感應(yīng)裝定碼型品質(zhì)評(píng)價(jià)量化方法

毛瑞芝， 沈曉軍， 李杰， 張改麗

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，北京 100081；2.中國(guó)人民解放軍63961部隊(duì)，北京 100012；3.中國(guó)北方車輛研究所，北京 100072)

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感應(yīng)裝定碼型品質(zhì)評(píng)價(jià)量化方法

毛瑞芝1， 沈曉軍2， 李杰1， 張改麗3

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，北京 100081；2.中國(guó)人民解放軍63961部隊(duì)，北京 100012；3.中國(guó)北方車輛研究所，北京 100072)

針對(duì)能量與信息在同一通道感應(yīng)裝定的碼型選擇問(wèn)題，提出一種感應(yīng)裝定信息碼型品質(zhì)評(píng)價(jià)方法的量化方法. 利用層次分析法建立了關(guān)于功率傳輸、直流分量、帶寬、同步性能和誤碼性能等評(píng)價(jià)參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)所建數(shù)學(xué)模型及相關(guān)的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，獲得了不同編碼對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)函數(shù)值，占空比編碼在能量與信息同一通道感應(yīng)裝定的環(huán)境下具有較優(yōu)的性能，通過(guò)能量傳輸實(shí)驗(yàn)、功率譜密度仿真、誤碼率仿真的方法驗(yàn)證了此量化方法可以簡(jiǎn)便、有效地用于對(duì)引信感應(yīng)裝定碼型品質(zhì)進(jìn)行擇優(yōu)選擇.

引信；感應(yīng)裝定；碼型；量化分析；層次分析法

選擇什么樣的信號(hào)，包括確定碼元脈沖的波形及碼型，對(duì)于一個(gè)引信感應(yīng)裝定系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的. 為了在傳輸信道中獲得優(yōu)良的傳輸特性，需要將信號(hào)變換為適應(yīng)于信道傳輸特性的傳輸碼，即進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇a型變換. 引信的裝定過(guò)程不同于一般的通信系統(tǒng)，尤其是當(dāng)能量和信息的傳輸使用同一傳輸通道時(shí)[1-4]，其碼型選擇有其特殊情況，應(yīng)該綜合考慮編碼的選型，以保證信息的非接觸傳輸信道有利于功率傳輸. 本文針對(duì)能量和信息的傳輸在同一傳輸通道的情況，提出一套引信裝定碼型品質(zhì)評(píng)價(jià)量化方法，保證弱耦合條件下，碼型的選取要有利于信息傳輸，又要避免由于碼型而引起長(zhǎng)時(shí)間能量傳輸中斷.

1 引信感應(yīng)裝定碼型品質(zhì)評(píng)價(jià)體系

對(duì)引信裝定碼型進(jìn)行品質(zhì)評(píng)價(jià)時(shí)，要兼顧考慮能量傳輸和信息傳輸. 對(duì)碼型品質(zhì)應(yīng)該從碼型的能量特性、頻率特性和抗干擾特性3個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià). 在進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，組織行業(yè)專家并結(jié)合專業(yè)經(jīng)驗(yàn)對(duì)碼型評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行選擇；這些碼型評(píng)價(jià)準(zhǔn)則要能反映上述碼型的3個(gè)特性. 根據(jù)專家調(diào)查意見(jiàn)和專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，可以選出功率傳輸、直流分量、帶寬、同步性能和誤碼性能5個(gè)參數(shù)作為評(píng)價(jià)參數(shù)[5].

5個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)中，功率傳輸反映碼型對(duì)引信接收端持續(xù)充電的能力；直流分量反映碼型的直流成分；帶寬大小反映碼型帶寬利用率；同步性能反映碼型的同步或者定時(shí)特性；誤碼性能反映碼型的抗噪能力. 引信裝定碼型評(píng)價(jià)體系如圖1所示.

2 層次分析法基本原理與量化分析方法

2.1 層次分析法基本原理

層次分析法首先把問(wèn)題層次化，按問(wèn)題性質(zhì)和總目標(biāo)將問(wèn)題分解為方案層(最底層)、準(zhǔn)則層(中間層)和目標(biāo)層(最高層)，利用下層對(duì)上層的重要性確定評(píng)價(jià)因子的權(quán)重[6].

2.2 量化分析方法2.2.1 建立層次分析結(jié)構(gòu)模型

依據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象的情況，將復(fù)雜問(wèn)題分解為各組成部分，這些組成部分按屬性不同分成若干組，以形成不同層次，并用框圖形式說(shuō)明層次的遞階結(jié)構(gòu)與因素的從屬關(guān)系.

