章小梅，姜茂仁，王 鼎

（海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，山東青島，266041）

基于Simulink超短波電臺(tái)的故障仿真研究

章小梅，姜茂仁，王 鼎

（海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，山東青島，266041）

本文以某型航空超短波電臺(tái)通信距離近故障為切入點(diǎn)，依據(jù)電臺(tái)工作的直擴(kuò)模式通信機(jī)理，采用Simulink搭建了直擴(kuò)通信系統(tǒng)的仿真模型，并設(shè)置了接近電臺(tái)工作參數(shù)的仿真條件。研究了在脈沖調(diào)制干擾情況下對(duì)電臺(tái)接收機(jī)靈敏度指標(biāo)的直接影響和對(duì)通信距離間接影響的程度，通過(guò)仿真運(yùn)算和結(jié)果分析，可復(fù)現(xiàn)電臺(tái)的故障產(chǎn)生過(guò)程，為查找故障部位分析原因并進(jìn)行科學(xué)處理提供了依據(jù)。

超短波電臺(tái)；脈沖干擾；故障仿真；接收機(jī)靈敏度

0 引言

在軍用航空領(lǐng)域，超短波電臺(tái)是現(xiàn)代飛機(jī)主要信息傳輸手段，其主要功用是完成飛機(jī)與地面（水面）、飛機(jī)與飛機(jī)之間的視距通信聯(lián)絡(luò)。電臺(tái)通信距離的遠(yuǎn)近，對(duì)飛機(jī)戰(zhàn)斗性能有著直接的影響。因此，研究航空超短波電臺(tái)通信距離近故障產(chǎn)生的機(jī)理，對(duì)保障、保證飛機(jī)戰(zhàn)斗力有重要意義。

1 故障現(xiàn)象及原因分析

據(jù)飛機(jī)維護(hù)人員反映，某型超短波電臺(tái)在飛機(jī)上使用，經(jīng)常發(fā)生通信距離近故障。具體情況是：當(dāng)飛機(jī)飛行高度在2000m，電臺(tái)工作在直擴(kuò)模式時(shí)，通信距離僅為60 km左右（此數(shù)據(jù)為飛行員估計(jì)值）。而超短波電臺(tái)在地面單獨(dú)通電時(shí)，無(wú)異常，當(dāng)用手持電臺(tái)綜合測(cè)試儀，測(cè)電臺(tái)靜噪靈敏度時(shí)，其值為-108dBm，在正常范圍，說(shuō)明電臺(tái)本身無(wú)異常，測(cè)試儀器連接如圖1所示。此時(shí)，打開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)綜合電子調(diào)節(jié)器電門（以下簡(jiǎn)稱“綜調(diào)”），使其工作，再測(cè)試電臺(tái)靜噪靈敏度，其值變?yōu)?84dBm，已偏離了正常值，由此可見(jiàn)，造成電臺(tái)靈敏度下降是來(lái)自外部的電磁干擾。

圖1 電臺(tái)靜噪靈敏度測(cè)試連接示意圖

當(dāng)飛機(jī)飛行高度在2000m時(shí)，按照公式（1）計(jì)算，超短波電臺(tái)視距通信距離的理論計(jì)算值應(yīng)達(dá)到182.70km或200.72km（假設(shè)塔臺(tái)超短波電臺(tái)天線為16 m），顯然，由于靈敏度值的偏離造成了通信距離的大幅下降。

式中：h1—地面通信電臺(tái)天線高度（m）

h2—飛機(jī)飛行高度（m）

S、S′—通信距離（km）

其中S′是考慮大氣折射的影響使電波的傳播路徑彎曲，有效傳播距離變遠(yuǎn)的經(jīng)驗(yàn)公式。

超短波電臺(tái)受干擾的故障，往往涉及電臺(tái)本身、發(fā)動(dòng)機(jī)綜調(diào)及其機(jī)上連接電纜等，如果它們各自在設(shè)計(jì)、安裝等方面存在缺陷，均可能導(dǎo)致故障的發(fā)生，而這起故障則定位為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)“綜調(diào)”所導(dǎo)致的。

