置为1／5.1e6。

图2 BPSK调制器

图3 BPSK扩频调制仿真模块

2.3 窄带干扰信道模块的设计与仿真

在抗干扰技术研究中，首先需要建立实际中遇到干扰信号的近似模型，从不同的窄带干扰模型出发，可以得到不同的干扰抑制方法，并且干扰模型越接近实际干扰信号，相应算法对干扰的抑制效果也就越好。目前，抗干扰研究中常用的窄带干扰模型主要有音频干扰、AR模型干扰和随机二元码调制信号三种［7］。音频（单音或多音）干扰是最简单，也是DSSS系统抗干扰中应用最多的窄带干扰模型，音频窄带干扰信号可建模为Q个（复）正弦信号之和，其数学表达式为

式中，Pl和fl分别代表第l个正弦波的功率和归一化频率；｛θl｝为在区间［0，2π）上均匀分布的随机相位［9］。音频干扰的功率谱为

信道原理图如图4所示。调制信号在信道中加入高斯白噪声和窄带单频干扰。

图4 信道原理图

信道仿真框图设计如图5所示。3个零阶保持器模块的采样率均设置为1／5.1e6，AWGN Channel为高斯白噪声信道，Sine Wave为单音窄带干扰模块。

图5 信道仿真框图

2.4 干扰抑制模块的设计与仿真

针对“人在回路”数据链可用的干扰很多，如宽带干扰、窄带干扰、扫频干扰、梳状干扰和转发式干扰等。窄带干扰是一种干扰频带相对有用信号窄得多的干扰形式，一般是人为产生的，尤其在军事的电子战中用得更多。相比其他几种干扰来说，窄带干扰的功率最强，它能把有限的干扰功率集中于若干频点，而其他几种干扰的功率在信号频段上则相对分散得多。因此，窄带干扰一旦干扰成功，将对己方的数据链造成严重影响。干扰抑制技术的实现方法很多，从最简单的信号处理技术到一些最先进的处理方法，已建立了丰富的方法论体系。系统仿真中用到的窄带干扰抑制技术是重叠变换FFT频域陷波算法。该算法在传统频域陷波技术的基础上进行了加窗处理和重叠变换，使干扰抑制后的信号损伤降至最小，抗干扰性能得到极大提升。

FFT重叠变换干扰抑制算法的原理是窄带干扰相对于扩频信号能量集中在很窄的频带内，在频域上就表现为很窄的尖峰，所以可以先将混合信号变换到频域，检测出干扰的频谱位置，将这些谱线去掉或进行衰减，最后把变换还原成时域信号进行解扩。其原理框图如图6所示。

图6 频域陷波技术的实现框图

下面以FFT重叠变换干扰抑制算法为例进行设计，FFT陷波模块框图如图7所示。firstroad～fourthroad每条支路的内部组成基本与图6相同。由信道过来的含高斯白噪声和窄带干扰的信号由In1输入频域陷波算法模块，消除窄带干扰后的信号由Out1输出。Add1为加法器，功能是将时域对齐的4条支路信号合并相加输出。

图7 FFT重叠变换干扰抑制模块

3 Simulink动态仿真实现

直扩系统仿真框图如图8所示。其中bpsk＿mod模块为BPSK扩频调制模块，channel模块为信道模块，anti＿interference模块为抗干扰模块，pn＿dopple模块完成了多普勒频移估计和PN码同步，carrier＿demod模块为载波解调模块。

仿真主要参数如下：数据码速率为666b／s；信道编码方式为LDPC（756，3，9）码，码率2／3，编码后码速率1kb／s；扩频调制PN码码长为255bit；BPSK调制载频为510kHz；信道信噪比为10dB，信干比为－30dB；PN码同步时间为两个数码码片（0.2ms）内。通信系统中常用的性能指标之一是误码率，但它是基于统计量而言，不仅仿真时间长，而且会耗费大量的系统资源。为了能在短时间内即可以观察到扩频系统的仿真结果，本文不采用误码率而用误码个数作为扩频系统仿真的一个指标。仿真结果如图9～图14所示。

图8 直扩通信系统仿真框图

图9 调制后信号频谱图

图10 经信道后信号频谱图

图11 抗干扰后信号频谱图

图12 解扩后信号频谱图

图13 经过缩放的扩频调制前输入波形

图14 经过缩放的最终解调输出波形

从图9可以看出，经过BPSK调制后信号中心频率被搬移到510kHz处。从图10可以看出，调制信号的频谱中混杂了大量的高斯白噪声，且在调制信号的载波频率510kHz处可以清晰地看到一个频谱的尖峰，这个尖峰代表了窄带干扰的频谱量，其能量远远超过调制信号，此时如果不加抗干扰措施，系统将无法正常工作。从图11可以看出，去干扰后中心频率为510kHz已无明显窄带干扰分量。从图12可以看出，解扩后在510kHz处已恢复出有用信号。图13为经过缩放的扩频调制前输入波形。从图14可以看出，最终得到的包络信号含有噪声信息，其分布在［－2，2］区间，结果符合解调要求，成功解调，对比图13可以看出，去掉系统本身的时延，仿真得到的最终解调输出信号波形包络与原始信息包络基本吻合，因此仿真达到预期目标。程序运行结果如图15所示，图中“derr”表示译码前错误位数，“err”表示LDPC译码过后错误位数。

图15 译码后的误码个数

4 结语

本文通过Simulink搭建了采用直扩系统的“人在回路”数据链的仿真模型，并对载波调制、窄带干扰信道和干扰抑制这三个关键模块的设计仿真进行了详细说明，仿真结果及译码后的误码个数表明该仿真逼近真实环境，符合预期结果。为后续分析“人在回路”数据链抗干扰能力，进行“人在回路”数据链抗干扰试验研究提供了理想的试验模型，是一种方便、可靠的试验辅助手段。

［1］［美］Peterson Roger L，Ziemer Rodger E，Borth David E.扩频通信导论［M］.沈丽丽，侯永宏，马兰译.北京：电子工业出版社，2006.

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