通信系统IEMI易损性评估系统及评估方法

摘要

本发明涉及一种通信系统IEMI易损性评估系统及评估方法，以解决现有评估电磁脉冲对于通信系统性能影响的研究中存在试验环境下无法模拟出贴近现实环境的电磁环境和使用场景，由于实际装备的高度集成化，无法进一步研究电磁脉冲传导耦合机理及通信性能指标精细化测量的技术问题。该系统包括通信系统、IEMI环境库、传统通信干扰波形库、信道模型库、仿真环境参数控制模块和效应指标评估分析模块；通信系统包括短波通信、超短波通信、流星余迹通信和被覆线通信；每种通信都由发射机和接收机组成，发射机和接收机均由基带信号处理单元和射频通道模型库构成。该评估方法包括IEMI电磁干扰的耦合传导分析和/或关键易损组件对通信系统性能降级影响的评估。

说明书

技术领域

本发明涉及一种通信系统IEMI易损性评估系统及评估方法，具体应用于恶意电磁干扰(Intentional Electromagnetic Interference,IEMI)环境下通信系统的性能降级评估。

背景技术

随着现代电子技术的快速发展，无线通信系统会遭受各种恶意电子干扰(IEMI)的攻击，如高功率微波(HPM)、超宽带电磁脉冲(UWB-EMPs)、高空电磁脉冲(HEMP)等(参见GIRID V,HOAD R,SABATH F.High-power electromagnetic effects on electronic systems[M].LONDON:ARTECH HOUSE,2020:20-30)。通信系统遭受到IEMI攻击时，其效应现象主要有硬故障(系统故障无法通信)、软效应(重启后可恢复)和永久性能降级(参见周璧华,陈彬,石立华.电磁脉冲及其防护工程[M].北京:国防工业出版社,2003；Coburn W O,Nguyen E,Reyzer R J.High-altitude electromagnetic pulse survivability assessment ofthe harris RF-3200transceiver,ADA258347,Adelphi MD:Harry Diamond Labs,Sep.1992.)。其中，永久性能降级表示系统能够继续工作，但其内部某些影响通信性能的组件出现性能损伤，对系统整体性能产生影响，如通信距离、灵敏度、发送功率等指标出现下降(参见DU C,Mao C,CUI Z et al.Transient response monitoring and effect on Rffront-end Ics of Wireless communication system,IEEE EMC COMPO Conference,2019.)。实际环境下，如远距离复杂地形、存在各种电子对抗的复杂电磁环境下的通信对于系统性能提出了更高的要求，准确评估电磁脉冲对于通信系统性能影响的研究很有必要。

目前，评估电磁脉冲对于通信系统性能影响的研究中存在的主要问题为：

一、试验环境下无法模拟出贴近现实环境的电磁环境和使用场景；

二、由于实际装备的高度集成化，无法进一步研究电磁脉冲传导耦合机理及进行通信性能指标的精细化测量。

因此，为了降低试验成本，提高试验效率，需要利用计算机软件建立系统效应仿真评估平台。

发明内容

本发明的目的是解决现有评估电磁脉冲对于通信系统性能影响的研究中中存在试验环境下无法模拟出贴近现实环境的电磁环境和使用场景，由于实际装备的高度集成化，无法进一步研究电磁脉冲传导耦合机理及进行通信性能指标精细化测量的技术问题，提供一种通信系统IEMI易损性评估系统及评估方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：

本发明提供一种通信系统IEMI易损性评估系统，其特殊之处在于：

包括通信系统、IEMI环境库、传统通信干扰波形库、信道模型库、仿真环境参数控制模块和效应指标评估分析模块；

所述通信系统包括短波通信、超短波通信、流星余迹通信和被覆线通信；每种通信都由发射机和接收机组成，发射机和接收机均由基带信号处理单元和射频通道模型库构成；

所述IEMI环境库包括HEMP、HPM和/或UWB-EMPs强电磁环境波形；

所述传统通信干扰波形库包括窄带干扰、梳状干扰和/或宽带干扰的电子对抗波形；

所述信道模型库包括短波信道模型、超短波信道模型、流星余迹信道模型和被复线信道模型；

所述仿真环境参数控制模块分别与IEMI环境库、传统通信干扰波形库、通信系统的发射机和接收机及效应指标评估分析模块连接，用于通信系统类型选择和业务收发控制参数的配置、信道模型和通信干扰模型选择、强电磁环境波形选择，响应监测点的设置以及效应指标评估分析控制；

所述效应指标评估分析模块用于对电磁脉冲作用下发射机和接收机的收发射频通道、接收性能、抗干扰能力的指标参数进行评估分析；

所述发射机基带信号处理单元依次通过发射机射频通道模型库、信道模型库、接收机射频通道模型库与接收机基带信号处理单元通信；所述IEMI环境库向发射机射频通道模型库和接收机射频通道模型库施加强电磁环境波形；所述传统通信干扰波形库向信道模型库施加电子对抗波形。

