CN109309541B - 一种基于无人机数据链抗干扰的半实物验证系统及验证方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于无人机数据链抗干扰的半实物验证系统及验证方法。该系统，包括括n个信号矢量发生器，一个高速采集器，下变频器，一个射频前端多通道微波开关，m个天线以及微波暗室。本发明提出了一种自定义ARB波形模式的半实物验证方法实现对复杂信号的抗干扰方法进行验证，既解决了仪表不能发送复杂信号的问题又能实现精准的验证。在验证中在不同的干扰情况下对半实物验证方法的曲线和数字仿真的曲线进行对比，在不同的干扰下，半实物验证曲线和数字仿真曲线具有很高的一致性，证明了数字仿真的正确性和半实物验证方法的有效性。此方法在成本较低的基础上为无人机数据链系统的验证领域提供了一定的理论支撑和一条新思路，能更快速有效的模拟无人机数据链面临的各种干扰，更充分的对无人机数据链的抗干扰性能进行模拟验证。

Description

一种基于无人机数据链抗干扰的半实物验证系统及验证方法

技术领域

本发明涉及一种无人机数据链抗干扰的半实物平台验证方法，通过微波仪表等对多进制扩频和多载波调制相结合的抗干扰算法进行半实物验证。现阶段由于仪器仪表本身的限制，是无法生成如此复杂的信号，为了验证算法的正确性，采用了ARB模式，生成自定义ARB波形文件，这是一种利用微波仪表、线缆、暗室等实现复杂信号的半实物验证系统，具有通用性。结果表明该方法的结果和数字仿真具有一致性，证明了半实物验证平台的可行性。

技术背景

目前，对于无人机数据链统，全实物验证系统不易实现，而半实物验证系统具有简单方便、可实施性高、成本低廉、准确性好等优点，在无人机数据链验证系统中被普遍采用。多进制扩频和多载波调制相结合的抗干扰方法因信号复杂无法用单独仪器仪表生成，为验证无人机数据链的抗干扰方法，亟需一种能借助仪表实现复杂信号的半实物验证方法。

文献“复杂电磁环境仿真试验体系的模型验证方法研究”，系统仿真学报，2012，vol.24，No.12，p2562-p2566”，通过半实物仿真试验采集的目标回波数据和干扰信号数据，对传感器工作流程和抗干扰性能、飞行控制规律进行考核，较真实地反映传感器与干扰信号的对抗交护过程和交互结果。但是其未形成收发整体框架，只是针对具体问题提出了具体的半实物方案，没有通用性。

发明内容

要解决的技术问题

为了解决单独仪器仪表无法生成复杂信号的问题，本发明提出一种自定义波形的半实物验证方法应用于无人机数据链，解决了在生成复杂信号的情况下，既节约验证成本又能实现精准半实物验证的问题。

技术方案

一种基于无人机数据链抗干扰的半实物验证系统，包括n个信号矢量发生器，一个高速采集器，下变频器，一个射频前端多通道微波开关，m个天线以及微波暗室；所述多通道微波开关控制各个信号矢量发生器接口与天线之间的切换，微波开关输入端与信号矢量发生器连接以便信号的发射，输出端与暗室中天线连接；天线和下变频器进行连接，将经过暗室辐射的信号通过下变频器下到中频处用高速采集器进行采集；下变频器和高速采集器进行连接。

基于上述系统的无人机数据链抗干扰半实物验证方法，包括如下步骤：

步骤一：生成多扩多载波的数据源文件：

子步骤1；用随机函数生成原始二进制数据流，进行1/2卷积编码，再进行串并转换分路处理，使高速率的信息转换成四路并行的低速率信息，提高传输效率，再分别对每一路信息进行M进制扩频处理，多进制扩频处理即用长为N的扩频码代替

位信息进行传送，将编码扩频后的码流做BPSK星座映射，并将信息进行成形滤波，形成四路多扩多载波的数据源；

子步骤2：将该数据源生成为后续仪表可以接受的文件形式，即自定义ARB波形文件；

步骤二：将步骤一生成的多扩多载波数据源文件，送入半实物验证系统内，生成真实的多扩多载波信号。具体包括如下子步骤：

子步骤1：将多扩多载波数据源文件分别送入n个信号矢量发生器中；

子步骤2：将n个信号矢量发生器的射频频率设为一致，将其中频分别进行不同的频率设置，完成在数据仿真中的多载波调制及上变频，利用微波开关和天线将信号在微波暗室中进行辐射式发送。

