短波通信对抗实践教学系统的设计

陈英豪 ，洪家平

(湖北师范大学 计算机与信息工程学院，湖北 黄石 435002)

0 概述

在通信基础理论和概念比较复杂、通信技术飞速发展的背景下，对于通信工程专业的学生而言，学习掌握好通信专业知识是有一定难度的，出于理论性强、跨学科知识面要求广、概念抽象理解难度大[1]、政策法规制度管理约束等原因，对通信工程专业知识的学习很难建立起现实的感性认识和学习反馈。短时间内系统全面地掌握好相关知识，实践中熟练地综合运用也是有较大难度的。

以往对于无线通信系统的实训，大多以实际搭建电台，点对点达成通信系统为主要方式[2]。利用实际装备搭建通信对抗教学平台来组织实验教学，会受到以下条件的制约：首先需要大量实际电台装备，各类型电台装备需要布设到不同的场所，装备、存放场地空间、维护保养、调试需要耗费大量的财力物力；其次，频率的使用要受到国家无线电委员会的管控[3]，有一定的协调难度，并且暴露的通信信号以及干扰信号有可能对正常的通信造成影响；再比如，随着通信的发展，受原有装备功能的限制，很多复杂以及新型通信制式无法实际验证。再者，通信对抗实验的达成需要多个部门、多个岗位协同配合，组织难度很大[4]。另外，无线通信达成受很多客观自然条件的影响等等。综上所述，如果组织通信对抗实践教学，除了要求一定的理论知识积累外，还受更多的环境、条件因素的制约，同时还需要较大的资金投入。

为了规避无线电频段使用管理规定，同时加强学生对相关通信知识的理解运用，借助智能教学系统即ITS为代表的现代教学手段和技术来解决这一难题无疑将是首选。而短波通信对抗实验是通信工程专业实验的一个重要分支，其实验难度比通信工程专业的一般实验难度更大。因此，本文提出使用MATLAB软件实现通信系统仿真[5]，使用Visual C++与MATLAB联合编程设计一套短波通信对抗虚拟实现的模拟教学系统，为通信工程专业师生提供一个教学和实践平台，该系统能够实现对短波各种通信系统及通信干扰的模拟仿真，促进学生对通信专业知识的理解和实际运用能力；提高学生对无线电磁频谱的认知能力实际管理能力；通过对抗的方式进一步提高学生对通信资源的综合组织运用能力[6]。教师通过该平台，更好地了解掌握学生对通信专业知识的理解掌握情况，有针对性的指导帮助学生提升学习水平，提升教学效果，并且能够在一定程度上检验和评估学生的学习水平和能力。

1 短波通信对抗系统的组成

在现实中，由于短波通信对手、通信对象的复杂性和不确定性，短波通信频率、通信方式等短波通信要素的不可预知性，造成有效的实施短波通信干扰的难度增大。因此，短波通信对抗不是简单地使用单一干扰设备实施单一干扰的过程，而是以干扰设备为主体的一个集短波通信侦察、目标识别、指挥控制、通信干扰及干扰效果评估于一体的系统平台[7]。系统内部高效协调配合，才能实现有效的通信对抗。

短波通信对抗系统一般由指挥控制系统、短波通信侦察系统、短波通信干扰系统以及内部通信系统等部分组成[8]。指挥控制系统主要完成收集侦察系统上报的各类情报、信息和数据；统筹协调系统内部其他系统工作状态；建立对上通信链路，内部通信链路；指挥干扰系统实施干扰等任务，同时要具备实时态势显示，辅助决策，数据存储，指挥控制，对抗效果评估等功能[9]。短波通信侦察系统主要完成对短波通信对抗频段内的通信信号截获、筛选、通信参数分析测试、短波通信信号测向定位、数据存储、情况上报等任务，具备无线电磁环境感知，测向定位，数据分析、存储、上报等功能。短波通信干扰系统主要完成发射短波干扰信号，实施短波通信干扰的任务，具备短波干扰信号调制参数选择、干扰功率选择、干扰频率选择、干扰方向和干扰天线选择等功能。

2 短波通信对抗模拟教学系统的硬件结构及原理

短波通信对抗模拟教学系统硬件组成如图1所示。分别是侦察机柜、分析机柜和干扰机柜等几个主要部分组成，以实现信息采集、系统控制、系统输出等功能。其他硬件如面板、操作台、开关、输入输出卡、数据采集卡等设备。

