基于Simulink的猝发通信系统数据链系统仿真及性能分析

未来战场必是网络中心战格局下的系统一体化作战，用于制导的武器数据链是其中重要一环。通常武器数据链用于传输目标信息，信息量小，但要求信息传输必须可靠，同时将来战场通信处于复杂的电磁环境中，要求武器数据链必须具备低截获、抗干扰性能。基于此，目前的武器数据链通常选用扩频技术进行信息传送。
　　
　　
1扩频系统原理
　　
　　扩展频谱(Spread Spectrum)技术是将基带信号的频谱扩展至较宽的频带上，然后再进行传输的一种宽带信号传输方法，它将要发送的制导信息或导弹回传信息用伪随机序列扩展到一个合适的频带上，即将原始信息的能量在频带上进行扩展，从而降低了信号被发现的危险，增加了敌方干扰的难度(需要干扰的范围变大了)。
　　
　　接收端使用与发送端相同的伪随机序列对接收到的扩频信号进行相关处理，恢复出原来的信息，干扰信号由于与伪随机序列不相关，在接收端被扩展，使落入信号频带内的干扰信号功率大大降低，从而提高了系统的输出信噪比，达到抗干扰目的，同时扩频信号在传输时的谱密度很低，可使信号淹没在噪声中，不易被敌人截获、侦测，因而具有较强的低截获特性。
　　
　　数据链直扩系统原理见图1。在发送端信源通过加密和编码后的输出信号a(t)是码元持续时间为Ts的信息流，伪随机码为c(t)，每一伪随机码码元宽度或切普(chip)宽度为Tc。将信号a(t)与伪随机码c(t)进行模2加，产生一速率与伪随机码速率相同的扩频序列，然后再经过调制后通过天线发射。经过调制后发送的信号可用式(1)表示：

　　
　　在接收端，经放大和混频后，用与发送端同步的伪随机序列对中频的扩频调制信号进行相关解扩，检测器接收到的扩频信号可用式(2)表示：

　　
　　对于干扰信号和噪声而言，由于与伪随机序列不相关，在相关解扩器的作用下，相当于进行了一次扩频。干扰信号和噪声频谱被扩展后，其谱密度降低，这样就大大降低可进入信号通频带内的干扰功率，使解调器的输入信干比提高，从而提高了系统的抗干扰能力。
　　
　　扩频技术虽然在民用通信领域已获得广泛应用，但在导弹武器系统中还没有成熟应用。为达到低截获、抗干扰目的，制导信息采用猝发传送，信息传输时间短暂，因而在接收端必须进行快速同步。

　　
　　由于收发双方的频率差异造成接收端的初始同步时间长，同时收发双方相对运动及造成接收端载波、伪码的多普勒频移及一次、二次变化率，导致载波、伪码同步状况复杂，为满足高检测概率、低漏警概率和快速捕获时间，以及满足弹载设备的小型化要求，弹载接收装置必须采用高效的同步策略并进行相应的算法优化、综合等。

　　
2基于Simulink的系统仿真
　　
　　本文应用Matlab／Simulink软件平台构建猝发通信系统的仿真系统模型；利用Simulink环境的图形化建模能力和功能模块库开发了同步解调模型库。通过在中频的信道仿真有效地避免了加入载频所带来的高采样率。通过仿真验证了系统设计的正确性，同时分析了中频输入信号强度变化时，信噪比与捕获概率的关系，为系统指标分配提供了依据。
　　
　　2.1Simulink简介
　　
　　Simulink作为Matlab的重要组成部分，是交互式动态系统建模、仿真和分析的图形环境，是进行基于模型的嵌入式系统开发的基础开发环境。使用它可以针对通行系统进行系统的建模、仿真和分析等工作。
　　
　　Simulink支持线性和非线性系统、连续时间系统、离散时间系统、连续和离散混合系统，而且系统可以是多进程的。它提供了友好的图形界面(GUI)，模型由模块组成的框图来表示。用户建模通过简单的单击和拖动鼠标的动作就能完成，使得建模非常容易，比传统的仿真软件包更加直观、方便、灵活。

2.2基于Simulink的系统模型组成
　　
　　考虑到加解密迭代基本不牵涉误码率问题，当以提高系统误码率的思想进行算法仿真时，去掉加解密环节；考虑到射频的影响主要在于多普勒效应和射频器件的热噪声，故将其影响直接折算到中频上，这样可有效避免射频带来的高采样率问题。
　　
　　整个系统仿真模型由三部分组成：信源信道模块、快速同步解调处理模块、验证处理模块。系统仿真框图如图2所示。

　　
　　(1)信源信道模块
　　
　　信源信道模块组成见图3。主要功能是为产品的算法仿真提供模拟输入信号，进行信源数据的编码、扩频、调制、多普勒频移及多普勒加速度模拟、信噪比模拟。编码采用RS编码，扩频采用选择本原多项式和初相的方式选择合适的m序列作为扩频码，好处是可以根据实际需求进行实时修改，而不影响扩频解扩的算法仿真结构，为将来的仿真发展带来灵活性。