2.2.2 構(gòu)造各層次判斷矩陣

對(duì)準(zhǔn)則層和方案層的影響因子，根據(jù)相對(duì)重要性，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行兩兩比較，給出定性判斷矩陣. 相對(duì)重要性標(biāo)度采用1，3，5，7，9標(biāo)度分別表示重要性相同、較重要、明顯重要、強(qiáng)烈重要、極端重要；2，4，6，8標(biāo)度分別表示介于兩種重要性的中值. 構(gòu)造的準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的判斷矩陣A=[ai，j]n×n具有如下特征： ?i，j∈N，有ai，j>0;ai，i=1;ai，j=1/ai，j，其中i，j=1，2，…，n，因此稱A=(ai，j)n×n為互反矩陣.

2.2.3 單排序及一致性檢驗(yàn)

① 計(jì)算判斷矩陣的近似特征向量和最大特征值.

采用和積法對(duì)判斷矩陣的每列元素進(jìn)行歸一化處理. 處理后各元素為

(1)

將每一列經(jīng)歸一化處理后按行相加為

(2)

對(duì)向量[w1w2…wi]T歸一化處理得到

(3)

得到向量W=[w1w2…wi]T，此向量即為特征向量近似解.

最大特征值可表達(dá)為

(4)

② 一致性檢驗(yàn)判斷

(5)

式中：FCI為一致性判斷指標(biāo)；FRI為同階平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，是FCI的抽樣平均值，如表1所示. 當(dāng)FCR<0.1時(shí)，認(rèn)為一致性可以接受，否則調(diào)整矩陣A.

表1 平均速記一致性指標(biāo)

2.2.4 求取各方案的權(quán)重

方案層對(duì)準(zhǔn)則層權(quán)重向量與準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層的權(quán)重向量之內(nèi)積就是最終所求的各方案所占的權(quán)重[7].

3 引信感應(yīng)裝定碼型品質(zhì)評(píng)價(jià)模型的建立

3.1 問(wèn)題數(shù)學(xué)描述

根據(jù)引信碼型評(píng)價(jià)體系可知：對(duì)于某一種碼型的品質(zhì)評(píng)價(jià)是綜合評(píng)價(jià)體系中5個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)得出的一個(gè)函數(shù)值，此數(shù)值代表著該碼型的品質(zhì)值. 若用x1，x2，…，x5表示能量功率傳輸、直流分量、帶寬、同步性能和誤碼性能5個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)，那么該碼型的品質(zhì)值Q=f(x1，x2，…，x5)，Q的取值范圍可依據(jù)問(wèn)題的描述進(jìn)行合適的規(guī)定；并且當(dāng)碼型對(duì)應(yīng)5個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)符合得越好，Q就越大[8]. 在實(shí)際應(yīng)用中，需要在諸多碼型中選出一種最優(yōu)的碼型，這實(shí)際上是一個(gè)決策問(wèn)題，數(shù)學(xué)模型為

(6)

3.2 基于層次分析法的評(píng)價(jià)方法建模

按照引信裝定碼型品質(zhì)評(píng)價(jià)體系和層次分析法原理方法建立引信裝定傳輸碼型品質(zhì)評(píng)價(jià)模型如圖2所示.

引信裝定碼型品質(zhì)評(píng)價(jià)模型分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層. 方案層是可進(jìn)行選擇的碼型的n種碼型；準(zhǔn)則層是對(duì)碼型進(jìn)行評(píng)價(jià)的5個(gè)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則；目標(biāo)層是最后選擇出來(lái)的最優(yōu)碼型C. 評(píng)價(jià)模型的作用機(jī)制如下：給出數(shù)種不同的待選碼型，通過(guò)適當(dāng)?shù)姆椒ǖ玫礁鱾€(gè)待選碼型對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的權(quán)值，然后結(jié)合準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層的權(quán)值，得到每個(gè)待選碼型在該評(píng)價(jià)模型下的品質(zhì)值，最后根據(jù)各個(gè)品質(zhì)值的大小選出最優(yōu)碼型[9].