图1 短波通信对抗模拟教学系统硬件组成原理框图

通信干扰主要任务是破坏或者降低对方通信系统的工作效能，因此，设计短波通信对抗模拟实验教学系统，首先要模拟搭建完整的短波通信系统；然后，模拟短波信号在信道传输过程中加入各种不同的短波信号实现对敌方通信干扰。在整个过程中通过仿真软件产生各种通信信号、干扰信号，以及实施干扰后的仿真结果输出。

根据以上分析，在整个短波通信对抗模拟实验教学系统设计过程中，有以下几个关键环节：

1)信息采集模拟：即采集系统内部各分系统控制面板、开关的输入指令信息，控制台指令信息等；

2)信息输出模拟：即各分系统的输出显示、面板状态指示灯等信息输出；

3)信号的仿真模拟：即各种短波模拟、数字信号的仿真模拟；

4)信道的仿真模拟：即短波通信信号实际传输的信道的仿真模拟，包括干扰信号的叠加仿真模拟，现实中噪声的仿真模拟等；

5)信号处理的仿真模拟：即短波数字搜索接收机、短波数字分析接收机等仿真模拟。短波通信对抗原理实现流程图如图2所示。

图2 短波通信对抗实现流程原理图

3 短波通信对抗系统的干扰仿真设计案例

仿真设计主要通过电脑端音频采集系统采集一段时长为4s左右的真人语音信号，通过使用MATLAB软件，采用不同的噪声信号对原始音频信号进行叠加干扰仿真试验。

3.1 对AM模拟通信系统的干扰仿真设计

AM模拟通信系统干扰的系统框图搭建如图3所示：对真人语音信号采用DSB AM、DSBSC AM及FM干扰信号进行叠加干扰仿真，图3是该系统框图。

图3 对AM模拟通信系统干扰的系统框图

3.2 对FM模拟通信系统的干扰仿真设计

对FM模拟通信系统干扰的系统框图搭建如图4所示：对真人语音信号采用FM干扰信号进行叠加干扰仿真，图4是该系统框图。

图4 对FM模拟通信系统干扰的系统框图

3.3 对2FSK数字通信系统的干扰仿真设计

FSK是频移键控的英文缩写，FSK频移键控的基本原理是利用载波的不同频率来传送数字基带信号信息。当数字基带信号为二进制时，就称为2FSK，即二进制频移键控。调制时将“0”和“1”两个二进制基带数字信号分别对应两个载波调制频率ω1和ω2.对2FSK数字通信系统干扰的系统框图搭建如图5所示。

图5 对2FSK数字通信系统干扰的系统框图

3.4 对2ASK数字通信系统的干扰仿真设计

ASK即幅移键控又称为振幅键控，ASK幅移键控的基本原理是利用载波的不同幅值来传送数字基带信号信息。当数字基带信号为二进制时，就称为2ASK，即二进制幅移键控。调制时将“0”和“1”两个二进制基带数字信号分别对应两个载波不同幅值A1和A2.对2ASK数字通信系统干扰的系统框图搭建如图6所示。

图6 对2ASK数字通信系统干扰的系统框图

4 短波通信对抗模拟教学系统软件设计

4.1 面板控制功能模块的软件设计

根据教学和实际应用的需求，将软件系统模块划分为若干功能子模块，根据不同功能的模块设计相对应的界面来实现整个软件模块的功能。如图7所示是面板控制功能模块软件控制流程图。主要工作过程是系统通电自检后进行系统初始化，然后判断是否有按键按下，如果有按键按下，就执行相应的处理。

图7 面板控制功能模块软件控制流程图

4.2 发射机柜软件系统设计

如图8所示是发射机柜模拟台面板控制功能模块的软件流程图：

图8 发射机柜模拟台面板控制功能模块的软件流程图

5 结语

本文给出了一个短波通信对抗实践模拟教学系统。首先对短波通信对抗模拟教学系统的功能、硬件结构进行了简要介绍，同时对系统软件功能设计进行了讨论，进而分别对短波通信对抗模拟教学系统中部分模拟信号和数字信号干扰仿真的设计方面进行了详细的探讨。另外，考虑到系统的利用率与功能的拓展性，系统在设计时还可以考虑增加教学考核、故障诊断等功能模块，进一步贴近教学实践需求。这样不仅可使初学者加深对短波通信原理基本理论及基本概念的理解，建立起完整的短波通信系统及短波通信对抗系统概念，同时更加有利于学生理论联系实际，从系统的高度把握和运用短波通信及其抗干扰技术，还有利于培养学生实践动手能力和分析解决通信过程中出现的实际问题的能力。