　　因为要进行误码率分析，故采用使用顶层M文件生成信息数据并保存至计算机内存，再从内存中读出数据并进行采样的方式输出待调制数据。采用AWGNChannel仿真一个加性高斯白噪声信道。此信道的信噪比可以按照三种方式设置：Eb／N0，Es／N0，SNR，本仿真按照SNR的方式设置信道的信噪比。
　　
　　中频采用70 MHz载波调制输出。
　　
　　(2)快速同步解调处理模块
　　
　　是本仿真系统的重点，完成对中频信号的采样、下变频、数字匹配滤波及功率处理、峰值判断与频率搜索、峰值捕获判断、PN码跟踪及载波同步、数据解调、译码。其中采样、下变频、预处理、数字匹配滤波及功率、载波同步模块采用Simulink中的模块搭建而成，而完成控制部分的峰值判断与频率搜索、峰值捕获判断、PN码跟踪复杂逻辑采用C语言封装的Simulink-S函数模块实现。
　　
　　(3)验证处理模块
　　
　　完成对解调数据的误码率判断，对关键参数的记录和实时事后处理。本模型中每一次仿真的结果，在顶层M文件的控制下保存为相应的*．mat文件，在仿真全部结束后，调用此存储的文件编程进行事后数据处理。
　　
　　仿真原理图如图4所示。

　
　　
3仿真结果及性能分析
　　
　　为便于实现仿真参数的修改，及进行批量仿真，仿真模型的参数设置及仿真条件设置全部由顶层M文件实现。此次仿真主要目的是测试信号不同输入功率时，在各信噪比条件下的性能情况。测试结果如下：

　　
　　图5是输入信号功率为-20 dBm，信噪比为-16 dB时的门限与峰值关系图。

图6是输入信号功率为-30 dBm，信噪比为-16 dB时的门限与峰值关系图。

　　图7是输入信号强度分别为0 dBm，-10 dBm，-20 dBm，-30 dBm，-40 dBm时不同信噪比与捕获概率的关系图。
　　
　　从图7可以看出，信噪比大于-14 dB时，输入信号强度为0～-30 dBm皆能满足系统性能要求；信噪比大于-15 dB时，输入信号强度为-10～-30 dBm时，捕获概率能满足系统要求；信噪比大于-16 dB时，输入信号强度为-20 dBm和-30 dBm时捕获概率能满足系统要求。考虑到在Simulink环境下虽然对截位进行了模拟，但是实际硬件运行中还可能产生的其他的影响，故实际使用仍会有差异。根据对实际硬件的测试结果，实际中频直扩接收机的性能与仿真结果有3～4 dB的差异，但这种差异是可接受的，仿真结果分析可以为系统指标分配提供了依据。
　　
　　
4系统指标分配浅析
　　
　　通常通信系统的接收方与发送方有一定的距离，当距离确定时必须确定接收方的动态范围，通常接收系统的动态范围由射频动态范围和中频动态范围两部分组成，当折算到中频解调的信噪比确定时，则射频动态范围也随之确定。
　　
　　假定一个接收系统的灵敏度为-100 dBm，动态范围为90 dB，即系统输入信号从-10～-100 dBm时要求接收系统解调数据误码率输出能够满足要求，如果系统给中频分配的指标是输入信号强度为0 dBm，则射频的动态范围就必须为90 dB；如果系统给中频分配的指标是0～-30 dBm，则射频的动态范围则变为60 dB。
　　
　　中频接收机的动态范围主要取决于A／D的动态范围、信号处理算法及数字处理电路本身的噪声，由于目前A／D的动态范围较大，所以实际中频接收机的动态范围主要取决于信号处理算法本身，如整个系统资源允许的截位处理，有无内部AGC处理等。
　　
　　通过仿真分析我们可以看到，如果系统分配性能指标时，适当挖掘中频接收机的动态能力，一方面可以相应提高中频接收机的性能，如输入信号强度为0 dBm，信噪比大于-14 dB时解调数据方能满足系统要求，而输入信号为-30 dBm时可以在信噪比为-16 dB时仍能满足系统误码率要求，这样就相当于提高了整个系统的接收能力；另一方面也减轻了射频的动态范围，相应降低了射频组件的成本。中频接收机算法的设计通常并不涉及硬件成本，而射频指标的提升却必以硬件成本的提升为代价。因而如果系统合理分配指标，则可以使整个接收系统的性价比得到提高。
　　
　　
5结语
　　
　　在对数据链技术、扩展频谱通信系统工作原理及Matlab／Simulink功能和特点的介绍的基础上，应用Matlab／Simulink软件平台构建了某猝发数据链通信系统仿真平台；利用Simulink环境的图形化建模能力和完善的功能模块库，开发了部件模型库。虽然本系统的同步算法还有待于进一步的优化，但通过对系统的快速捕获能力的仿真分析，以及在不同输入信号强度下信噪比与捕获概率性能状况的测试，为系统进行组件指标分配提供了依据。