陳英豪 ，洪家平

(湖北師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，湖北 黃石 435002)

0 概述

在通信基礎(chǔ)理論和概念比較復(fù)雜、通信技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，對于通信工程專業(yè)的學(xué)生而言，學(xué)習(xí)掌握好通信專業(yè)知識(shí)是有一定難度的，出于理論性強(qiáng)、跨學(xué)科知識(shí)面要求廣、概念抽象理解難度大[1]、政策法規(guī)制度管理約束等原因，對通信工程專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)很難建立起現(xiàn)實(shí)的感性認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)反饋。短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)全面地掌握好相關(guān)知識(shí)，實(shí)踐中熟練地綜合運(yùn)用也是有較大難度的。

以往對于無線通信系統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)，大多以實(shí)際搭建電臺(tái)，點(diǎn)對點(diǎn)達(dá)成通信系統(tǒng)為主要方式[2]。利用實(shí)際裝備搭建通信對抗教學(xué)平臺(tái)來組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)，會(huì)受到以下條件的制約：首先需要大量實(shí)際電臺(tái)裝備，各類型電臺(tái)裝備需要布設(shè)到不同的場所，裝備、存放場地空間、維護(hù)保養(yǎng)、調(diào)試需要耗費(fèi)大量的財(cái)力物力；其次，頻率的使用要受到國家無線電委員會(huì)的管控[3]，有一定的協(xié)調(diào)難度，并且暴露的通信信號(hào)以及干擾信號(hào)有可能對正常的通信造成影響；再比如，隨著通信的發(fā)展，受原有裝備功能的限制，很多復(fù)雜以及新型通信制式無法實(shí)際驗(yàn)證。再者，通信對抗實(shí)驗(yàn)的達(dá)成需要多個(gè)部門、多個(gè)崗位協(xié)同配合，組織難度很大[4]。另外，無線通信達(dá)成受很多客觀自然條件的影響等等。綜上所述，如果組織通信對抗實(shí)踐教學(xué)，除了要求一定的理論知識(shí)積累外，還受更多的環(huán)境、條件因素的制約，同時(shí)還需要較大的資金投入。

為了規(guī)避無線電頻段使用管理規(guī)定，同時(shí)加強(qiáng)學(xué)生對相關(guān)通信知識(shí)的理解運(yùn)用，借助智能教學(xué)系統(tǒng)即ITS為代表的現(xiàn)代教學(xué)手段和技術(shù)來解決這一難題無疑將是首選。而短波通信對抗實(shí)驗(yàn)是通信工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要分支，其實(shí)驗(yàn)難度比通信工程專業(yè)的一般實(shí)驗(yàn)難度更大。因此，本文提出使用MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)仿真[5]，使用Visual C++與MATLAB聯(lián)合編程設(shè)計(jì)一套短波通信對抗虛擬實(shí)現(xiàn)的模擬教學(xué)系統(tǒng)，為通信工程專業(yè)師生提供一個(gè)教學(xué)和實(shí)踐平臺(tái)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對短波各種通信系統(tǒng)及通信干擾的模擬仿真，促進(jìn)學(xué)生對通信專業(yè)知識(shí)的理解和實(shí)際運(yùn)用能力；提高學(xué)生對無線電磁頻譜的認(rèn)知能力實(shí)際管理能力；通過對抗的方式進(jìn)一步提高學(xué)生對通信資源的綜合組織運(yùn)用能力[6]。教師通過該平臺(tái)，更好地了解掌握學(xué)生對通信專業(yè)知識(shí)的理解掌握情況，有針對性的指導(dǎo)幫助學(xué)生提升學(xué)習(xí)水平，提升教學(xué)效果，并且能夠在一定程度上檢驗(yàn)和評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)水平和能力。

1 短波通信對抗系統(tǒng)的組成

在現(xiàn)實(shí)中，由于短波通信對手、通信對象的復(fù)雜性和不確定性，短波通信頻率、通信方式等短波通信要素的不可預(yù)知性，造成有效的實(shí)施短波通信干擾的難度增大。因此，短波通信對抗不是簡單地使用單一干擾設(shè)備實(shí)施單一干擾的過程，而是以干擾設(shè)備為主體的一個(gè)集短波通信偵察、目標(biāo)識(shí)別、指揮控制、通信干擾及干擾效果評(píng)估于一體的系統(tǒng)平臺(tái)[7]。系統(tǒng)內(nèi)部高效協(xié)調(diào)配合，才能實(shí)現(xiàn)有效的通信對抗。