“綜調(diào)”是發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)控制系統(tǒng)的主要部件，其主要功能為：調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、向發(fā)動(dòng)機(jī)控制設(shè)備和機(jī)載飛行參數(shù)記錄系統(tǒng)等輸送信號(hào)，以及調(diào)協(xié)燃油泵調(diào)節(jié)器和噴口加力調(diào)節(jié)器等工作。

“綜調(diào)”對(duì)外交聯(lián)電纜插座共9個(gè)，其中，X4對(duì)應(yīng)的電纜計(jì)有43根信號(hào)線，信號(hào)基本參數(shù)是，電壓范圍為-12V~12V，信號(hào)形式是正弦或方波，頻率在0~ 2993Hz范圍。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查看， X4在機(jī)上安裝時(shí)，電纜只做了部分電磁屏蔽，沒(méi)有嚴(yán)格按照國(guó)軍標(biāo)GJB151A-97（軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求）要求執(zhí)行，即機(jī)上線纜的信號(hào)強(qiáng)度和頻率超過(guò)一定范圍時(shí)，線纜均應(yīng)采取電磁兼容措施。

2 模型搭建及參數(shù)設(shè)置

圖2 直擴(kuò)通信系統(tǒng)仿真圖

在“綜調(diào)”電纜中，傳輸含有豐富多次諧波分量的方波信號(hào)，相當(dāng)于電脈沖干擾，因此，在仿真時(shí)用脈沖干擾來(lái)近似代替，下面重點(diǎn)采用仿真方法，討論脈沖干擾對(duì)直擴(kuò)通信系統(tǒng)靈敏度的影響。

2.1 直擴(kuò)通信系統(tǒng)仿真

根據(jù)擴(kuò)頻通信理論，運(yùn)用Simulink對(duì)直序擴(kuò)頻通信進(jìn)行仿真，其仿真框圖如圖2所示，主要包括：m序列產(chǎn)生模塊組、m序列同步模塊組、平方環(huán)載波跟蹤模塊組、誤碼率計(jì)算模塊、高斯白噪聲信道、濾波器模塊、載波產(chǎn)生模塊、示波器等。

直擴(kuò)通信系統(tǒng)仿真參數(shù)如下：整體采樣率為10-7s、基帶信號(hào)是采樣率10-3s的伯努利序列，擴(kuò)頻碼是采樣率10-5s、周期為31×10-5s的m序列，處理增益為10dB、載波頻率為500kHz、中頻頻率為100kHz，本振頻率為600kHz。

調(diào)制信號(hào)源使用二進(jìn)制伯努利序列，即Bernoulli Binary Generator產(chǎn)生一組碼元作為要傳輸?shù)男盘?hào)，并進(jìn)行極性變換為有雙極性碼信號(hào)；AWGN Channel是高斯白噪聲信道；擴(kuò)頻碼采用m序列，周期為31個(gè)采樣點(diǎn)，五個(gè)寄存器相互連接，為雙極性碼。擴(kuò)頻調(diào)制為BPSK方式，波形如圖3所示。

圖3 擴(kuò)頻系統(tǒng)發(fā)端變換波形圖

圖中由上至下分別為伯努利序列（數(shù)字基帶信號(hào)）、m序列（擴(kuò)頻碼）、BPSK擴(kuò)頻調(diào)制和載波調(diào)制波形。

接收機(jī)首先進(jìn)行偽碼解擴(kuò)，然后進(jìn)行混頻，得到中頻信號(hào)。通過(guò)中頻濾波器之后，再采用平方環(huán)跟蹤技術(shù)得到的載波并進(jìn)行解調(diào)，最后濾波、比較處理之后得到所需信號(hào)，如圖4所示。

圖4所示為加入噪聲狀態(tài)波形。由上至下分別為加入噪聲的信號(hào)、經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻碼解擴(kuò)之后的信號(hào)和混頻之后的信號(hào)，以及中頻濾波之后信號(hào)、載波解調(diào)之后信號(hào)形、低頻濾波之后信號(hào)和門限處理之后信號(hào)。由于噪聲將有用信號(hào)湮沒(méi)，所以從圖中很難看到相位突變，但是對(duì)于直擴(kuò)系統(tǒng)而言依然可以解調(diào)出原始信息。

