光电雷达系统二进制数字传输特性研究

2020-04-12戚士斌

航空维修与工程 2020年10期

戚士斌

摘要：光电雷达整体组件将方位、俯仰信息转化为二进制代码，传输给机载计算机处理后再映射为双极性码元，通过计算机进行模/数转换为二进制信息码送往其他交联设备。受元器件电子热运动、传输电缆老化等影响，传输信号可能严重畸形，造成误码率升高，实际抽样判决值不仅有本码元的值，还有其他码元在该码元抽样时刻的串扰值及噪声。接收端能否正确恢复信息，在于能否有效抑制噪声和减小码间串扰。本文结合实际故障，简要分析在光电雷达系统中，二进制数字信号的传输特性，并对传输过程进行了仿真分析，可为相关故障的分析提供参考。

关键词：光电雷达；二进制传输；串扰；误码率

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

1 故障概述

一架某型飞机火控专业调试时，打开火控雷达系统的搜索瞄准开关，前座舱状态控制台置于“光学雷达”位置，待系统运行稳定后，将左起落架舱的控制开关转到“接通光电瞄准”位置时，平视显示器和多功能显示器上的俯仰标尺直接跳至上极限位置，与正常状态俯仰标尺应指示在中间位置（零位）不符。调整状态控制台上的高度差旋钮（ΔΗ），俯仰标尺无变化。先后串装了合格交付的光电雷达整体组件、计算机输入输出部件、2号机载计算机、信号形成部件后，故障依旧存在。再次串装其他架次飞机的计算机输入输出部件后，多次通电故障未复现。

2 光电雷达工作原理

某型飞机的火力控制系统主要包括雷达火控系统和光电火控系统，其中，光电火控系统主要由光电雷达整体组件、2号机载计算机（包括计算机输入输出部件）以及其他控制附件。光电雷达整体组件通过插头X16的1、2号针将光电雷达的状态信息传给2号机载计算机，经2号机载计算机处理后由计算机输入输出部件转换后传输到显示系统。2号机载计算机接收到经过计算机输入输出部件转换的一次性指令，通过Ш4号插头的7、8号针传给光电雷达整体组件，以便控制光电雷达的扫描。信号传输过程中，计算机输入输出部件是很重要的“信息传递者”，用于保证2号机载计算机与外围设备之间的信息交换及2号机载计算机与火力控制系统之间的设备交联。计算机输入输出部件由串/并转换器、A/D和D/A转换器、交换器模块、带电源模块的框架组成，主要完成：

1）将输入到计算机输入输出部件输入端的模拟信号转换成并行码，并将其传送到2号机载计算机中。

2）接收由2号机载计算机输出的并行码数据，并转换成模拟信号发送到外围设备。

3）接收来自于外围设备的双极性串行数据，并将其转换成并行码传送到2号机载计算机。

4）接收来自于2号机载计算机的并行码信号，并将其转换成一次性指令信号传送到外围设备。

2号机载计算机将计算机输入输出部件送来的信息解算后，输出到其他设备或控制光电雷达工作。2号机载计算机主要包括中央处理器、转换控制设备、非稳压整流器以及一些导线束。其中，转换控制设备是2号机载计算机的重要组成部分，包括：

1）输入—输出处理器部件，通过32位串行码、16位并行码组织计算机与外围设备之间的协同工作。

2）接口部件，转接与机载计算机输入端相连的输入线和输出线，将双极性串行码变成单极性串行码，将输出信息的单极性串行码变为双极性串行码。

3）交换部件，在外围设备交换信息时，用于串行码与并行码之间的切换。

因此，整个光电雷达系统的信息传输特性可简化为图1。

在信号的传输过程中，电阻性元器件中电子的热运动会产生热噪声，由于在一般的通信系统的工作频率范围内热噪声的频谱是均匀分布的，而且热噪声是由大量自由电子的运动产生的，其统计特性服从高斯分布，因此，通常将热噪声称为高斯白噪声[1]。

综上所述，光电雷达系统可以简化为一个引入了高斯噪声的二进制传输系统，如图2所示。

从图2可以看出，光电雷达将含有方位、俯仰偏移量的信息转换为2号机载计算机能够识别的二进制码，并由2号机载计算机对信息进行处理。为了传输的稳定性，在传输到计算机输入输出部件之前，要将2号机载计算机输出的二进制码映射为双极性串行码。计算机输入输出部件接收到双极性串行码后，需要对信号进行采样、判决，最后通过总线将信息传輸到其他交联系统中。

3 传输特性分析

在通信系统中，E/n0又称为信噪比（SNR）。由式（11）可知，在发送概率相等且在最佳门限电平下，双极性数字传输系统的总误码率仅依赖于传输系统的信噪比，而与采用什么样的信号形式无关。误码率Pe与信噪比E/n0的关系如图4所示。

从图4可以看出，当信噪比E/n0较小时，互补误差函数（erfc）逐渐趋向于1，导致误码率就越趋向于0.5；随着信噪比的增大，误码率呈现降低的趋势；当信噪比提高到特定值时，误码率急剧下降，且E/n0比值越大，误码率Pe就越小。

4 仿真验证

本文对二进制数字传输系统的传输特性进行matlab仿真[3]。假设发送端的信息为0、1二进制代码，映射为单位双极性码，传输的过程中引入均值为0、方差为1的高斯白噪声，其离散信号如图5所示。

为了说明强噪声对二进制数字传输特性的影响，分别仿真了在SNR=1dB、SNR=6dB、SNR=10dB时接收端对信号的复原情况，仿真结果如图6、图7、图8所示。

仿真结果表明，二进制数字传输系统在传输二进制码元的过程中，当SNR=1dB，强噪声会影响接收端对信号的判决，使得接收端对传输信号码元复现能力差；随着信噪比的提高（SNR=6dB），接收端对传输信号码元的复现能力有所提高，但噪声还是会对某一时刻的码元产生干扰，影响接收；当信噪比达到一定程度时（SNR=10dB），接收端能够完成复现传输信号码元。

5 结论

本文对光电雷达系统的二进制数字传输特性进行分析，采用数理统计的方式给出了二进制码元的概率密度，并推导出二进制信号码元在传输过程中的误码率情况。在光电雷达系统中，电子元器件中电子的无规则运动产生热噪声，引入高斯噪声，建立光电雷达系统二进制数字传输模型，并对其进行matlab仿真。为了说明噪声对二进制数字传输特性的影响，分别仿真了不同信噪比下接收端对信号码元的复原情况。仿真结果表明，由于系统中噪声的影响，使得传输的有效信号发生畸变，接收端抽样判决时产生误码，导致二进制数字传输系统的可靠性下降。