碼型品質(zhì)評(píng)價(jià)模型中，評(píng)價(jià)準(zhǔn)則集{b1，b2，…，b5}分別代表能量傳輸、直流分量、帶寬大小、同步性能、誤碼性能等5個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù). 各個(gè)待選碼型對(duì)評(píng)價(jià)參數(shù)的權(quán)值計(jì)算采用計(jì)算仿真、實(shí)驗(yàn)和定性相結(jié)合的綜合的方法，而不僅僅依靠主觀的定性判斷. 待選碼型對(duì)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則b1權(quán)值的確定采用實(shí)驗(yàn)測(cè)定的方法；對(duì)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則b2，b3，b4，b5，權(quán)值的確定采用計(jì)算仿真的方法.

碼型集{a1，a2，…，an}代表實(shí)際應(yīng)用中選擇最優(yōu)碼型時(shí)所面臨的碼型集合，n的取值一般小于9；當(dāng)n的取值大于9的時(shí)候可將集合進(jìn)行分割，每個(gè)子集的碼型個(gè)數(shù)小于9，各個(gè)子集分別進(jìn)行按照?qǐng)D2所示的碼型品質(zhì)評(píng)價(jià)模型尋找子集最優(yōu)碼，然后繼續(xù)利用碼型品質(zhì)評(píng)價(jià)模型在各個(gè)子集最優(yōu)碼中尋找全局最優(yōu)碼.

4 引信裝定碼型品質(zhì)評(píng)價(jià)模型量化分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 評(píng)價(jià)參數(shù)權(quán)值的量化分析

采用專家意見(jiàn)法結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)給出評(píng)價(jià)參數(shù)對(duì)目標(biāo)層的判斷矩陣并進(jìn)行一致性檢驗(yàn).

① 構(gòu)建評(píng)價(jià)準(zhǔn)則判斷矩陣

(7)

② 求解判斷矩陣B的特征值和特征向量.

計(jì)算判斷矩陣B的最大特征值及特征向量，其最大特征值為λB=5.164 5，特征向量為

[0.790 2 0.083 9 0.476 3 0.163 6 0.339 0].

③ 一致性檢驗(yàn).

[0.426 5 0.045 3 0.257 0 0.088 3 0.183 0].

4.2 碼型權(quán)值的量化算法分析

通過(guò)碼型集{a1，a2，…，an}中每個(gè)碼型在5個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)下的表現(xiàn)分別構(gòu)建判斷矩陣，最終得到每個(gè)碼型對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的權(quán)值. 本文采用實(shí)驗(yàn)測(cè)量、仿真分析的方法進(jìn)行定量分析，具體如下：

步驟1 確定碼型集{a1，a2，…，an}對(duì)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則b1判斷矩陣A1的確定：設(shè)計(jì)一個(gè)由儲(chǔ)能電容構(gòu)成的儲(chǔ)能電路對(duì)各個(gè)碼型進(jìn)行充電測(cè)試，測(cè)量?jī)?chǔ)能電容端電壓Uc，通過(guò)計(jì)算ΔUc/Uc來(lái)確定各個(gè)碼型的充電效果，從而構(gòu)造判斷矩陣A1;

步驟2 碼型集{a1，a2，…，an}對(duì)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則b2判斷矩陣A2的確定：進(jìn)行碼型功率譜的計(jì)算與仿真，通過(guò)計(jì)算碼型連續(xù)譜在低頻和零頻處的功率值，低頻和零頻處的分量越小從而越有利于碼型的傳輸，從而構(gòu)造判斷矩陣A2；

步驟3 碼型集{a1，a2，…，an}對(duì)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則b3判斷矩陣A3的確定：通過(guò)計(jì)算各個(gè)碼型功率譜帶寬的相對(duì)大小，帶寬越大，頻譜利用率越低，傳輸速率也越低，從而構(gòu)造判斷矩陣A3；

步驟4 碼型集{a1，a2，…，an}對(duì)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則b4判斷矩陣A4的確定：通過(guò)計(jì)算碼型的離散譜的強(qiáng)度和多少，單位帶寬內(nèi)離散譜越密集，峰值越大，碼型的定時(shí)性能，構(gòu)造判斷矩陣A4.

步驟5 碼型集{a1，a2，…，an}對(duì)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則b5判斷矩陣A5的確定：通過(guò)對(duì)每個(gè)碼型的誤碼性能進(jìn)行仿真，根據(jù)每種碼型在同一誤碼率水平所需的信噪比的大小進(jìn)行比較，進(jìn)而得到判斷矩陣A5.

