基于Matlab/Simulink的电离层探测系统仿真设计

王宁+杨国斌+刘桐辛+兰婷+周晨+姜春华

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。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。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。

关键词： 电离层探测系统； 仿真建模； 伪随机二相编码； Watterson信道； 超外差接收机； 正交解调

中图分类号： TN011+.2?34； TN95 文献标识码： A 文章编号： 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[1]，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[2]。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

1.1 仿真模型

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[3?4]。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。

1.2 发射模块建模

发射模块建模要考虑到雷达的最大作用距离和距离分辨力两个特性，脉冲雷达方程和雷达的距离分辨力如下：

[ Rmax=PtτGtσλ2F2tF2r4π3D0kTsBnL14] （1）

[ΔR=cτ2=c2B] （2）

式中：[Pt]是发射功率；[τ]为脉冲宽度；[Gt]为发射天线增益；[Gr]为接收天线增益；[σ]为雷达散射截面；[λ]为信号波长；[Ft]是发射天线到目标的方向图传播因子；[Fr]是目标到接收天线的方向图传播因子；[k]为波尔兹曼常数；[Ts]为接收系统噪声温度；[D0]为可见度系数；[Bn]为带宽较正系数；[L]为损耗因子；[c]为光速；[B]为发射信号的带宽[5]；[Ptτ]是发射脉冲能量。由式（1）可以看出脉宽越大，雷达的发射功率越大，最大作用距离也越大。但这同时会造成雷达探测距离分辨力的下降。为了解决这一矛盾，系统采用脉冲压缩技术，从而使雷达能够同时获得较大的作用距离和较高的距离分辨力[6]。脉冲压缩有相位编码脉冲和线性调频脉冲两种。相对于线性调频脉冲而言，在电离层状态变化较平稳，多普勒频移较小的情况下，二相编码压缩脉冲具有较高的距离分辨力，且相比于多相编码，其复杂性大大降低。因此实际仿真中采用二相编码脉冲。图2是发射模块的Simulink建模。endprint

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[7]。

1.3 Watterson信道建模

电离层信道的传播特征主要有多径效应、衰落效应、多普勒效应、噪声和损耗等。本文采用一种窄带信道模型（Watterson信道模型）来模拟电离层信道。Watterson信道的数学模型的原理是：在窄带和有限时间的条件下，将时变的非平稳电离层信道看作是平稳的，从而建立一个静态的模型来模拟电离层信道[8]。

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，转换后的信号进入信道特性模块。Watterson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，其中各路径参数输入都以向量的形式输入，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。

1.4 接收模块建模

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。

由图4可知，系统工作在3～30 MHz的短波频段，接收机模拟端首先通过预选滤波和亚倍频滤波器组进行滤波，消除不必要的频率分量，经过直通或高放后输入第一混频器单元得到一中频信号，频率为41.4 MHz。匹配发射信号的带宽，一中頻滤波器通带设置为41.36 ～41.44 MHz，该滤波器能够抑制混频器产生的不需要的变频频率分量，同时也可以抑制镜像频率。一中频经过滤波放大后进入二混频器，二混频器得到的信号经二中频滤波放大输出到数字中频模块。二中频频率为1.4 MHz。

接收机模拟端输出的信号经过A/D转换以后进入数字中频模块[9]，A/D转换器采样率设为10 MHz。图5是数字中频模块的Simulink模型。为了保证对信号进行较好的接收，下变频的抽取因子设置为256，第一级抽取采用积分梳状滤波器（CIC）实现，CIC的抽取因子设置为16，第二级抽取由Simulink库的下采样模块实现，抽取因子也是16。数字压控振荡器（NCO）相当于一个理想的正余弦函数发生器，其作用是实现相干检波[10]，防止单路检波产生的过零点检测盲相。一路信号和余弦信号进行检波，得到同相支路I，另一路信号和正弦信号进行检波，得到正交支路Q，通过这两路信号，能够同时提取幅度和相位信息。

2 仿真结果及信号处理

2.1 仿真波形分析

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[τ=25.6 μs]；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1.28×10-3 s；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。