圖4 接收端信號(hào)變換波形圖

2.2 脈沖干擾仿真

脈沖干擾時(shí)間短促，但可以獲得較大的峰值功率，使得接收機(jī)在進(jìn)行解調(diào)的時(shí)候發(fā)生突發(fā)性錯(cuò)誤，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中g(shù)（t-nT）為矩形函數(shù)、f為載波頻率、d（t）為噪聲。根據(jù)公式（2），采用Simulink仿真程序設(shè)計(jì)出脈沖干擾模型，如圖5所示。

圖5 脈沖干擾產(chǎn)生框圖

仿真中采用高斯噪聲產(chǎn)生模塊通過(guò)PAM調(diào)制（脈沖振幅調(diào)制）實(shí)現(xiàn)噪聲的簡(jiǎn)短發(fā)射，再與載波調(diào)制后發(fā)射出去，就得到了脈沖干擾信號(hào)。

其中可調(diào)參數(shù)包括：脈沖幅度A脈沖、高斯噪聲功率2σ、低通帶寬ù?通、脈沖周期τ等。其中噪音經(jīng)過(guò)PAM調(diào)制之后的表達(dá)式為：

載波調(diào)制之后的表達(dá)式為：

因此，脈沖干擾的功率為：

圖6所示為信號(hào)變化的頻譜圖，自左至右分別為帶限噪聲頻譜、噪聲PAM調(diào)制頻譜和脈沖干擾頻譜。從圖中可以看出，PAM調(diào)制之后，將帶限噪聲的頻譜進(jìn)行周期延拓，載波調(diào)制之后，將中心頻率搬移到載波頻率之上，以實(shí)現(xiàn)更好的仿真干擾效果。

圖6 脈沖干擾仿真信號(hào)頻譜

3 干擾影響及仿真結(jié)果

電臺(tái)的通信距離是戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)，主要由發(fā)射功率和接收靈敏度等技術(shù)指標(biāo)決定，針對(duì)部隊(duì)發(fā)生的故障，這里重點(diǎn)討論接收靈敏度的影響。

3.1 直擴(kuò)靈敏度測(cè)試的仿真

超短波電臺(tái)在直擴(kuò)狀態(tài)下，其靈敏度的測(cè)量方法在國(guó)軍標(biāo)GJB 1128—91（機(jī)載超短波電臺(tái)通用規(guī)范）中沒(méi)有明確規(guī)定，但根據(jù)電臺(tái)技術(shù)說(shuō)明書中指標(biāo)要求，可推測(cè)出其靈敏度的測(cè)試方法如下。

首先，將所需測(cè)試儀器、設(shè)備選好，并按圖7所示進(jìn)行連接，構(gòu)建靈敏度測(cè)試系統(tǒng)，參照?qǐng)D2。

圖7 測(cè)試儀器、設(shè)備連接圖

然后，將電臺(tái)工作頻率調(diào)整到指定頻率上，此時(shí)，調(diào)整輸入射頻信號(hào)大小，使得接收機(jī)輸出的誤碼率不超過(guò)0.1%（電臺(tái)說(shuō)明書在描述直擴(kuò)狀態(tài)靈敏度時(shí)標(biāo)注值），則該輸入射頻信號(hào)的強(qiáng)度就是接收機(jī)靈敏度。

3.2 脈沖干擾的影響

在仿真實(shí)驗(yàn)中，將圖5產(chǎn)生的脈沖干擾，加至圖2直擴(kuò)接收機(jī)輸入端，通過(guò)靈敏度測(cè)試，觀察干擾對(duì)其影響程度，方法如下。

（1）根據(jù)實(shí)測(cè)值加入環(huán)境基底噪聲。根據(jù)某型電臺(tái)的實(shí)際直擴(kuò)通信帶寬使用掃頻儀可測(cè)得自然環(huán)境下的基底噪聲為-85dBm（4MHz帶寬范圍內(nèi)）。

（2）無(wú)脈沖干擾時(shí)靈敏度測(cè)試。加入環(huán)境基底噪聲，調(diào)整輸入信號(hào)的強(qiáng)度使得誤碼率接近于0.1%，測(cè)得此時(shí)系統(tǒng)的初始靈敏度。