进一步地，所述发射机包括依次连接的信源生成单元、差错控制编码单元、交织单元、脉冲成型单元、调制单元、上变频单元、跳频/定频单元、功率放大器；其中，信源生成单元、差错控制编码单元、交织单元、脉冲成型单元、调制单元属于基带信号处理单元，上变频单元、跳频/定频单元、功率放大器属于射频通道模型库；

所述接收机包括依次连接的正常/降级低噪声放大器、解跳频/定频单元、下变频单元、解调单元、匹配滤波单元、解交织单元、差错控制译码单元、信宿单元；其中，正常/降级低噪声放大器、解跳频/定频单元、下变频单元、解调单元属于射频通道模型库，匹配滤波单元、解交织单元、差错控制译码单元、信宿单元属于基带信号处理单元。

进一步地，所述信道模型库包括高斯白噪声信道模型、短波watterson信道模型、超短波Egli信道模型、流星余迹欠密类信道模型、流星余迹过密类信道和考虑理想恒参信道的双绞线信道模型。

进一步地，所述指标参数包括分组传输成功率、数据传输速率、发射功率和接收灵敏度。

本发明还提供一种基于上述通信系统IEMI易损性评估系统的评估方法，其特殊之处在于：

包括IEMI电磁干扰的耦合传导分析和/或关键易损组件对通信系统性能降级影响的评估；

1)所述IEMI电磁干扰的耦合传导分析包括：

1.1)选择通信系统类型，设置通信收发参数，从信道模型库选择信道模型，从传统通信干扰波形库选择通信干扰模型；

1.2)从IEMI库中选择强电磁环境波形，并设置场强峰值；

1.3)设定天线末端、射频通道中的放大器、带通滤波器前端及带通滤波器后端为响应监测点；

1.4)通信系统按照设定的通信收发参数、信道模型和通信干扰模型进行通信，并加载设定场强峰值的强电磁环境波形，待通信结束后，保存响应监测点波形；

1.5)根据响应监测点波形数据和通信性能指标数据，对通信系统的耦合响应和通信能力进行分析，所述系统耦合响应分析则指电磁脉冲在通信系统收发通道上的传导情况，所述系统性能指标参数包括分组传输成功率、数据传输速率、发射功率和/或接收灵敏度；

2)所述关键易损组件对通信系统性能降级影响的评估包括：

2.1)对关键易损组件进行通信系统易损性辐照试验或注入试验，得到受损的关键易损组件；

2.2)对受损的关键易损组件进行电性能测试，开展效应机理检测确定损伤点；所述电性能测试包括噪声系数和/或增益；

2.3)使用多项式方法构建受损的关键易损组件的行为模型，用受损的关键易损组件模型替换掉通信系统IEMI易损性评估系统中正常的通信系统组件；

2.4)选择通信系统，选择性能降级分析功能；

2.5)设置评估指标参数；所述评估指标参数包括发射功率、接收灵敏度和/或系统误码率；

2.6)运行通信系统IEMI易损性评估系统，保存试验数据；

2.7)根据试验数据，对通信系统的指标参数进行评估分析。

本发明相比现有技术具有的有益效果如下：

1、本发明提供的通信系统IEMI易损性评估系统及评估方法，是一种面向多种通信系统的IEMI易损性评估系统，能够准确模拟多种类型通信系统的运行协议，仿真多种IMEI攻击波形在通信系统内部的耦合响应和其对系统产生的性能影响，实现电磁脉冲传导耦合机理的研究及进行通信性能指标精细化仿真计算，从而有效评估损伤组件对系统产生的性能降级的影响。

2、本发明提供的通信系统IEMI易损性评估系统及评估方法，其四种通信系统均采用标准通信算法，具有典型性和代表性，其信道模型能够准确反映真实系统实际的空间分布和信道特性，能够贴近实际应用背景，实现在试验环境下模拟出贴近现实环境的电磁环境和使用场景。

