基于眼圖的數(shù)字通信干擾效能指標(biāo)構(gòu)建與評估

呂大千，何俊，李柔剛

（電子工程學(xué)院，合肥230037）

基于眼圖的數(shù)字通信干擾效能指標(biāo)構(gòu)建與評估

呂大千，何俊，李柔剛

（電子工程學(xué)院，合肥230037）

針對數(shù)字通信干擾效能評估難度大的問題，分析眼圖測量技術(shù)基本原理，提出一種基于眼圖測量技術(shù)的數(shù)字通信干擾效能評估方法。從通信偵察的便捷性、直觀性、有效性出發(fā)，選擇部分眼圖測量參數(shù)，構(gòu)建通信工作效能評估指標(biāo)模型。運用Matlab/Simulink構(gòu)建數(shù)字通信仿真系統(tǒng)，檢測不同信噪比條件下各指標(biāo)模型隨通信誤碼率變化的敏感程度，從中選擇最佳指標(biāo)用于數(shù)字通信干擾效能評估，構(gòu)建干擾效能評估指標(biāo)模型，簡要開展干擾效能評估研究。

數(shù)字通信，干擾效能，Simulink，眼圖

0 引言

數(shù)字通信傳輸容量大、抗干擾能力強，是目前最主要的通信方式，對數(shù)字通信的干擾成為通信對抗領(lǐng)域的研究重點。由于數(shù)字信號編碼復(fù)雜，通信偵察方解碼困難，很難獲取信號的原始信息，無法計算通信誤碼率等效能指標(biāo)，大多數(shù)效能指標(biāo)的獲取是根據(jù)經(jīng)驗公式進行預(yù)估。而通過眼圖測量技術(shù)，通信偵察方可以在不獲取信號原始信息的前提下評估干擾效能，具有較強的實用價值。目前運用眼圖技術(shù)開展數(shù)字通信干擾效能評估的研究文獻不多，已有文獻論述了以眼圖測量技術(shù)進行效能評估的基本思路，并未對效能評估指標(biāo)構(gòu)建問題進行研究［1］。本文在構(gòu)建效能指標(biāo)模型的基礎(chǔ)上，深入對眼圖測量技術(shù)在效能評估中的應(yīng)用進行研究。

1 眼圖分析法

眼圖是通信接收端的一系列基帶信號在示波器上疊加而形成的形似人眼形狀的圖像。眼圖包含了豐富的信號信息，體現(xiàn)了數(shù)字通信的整體特征，對眼圖的觀察分析可以直觀地了解通信信號的碼間串?dāng)_和噪聲干擾情況，因而眼圖分析法是了解基帶傳輸系統(tǒng)信號傳輸質(zhì)量最直觀的方法。

如圖1所示，眼圖中央的水平線所在位置表示判決門限電平；眼圖中央垂線所在的時刻T0表示最佳抽樣時間點；上下兩側(cè)的水平陰影區(qū)域?qū)挾圈表示最大信號畸變；眼圖上下兩條水平線到門限電平的垂直距離V+、V-表示相應(yīng)電平的噪聲容限；眼圖中兩條斜線交叉形成的區(qū)域?qū)挾圈表示零點正常范圍［2］。

如圖2中（a）、（b）所示，在無碼間串?dāng)_和噪聲干擾的情況下，各碼元波形無失真，波形重疊而成的眼圖跡線清晰。在存在噪聲與碼間串?dāng)_的情況下，碼元波形出現(xiàn)失真，各波形不一致，無法完全重合，進而眼圖跡線模糊。文獻［3］證明，眼圖特征的變化與通信誤碼率緊密相關(guān)，而不同信號調(diào)制方式對眼圖特征變化影響不大，因此，利用眼圖測量技術(shù)，從眼圖特征中提取適當(dāng)?shù)男苤笜?biāo)，可以有效開展數(shù)字通信干擾效能評估。

2 眼圖測量原理與流程

眼圖測量的具體流程如圖3所示［4］，為實現(xiàn)對信號的高保真捕獲，需要對采樣速率、量化誤差、捕獲時間進行合理設(shè)置，而后通過設(shè)置鎖相環(huán)，從采集到的數(shù)據(jù)中恢復(fù)出時鐘信號，用得到的時鐘信號等間隔觸發(fā)采集到的數(shù)據(jù)信號，信號由于示波器的余暉作用，在顯示屏上疊加形成眼圖。