（3）有脈沖干擾時(shí)靈敏度測(cè)試。在環(huán)境基底噪聲的基礎(chǔ)上加入脈沖干擾，同時(shí)不斷調(diào)整干擾與輸入信號(hào)強(qiáng)度，使靈敏度接近于0.1%，此時(shí)記錄下相應(yīng)數(shù)據(jù)。

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)得到了脈沖干擾對(duì)直擴(kuò)系統(tǒng)的影響曲線，如圖8所示。

3.3 仿真結(jié)論

由于用脈沖干擾來(lái)近似代替飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)“綜調(diào)”電纜的輻射干擾，所以，該曲線只能是近似值。在脈沖調(diào)制干擾中，脈沖信號(hào)將帶限噪聲的頻域進(jìn)行了周期延拓，并且與載波調(diào)制之后，其中心頻率與接收機(jī)接收載頻相接近，因此，會(huì)對(duì)接收機(jī)產(chǎn)生較強(qiáng)的影響。

同時(shí)，對(duì)直擴(kuò)系統(tǒng)而言，脈沖調(diào)制干擾對(duì)靈敏度的影響程度主要取決于脈沖干擾中的脈沖頻率。由于本實(shí)驗(yàn)中采用的脈沖頻率與通信頻率500kHz相接近，且脈沖信號(hào)也可以類歸為數(shù)字信號(hào)，所以其影響程度較大。

圖8 脈沖干擾對(duì)靈敏度影響曲線

由圖8可見(jiàn)，10dB處理增益的接收靈敏度比5dB的高,說(shuō)明增加處理增益可提高抗干擾能力；在脈沖干擾強(qiáng)度為-80dBm左右，接收靈敏度約-90dBm處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即低于-80dBm時(shí)，對(duì)于不同處理增益下的接收靈敏度下降均較快，而高于-80dBm時(shí)，其下降速率均減慢，且脈沖干擾為-73dBm時(shí)對(duì)應(yīng)的接收靈敏度為-84dBm。

4 結(jié)束語(yǔ)

由實(shí)驗(yàn)可以明顯看出，仿真運(yùn)算基本反映了故障產(chǎn)生的機(jī)理，仿真結(jié)果驗(yàn)證了脈沖干擾對(duì)直擴(kuò)系統(tǒng)靈敏度有較大的影響，對(duì)于超短波電臺(tái)通信距離而言，當(dāng)周圍存在干擾或者由于飛機(jī)本身電磁兼容性能問(wèn)題而產(chǎn)生干擾時(shí)，即干擾信號(hào)大于接收信號(hào)的功率，說(shuō)明接收機(jī)已在噪聲湮沒(méi)的條件下進(jìn)行通信，都會(huì)對(duì)接收機(jī)靈敏度產(chǎn)生影響，在受到電臺(tái)擴(kuò)頻處理增益性能指標(biāo)的限制時(shí)，進(jìn)而間接造成電臺(tái)的通信距離下降是理所當(dāng)然的。

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Study on the Fault Simulation of UHF Radio Based on Simulink

Zhang Xiaomei, Jiang Maoren, Wang Ding
（Naval Aviation University Qingdao Campus, Qingdao Shandong, 266041）

This paper takes the short distance fault of an airborne UHF radio as the breakthrough point,and the simulation models of the UHF radio communication system in DSSS mode and pulse interference are built And the simulation condition is set according to the working parameter of the UHF radio The direct influence on the UHF radio receiver sensitivity and the indirect influence on the communication distance of the pulse interference are studied In simulation, the failure process in the UHF radio was recurred, and the simulation provides a basis for trouble shooting and the removal of fault after result analysis

UHF Radio;Pulse Interference; Fault Simulation; Receiver Sensitivity

章小梅（1963-），女，教授，博士研究生，主要研究方向?yàn)檐娪脽o(wú)線電通信與導(dǎo)航。

姜茂仁（1959-），男，教授，碩士研究生，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楹娇諢o(wú)線電通信與導(dǎo)航。

王鼎（1988-），男，講師，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檐娪脽o(wú)線電通信與導(dǎo)航。