3、本发明提供的通信系统IEMI易损性评估系统及评估方法，通过建立损伤组件行为模型，实现了损伤组件对系统性能降级产生影响的研究。

4、本发明提供的通信系统IEMI易损性评估系统及评估方法，能够在各种IEMI干扰攻击条件下，研究通信系统各组件端口的耦合响应波形和干扰后的通信波形。

附图说明

图1为本发明通信系统IEMI易损性评估系统的结构示意图；

图2为发射机的结构示意图；

图3为接收机的结构示意图；

图4为本发明通信系统IEMI易损性评估方法的流程示意图；

图5为本发明中超短波通信系统HEMP耦合响应分析结果截图；

图6为本发明中超短波通信系统性能降级分析结果截图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。

本发明为兼顾通信系统理想模型和实际应用场景，考虑了传统电子对抗干扰等复杂电磁环境，构思了一种通信系统IEMI易损性评估系统以及基于该评估系统的评估方法。

本发明的通信系统IEMI易损性评估系统，是一种考虑了实战的通信系统IEMI易损性仿真软件框架，软件使用MATLAB 2019编制，如图1所示，包括通信系统、IEMI环境库、传统通信干扰波形库、信道模型库、仿真环境参数控制模块和效应指标评估分析模块等；所述通信系统基于标准通信模型，包括短波信道模型、超短波信道模型、流星余迹信道模型和被复线信道模型(四种通信系统均采用标准通信算法，具有典型性和代表性，其信道模型能够准确反映真实系统实际的空间分布和信道特性，能够贴近实际应用背景)；每种通信都由发射机和接收机组成，发射机和接收机均由基带信号处理单元和射频通道模型库构成；如图2所示，所述发射机包括依次连接的信源生成单元、差错控制编码单元(差错控制编码单元可以为多种形式，比如循环码纠错编码单元形式)、交织单元、脉冲成型单元、调制单元、上变频单元、跳频/定频单元、功率放大器；其中，信源生成单元、差错控制编码单元、交织单元、脉冲成型单元、调制单元属于基带信号处理单元，上变频单元、跳频/定频单元、功率放大器属于射频通道模型库；如图3所示，所述接收机包括依次连接的正常/降级低噪声放大器(噪声放大器为LNA，为正常低噪声放大器，受损后变为降级低噪声放大器)、解跳频/定频单元、下变频单元、解调单元、匹配滤波单元、解交织单元、差错控制译码单元(错控制译码单元可以为多种形式，比如循环码纠错译码单元形式)、信宿单元；其中，正常/降级低噪声放大器、解跳频/定频单元、下变频单元、解调单元属于射频通道模型库，匹配滤波单元、解交织单元、差错控制译码单元、信宿单元属于基带信号处理单元。

所述IEMI环境库包括HEMP、HPM和/或UWB-EMPs等强电磁环境波形，其中波形参数分别参照文献GIRI D V,HOAD R,SABATH F.High-power electromagnetic effects onelectronic systems[M].LONDON:ARTECH HOUSE,2020:20-30。所述传统通信干扰波形库包括窄带干扰、梳状干扰和/或宽带干扰等传统电子对抗波形；所述信道模型库包括短波信道模型、超短波信道模型、流星余迹信道模型和被复线信道模型等；信道模型库具体包括高斯白噪声信道模型、短波watterson信道模型、超短波Egli信道模型、流星余迹欠密类信道模型、流星余迹过密类信道和考虑理想恒参信道的双绞线信道模型。所述仿真环境参数控制模块分别与IEMI环境库、传统通信干扰波形库、通信系统的发射机和接收机及效应指标评估分析模块连接，用于通信系统类型选择和业务收发控制参数的配置、信道模型和通信干扰模型选择、强电磁环境波形选择，响应监测点的设置以及效应指标评估分析控制；所述效应指标评估分析模块用于对电磁脉冲作用下发射机和接收机的收发射频通道、接收性能、抗干扰能力的指标参数进行评估分析；所述指标参数包括分组传输成功率、数据传输速率、发射功率和接收灵敏度。所述发射机基带信号处理单元依次通过发射机射频通道模型库、信道模型库、接收机射频通道模型库与接收机基带信号处理单元通信；所述IEMI环境库向发射机射频通道模型库和接收机射频通道模型库施加强电磁环境波形；所述传统通信干扰波形库向信道模型库施加电子对抗波形。

本发明还提供了基于上述通信系统IEMI易损性评估系统的评估方法，即提供了通信系统IEMI易损性评估的分析流程，为精确评估通信系统在IEMI攻击下的耦合传导响应分析和性能降级评估提供了分析方法，具体包括IEMI电磁干扰的耦合传导分析和/或关键易损组件对通信系统性能降级影响的评估，两者为软件并行的两种功能，互相没有数据交集；

1)所述IEMI电磁干扰的耦合传导分析包括：

1.1)选择通信系统类型，设置通信收发参数，从信道模型库选择信道模型，从传统通信干扰波形库选择通信干扰模型；

1.2)从IEMI库中选择强电磁环境波形，并设置场强峰值；

1.3)设定天线末端、射频通道中的放大器、带通滤波器前端及带通滤波器后端为响应监测点；

1.4)通信系统按照设定的通信收发参数、信道模型和通信干扰模型进行通信，并加载设定场强峰值的强电磁环境波形，待通信结束后，保存响应监测点波形；

1.5)根据响应监测点波形数据和通信性能指标数据，对通信系统的耦合响应和通信能力进行分析，所述系统耦合响应分析则指电磁脉冲在通信系统收发通道上的传导情况，所述系统性能指标参数包括分组传输成功率、数据传输速率、发射功率和/或接收灵敏度；

