王寧+楊國斌+劉桐辛+蘭婷+周晨+姜春華

摘 要： 為了評(píng)估電離層探測系統(tǒng)性能，研究了電離層信道的傳播特性，完成電離層探測系統(tǒng)的仿真建模及后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)采用偽隨機(jī)二相編碼調(diào)制方式，選取Watterson信道模型仿真電離層信道，以超外差接收機(jī)和正交解調(diào)方式完成回波信號(hào)的采集，最后利用武漢大學(xué)電離層實(shí)驗(yàn)室的雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到高質(zhì)量的雙時(shí)響應(yīng)圖和散射函數(shù)圖。仿真結(jié)果驗(yàn)證電波在電離層中傳播時(shí)受到的各項(xiàng)影響，確定系統(tǒng)性能最佳時(shí)各模塊的參數(shù)，表明該模型能夠用以指導(dǎo)實(shí)際電離層探測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研發(fā)。

關(guān)鍵詞： 電離層探測系統(tǒng)； 仿真建模； 偽隨機(jī)二相編碼； Watterson信道； 超外差接收機(jī)； 正交解調(diào)

中圖分類號(hào)： TN011+.2?34； TN95 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）06?0001?04

Abstract： To evaluate the performance of ionospheric sounding system and study the propagation feature of ionospheric channels， simulation modeling and subsequent data processing for ionospheric sounding system were achieved. The pseudo?random binary code modulation mode is adopted in the system to select Watterson channel model for simulation of ionospheric channels. Superheterodyne receiver and quadrature demodulation mode are used to complete return signal acquisition. The radar data processing software in the ionosphere laboratory of Wuhan University is used to process the obtained data and obtain the high?quality double?delay response diagram and scattering function diagram. The simulation results verified the influences of radio wave on radio waves propagating in ionosphere， and determined parameters of each module when the system reaches optimum performance， which demonstrates that the model can be used to direct the actual design and development of ionospheric sounding system.

Keywords： ionosphere sounding system； simulation modeling； pseudo?random binary code； Watterson channel； superheterodyne receiver； quadrature demodulation

1925年，美國的G.Breit和M.A.Tuve首次證明了電離層存在，開啟了利用無線電探測技術(shù)研究電離層的時(shí)代[1]，此后，各種電離層探測技術(shù)和設(shè)備都得到廣泛發(fā)展。與此同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，電離層探測系統(tǒng)的仿真研究也日趨重要。通過建模開發(fā)出針對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的軟件仿真模型，能夠?qū)ο到y(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和研制提供理論支持，評(píng)估系統(tǒng)的各項(xiàng)性能，同時(shí)可以從信號(hào)級(jí)角度上對(duì)電波在電離層中傳播的工程化應(yīng)用問題進(jìn)行仿真和復(fù)現(xiàn)，具有重要的科學(xué)應(yīng)用價(jià)值。

目前國內(nèi)系統(tǒng)仿真的主要平臺(tái)有Simulink，ADS，SPW，VC++等，兼顧編程難度、通用性、可擴(kuò)展性、以及人際交互性等因素，Simulink的應(yīng)用較為廣泛，是一個(gè)提供動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境，具有模塊庫豐富、適應(yīng)面廣、仿真精細(xì)等優(yōu)點(diǎn)[2]。本文基于Simulink仿真平臺(tái)搭建完整的電離層探測系統(tǒng)模型，并展示了相應(yīng)的仿真結(jié)果及數(shù)據(jù)處理結(jié)果，驗(yàn)證了仿真模型的正確性。

1 系統(tǒng)仿真建模

1.1 仿真模型

圖1為仿真模型整體框圖。電離層探測系統(tǒng)主要包括發(fā)射模塊、短波信道模塊和接收機(jī)模塊，其中接收機(jī)模塊又分為模擬部分和數(shù)字部分。發(fā)射模塊完成發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生、調(diào)制以及信號(hào)功率放大過程，短波信道模塊模擬電離層信道的傳播效應(yīng)，包括多徑效應(yīng)、多普勒頻移效應(yīng)、衰落、噪聲以及各種損耗[3?4]。接收機(jī)模塊完成對(duì)信號(hào)的解調(diào)、接收和數(shù)據(jù)采集，得到的I，Q數(shù)據(jù)流用于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。