步骤三：采集数据后续处理，包括如下子步骤：

子步骤1：数据截取：为减小处理采集数据的工作量，只截取其中一部分数据进行处理分析，截取的数据必须包含两个完整的相关峰在内的数据。

子步骤2：带通滤波：滤除信号中的带外噪声，提取出有用信号。

子步骤3：相关处理：本发明采用滑动循环相关的方式进行相关处理：即用数字仿真生成帧头信息，对其进行变化电平、抽样、成型滤波处理，用这段处理的信息和采集的信息进行滑动相关，找到相关峰所在的位置，即找到了帧头的位置，就能正确找到发送的信息。由于仪器仪表是循环发送信息，因此需要找到发送信息的帧头，才能得到发送的有用信息进而进行后续处理。其中，成型滤波的参数和步骤一中的成型滤波参数应一致；为了避免帧头成型出现幅度、波形失真等误差，在帧头前后再各添加其首尾信息，以模拟仪表连续发送的状态。

子步骤4：数据逆处理：对相关处理后得到的信息进行添加噪声和各种干扰，再进行多载波解调、低通滤波、BPSK逆映射，相关解扩处理，相关解扩后得到对应的扩频序列，把对应的扩频序列转换成二进制的比特流，经过串并变换转换成一路信息流，对信息流进行维比特译码得到接收的数据流，对接收的数据流和步骤一中生成的多扩多载波的数据源文件进行对比，得到系统的误比特率。

步骤四：干扰验证

子步骤1：按照半实物验证系统的连接方式，进行仪器仪表的连接；

子步骤2：分别用n个矢量信号发生器进行不同干扰的发送，设置矢量信号发生器的参数使得干扰带宽落在步骤一中的多扩多载波数据源的带宽内，形成带内干扰，利用微波开关切换不同干扰的发送，利用高速采集器进行不同干扰的采集；

子步骤3：将采集的不同干扰添加到步骤三相关处理后的信息中，即完成对信号进行干扰的添加过程；最后在不同的干扰情况下进行数据逆处理，得到在半实物验证系统下系统的误比特率即系统的抗干扰性能，并和数字仿真中的系统抗干扰性能进行对比。

有益效果

复杂电磁环境对无人机数据链传输信息的性能造成了很大的威胁，采用复杂的抗干扰方法提高了无人机数据链的抗干扰能力，但如何对复杂的抗干扰方法进行有效的验证是个难点，本文提出了一种自定义ARB波形模式的半实物验证方法实现对复杂信号的抗干扰方法进行验证，既解决了仪表不能发送复杂信号的问题又能实现精准的验证。在验证中在不同的干扰情况下对半实物验证方法的曲线和数字仿真的曲线进行对比，在不同的干扰下，半实物验证曲线和数字仿真曲线具有很高的一致性，证明了数字仿真的正确性和半实物验证方法的有效性。此方法在成本较低的基础上为无人机数据链系统的验证领域提供了一定的理论支撑和一条新思路，能更快速有效的模拟无人机数据链面临的各种干扰，更充分的对无人机数据链的抗干扰性能进行模拟验证。

附图说明

图1无人机数据链半实物验证系统框图

图2无人机数据链自定义ARB生成及验证流程图

图3高斯白噪声下本发明和数字仿真性能对比图

图4单频连续波下本发明和数字仿真性能对比图

图5常规雷达脉冲下本发明和数字仿真性能对比图

具体实施方式

为使本发明的技术手段更易理解，下面结合具体例子，更进一步阐述本发明，在此以传输信息为2Mbit/s，扩频码长为127，16进制的基于多进制扩频和多载波调制相结合的无人机数据链抗干扰方法中的高速并行传输的四路信息为例进行半实物验证方法说明。

本实施例中的抗干扰半实物验证系统由R&S SMU200A、R&S FSQ26、安捷伦E8251A、安捷伦E8257D、西安华星信息科技有限公司的射频前端多通道微波开关、西安穆雷电子科技有限公司的高速数据采集存储系统、Signal Core的SC5308A下变频器、1～6GHz的喇叭天线、2～18GHz的喇叭天线、射频线以及微波屏蔽暗室等组成。参照图1连接仪器仪表，多通道微波开关控制各个信号源接口与喇叭天线之间的切换，将微波开关输入端与SMU200A等信号源连接，输出端通过线盘与暗室中布置的喇叭天线连接；将接收喇叭天线和下变频器进行连接，将经过暗室辐射的信号通过下变频器下到中频处进行采集接收；下变频器和高速采集器进行连接，将作为外时钟的安捷伦 E8251A和高速采集器进行连接。

