基于眼图的数字通信干扰效能指标构建与评估

吕大千，何俊，李柔刚

（电子工程学院，合肥230037）

基于眼图的数字通信干扰效能指标构建与评估

吕大千，何俊，李柔刚

（电子工程学院，合肥230037）

针对数字通信干扰效能评估难度大的问题，分析眼图测量技术基本原理，提出一种基于眼图测量技术的数字通信干扰效能评估方法。从通信侦察的便捷性、直观性、有效性出发，选择部分眼图测量参数，构建通信工作效能评估指标模型。运用Matlab/Simulink构建数字通信仿真系统，检测不同信噪比条件下各指标模型随通信误码率变化的敏感程度，从中选择最佳指标用于数字通信干扰效能评估，构建干扰效能评估指标模型，简要开展干扰效能评估研究。

数字通信，干扰效能，Simulink，眼图

0 引言

数字通信传输容量大、抗干扰能力强，是目前最主要的通信方式，对数字通信的干扰成为通信对抗领域的研究重点。由于数字信号编码复杂，通信侦察方解码困难，很难获取信号的原始信息，无法计算通信误码率等效能指标，大多数效能指标的获取是根据经验公式进行预估。而通过眼图测量技术，通信侦察方可以在不获取信号原始信息的前提下评估干扰效能，具有较强的实用价值。目前运用眼图技术开展数字通信干扰效能评估的研究文献不多，已有文献论述了以眼图测量技术进行效能评估的基本思路，并未对效能评估指标构建问题进行研究［1］。本文在构建效能指标模型的基础上，深入对眼图测量技术在效能评估中的应用进行研究。

1 眼图分析法

眼图是通信接收端的一系列基带信号在示波器上叠加而形成的形似人眼形状的图像。眼图包含了丰富的信号信息，体现了数字通信的整体特征，对眼图的观察分析可以直观地了解通信信号的码间串扰和噪声干扰情况，因而眼图分析法是了解基带传输系统信号传输质量最直观的方法。

如图1所示，眼图中央的水平线所在位置表示判决门限电平；眼图中央垂线所在的时刻T0表示最佳抽样时间点；上下两侧的水平阴影区域宽度ΔV表示最大信号畸变；眼图上下两条水平线到门限电平的垂直距离V+、V-表示相应电平的噪声容限；眼图中两条斜线交叉形成的区域宽度ΔT表示零点正常范围［2］。

如图2中（a）、（b）所示，在无码间串扰和噪声干扰的情况下，各码元波形无失真，波形重叠而成的眼图迹线清晰。在存在噪声与码间串扰的情况下，码元波形出现失真，各波形不一致，无法完全重合，进而眼图迹线模糊。文献［3］证明，眼图特征的变化与通信误码率紧密相关，而不同信号调制方式对眼图特征变化影响不大，因此，利用眼图测量技术，从眼图特征中提取适当的效能指标，可以有效开展数字通信干扰效能评估。

2 眼图测量原理与流程

眼图测量的具体流程如图3所示［4］，为实现对信号的高保真捕获，需要对采样速率、量化误差、捕获时间进行合理设置，而后通过设置锁相环，从采集到的数据中恢复出时钟信号，用得到的时钟信号等间隔触发采集到的数据信号，信号由于示波器的余晖作用，在显示屏上叠加形成眼图。

眼图测量中，测量模板的选择尤为重要，其具体作用是为信号眼图在水平、垂直两个方向上张开程度提供一个范围，模板对信号“0”“1”电平、上升时间、下降时间的容限进行了规定，并且不同类型信号的测量模板往往不相同。眼图的生成需要在一定温度、一定信号幅度的条件下，在测试信号中添加一定的低频扰动信号并逐渐增大扰动幅度，测试信号刚刚出现误码时的眼图即可作为该信号的眼图模板。

3 基于眼图的数字通信工作效能指标模型

眼图测量技术中的测量参数众多，考虑到检测的便捷性、直观性和有效性，选取眼幅（EyeAmplitude）、眼宽（EyeWidth）、眼图信噪比（EyeSNR）等参数作为数字通信工作效能指标，其具体定义与模型如下［4］。

3.1 眼幅（EyeAmplitude）

眼幅（EyeAmplitude）定义为“1”电平信号分布与“0”电平信号分布振幅值的平均数之差，通常以相邻零点交叉时间之间距离的20%为测量区间。眼幅与接收信号信噪比相关，其计算模型为：

式中，level1（i）表示存放“1”电平信号的数组；level0（i）表示存放“0”电平信号的数组；n、m分别表示相应数组的数据量。

3.2 眼宽（EyeWidth）

眼宽（EyeWidth）定义为相邻交叉时间点之间的时间差，根据交叉点处分布直方图，以距离均值点3个标准差（3σ）的位置为测量点。眼宽反映信号的总体抖动程度，其计算模型为：

式中，t1、t2表示交叉时间；σ1、σ2表示交叉时间处统计分布直方图的标准差。

3.3 眼图信噪比（EyeSNR）

眼图信噪比定义为眼幅与眼图中“0”“1”电平信号处分布直方图的标准差之和的比值。眼图信噪比反映了眼图质量的综合情况，眼图信噪比越高，眼图质量越好，进而通信质量越高。其计算模型为：

式中，σ0、σ1分别表示“0”、“1”电平信号处分布直方图的标准差。

4 基于Simulink的仿真实验

4.1 仿真实验原理

为检测通信过程中基于眼图的数字通信工作效能指标变化情况，并进一步探究误码率与效能指标的关系，运用Matlab/Simulink构建如图4所示数字通信仿真系统［6-7］，模拟实际通信中的通信接收与通信侦察。设置AWGN模块信噪比从5 dB到16 dB，步进1 dB，模拟通信干扰对信道信噪比带来的影响，并观测通信工作效能指标随通信误码率变化情况。

