matlab 相位分布_基于Matlab/Simulink的电离层探测系统仿真设计

摘要:为了评估电离层探测系统性能，研究了电离层信道的传播特性，完成电离层探测系统的仿真建模及后续的数据处理弓系统采用伪随机二相编码调制方式，选取Watterson信道模型仿真电离层信道，以超外差接收机和正交解调方式完成回波信号的采集，最后利用武汉大学电离层实验室的雷达数据处理软件对得到的数据进行处理，得到高质量的双时响应图和散射函数图弓仿真结果验证电波在电离层中传播时受到的各项影响，确定系统性能最佳时各模块的参数，表明该模型能够用以指导实际电离层探测系统的设计和研发。

1925年，美国的G.Breit和M.A.Tuve首次证明了电离层存在，开启了利用无线电探测技术研究电离层的时代。此后，各种电离层探测技术和设备都得到广泛发展。与此同时，随着计算机技术的进步，电离层探测系统的仿真研究也日趋重要。通过建模开发出针对实际系统的软件仿真模型，能够对系统的硬件设计和研制提供理论支持，评估系统的各项性能，同时可以从信号级角度上对电波在电离层中传播的工程化应用问题进行仿真和复现，具有重要的科学应用价值。

目前国内系统仿真的主要平台有Simulink, ADS,SPW , VC++等，兼顾编程难度、通用性、可扩展性、以及人际交互性等因素，Simulink的应用较为广泛，是一个提供动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境，具有模块库丰富、适应面广、仿真精细等优点。本文基于Simulink仿真平台搭建完整的电离层探测系统模型，并展示了相应的仿真结果及数据处理结果，验证了仿真模型的正确性。

1系统仿真建模

图1为仿真模型整体框图。电离层探测系统主要包括发射模块、短波信道模块和接收机模块，其中接收机模块又分为模拟部分和数字部分。发射模块完成发射信号的产生、调制以及信号功率放大过程，短波信道模块模拟电离层信道的传播效应，包括多径效应、多普勒频移效应、衰落、噪声以及各种损耗。接收机模块完成对信号的解调、接收和数据采集，得到的I,Q数据流用于后续的数据处理。

图2是发射模块的Simulink建模。 首先通过脉冲信号与正弦调制信号相乘来实现幅度调制，利用脉冲信号的周期和脉宽设置发射信号的码宽和脉宽。然后采用伪随机序列进行调制信号的相位选择，其中伪随机m序列的产生可以用Simulink库的m序列产生器模块，也可以用延时单元构建反馈移位寄存器来实现。在Matlab函数模块中编写的BPSK_ a函数用于选择正弦载波信号的初始相位。由于伪随机序列具有良好的自相关特性，能够降低系统发射功率，保证最大主旁瓣峰值比，得到的波形近似一个噪声调制的信号，使得雷达能够兼顾速度和距离上的测试精度和分辨力，增强其抗干扰能力，减小多径造成的影响。

图3是利用Simulink建模得到的Watterson信道模型。首先将信号进行希尔伯特变换，得到解析信号;然后进行数据格式转换，将基于采样的解析信号转化为基于帧格式的信号，转换后的信号进人信道特性模块。W atterson信道模型是利用抽头时延线来模拟信道的多径效应，每条路径可单独设置响应的时延和增益，增益函数的幅度服从瑞利分布，相位均匀分布。此特性由模型中的瑞利衰落模块实现，其中各路径参数输人都以向量的形式输人，向量中元素的个数就是信道路径数;高斯白噪声模块的作用是设置信号的信噪比，模拟信道的噪声，信噪比越小，则信道模型产生的噪声越大，信号受到噪声的影响也越大。模型中的三个损耗分别是自由空间传播损耗，地面反射损耗和额外系统损耗(极化损耗，多径干涉损耗等)。其中自由空间传播损耗由收发点的位置确定，地面反射损耗与工作频率，射线仰角及地面参数有关，额外系统损耗是难以确定的参量，通常取其经验值，其值一般与探测时间相关。

仿真系统的接收机部分采用超外差结构。首先由接收机模拟前端采用二次混频方案得到中频信号;然后由数字中频模块经过数字混频将频率搬到零中频;零中频信号经过抽取滤波，从而转化为目的基带信号。计算机后续的软件处理工作都是围绕着基带信号展开的。图4和图5分别是接收机模拟端建模和数字中频模块建模。

2 仿真结果及信号处理

为了测试上述仿真系统的性能，对该仿真系统进行测试，选择的探测模式及参数设置如下:探测频率为6 MHz;脉冲宽度25.6us;二相调制序列为m序列;阶数为6;码宽为10;脉宽为2;传播路径数为1;路径时延为1.28ms;多普勒频移为2 Hz;信噪比为10 dB;探测次数为128。图6是仿真输出波形。

图6中:①是发射波形，发射信号采用二相编码调制方式，占空比为0.2，每个码元的相位由m序列调制，这种调制方式适合单站探测;②是解调以后的中频信号，频率为1.4 MHz，从波形看出，信号经过信道传输以后信噪比有所下降，可见信号叠加了噪声的干扰，并且由于窄带滤波的影响，波形有一定程度的畸变;③是经过A/D采样和正交鉴相后得到的基带I, Q信号，由波形可以看出，该数据流能够采集到m序列的码元信息，仿真结果正确。

将仿真得到的I, Q数据流进行相关处理运算得到双时响应图和散射函数图，如图7所示。

经过计算可知回波应出现在415 km左右处，这与图7a)中的结果是一致的，通过更改信道时延参数可以模拟电离层各层回波信号。W atterson信道中设置的多普勒频移为2 Hz,这与图7b)中的结果基本符合，验证了仿真系统的正确性。

单次探测的距离响应图和415 km处的多普勒响应图如图8所示。

从图8a)可以看出，一次探测时回波能量在群路径415 km左右处出现较大值，证明回波信号应出现在415 km左右处。由图8b)可以看出，在415 km距离处进行多次探测得到的回波多普勒频移约为2 Hz，仿真结果正确。

参考文献：

王宁, 杨国斌, 刘桐辛, et al. 基于Matlab/Simulink的电离层探测系统仿真设计[J]. 现代电子技术, 2018.