参照图2，基于上述系统进行实验验证的具体过程为：

1.多扩多载波的ARB生成

①生成.mat文件：在MATLAB中用随机函数randi生成一串0、1的随机数组作为信源；其次采用1/2卷积编码对信号进行纠错编码，提高系统的抗干扰能力，在此用convenc函数来实现此功能；再进行串并转换分路处理，分成四路并行的低速信息流，对每一路信息进行多进制扩频处理，将编码扩频后的码流做BPSK星座映射和电平转换，使0、1信息转换为1、-1的电平；然后进行抽样、成型滤波，其中成型滤波器选用升余弦滤波器，延迟设为8，滚降系数设为0.35。将程序运行并生成一个.mat文件，保存所需的原始数据流信息、经过成型滤波后要送往仪表的四路调制信息。

②生成wv文件：首先命名生成wave文件的名称；再根据具体参数设置信号的采样频率，此处为152.4MHz；然后用load函数加载生成的.mat文件，将①中生成的调制信号的实部和虚部分别赋值给Create_IQ_Local.m文件中的Signal_I和Signal_Q，运行程序，调用rs_generate_wave函数生成wave文件。

2.仪表设置

①SMU200A加载ARB波形：仪表SMU200A界面中，Frequency为设置信号的频率，level为信号的发射功率，Clock为时钟频率；点击界面中的Baseband窗口，出现 ARB选项窗口，此处可以加载wave文件，点击Load Waveform出现存储的文件框，选中要加载的wave文件进行确定，Clock会根据wave里的采样频率进行自适应读取，最后将状态State设置为on，按Esc键进行退出。将Frequency设置为信号的载波频率，确保接受的信号明显，将level设为10dBm。

②下变频器的设置：下变频器采用Signal Core的SC5308A下变频器，下变频器是为了使射频信号下到中频的任意载波频率上。“RF in Frequency”是设发射信号的射频频率，将其设置到需要的频率上；采集器的量化范围在±2048，RF atten1和RF atten2 是设置信号衰减的大小，使得信号在采集器的量化范围内；“IF2Filter”上设置滤波器带宽(80M和160M两种)，根据需要进行选择，此处设为80M即可；“IF Out Frequency”为下变频到的中频频率，将其设置到需要的中频频率上。

③采集器：超宽带信号高速采集系统各个参数皆可以根据实际需要进行配置；由于内时钟的采样频率只有一些特定的值，灵活度不高，为了满足更灵活的需求，选用外时钟进行配置，外时钟是可以根据信号的采样频率随意设置。在采集器设置中，文件的存储地址为固定的E盘，可在E盘下新建文件夹，并事先设置好采集数据的名称，文件的大小是可以根据自己发送信息的长度进行随意设置，此处文件格式为dat文件；采集器的AD分辨率为12bit，因此.dat文件是12bit的，而分析频谱的Credi软件的分辨率为16bit，MATLAB中的数据处理也是只能读取int16数据，因此需进行文件转换，此处直接在采集器中可实现。

④外时钟的设置：采集器的时钟用的是外时钟，因此需要配置外时钟，以满足采集器和信号的需求。将安捷伦E8251A作为外时钟，在其界面中，Frequency为采集器的采样频率，此处采集器的采样频率设为762MHz，amplitude为时钟功率，设为0dBm，参数设置好后将mod关闭，RF打开。

3.采集数据后续处理

①数据截取：根据此处数据量的大小，截取了包含4个完整相关峰在内的数据，数据大小为19172760*2，在MATLAB中，用fopen和fread函数读取采集器采集的信息，因为信号的采样频率为152.4MHz，而采集器设置的采样频率为762MHz，因此对采集的数据还要进行5抽1的处理，以保证和信号的采样点数一致。

②相关处理：采用滑动相关的方式进行找相关峰，先在MATLAB中生成长为1023 的m序列的帧头信息，对其进行变化电平、抽样、成型滤波处理，用帧头信息和采集的信息进行滑动相关，找到4个相关峰，即找到了帧头的位置，就能正确的找到传输的有用信息。为了避免数字处理中帧头成型出现幅度、波形失真等误差，在帧头前后再各添加其首尾信息各10比特，以模拟仪表连续发送的状态。