眼圖測量中，測量模板的選擇尤為重要，其具體作用是為信號眼圖在水平、垂直兩個方向上張開程度提供一個范圍，模板對信號“0”“1”電平、上升時間、下降時間的容限進行了規(guī)定，并且不同類型信號的測量模板往往不相同。眼圖的生成需要在一定溫度、一定信號幅度的條件下，在測試信號中添加一定的低頻擾動信號并逐漸增大擾動幅度，測試信號剛剛出現(xiàn)誤碼時的眼圖即可作為該信號的眼圖模板。

3 基于眼圖的數(shù)字通信工作效能指標(biāo)模型

眼圖測量技術(shù)中的測量參數(shù)眾多，考慮到檢測的便捷性、直觀性和有效性，選取眼幅（EyeAmplitude）、眼寬（EyeWidth）、眼圖信噪比（EyeSNR）等參數(shù)作為數(shù)字通信工作效能指標(biāo)，其具體定義與模型如下［4］。

3.1 眼幅（EyeAmplitude）

眼幅（EyeAmplitude）定義為“1”電平信號分布與“0”電平信號分布振幅值的平均數(shù)之差，通常以相鄰零點交叉時間之間距離的20%為測量區(qū)間。眼幅與接收信號信噪比相關(guān)，其計算模型為：

式中，level1（i）表示存放“1”電平信號的數(shù)組；level0（i）表示存放“0”電平信號的數(shù)組；n、m分別表示相應(yīng)數(shù)組的數(shù)據(jù)量。

3.2 眼寬（EyeWidth）

眼寬（EyeWidth）定義為相鄰交叉時間點之間的時間差，根據(jù)交叉點處分布直方圖，以距離均值點3個標(biāo)準差（3σ）的位置為測量點。眼寬反映信號的總體抖動程度，其計算模型為：

式中，t1、t2表示交叉時間；σ1、σ2表示交叉時間處統(tǒng)計分布直方圖的標(biāo)準差。

3.3 眼圖信噪比（EyeSNR）

眼圖信噪比定義為眼幅與眼圖中“0”“1”電平信號處分布直方圖的標(biāo)準差之和的比值。眼圖信噪比反映了眼圖質(zhì)量的綜合情況，眼圖信噪比越高，眼圖質(zhì)量越好，進而通信質(zhì)量越高。其計算模型為：

式中，σ0、σ1分別表示“0”、“1”電平信號處分布直方圖的標(biāo)準差。

4 基于Simulink的仿真實驗

4.1 仿真實驗原理

為檢測通信過程中基于眼圖的數(shù)字通信工作效能指標(biāo)變化情況，并進一步探究誤碼率與效能指標(biāo)的關(guān)系，運用Matlab/Simulink構(gòu)建如圖4所示數(shù)字通信仿真系統(tǒng)［6-7］，模擬實際通信中的通信接收與通信偵察。設(shè)置AWGN模塊信噪比從5 dB到16 dB，步進1 dB，模擬通信干擾對信道信噪比帶來的影響，并觀測通信工作效能指標(biāo)隨通信誤碼率變化情況。

如圖6所示，數(shù)字信號調(diào)制后進行成形濾波，為增強模擬信號真實性，對信號設(shè)置一定時延、相位偏轉(zhuǎn)并通過高斯信道，經(jīng)過匹配濾波處理后的信號一方面送至接收端進行解調(diào)與誤碼率計算（模擬通信接收方），另一方面通過simout模塊存儲于Matlab工作空間，利用Matlab軟件的眼圖測量工具commscope.eyediagram進行眼圖參數(shù)測量（模擬通信偵察方）。

4.2 仿真結(jié)果分析與干擾效能指標(biāo)選擇

下頁圖7為仿真得到的不同信噪比條件下的眼圖圖像，對比觀察圖7中的4幅眼圖圖像發(fā)現(xiàn)，隨著信噪比的增加，眼圖中“眼睛”張開程度明顯增加，并且眼圖跡線更加清晰。測量得到的數(shù)字通信工作效能指標(biāo)在不同信噪比條件下的測量值以及相應(yīng)通信誤碼率如下頁表1所示。

由表1可知，在信噪比5 dB到16 dB的變化范圍內(nèi)，眼寬、眼圖信噪比隨誤碼率變化比較靈敏，而眼幅相對穩(wěn)定，進一步的仿真實驗結(jié)果表明，眼幅在信噪比5 dB以下變化更明顯。為比較眼寬、眼圖信噪比隨通信誤碼率變化的靈敏度，將表1中眼寬、眼圖信噪比的相關(guān)數(shù)據(jù)繪制如圖8所示曲線圖。

