光電雷達系統(tǒng)二進制數(shù)字傳輸特性研究

戚士斌

摘要：光電雷達整體組件將方位、俯仰信息轉(zhuǎn)化為二進制代碼，傳輸給機載計算機處理后再映射為雙極性碼元，通過計算機進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制信息碼送往其他交聯(lián)設(shè)備。受元器件電子熱運動、傳輸電纜老化等影響，傳輸信號可能嚴重畸形，造成誤碼率升高，實際抽樣判決值不僅有本碼元的值，還有其他碼元在該碼元抽樣時刻的串擾值及噪聲。接收端能否正確恢復信息，在于能否有效抑制噪聲和減小碼間串擾。本文結(jié)合實際故障，簡要分析在光電雷達系統(tǒng)中，二進制數(shù)字信號的傳輸特性，并對傳輸過程進行了仿真分析，可為相關(guān)故障的分析提供參考。

關(guān)鍵詞：光電雷達；二進制傳輸；串擾；誤碼率

Keywords：photoelectric radar；binary digital transmission；crosstalk；error rate

1 故障概述

一架某型飛機火控專業(yè)調(diào)試時，打開火控雷達系統(tǒng)的搜索瞄準開關(guān)，前座艙狀態(tài)控制臺置于“光學雷達”位置，待系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，將左起落架艙的控制開關(guān)轉(zhuǎn)到“接通光電瞄準”位置時，平視顯示器和多功能顯示器上的俯仰標尺直接跳至上極限位置，與正常狀態(tài)俯仰標尺應(yīng)指示在中間位置（零位）不符。調(diào)整狀態(tài)控制臺上的高度差旋鈕（ΔΗ），俯仰標尺無變化。先后串裝了合格交付的光電雷達整體組件、計算機輸入輸出部件、2號機載計算機、信號形成部件后，故障依舊存在。再次串裝其他架次飛機的計算機輸入輸出部件后，多次通電故障未復現(xiàn)。

2 光電雷達工作原理

某型飛機的火力控制系統(tǒng)主要包括雷達火控系統(tǒng)和光電火控系統(tǒng)，其中，光電火控系統(tǒng)主要由光電雷達整體組件、2號機載計算機（包括計算機輸入輸出部件）以及其他控制附件。光電雷達整體組件通過插頭X16的1、2號針將光電雷達的狀態(tài)信息傳給2號機載計算機，經(jīng)2號機載計算機處理后由計算機輸入輸出部件轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)斤@示系統(tǒng)。2號機載計算機接收到經(jīng)過計算機輸入輸出部件轉(zhuǎn)換的一次性指令，通過Ш4號插頭的7、8號針傳給光電雷達整體組件，以便控制光電雷達的掃描。信號傳輸過程中，計算機輸入輸出部件是很重要的“信息傳遞者”，用于保證2號機載計算機與外圍設(shè)備之間的信息交換及2號機載計算機與火力控制系統(tǒng)之間的設(shè)備交聯(lián)。計算機輸入輸出部件由串/并轉(zhuǎn)換器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、交換器模塊、帶電源模塊的框架組成，主要完成：

1）將輸入到計算機輸入輸出部件輸入端的模擬信號轉(zhuǎn)換成并行碼，并將其傳送到2號機載計算機中。

2）接收由2號機載計算機輸出的并行碼數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成模擬信號發(fā)送到外圍設(shè)備。

3）接收來自于外圍設(shè)備的雙極性串行數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換成并行碼傳送到2號機載計算機。

4）接收來自于2號機載計算機的并行碼信號，并將其轉(zhuǎn)換成一次性指令信號傳送到外圍設(shè)備。

2號機載計算機將計算機輸入輸出部件送來的信息解算后，輸出到其他設(shè)備或控制光電雷達工作。2號機載計算機主要包括中央處理器、轉(zhuǎn)換控制設(shè)備、非穩(wěn)壓整流器以及一些導線束。其中，轉(zhuǎn)換控制設(shè)備是2號機載計算機的重要組成部分，包括：