4.3 實(shí)例應(yīng)用分析

結(jié)合具體的應(yīng)用實(shí)例，對(duì)碼型權(quán)值進(jìn)行量化分析，再根據(jù)已經(jīng)計(jì)算出的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的權(quán)值進(jìn)而計(jì)算出各個(gè)碼型在總排序的權(quán)值(即碼型的品質(zhì)值)，最終選出本碼型品質(zhì)評(píng)價(jià)模型下的最優(yōu)碼型. 單極性非歸零碼(SNRZ碼)、單極性歸零碼(SRZ碼)、曼徹斯特碼、密勒碼[11]和占空比編碼是引信裝定中常用的5種碼型，圖3為這5種碼型的波形圖.

下面通過(guò)量化分析來(lái)確定這5種碼型中的最優(yōu)碼型.

4.3.1 碼型能量性能的實(shí)驗(yàn)測(cè)量分析

對(duì)碼型集中的5種編碼設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能電容進(jìn)行充電測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示.

表2 能量性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表2可以看出5種碼型，占空比編碼電壓和能量變化最小，能量性能表現(xiàn)最好，SNRZ和曼徹斯特碼次之，SRZ和密勒碼最差. 由此構(gòu)建判斷矩陣A1如下，

(8)

通過(guò)計(jì)算，其最大特征值為λ1=5.077 6，對(duì)應(yīng)的特征向量為

[0.364 1 0.104 9 0.364 1 0.104 9 0.844 3].

經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)CI=0.019 4，F(xiàn)CR=0.017 3<0.10，通過(guò)一致性檢驗(yàn)，對(duì)特征向量ω1進(jìn)行歸一化處理，得

[0.204 3 0.058 8 0.204 3 0.058 8 0.473 8].

4.3.2 碼型能量性能的實(shí)驗(yàn)測(cè)量分析

碼型通常是信源編碼輸出的自然二進(jìn)制碼的變換. 信源是隨機(jī)的，那么碼型也是隨機(jī)的，而且是時(shí)間離散和幅度離散的隨機(jī)過(guò)程. 因此分析碼型的功率譜密度實(shí)際上就是分析隨機(jī)脈沖序列的功率譜密度. 這一隨機(jī)過(guò)程可表示為[8]

(9)

式中

(10)

一般來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)混合隨機(jī)過(guò)程.s(t)中既包含確定性分量，又包含隨機(jī)分量. 可分別求出兩個(gè)分量的功率譜密度，然后相加得到s(t)的功率譜密度為

(11)

式中fs=1/Ts代表與碼元速率相等的基頻.

根據(jù)式(11)，對(duì)上述5種碼型的功率譜密度進(jìn)行計(jì)算仿真，并繪制功率譜密度圖如圖4～圖8所示.

由5種碼型的功率譜密度(其中曼徹斯特碼沒(méi)有離散譜密度)，及碼型權(quán)值的量化算法中的步驟2，3和4構(gòu)建判斷矩陣A2，A3，A4. 通過(guò)計(jì)算和一致性檢驗(yàn)，獲得歸一化特征向量為

[0.061 6 0.101 2 0.368 0 0.101 2 0.368 0]，

[0.359 5 0.063 8 0.063 8 0.359 5 0.153 5]，

[0.096 7 0.268 4 0.096 7 0.096 7 0.441 4].

4.3.3 碼型誤碼性能仿真分析

發(fā)射功率、信道特性、信道編碼方式和調(diào)制方式一定的情況下，裝定質(zhì)量與傳輸碼型的誤碼性能直接相關(guān). 對(duì)這5種碼的誤碼性能進(jìn)行仿真如圖5所示.

如圖9中，5種碼型的誤碼性能的優(yōu)劣從高到低依次為：占空比編碼、曼徹斯特碼、SNRZ碼、密勒碼和SRZ碼. 根據(jù)上述5種碼型的檢錯(cuò)能力構(gòu)建判斷矩陣A5，通過(guò)計(jì)算和一致性檢驗(yàn)，得歸一化特征向量為

[0.176 6 0.043 9 0.275 7 0.073 8 0.430 0].

4.3.4 碼型品質(zhì)值計(jì)算

將以上5種碼型對(duì)5個(gè)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的特征向量組合成為一個(gè)W5×5的矩陣：

(12)

則

[0.222 7 0.076 5 0.178 7 0.143 6 0.373 7]T.

根據(jù)5種碼型的品質(zhì)值，則可以選出5種碼型中最優(yōu)碼為占空比編碼.