1.2 發(fā)射模塊建模

發(fā)射模塊建模要考慮到雷達(dá)的最大作用距離和距離分辨力兩個(gè)特性，脈沖雷達(dá)方程和雷達(dá)的距離分辨力如下：

[ Rmax=PtτGtσλ2F2tF2r4π3D0kTsBnL14] （1）

[ΔR=cτ2=c2B] （2）

式中：[Pt]是發(fā)射功率；[τ]為脈沖寬度；[Gt]為發(fā)射天線增益；[Gr]為接收天線增益；[σ]為雷達(dá)散射截面；[λ]為信號(hào)波長；[Ft]是發(fā)射天線到目標(biāo)的方向圖傳播因子；[Fr]是目標(biāo)到接收天線的方向圖傳播因子；[k]為波爾茲曼常數(shù)；[Ts]為接收系統(tǒng)噪聲溫度；[D0]為可見度系數(shù)；[Bn]為帶寬較正系數(shù)；[L]為損耗因子；[c]為光速；[B]為發(fā)射信號(hào)的帶寬[5]；[Ptτ]是發(fā)射脈沖能量。由式（1）可以看出脈寬越大，雷達(dá)的發(fā)射功率越大，最大作用距離也越大。但這同時(shí)會(huì)造成雷達(dá)探測距離分辨力的下降。為了解決這一矛盾，系統(tǒng)采用脈沖壓縮技術(shù)，從而使雷達(dá)能夠同時(shí)獲得較大的作用距離和較高的距離分辨力[6]。脈沖壓縮有相位編碼脈沖和線性調(diào)頻脈沖兩種。相對(duì)于線性調(diào)頻脈沖而言，在電離層狀態(tài)變化較平穩(wěn)，多普勒頻移較小的情況下，二相編碼壓縮脈沖具有較高的距離分辨力，且相比于多相編碼，其復(fù)雜性大大降低。因此實(shí)際仿真中采用二相編碼脈沖。圖2是發(fā)射模塊的Simulink建模。endprint

首先通過脈沖信號(hào)與正弦調(diào)制信號(hào)相乘來實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)制，利用脈沖信號(hào)的周期和脈寬設(shè)置發(fā)射信號(hào)的碼寬和脈寬。然后采用偽隨機(jī)序列進(jìn)行調(diào)制信號(hào)的相位選擇，其中偽隨機(jī)m序列的產(chǎn)生可以用Simulink庫的m序列產(chǎn)生器模塊，也可以用延時(shí)單元構(gòu)建反饋移位寄存器來實(shí)現(xiàn)。在Matlab函數(shù)模塊中編寫的BPSK_a函數(shù)用于選擇正弦載波信號(hào)的初始相位。由于偽隨機(jī)序列具有良好的自相關(guān)特性，能夠降低系統(tǒng)發(fā)射功率，保證最大主旁瓣峰值比，得到的波形近似一個(gè)噪聲調(diào)制的信號(hào)，使得雷達(dá)能夠兼顧速度和距離上的測試精度和分辨力，增強(qiáng)其抗干擾能力，減小多徑造成的影響[7]。

1.3 Watterson信道建模

電離層信道的傳播特征主要有多徑效應(yīng)、衰落效應(yīng)、多普勒效應(yīng)、噪聲和損耗等。本文采用一種窄帶信道模型（Watterson信道模型）來模擬電離層信道。Watterson信道的數(shù)學(xué)模型的原理是：在窄帶和有限時(shí)間的條件下，將時(shí)變的非平穩(wěn)電離層信道看作是平穩(wěn)的，從而建立一個(gè)靜態(tài)的模型來模擬電離層信道[8]。