2.2 数据处理

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。

系统距离分辨力的计算公式为[τ?c]。其中[τ]为发射信号的脉冲宽度，c为光速，由此计算出仿真系统的距离分辨力为7.68 km。由图7a）可以看出，探测次数为128次，在群距离为415 km左右处出现回波信号，同时由图7b）可以看出，信号的多普勒频移为2 Hz左右。

双时响应图中的群距离由公式[τs?c]决定，[τs]为信号时延。信号时延来自两部分：一部分是系统时延，约1×10-4；另一部分是信道时延，由信道参数知，信道时延为1.28×10-3，信号时延为两部分时延之和。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。Watterson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。endprint

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。

3 结 论

基于Matlab/Simulink设计的电离层探测系统仿真模型能够准确模拟实际电离层探测系统的工作过程和电离层信道的传播特点，仿真结果正确。在仿真系统搭建和调试过程中通过不断更改各硬件仿真模块参数，使系统各项性能达到最优，对实际探测系统研制过程中遇到的调制方式选择，滤波器带宽设置，以及解调方式等都提供了借鉴，且仿真成本小、模型清晰、调试方便，因此电离层探测系统的仿真研究能够为实际系统的研发提供坚实的理论基础，具有重要的指导意义。

参考文献

[1] 白亚军.电离层对高频电波传播的影响研究[D].西安：西安电子科技大学，2014.

BAI Yajun. Study on the effects about the propagation of high?frequency radio waves in ionosphere [D]. Xian： Xidian University， 2014.

[2] 姜成昊，杨进华，张丽娟，等.新型多普勒成像激光雷达原理设计与仿真[J].红外与激光工程，2014，43（2）：411?416.

JIANG Chenghao， YANG Jinhua， ZHANG Lijuan， et al. Schematic design and simulation of new Doppler imaging laser radar [J]. Infrared and laser engineering， 2014， 43（2）： 411?416.

[3] 张洁寒.电离层多径信道均衡方法研究[D].西安：西安电子科技大学，2014.

ZHANG Jiehan. A study of multipath channel equalization method of ionized stratum [D]. Xian： Xidian University， 2014.

[4] 李雪，柳文，李吉宁，等.电离层相位污染和多模传播检测与识别研究[J].电波科学学报，2014，29（3）：485?491.

LI Xue， LIU Wen， LI Jining， et al. Detection and recognition of ionospheric phase contamination and multimode propagation [J]. Chinese journal of radio science， 2014， 29（3）： 485?491.

[5] PANG C， ZHANG N， HOU H. Radar equation of high?speed weak target during long time integration [J]. Fire control radar technology， 2015（1）： 7?9.

[6] 余贵水，张润哲，左雷.脉压雷达信号处理仿真分析研究[J].海军工程大学学报，2015（3）：95?98.

YU Guishui， ZHANG Runzhe， ZUO Lei. Simulation and analysis of pulse compression radar signal processing [J]. Journal of Naval University of Engineering， 2015（3）： 95?98.

[7] VENKATA K R M. On the periodicity of non?maximal length linear feedback shift register sequences [J]. International journal of engineering & technical research， 2016， 5（5）： 521?525.

[8] 粟根花，夏小霞.宽带短波信道建模综述[J].数字通信，2014，41（3）：48?52.

SU Genhua， XIA Xiaoxia. Summary of broadband shortwave channel modeling [J]. Digital communication， 2014， 41（3）： 48?52.

[9] 陈彦龙，张援农.电离层多普勒接收机的设计与实验[J].空间科学学报，2015，35（5）：574?580.

CHEN Yanlong， ZHANG Yuannong. Design and testing of an ionospheric Doppler receiver [J]. Chinese journal of space science， 2015， 35（5）： 574?580.

[10] 林琳.基于FPGA的雷达信号处理板设计与实现[J].现代电子技术，2014，37（11）：51?56.

LIN Lin. Design and implementation of radar signal processing board based on FPGA [J]. Modern electronics technique， 2014， 37（11）： 51?56.endprint