③MATLAB数据逆处理：由上一步得到有用信号后，对信号分别进行解调处理，分离出四路信号，再对每一路信号进行多进制解扩处理：用扩频序列和经过低通滤波传输过来的信息进行相关处理，找到矩阵每一行最大值所在的位置，确定扩频时采用的是哪条扩频码，进行一一映射，将十进制的转化成k路二进制的信息。最后并串转换成一路信息，从而完成了解扩。然后对信号进行维比特译码处理，得到接收数据流，将接收数据流和原始数据流进行对比得出信号的误比特率。

4.采用本发明的无人机数据链抗干扰半实物验证方法，参照图1进行仪器仪表连接，参照图2进行自定义ARB生成及验证。在相同的参数下，对高斯白噪声下本系统和数字仿真进行性能对比，结果参照图3。在加窄带干扰(如：单频连续波)时和数字仿真的性能对比，结果参照图4。在加宽带干扰(如：常规雷达脉冲)时和数字仿真的性能对比，结果参照图5。由对比图可以看出，数字仿真和半实物验证曲线具有一致性，证明了数字仿真和半实物验证的正确性。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种无人机数据链抗干扰半实物验证方法，基于如下系统完成：系统包括n个信号矢量发生器，一个高速采集器，下变频器，一个射频前端多通道微波开关，m个天线以及微波暗室；所述多通道微波开关控制各个信号矢量发生器接口与天线之间的切换，微波开关输入端与信号矢量发生器连接以便信号的发射，输出端与暗室中天线连接；天线和下变频器进行连接，将经过暗室辐射的信号通过下变频器下到中频处用高速采集器进行采集；下变频器和高速采集器进行连接；其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一：生成多扩多载波的数据源文件：

子步骤1；用随机函数生成原始二进制数据流，进行1/2卷积编码，再进行串并转换分路处理，使高速率的信息转换成四路并行的低速率信息，再分别对每一路信息进行M进制扩频处理，多进制扩频处理即用长为N的扩频码代替

位信息进行传送，将编码扩频后的码流做BPSK星座映射，并将信息进行成形滤波，形成四路多扩多载波的数据源；

子步骤2：将该数据源生成为后续仪表可以接受的文件形式，即自定义ARB波形文件；

步骤二：将步骤一生成的多扩多载波数据源文件，送入半实物验证系统内，生成真实的多扩多载波信号，具体包括如下子步骤：

子步骤1：将多扩多载波数据源文件分别送入n个信号矢量发生器中；

子步骤2：将n个信号矢量发生器的射频频率设为一致，将其中频分别进行不同的频率设置，完成在数据仿真中的多载波调制及上变频，利用微波开关和天线将信号在微波暗室中进行辐射式发送；

步骤三：采集数据后续处理，包括如下子步骤：

子步骤1：数据截取，截取的数据包含两个完整的相关峰在内的数据；

子步骤2：带通滤波：滤除信号中的带外噪声，提取出有用信号；

子步骤3：相关处理：采用滑动循环相关的方式进行相关处理：即用数字仿真生成帧头信息，对其进行变化电平、抽样、成型滤波处理，用这段处理的信息和采集的信息进行滑动相关，找到相关峰所在的位置，即找到了帧头的位置，就能正确找到发送的信息；所述成型滤波的参数和步骤一中的成型滤波参数一致；在帧头前后再各添加其首尾信息；

子步骤4：数据逆处理：对相关处理后得到的信息进行添加噪声和各种干扰，再进行多载波解调、低通滤波、BPSK逆映射，相关解扩处理，相关解扩后得到对应的扩频序列，把对应的扩频序列转换成二进制的比特流，经过串并变换转换成一路信息流，对信息流进行维比特译码得到接收的数据流，对接收的数据流和步骤一中生成的多扩多载波的数据源文件进行对比，得到系统的误比特率；

步骤四：干扰验证

子步骤1：按照半实物验证系统的连接方式，进行仪器仪表的连接；

子步骤2：分别用n个矢量信号发生器进行不同干扰的发送，设置矢量信号发生器的参数使得干扰带宽落在步骤一中的多扩多载波数据源的带宽内，形成带内干扰，利用微波开关切换不同干扰的发送，利用高速采集器进行不同干扰的采集；

子步骤3：将采集的不同干扰添加到步骤三相关处理后的信息中，即完成对信号进行干扰的添加过程；最后在不同的干扰情况下进行数据逆处理，得到在半实物验证系统下系统的误比特率即系统的抗干扰性能，并和数字仿真中的系统抗干扰性能进行对比。

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