圖3是利用Simulink建模得到的Watterson信道模型。首先將信號(hào)進(jìn)行希爾伯特變換，得到解析信號(hào)；然后進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，將基于采樣的解析信號(hào)轉(zhuǎn)化為基于幀格式的信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)入信道特性模塊。Watterson信道模型是利用抽頭時(shí)延線來模擬信道的多徑效應(yīng)，每條路徑可單獨(dú)設(shè)置響應(yīng)的時(shí)延和增益，增益函數(shù)的幅度服從瑞利分布，相位均勻分布。此特性由模型中的瑞利衰落模塊實(shí)現(xiàn)，其中各路徑參數(shù)輸入都以向量的形式輸入，向量中元素的個(gè)數(shù)就是信道路徑數(shù)；高斯白噪聲模塊的作用是設(shè)置信號(hào)的信噪比，模擬信道的噪聲，信噪比越小，則信道模型產(chǎn)生的噪聲越大，信號(hào)受到噪聲的影響也越大。模型中的三個(gè)損耗分別是自由空間傳播損耗，地面反射損耗和額外系統(tǒng)損耗（極化損耗，多徑干涉損耗等）。其中自由空間傳播損耗由收發(fā)點(diǎn)的位置確定，地面反射損耗與工作頻率，射線仰角及地面參數(shù)有關(guān)，額外系統(tǒng)損耗是難以確定的參量，通常取其經(jīng)驗(yàn)值，其值一般與探測時(shí)間相關(guān)。

1.4 接收模塊建模

仿真系統(tǒng)的接收機(jī)部分采用超外差結(jié)構(gòu)。首先由接收機(jī)模擬前端采用二次混頻方案得到中頻信號(hào)；然后由數(shù)字中頻模塊經(jīng)過數(shù)字混頻將頻率搬到零中頻；零中頻信號(hào)經(jīng)過抽取濾波，從而轉(zhuǎn)化為目的基帶信號(hào)。計(jì)算機(jī)后續(xù)的軟件處理工作都是圍繞著基帶信號(hào)展開的。圖4和圖5分別是接收機(jī)模擬端建模和數(shù)字中頻模塊建模。

由圖4可知，系統(tǒng)工作在3～30 MHz的短波頻段，接收機(jī)模擬端首先通過預(yù)選濾波和亞倍頻濾波器組進(jìn)行濾波，消除不必要的頻率分量，經(jīng)過直通或高放后輸入第一混頻器單元得到一中頻信號(hào)，頻率為41.4 MHz。匹配發(fā)射信號(hào)的帶寬，一中頻濾波器通帶設(shè)置為41.36 ～41.44 MHz，該濾波器能夠抑制混頻器產(chǎn)生的不需要的變頻頻率分量，同時(shí)也可以抑制鏡像頻率。一中頻經(jīng)過濾波放大后進(jìn)入二混頻器，二混頻器得到的信號(hào)經(jīng)二中頻濾波放大輸出到數(shù)字中頻模塊。二中頻頻率為1.4 MHz。

接收機(jī)模擬端輸出的信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換以后進(jìn)入數(shù)字中頻模塊[9]，A/D轉(zhuǎn)換器采樣率設(shè)為10 MHz。圖5是數(shù)字中頻模塊的Simulink模型。為了保證對(duì)信號(hào)進(jìn)行較好的接收，下變頻的抽取因子設(shè)置為256，第一級(jí)抽取采用積分梳狀濾波器（CIC）實(shí)現(xiàn)，CIC的抽取因子設(shè)置為16，第二級(jí)抽取由Simulink庫的下采樣模塊實(shí)現(xiàn)，抽取因子也是16。數(shù)字壓控振蕩器（NCO）相當(dāng)于一個(gè)理想的正余弦函數(shù)發(fā)生器，其作用是實(shí)現(xiàn)相干檢波[10]，防止單路檢波產(chǎn)生的過零點(diǎn)檢測盲相。一路信號(hào)和余弦信號(hào)進(jìn)行檢波，得到同相支路I，另一路信號(hào)和正弦信號(hào)進(jìn)行檢波，得到正交支路Q，通過這兩路信號(hào)，能夠同時(shí)提取幅度和相位信息。