1）輸入—輸出處理器部件，通過32位串行碼、16位并行碼組織計算機與外圍設(shè)備之間的協(xié)同工作。

2）接口部件，轉(zhuǎn)接與機載計算機輸入端相連的輸入線和輸出線，將雙極性串行碼變成單極性串行碼，將輸出信息的單極性串行碼變?yōu)殡p極性串行碼。

3）交換部件，在外圍設(shè)備交換信息時，用于串行碼與并行碼之間的切換。

因此，整個光電雷達系統(tǒng)的信息傳輸特性可簡化為圖1。

在信號的傳輸過程中，電阻性元器件中電子的熱運動會產(chǎn)生熱噪聲，由于在一般的通信系統(tǒng)的工作頻率范圍內(nèi)熱噪聲的頻譜是均勻分布的，而且熱噪聲是由大量自由電子的運動產(chǎn)生的，其統(tǒng)計特性服從高斯分布，因此，通常將熱噪聲稱為高斯白噪聲[1]。

綜上所述，光電雷達系統(tǒng)可以簡化為一個引入了高斯噪聲的二進制傳輸系統(tǒng)，如圖2所示。

從圖2可以看出，光電雷達將含有方位、俯仰偏移量的信息轉(zhuǎn)換為2號機載計算機能夠識別的二進制碼，并由2號機載計算機對信息進行處理。為了傳輸?shù)姆€(wěn)定性，在傳輸?shù)接嬎銠C輸入輸出部件之前，要將2號機載計算機輸出的二進制碼映射為雙極性串行碼。計算機輸入輸出部件接收到雙極性串行碼后，需要對信號進行采樣、判決，最后通過總線將信息傳輸?shù)狡渌宦?lián)系統(tǒng)中。

3 傳輸特性分析

在通信系統(tǒng)中，E/n0又稱為信噪比（SNR）。由式（11）可知，在發(fā)送概率相等且在最佳門限電平下，雙極性數(shù)字傳輸系統(tǒng)的總誤碼率僅依賴于傳輸系統(tǒng)的信噪比，而與采用什么樣的信號形式無關(guān)。誤碼率Pe與信噪比E/n0的關(guān)系如圖4所示。

從圖4可以看出，當信噪比E/n0較小時，互補誤差函數(shù)（erfc）逐漸趨向于1，導致誤碼率就越趨向于0.5；隨著信噪比的增大，誤碼率呈現(xiàn)降低的趨勢；當信噪比提高到特定值時，誤碼率急劇下降，且E/n0比值越大，誤碼率Pe就越小。

4 仿真驗證

本文對二進制數(shù)字傳輸系統(tǒng)的傳輸特性進行matlab仿真[3]。假設(shè)發(fā)送端的信息為0、1二進制代碼，映射為單位雙極性碼，傳輸?shù)倪^程中引入均值為0、方差為1的高斯白噪聲，其離散信號如圖5所示。

為了說明強噪聲對二進制數(shù)字傳輸特性的影響，分別仿真了在SNR=1dB、SNR=6dB、SNR=10dB時接收端對信號的復原情況，仿真結(jié)果如圖6、圖7、圖8所示。

仿真結(jié)果表明，二進制數(shù)字傳輸系統(tǒng)在傳輸二進制碼元的過程中，當SNR=1dB，強噪聲會影響接收端對信號的判決，使得接收端對傳輸信號碼元復現(xiàn)能力差；隨著信噪比的提高（SNR=6dB），接收端對傳輸信號碼元的復現(xiàn)能力有所提高，但噪聲還是會對某一時刻的碼元產(chǎn)生干擾，影響接收；當信噪比達到一定程度時（SNR=10dB），接收端能夠完成復現(xiàn)傳輸信號碼元。

5 結(jié)論

本文對光電雷達系統(tǒng)的二進制數(shù)字傳輸特性進行分析，采用數(shù)理統(tǒng)計的方式給出了二進制碼元的概率密度，并推導出二進制信號碼元在傳輸過程中的誤碼率情況。在光電雷達系統(tǒng)中，電子元器件中電子的無規(guī)則運動產(chǎn)生熱噪聲，引入高斯噪聲，建立光電雷達系統(tǒng)二進制數(shù)字傳輸模型，并對其進行matlab仿真。為了說明噪聲對二進制數(shù)字傳輸特性的影響，分別仿真了不同信噪比下接收端對信號碼元的復原情況。仿真結(jié)果表明，由于系統(tǒng)中噪聲的影響，使得傳輸?shù)挠行盘柊l(fā)生畸變，接收端抽樣判決時產(chǎn)生誤碼，導致二進制數(shù)字傳輸系統(tǒng)的可靠性下降。

參考文獻

[1]樊昌信.通信原理[M].第5版.北京：國防工業(yè)出版社，2006.

[2]趙穎.應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計[M].北京：北京理工大學出版社，2008.

[3]孫祥. matlab 7.0基礎(chǔ)教程[M].北京：清華大學出版社，2005.