2)以超短波通信系统HEMP耦合响应分析为例，如图4所示，给出耦合传导分析方法：

1.1)选择通信系统类型为超短波通信，设置通信收发参数，选择信道模型为Egli信道模型，通信干扰模型选择为窄带干扰；

1.2)选择IEMI库中的HEMP波形，设置场强峰值为50kV/m；

1.3)选择监测点：设定天线末端、射频通道中的放大器、带通滤波器前后为响应监测点；

1.4)运行系统，待仿真结束后，保存响应监测点波形；

1.5)根据响应监测点波形数据，对通信系统的指标参数进行分析，所述指标参数包括分组传输成功率、数据传输速率、发射功率和/或接收灵敏度，图5为超短波通信系统HEMP耦合响应分析部分仿真结果截图，由图可知，观察敏感易损组件LNA(正常噪声放大器)的输入输出端口的时域和频域波形，可知LNA组件工作于非线性区出现饱和效应，有助于我们分析电磁脉冲冲击对LNA造成的瞬态影响。

所述关键易损组件对通信系统性能降级影响的评估，主要是针对在注入试验或者辐照试验中获取的效应损伤组件，开展效应机理分析，并使用多项式方法建立损伤后的行为级模型(即行为模型或行为级响应模型)，将此模型导入到评估系统中，得到基于易损射频组件的效应建模，用于该损伤组件对通信系统整体性能降级的效应评估，具体为：

2.1)对关键易损组件进行通信系统易损性辐照试验或注入试验，得到受损的关键易损组件；

2.2)对受损的关键易损组件进行电性能测试，开展效应机理检测确定损伤点；所述电性能测试包括噪声系数和/或增益；

2.3)使用多项式方法构建受损的关键易损组件的行为模型，用受损的关键易损组件模型替换掉通信系统IEMI易损性评估系统中正常的通信系统组件；

2.4)选择通信系统，选择性能降级分析功能；

2.5)设置评估指标参数；所述评估指标参数包括发射功率、接收灵敏度和/或系统误码率；

2.6)运行通信系统IEMI易损性评估系统，保存试验数据；

2.7)根据试验数据，对通信系统的指标参数进行评估分析。

以超短波通信效应试验中经常出现的低噪声放大器LNA为例，如图4所示，评估超短波通信系统在LNA受损条件下的性能降级分析方法：

2.1)开展超短波系统易损性辐照试验或注入试验，试验结束后获取损伤效应组件-低噪声放大器LNA(降级噪声放大器)；

2.2)对损伤效应组件-低噪声放大器LNA进行电性能测试，开展效应机理检测确定损伤点；所述电性能测试包括噪声系数和/或增益；

2.3)使用多项式方法构建损伤效应组件-低噪声放大器LNA的行为模型，用损伤效应组件-低噪声放大器LNA替换掉通信系统的正常组件模型；

2.4)选择超短波系统，选择性能降级分析功能；

2.5)设置评估指标参数；所述评估指标参数为系统误码率；

2.6)运行通信系统IEMI易损性评估系统，保存试验数据；

2.7)根据试验数据，对通信系统的指标参数进行评估分析；图6为超短波通信系统性能降级分析的部分仿真结果截图，由图可知，当LNA发生损伤后，其工作性能严重下降，随着信噪比增加，其和正常LNA之间的误码率差距逐渐扩大。

本发明的通信系统IEMI易损性评估系统及评估方法，可应用于以下几个方面：

1、研究电磁脉冲在通信系统收发通道上的电磁能量传输过程，以及其对各收发组件通信信号的影响。以射频前端耦合通道为例，可以监测电磁脉冲能量传导过程，监测耦合通道上敏感组件的输入输出端口响应激励波形，为防护指标分解提供依据。

2、建立相关敏感效应组件的行为级响应模型，包括正常、性能降级、损坏状态；以某实际装备电磁脉冲试验中出现效应的组件作为研究对象，构建能表征其降级效应的行为级响应模型，替换系统中的正常组件模型，从而研究组件降级对于系统性能的影响；

3、研究受电磁脉冲冲击造成性能降级的通信系统在电子对抗等复杂电磁环境下的通信能力和抗干扰能力。对标准通信系统选择能够反映真实使用地形的信道环境模型，以及配置能够反映电子对抗环境的传统通信抗干扰波形，进而研究电磁脉冲对系统的真实通信能力的影响，以及发生永久性性能降级后通信系统的抗干扰能力。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。