短波通信對抗系統(tǒng)一般由指揮控制系統(tǒng)、短波通信偵察系統(tǒng)、短波通信干擾系統(tǒng)以及內(nèi)部通信系統(tǒng)等部分組成[8]。指揮控制系統(tǒng)主要完成收集偵察系統(tǒng)上報(bào)的各類情報(bào)、信息和數(shù)據(jù)；統(tǒng)籌協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部其他系統(tǒng)工作狀態(tài)；建立對上通信鏈路，內(nèi)部通信鏈路；指揮干擾系統(tǒng)實(shí)施干擾等任務(wù)，同時(shí)要具備實(shí)時(shí)態(tài)勢顯示，輔助決策，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，指揮控制，對抗效果評(píng)估等功能[9]。短波通信偵察系統(tǒng)主要完成對短波通信對抗頻段內(nèi)的通信信號(hào)截獲、篩選、通信參數(shù)分析測試、短波通信信號(hào)測向定位、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、情況上報(bào)等任務(wù)，具備無線電磁環(huán)境感知，測向定位，數(shù)據(jù)分析、存儲(chǔ)、上報(bào)等功能。短波通信干擾系統(tǒng)主要完成發(fā)射短波干擾信號(hào)，實(shí)施短波通信干擾的任務(wù)，具備短波干擾信號(hào)調(diào)制參數(shù)選擇、干擾功率選擇、干擾頻率選擇、干擾方向和干擾天線選擇等功能。

2 短波通信對抗模擬教學(xué)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及原理

短波通信對抗模擬教學(xué)系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。分別是偵察機(jī)柜、分析機(jī)柜和干擾機(jī)柜等幾個(gè)主要部分組成，以實(shí)現(xiàn)信息采集、系統(tǒng)控制、系統(tǒng)輸出等功能。其他硬件如面板、操作臺(tái)、開關(guān)、輸入輸出卡、數(shù)據(jù)采集卡等設(shè)備。

圖1 短波通信對抗模擬教學(xué)系統(tǒng)硬件組成原理框圖

通信干擾主要任務(wù)是破壞或者降低對方通信系統(tǒng)的工作效能，因此，設(shè)計(jì)短波通信對抗模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，首先要模擬搭建完整的短波通信系統(tǒng)；然后，模擬短波信號(hào)在信道傳輸過程中加入各種不同的短波信號(hào)實(shí)現(xiàn)對敵方通信干擾。在整個(gè)過程中通過仿真軟件產(chǎn)生各種通信信號(hào)、干擾信號(hào)，以及實(shí)施干擾后的仿真結(jié)果輸出。

根據(jù)以上分析，在整個(gè)短波通信對抗模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，有以下幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：

1)信息采集模擬：即采集系統(tǒng)內(nèi)部各分系統(tǒng)控制面板、開關(guān)的輸入指令信息，控制臺(tái)指令信息等；

2)信息輸出模擬：即各分系統(tǒng)的輸出顯示、面板狀態(tài)指示燈等信息輸出；

3)信號(hào)的仿真模擬：即各種短波模擬、數(shù)字信號(hào)的仿真模擬；

4)信道的仿真模擬：即短波通信信號(hào)實(shí)際傳輸?shù)男诺赖姆抡婺M，包括干擾信號(hào)的疊加仿真模擬，現(xiàn)實(shí)中噪聲的仿真模擬等；

5)信號(hào)處理的仿真模擬：即短波數(shù)字搜索接收機(jī)、短波數(shù)字分析接收機(jī)等仿真模擬。短波通信對抗原理實(shí)現(xiàn)流程圖如圖2所示。

圖2 短波通信對抗實(shí)現(xiàn)流程原理圖

3 短波通信對抗系統(tǒng)的干擾仿真設(shè)計(jì)案例

仿真設(shè)計(jì)主要通過電腦端音頻采集系統(tǒng)采集一段時(shí)長為4s左右的真人語音信號(hào)，通過使用MATLAB軟件，采用不同的噪聲信號(hào)對原始音頻信號(hào)進(jìn)行疊加干擾仿真試驗(yàn)。

3.1 對AM模擬通信系統(tǒng)的干擾仿真設(shè)計(jì)

AM模擬通信系統(tǒng)干擾的系統(tǒng)框圖搭建如圖3所示：對真人語音信號(hào)采用DSB AM、DSBSC AM及FM干擾信號(hào)進(jìn)行疊加干擾仿真，圖3是該系統(tǒng)框圖。

