基于GUI/Simulink的通信對(duì)抗效能仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

邵正途，張 路，陳 鵬，許登榮

(空軍預(yù)警學(xué)院，湖北 武漢 430019)

0 引 言

通信對(duì)抗效能評(píng)估在電子對(duì)抗作戰(zhàn)中具有重要的意義，由于對(duì)通信系統(tǒng)的干擾效果測(cè)試外場(chǎng)試驗(yàn)需要被試通信系統(tǒng)、試驗(yàn)場(chǎng)地等諸多條件，因此頻繁的外場(chǎng)試驗(yàn)尤其不便。在此情況下，研制實(shí)驗(yàn)室條件下的基于計(jì)算機(jī)軟件采用模擬仿真方法構(gòu)建的開放式教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，避免了硬件構(gòu)建的困難，使大量復(fù)雜的理論分析和電路設(shè)計(jì)利用軟件完成，成為仿真試驗(yàn)的一種重要手段。MATLAB/Simulink采用模塊化框圖進(jìn)行編程，能夠直觀快速地搭建模型，利用其封裝技術(shù)可將模型簡(jiǎn)化，在通信和通信對(duì)抗研究中得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。本文以MATLAB為開發(fā)軟件，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一個(gè)以Simulink和圖形用戶界面(GUI)相結(jié)合的通信對(duì)抗效能仿真平臺(tái)，闡述分析了平臺(tái)實(shí)驗(yàn)方法，給出了實(shí)例應(yīng)用。

1 通信對(duì)抗效能仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 平臺(tái)構(gòu)成

基于GUI和Simulink的通信對(duì)抗效能仿真平臺(tái)的主要功能是：對(duì)通信系統(tǒng)加入噪聲和不同干擾信號(hào)進(jìn)行通信對(duì)抗效能仿真，顯示受干擾前后的通信信號(hào)時(shí)頻域波形并計(jì)算受干擾影響的通信系統(tǒng)誤碼率，包括4個(gè)部分：噪聲和通信信號(hào)仿真模塊、干擾信號(hào)仿真模塊、受干擾前后通信信號(hào)時(shí)頻域顯示模塊、誤碼率計(jì)算顯示模塊。系統(tǒng)功能構(gòu)成如圖1所示。系統(tǒng)主界面如圖2所示，圖中信號(hào)輸出時(shí)域波形區(qū)上圖為通信信號(hào)時(shí)域波形，下圖為受干擾通信信號(hào)時(shí)域波形。干擾頻譜區(qū)顯示該干擾樣式的頻譜圖。誤碼率顯示為受干擾后該通信系統(tǒng)接收機(jī)端的接收誤碼率。用戶可通過軟件主界面設(shè)置通信和干擾方的各類參數(shù)后進(jìn)行效能仿真，并在波形輸出區(qū)直接觀察各種干擾樣式對(duì)不同通信信號(hào)的傳輸影響，直觀感受通信對(duì)抗效能。

圖1 通信對(duì)抗效能仿真系統(tǒng)構(gòu)成

圖2 通信對(duì)抗效能仿真系統(tǒng)主界面

1.2 仿真流程

平臺(tái)仿真流程步驟如下：

Step1：設(shè)置通信系統(tǒng)類型及通信頻率。通信類型包括直擴(kuò)通信、跳頻通信、調(diào)幅(AM)信號(hào)、調(diào)頻(FM)信號(hào)等。

Step2：設(shè)置干擾信號(hào)類型及干信比。干擾類型包括窄帶干擾、寬帶干擾、梳狀干擾和掃頻干擾。干信比可以根據(jù)需求任意輸入，干擾模型區(qū)顯示選中的通信干擾樣式的Simulink模型，便于用戶了解干擾產(chǎn)生原理。

Step3：設(shè)置干擾信號(hào)參數(shù)。干擾參數(shù)設(shè)置區(qū)可設(shè)置各種不同干擾信號(hào)的主要參數(shù)。窄帶干擾參數(shù)包括干擾中心頻率和干擾帶寬，寬帶干擾參數(shù)包括干擾中心頻率和干擾帶寬，梳狀干擾包括干擾帶寬和梳狀干擾頻率間隔，掃頻干擾包括干擾帶寬和掃過該干擾帶寬用的時(shí)間周期,即掃頻周期。圖2中主界面顯示的是干擾樣式的默認(rèn)參數(shù)。

Step4：軟件仿真。按下“開始仿真”按鈕后，根據(jù)界面的參數(shù)設(shè)置調(diào)用后臺(tái)的Simulink模型仿真計(jì)算該干擾樣式對(duì)指定的通信系統(tǒng)的干擾效能，顯示誤碼率和輸出時(shí)域、頻域波形等仿真結(jié)果。

2 仿真平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方法

2.1 通信系統(tǒng)及干擾信號(hào)Simulink建模

Simulink是MATLAB中的一個(gè)建立系統(tǒng)方框圖和基于方框圖級(jí)的系統(tǒng)仿真環(huán)境，是一個(gè)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析的軟件包。使用Simulink可以方便地對(duì)通信系統(tǒng)和干擾信號(hào)進(jìn)行可視化建模，并進(jìn)行基于時(shí)間流的系統(tǒng)級(jí)仿真，使得仿真系統(tǒng)建模與工程中的方框圖統(tǒng)一起來[4-6]。以直接序列擴(kuò)頻通信(簡(jiǎn)稱直擴(kuò)通信)為例，介紹通信系統(tǒng)Simulink仿真方法。直擴(kuò)通信采用高速偽隨機(jī)碼作為擴(kuò)頻碼在發(fā)送端進(jìn)行擴(kuò)頻，從而使頻帶較窄的原始信號(hào)擴(kuò)展為頻帶較寬的信號(hào)，在接收端用相同的偽隨機(jī)碼進(jìn)行解擴(kuò)，恢復(fù)出原始信號(hào)[7]。直擴(kuò)信號(hào)的類型有很多種，最常用的方式是二進(jìn)制相移鍵控。直擴(kuò)二進(jìn)制相移鍵控(DS-BPSK)通信系統(tǒng)Simulink模型如圖3所示，模型中使用伯努利二進(jìn)制序列數(shù)作為信息源，使用PN碼作為擴(kuò)頻碼，調(diào)制載波使用BPSK方式，部分理想化信道和同步。