4.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證4.4.1 能量傳輸驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

使用不同碼型“1”“0”數(shù)據(jù)串進(jìn)行充電實(shí)驗(yàn). 記充電時(shí)間為充電電容兩端建立穩(wěn)定電壓的所需的上升時(shí)間. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電路測(cè)試可以看出，占空比編碼充電時(shí)間最短，而SNR碼的充電時(shí)間最長(zhǎng)；占空比編碼建立穩(wěn)態(tài)電壓后電壓波動(dòng)最小，SNR編碼建立穩(wěn)態(tài)電壓后電壓波動(dòng)最大. 不同碼型的充電時(shí)間和平均電壓波動(dòng)幅度測(cè)試值如表3所示.

表3 充電時(shí)間和平均電壓波動(dòng)幅度測(cè)試值

Tab.3 Test value of the charging time and average voltage fluctuation range

碼型充電時(shí)間/ms電壓波動(dòng)幅度/%SNRZ碼3536SRZ碼4840Manchester碼3316Miller碼4630占空比編碼2510

4.4.2 信息傳輸驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)電路發(fā)射端發(fā)送數(shù)據(jù)串“001000100011 001001010011011100”，不同碼型下的數(shù)據(jù)串傳輸時(shí)間和重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)串200次的情況下的誤碼數(shù)如表4所示，可以看出占空比編碼的抗干擾能力最強(qiáng)，SRZ碼最弱，各種編碼的傳輸時(shí)間大致相同，差別不大.

表4 相同測(cè)試條件下誤碼數(shù)

5 結(jié) 論

依據(jù)不同碼型在感應(yīng)裝定傳輸通道下的特征，利用層次分析評(píng)價(jià)理論，建立了基于層次分析法的引信裝定傳輸碼型品質(zhì)評(píng)價(jià)模型，并給出了一種量化評(píng)價(jià)碼型品質(zhì)評(píng)價(jià)的方法. 綜合碼型要適應(yīng)能量傳輸和數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，本文建立?條準(zhǔn)則作為評(píng)價(jià)因子，這些評(píng)價(jià)準(zhǔn)則所占的地位根據(jù)專家打分的結(jié)果，并不具有相同的比重. 以單極性非歸零碼(SNRZ碼)、單極性歸零碼(SRZ碼)、曼徹斯特碼、密勒碼和占空比編碼為例，得出以下結(jié)論：占空比編碼的能量傳輸性能最優(yōu)，SRZ碼和密勒碼最差；曼徹斯特碼和占空比編碼的直流分量最少，SNRZ碼最多；SNRZ碼和密勒碼頻譜利用率最高，SRZ碼和曼徹斯特碼利用率最低；從占空比編碼獲取的定時(shí)信息最豐富，從SNRZ碼、曼徹斯特嗎和密勒碼獲取的定時(shí)信息最少；占空比編碼的抗噪能力最強(qiáng)，相同信噪比下誤碼率最低，SRZ碼的抗噪能力最弱，相同信噪比下誤碼率最高. 綜合5條評(píng)價(jià)準(zhǔn)則來(lái)看，占空比的綜合性能最優(yōu).

由碼型評(píng)價(jià)模型示例可知，該方法有效可行，可為引信感應(yīng)裝定傳輸碼型選擇的工程實(shí)踐提供理論參考.

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(責(zé)任編輯：劉雨)

Quantitative Method of Coding Quality Evaluation in Fuze Induction Setting Process

MAO Rui-zhi1， SHEN Xiao-jun2， LI Jie1， ZHANG Gai-li3

(1.School of Mechatronical Engineering， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China; 2.63961 Unit of the PLA， Beijing 100012，China; 3.China North Vehicle Research Institute， Beijing 100072, China)

A quantitative evaluation method of the code pattern quality was proposed for the design of the fuze setting system to solve the problem about inductive transmitting the energy and the information in the same induction channel. Through analytic hierarchy process, a mathematical model was established about the evaluation parameters such as power transmission, DC component, bandwidth, synchronization performance, the BER (bit error rate) performance and so on. According to the mathematical model and relevant evaluation criteria, the evaluation function values were obtained corresponding to the different code. Duty ratio code showed a superior performance in the energy and the information transmission. This quantitative method was validated to be simple and effective in optimum decision making for the code pattern quality through the energy transmission experiment, the simulation of power spectral density and the BER.

fuze; induction setting; coding; quantitative analysis; analytic hierarchy

2014-11-14

國(guó)家部委“十二五”基礎(chǔ)科研重點(diǎn)項(xiàng)目(B2220132013)

毛瑞芝(1984—)，女，博士生，E-mail:maoruizhi@bit.edu.cn.

沈曉軍(1959—)，男，研究員，E-mail:sxj_1959@126.com.

TJ 430.1

A

1001-0645(2016)06-0581-07

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.06.006