圖8為眼寬、眼圖信噪比隨信道信噪比變化曲線圖，圖下的灰度條對應(yīng)著相應(yīng)誤碼率水平。如圖所示，隨著信噪比增大，眼寬、眼圖信噪比均有不同程度的增長，并且眼圖信噪比的增長程度逐漸提高，而眼寬的增長程度逐漸放緩，說明在低信噪比條件下，眼寬參數(shù)更加靈敏。然而在實施通信干擾時，信道信噪比往往維持在較低水平，因此，用施加干擾后眼寬參數(shù)的下降程度作為數(shù)字通信干擾效能評估指標(biāo)更合適。此外圖8中眼圖參數(shù)與灰度條下誤碼率相對應(yīng)，可以作為通信偵察中預(yù)估對方通信誤碼率的依據(jù)。

表1 眼圖參數(shù)測量結(jié)果

5 基于眼圖的數(shù)字通信干擾效能指標(biāo)模型

選用眼寬下降度作為干擾效能評估指標(biāo)，其具體定義為干擾后眼寬下降幅度與干擾前眼寬的比值，計算模型為：

式中，E為干擾效能；EyeWidth0為干擾前眼寬（ms）；EyeWidth1為干擾后眼寬（ms）。

參考表1中眼寬的測量數(shù)據(jù)，以誤碼率1E-5時的眼寬作為正常通信時眼寬，利用圖6所示數(shù)字通信仿真系統(tǒng)，計算不同干信比條件下的眼寬下降度。

表2 干擾效能評估結(jié)果

如表2所示，隨著干信比增大，眼寬逐漸減小，干擾效能逐漸增強。當(dāng)干信比大于0.8時，眼寬測量出現(xiàn)負數(shù)，這是由于接收信號形成的眼圖跡線雜亂無章，左右交叉點處的數(shù)據(jù)統(tǒng)計偏差較大，眼寬計算出現(xiàn)錯誤，表明此時的眼圖質(zhì)量較差，很難測量得到有用參數(shù)，證明了干擾的有效性。

6 結(jié)論

本文對眼圖測量技術(shù)在數(shù)字通信干擾效能評估中的應(yīng)用進行研究，比較基于眼圖的數(shù)字通信工作效能指標(biāo)隨誤碼率變化的靈敏度，選擇眼寬下降度作為數(shù)字通信干擾效能評估指標(biāo)，簡要開展效能評估研究，并初步對通信誤碼率與眼寬的對應(yīng)關(guān)系進行分析。由于文中的通信仿真系統(tǒng)僅考慮了數(shù)字通信中最基本的部分，通信誤碼率與眼寬的對應(yīng)關(guān)系還需要在提高仿真系統(tǒng)完整度的基礎(chǔ)上進一步探究。

［1］楊凱，郭衛(wèi)平，張鵬，王勝濤，李忠強.眼圖分析法在干擾效果評估中的應(yīng)用［J］.電子對抗，2009（4）：46-49.

［2］樊昌信，曹麗娜.通信原理［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2009.

［3］季金燦.基于眼圖的LVDS信號質(zhì)量分析［J］.中國科技信息，2008（19）：83-84.

［4］杜亮.眼圖測量技術(shù)［C］//北京：2013年航空試驗測試技術(shù)峰會暨學(xué)術(shù)交流論文集，2013：116-119.

［5］Agilent 71501D Eye-diagram analysis user's guide［OL］. http：//www.agilent.com.

［6］楊光，周經(jīng)倫，羅鵬程.基于SIMULINK的數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)仿真研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2008，20（17）：4651-4659.

［7］邵玉斌.Matlab/Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真實例分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009.

［8］呂大千，何俊，李柔剛，等.基于SIMULINK的衛(wèi)星通信系統(tǒng)仿真研究［J］.火力與指揮控制，2016，41（8）：125-128.

Analysis of Digital-communication Jamming Efficiency Based on Eye Diagram

LYU Da-qian，HE Jun，LI Rou-gang
（Electronic Engineering Institute，Hefei 230037，China）

Considering that analysis of digital-communication jamming efficiency is difficult，analyzing theory of eye diagram，a method based on eye diagram to analyse digital-communication jamming efficiency is proposed.According to communication reconnaissance’s convenience，intuition and effectiveness，some parameters are selected from eye diagram.Digital-communication simulation system is established with MatlabSimulink.Parameters’changes with communication error symbol rate are detected under the different SNRs.The best parameter is selected from others as digitalcommunication jamming efficiency analysis index.And digital-communication jamming efficiency is researched with it.

digital-communication，jamming efficiency，Simulink，eye diagram

TN95

A

1002-0640（2017）01-0080-04

2015-12-05

2016-02-17

呂大千（1990-），男，山東青島人，碩士。研究方向：電子對抗作戰(zhàn)效能分析與作戰(zhàn)運用。