圖3 對AM模擬通信系統(tǒng)干擾的系統(tǒng)框圖

3.2 對FM模擬通信系統(tǒng)的干擾仿真設(shè)計(jì)

對FM模擬通信系統(tǒng)干擾的系統(tǒng)框圖搭建如圖4所示：對真人語音信號(hào)采用FM干擾信號(hào)進(jìn)行疊加干擾仿真，圖4是該系統(tǒng)框圖。

圖4 對FM模擬通信系統(tǒng)干擾的系統(tǒng)框圖

3.3 對2FSK數(shù)字通信系統(tǒng)的干擾仿真設(shè)計(jì)

FSK是頻移鍵控的英文縮寫，F(xiàn)SK頻移鍵控的基本原理是利用載波的不同頻率來傳送數(shù)字基帶信號(hào)信息。當(dāng)數(shù)字基帶信號(hào)為二進(jìn)制時(shí)，就稱為2FSK，即二進(jìn)制頻移鍵控。調(diào)制時(shí)將“0”和“1”兩個(gè)二進(jìn)制基帶數(shù)字信號(hào)分別對應(yīng)兩個(gè)載波調(diào)制頻率ω1和ω2.對2FSK數(shù)字通信系統(tǒng)干擾的系統(tǒng)框圖搭建如圖5所示。

圖5 對2FSK數(shù)字通信系統(tǒng)干擾的系統(tǒng)框圖

3.4 對2ASK數(shù)字通信系統(tǒng)的干擾仿真設(shè)計(jì)

ASK即幅移鍵控又稱為振幅鍵控，ASK幅移鍵控的基本原理是利用載波的不同幅值來傳送數(shù)字基帶信號(hào)信息。當(dāng)數(shù)字基帶信號(hào)為二進(jìn)制時(shí)，就稱為2ASK，即二進(jìn)制幅移鍵控。調(diào)制時(shí)將“0”和“1”兩個(gè)二進(jìn)制基帶數(shù)字信號(hào)分別對應(yīng)兩個(gè)載波不同幅值A(chǔ)1和A2.對2ASK數(shù)字通信系統(tǒng)干擾的系統(tǒng)框圖搭建如圖6所示。

圖6 對2ASK數(shù)字通信系統(tǒng)干擾的系統(tǒng)框圖

4 短波通信對抗模擬教學(xué)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 面板控制功能模塊的軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)教學(xué)和實(shí)際應(yīng)用的需求，將軟件系統(tǒng)模塊劃分為若干功能子模塊，根據(jù)不同功能的模塊設(shè)計(jì)相對應(yīng)的界面來實(shí)現(xiàn)整個(gè)軟件模塊的功能。如圖7所示是面板控制功能模塊軟件控制流程圖。主要工作過程是系統(tǒng)通電自檢后進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后判斷是否有按鍵按下，如果有按鍵按下，就執(zhí)行相應(yīng)的處理。

圖7 面板控制功能模塊軟件控制流程圖

4.2 發(fā)射機(jī)柜軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖8所示是發(fā)射機(jī)柜模擬臺(tái)面板控制功能模塊的軟件流程圖：

圖8 發(fā)射機(jī)柜模擬臺(tái)面板控制功能模塊的軟件流程圖

5 結(jié)語

本文給出了一個(gè)短波通信對抗實(shí)踐模擬教學(xué)系統(tǒng)。首先對短波通信對抗模擬教學(xué)系統(tǒng)的功能、硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡要介紹，同時(shí)對系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)進(jìn)行了討論，進(jìn)而分別對短波通信對抗模擬教學(xué)系統(tǒng)中部分模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)干擾仿真的設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了詳細(xì)的探討。另外，考慮到系統(tǒng)的利用率與功能的拓展性，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)還可以考慮增加教學(xué)考核、故障診斷等功能模塊，進(jìn)一步貼近教學(xué)實(shí)踐需求。這樣不僅可使初學(xué)者加深對短波通信原理基本理論及基本概念的理解，建立起完整的短波通信系統(tǒng)及短波通信對抗系統(tǒng)概念，同時(shí)更加有利于學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，從系統(tǒng)的高度把握和運(yùn)用短波通信及其抗干擾技術(shù)，還有利于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和分析解決通信過程中出現(xiàn)的實(shí)際問題的能力。