如图6所示，数字信号调制后进行成形滤波，为增强模拟信号真实性，对信号设置一定时延、相位偏转并通过高斯信道，经过匹配滤波处理后的信号一方面送至接收端进行解调与误码率计算（模拟通信接收方），另一方面通过simout模块存储于Matlab工作空间，利用Matlab软件的眼图测量工具commscope.eyediagram进行眼图参数测量（模拟通信侦察方）。

4.2 仿真结果分析与干扰效能指标选择

下页图7为仿真得到的不同信噪比条件下的眼图图像，对比观察图7中的4幅眼图图像发现，随着信噪比的增加，眼图中“眼睛”张开程度明显增加，并且眼图迹线更加清晰。测量得到的数字通信工作效能指标在不同信噪比条件下的测量值以及相应通信误码率如下页表1所示。

由表1可知，在信噪比5 dB到16 dB的变化范围内，眼宽、眼图信噪比随误码率变化比较灵敏，而眼幅相对稳定，进一步的仿真实验结果表明，眼幅在信噪比5 dB以下变化更明显。为比较眼宽、眼图信噪比随通信误码率变化的灵敏度，将表1中眼宽、眼图信噪比的相关数据绘制如图8所示曲线图。

图8为眼宽、眼图信噪比随信道信噪比变化曲线图，图下的灰度条对应着相应误码率水平。如图所示，随着信噪比增大，眼宽、眼图信噪比均有不同程度的增长，并且眼图信噪比的增长程度逐渐提高，而眼宽的增长程度逐渐放缓，说明在低信噪比条件下，眼宽参数更加灵敏。然而在实施通信干扰时，信道信噪比往往维持在较低水平，因此，用施加干扰后眼宽参数的下降程度作为数字通信干扰效能评估指标更合适。此外图8中眼图参数与灰度条下误码率相对应，可以作为通信侦察中预估对方通信误码率的依据。

表1 眼图参数测量结果

5 基于眼图的数字通信干扰效能指标模型

选用眼宽下降度作为干扰效能评估指标，其具体定义为干扰后眼宽下降幅度与干扰前眼宽的比值，计算模型为：

式中，E为干扰效能；EyeWidth0为干扰前眼宽（ms）；EyeWidth1为干扰后眼宽（ms）。

参考表1中眼宽的测量数据，以误码率1E-5时的眼宽作为正常通信时眼宽，利用图6所示数字通信仿真系统，计算不同干信比条件下的眼宽下降度。

表2 干扰效能评估结果

如表2所示，随着干信比增大，眼宽逐渐减小，干扰效能逐渐增强。当干信比大于0.8时，眼宽测量出现负数，这是由于接收信号形成的眼图迹线杂乱无章，左右交叉点处的数据统计偏差较大，眼宽计算出现错误，表明此时的眼图质量较差，很难测量得到有用参数，证明了干扰的有效性。

6 结论

本文对眼图测量技术在数字通信干扰效能评估中的应用进行研究，比较基于眼图的数字通信工作效能指标随误码率变化的灵敏度，选择眼宽下降度作为数字通信干扰效能评估指标，简要开展效能评估研究，并初步对通信误码率与眼宽的对应关系进行分析。由于文中的通信仿真系统仅考虑了数字通信中最基本的部分，通信误码率与眼宽的对应关系还需要在提高仿真系统完整度的基础上进一步探究。

［1］杨凯，郭卫平，张鹏，王胜涛，李忠强.眼图分析法在干扰效果评估中的应用［J］.电子对抗，2009（4）：46-49.

［2］樊昌信，曹丽娜.通信原理［M］.北京：国防工业出版社，2009.

［3］季金灿.基于眼图的LVDS信号质量分析［J］.中国科技信息，2008（19）：83-84.

［4］杜亮.眼图测量技术［C］//北京：2013年航空试验测试技术峰会暨学术交流论文集，2013：116-119.

［5］Agilent 71501D Eye-diagram analysis user's guide［OL］. http：//www.agilent.com.

［6］杨光，周经伦，罗鹏程.基于SIMULINK的数据链通信系统仿真研究［J］.系统仿真学报，2008，20（17）：4651-4659.

［7］邵玉斌.Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例分析［M］.北京：清华大学出版社，2009.

［8］吕大千，何俊，李柔刚，等.基于SIMULINK的卫星通信系统仿真研究［J］.火力与指挥控制，2016，41（8）：125-128.

Analysis of Digital-communication Jamming Efficiency Based on Eye Diagram

LYU Da-qian，HE Jun，LI Rou-gang
（Electronic Engineering Institute，Hefei 230037，China）

Considering that analysis of digital-communication jamming efficiency is difficult，analyzing theory of eye diagram，a method based on eye diagram to analyse digital-communication jamming efficiency is proposed.According to communication reconnaissance’s convenience，intuition and effectiveness，some parameters are selected from eye diagram.Digital-communication simulation system is established with MatlabSimulink.Parameters’changes with communication error symbol rate are detected under the different SNRs.The best parameter is selected from others as digitalcommunication jamming efficiency analysis index.And digital-communication jamming efficiency is researched with it.

digital-communication，jamming efficiency，Simulink，eye diagram

TN95

A

1002-0640（2017）01-0080-04

2015-12-05

2016-02-17

吕大千（1990-），男，山东青岛人，硕士。研究方向：电子对抗作战效能分析与作战运用。