圖3 DS-BPSK通信系統(tǒng)Simulink模型

其中，伯努利二進(jìn)制發(fā)生器用以產(chǎn)生{0，1}序列碼，PN序列產(chǎn)生器，用以產(chǎn)生m序列，模型中設(shè)為8階m序列。極性轉(zhuǎn)換器用以將單極性碼{0，1}碼轉(zhuǎn)換為{-1，1}的雙極性碼。正弦信號(hào)作為載波信號(hào)，幅度默認(rèn)設(shè)為1，頻率可自由輸入。高斯白噪聲信道(AWGN Channel)模擬高斯信道，默認(rèn)信噪比(SNR)為10 dB。干擾用以產(chǎn)生干擾信號(hào)。模擬濾波器設(shè)置為一階低通濾波器。

通信系統(tǒng)的常見干擾信號(hào)有窄帶干擾、寬帶干擾、梳狀干擾、掃頻干擾。以寬帶干擾為例介紹干擾信號(hào)Simulink建模方法。寬帶干擾通常采用調(diào)頻制寬帶干擾。寬帶干擾表達(dá)式為[8]：

(1)

由此數(shù)學(xué)模型，利用低通濾波后的高斯噪聲對(duì)壓控振蕩器進(jìn)行控制，建立寬帶噪聲信號(hào)仿真模型如圖4所示，軟件中該模型顯示在主界面，幫助使用者理解干擾產(chǎn)生原理。

圖4 寬帶干擾Simulink模型

2.2 基于GUI和Simulink的聯(lián)合建模方法

基于可視化建模工具Simulink和圖形用戶界面GUI的聯(lián)合建模方法原理如圖5所示。

圖5 基于GUI和Simulink的仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)原理

在仿真平臺(tái)的構(gòu)建中，利用Guide進(jìn)行用戶界面GUI的設(shè)計(jì)，當(dāng)GUI界面上有事件觸發(fā)，即利用M函數(shù)文件對(duì)各個(gè)模型中的分函數(shù)文件進(jìn)行調(diào)用，利用這些M函數(shù)文件對(duì)Simulink模型進(jìn)行調(diào)用。所建Simulink模型在封裝時(shí)各參數(shù)都以變量形式表示，在不進(jìn)入Simulink環(huán)境下，采用set_param函數(shù)跨空間將GUI界面中設(shè)置參數(shù)傳遞給Simulink模型計(jì)算，實(shí)現(xiàn)Simulink與GUI之間的參數(shù)調(diào)用。通過Simulink的仿真，將仿真結(jié)果輸入到MATLAB工作空間workspace，GUI調(diào)用計(jì)算結(jié)果顯示圖形輸出和仿真計(jì)算結(jié)果。通過GUI和Simulink的結(jié)合，充分地結(jié)合界面操控與模型仿真的優(yōu)點(diǎn)，提高軟件實(shí)用性。利用GUI開發(fā)了平臺(tái)的圖形用戶界面，利用Simulink構(gòu)建功能級(jí)通信和通信干擾仿真模型，將抽象的理論通過圖形方式描述。

3 運(yùn)用實(shí)例

目前，該平臺(tái)已用于相關(guān)教學(xué)和科研任務(wù)的通信干擾效能分析中。以寬帶干擾對(duì)直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的干擾為例，寬帶干擾仿真參數(shù)：中心頻率：500 kHz；干擾帶寬100 kHz。在干信比為1的情況下，對(duì)該直擴(kuò)通信系統(tǒng)進(jìn)行干擾效能仿真，并進(jìn)行誤碼率測(cè)試，通過Simulink仿真得到受干擾前后的通信時(shí)域波形仿真結(jié)果如圖6所示，干擾頻域波形如圖7所示。

圖6中由上至下分別是通信信號(hào)、寬帶干擾和

圖6 寬帶干擾下的直擴(kuò)通信波形圖

圖7 寬帶干擾信號(hào)頻譜

受干擾后的通信信號(hào)波形圖。從圖6可以看出寬帶干擾的時(shí)頻域特征及其對(duì)直擴(kuò)通信的影響。通過將輸出結(jié)果傳遞至GUI界面顯示，可以得到圖2中的界面顯示效果。

同時(shí)，在干信比為5的情況下，誤碼率為0.02，表明直擴(kuò)通信具有較好的抗干擾性能，使用者可改變干信比輸入，得出隨著信干比的增大，輸出誤碼率也在逐漸增大，直觀感受干信比對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽?/p>

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于GUI和Simulink設(shè)計(jì)構(gòu)建了通信對(duì)抗效能仿真平臺(tái)，以直擴(kuò)通信的寬帶干擾效能分析為例給出了模型原理和仿真結(jié)果。結(jié)果表明，Matlab GUI/Simulink仿真的引入和結(jié)合，將抽象的概念具體化，使動(dòng)態(tài)仿真過程與知識(shí)邏輯鏈有機(jī)融合，可有效回避繁雜公式的推導(dǎo)，直觀改變仿真參數(shù)，得到可視化的仿真結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)抗評(píng)估系統(tǒng)化、便捷化、直觀化，在通信對(duì)抗效果評(píng)估中具有廣闊的應(yīng)用前景。