2 仿真結(jié)果及信號(hào)處理

2.1 仿真波形分析

為了測試上述仿真系統(tǒng)的性能，對(duì)該仿真系統(tǒng)進(jìn)行測試，選擇的探測模式及參數(shù)設(shè)置如下：探測頻率為6 MHz；脈沖寬度[τ=25.6 μs]；二相調(diào)制序列為m序列；階數(shù)為6；碼寬為10；脈寬為2；傳播路徑數(shù)為1；路徑時(shí)延為1.28×10-3 s；多普勒頻移為2 Hz；信噪比為10 dB；探測次數(shù)為128。圖6是仿真輸出波形。

圖6中：①是發(fā)射波形，發(fā)射信號(hào)采用二相編碼調(diào)制方式，占空比為0.2，每個(gè)碼元的相位由m序列調(diào)制，這種調(diào)制方式適合單站探測；②是解調(diào)以后的中頻信號(hào)，頻率為1.4 MHz，從波形看出，信號(hào)經(jīng)過信道傳輸以后信噪比有所下降，可見信號(hào)疊加了噪聲的干擾，并且由于窄帶濾波的影響，波形有一定程度的畸變；③是經(jīng)過A/D采樣和正交鑒相后得到的基帶I，Q信號(hào)，由波形可以看出，該數(shù)據(jù)流能夠采集到m序列的碼元信息，仿真結(jié)果正確。

2.2 數(shù)據(jù)處理

將仿真得到的I，Q數(shù)據(jù)流進(jìn)行相關(guān)處理運(yùn)算得到雙時(shí)響應(yīng)圖和散射函數(shù)圖，如圖7所示。

系統(tǒng)距離分辨力的計(jì)算公式為[τ?c]。其中[τ]為發(fā)射信號(hào)的脈沖寬度，c為光速，由此計(jì)算出仿真系統(tǒng)的距離分辨力為7.68 km。由圖7a）可以看出，探測次數(shù)為128次，在群距離為415 km左右處出現(xiàn)回波信號(hào)，同時(shí)由圖7b）可以看出，信號(hào)的多普勒頻移為2 Hz左右。

雙時(shí)響應(yīng)圖中的群距離由公式[τs?c]決定，[τs]為信號(hào)時(shí)延。信號(hào)時(shí)延來自兩部分：一部分是系統(tǒng)時(shí)延，約1×10-4；另一部分是信道時(shí)延，由信道參數(shù)知，信道時(shí)延為1.28×10-3，信號(hào)時(shí)延為兩部分時(shí)延之和。經(jīng)過計(jì)算可知回波應(yīng)出現(xiàn)在415 km左右處，這與圖7a）中的結(jié)果是一致的，通過更改信道時(shí)延參數(shù)可以模擬電離層各層回波信號(hào)。Watterson信道中設(shè)置的多普勒頻移為2 Hz，這與圖7b）中的結(jié)果基本符合，驗(yàn)證了仿真系統(tǒng)的正確性。endprint

單次探測的距離響應(yīng)圖和415 km處的多普勒響應(yīng)圖如圖8所示。

從圖8a）可以看出，一次探測時(shí)回波能量在群路徑415 km左右處出現(xiàn)較大值，證明回波信號(hào)應(yīng)出現(xiàn)在415 km左右處。由圖8b）可以看出，在415 km距離處進(jìn)行多次探測得到的回波多普勒頻移約為2 Hz，仿真結(jié)果正確。

3 結(jié) 論

基于Matlab/Simulink設(shè)計(jì)的電離層探測系統(tǒng)仿真模型能夠準(zhǔn)確模擬實(shí)際電離層探測系統(tǒng)的工作過程和電離層信道的傳播特點(diǎn)，仿真結(jié)果正確。在仿真系統(tǒng)搭建和調(diào)試過程中通過不斷更改各硬件仿真模塊參數(shù)，使系統(tǒng)各項(xiàng)性能達(dá)到最優(yōu)，對(duì)實(shí)際探測系統(tǒng)研制過程中遇到的調(diào)制方式選擇，濾波器帶寬設(shè)置，以及解調(diào)方式等都提供了借鑒，且仿真成本小、模型清晰、調(diào)試方便，因此電離層探測系統(tǒng)的仿真研究能夠?yàn)閷?shí)際系統(tǒng)的研發(fā)提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，具有重要的指導(dǎo)意義。

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