綜合通信訓(xùn)練模擬系統(tǒng)短波信道分布式實(shí)時仿真

1 引 言

自無線電技術(shù)發(fā)明并得到廣泛應(yīng)用以來，依靠電離層進(jìn)行傳播的短波通信就成為遠(yuǎn)距離無線通信的主要手段。為了有效訓(xùn)練通信裝備操作人員，過去，在教學(xué)訓(xùn)練單位，通常大量時間用在裝備原理的理論講解上，由于不能提供真實(shí)的訓(xùn)練環(huán)境，即使花費(fèi)了大量人力、精力，仍收不到良好的訓(xùn)練效果。其原因是在平時的通信裝備實(shí)裝訓(xùn)練中，由于缺乏發(fā)信方或收信方，特別是對于像戰(zhàn)術(shù)對抗、應(yīng)急操作等情況更是難能達(dá)成，致使訓(xùn)練只能停留在裝備面板級的開關(guān)機(jī)訓(xùn)練層面。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，加上仿真技術(shù)的不斷成熟，為我們提供了一個解決問題的有效途徑。利用“模擬訓(xùn)練”既能夠使受訓(xùn)人員進(jìn)行基本操作使用訓(xùn)練，而且還能夠進(jìn)行復(fù)雜通信環(huán)境下通信業(yè)務(wù)綜合訓(xùn)練?；诖?，研制了綜合通信訓(xùn)練模擬系統(tǒng)。本文是綜合通信訓(xùn)練模擬系統(tǒng)中關(guān)于短波通信信道實(shí)時仿真問題的討論。

2 短波信道對信號傳輸?shù)挠绊懛治黾胺抡婺Ｐ?/p>

2.1 對信號傳輸?shù)挠绊懛治?/p>

通常情況下，無線電波通過媒質(zhì)產(chǎn)生失真的原因有：一是媒質(zhì)的色散效應(yīng)，二是隨機(jī)多徑傳輸效應(yīng)。根據(jù)觀察表明，短波電離層反射信道是一種時變色散信道，它具有時間、頻率和空間三種選擇性衰落，對通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性有很大影響。首先，信道輸入信號由于電離層的多徑效應(yīng)會引起信道時間色散，它使發(fā)射信號的幅度減小，甚至完全消失，致使通信系統(tǒng)接收信號在頻域上產(chǎn)生了頻率選擇性衰落，這是造成短波通信中出現(xiàn)突發(fā)錯誤的主要原因。其次，信道輸入信號由于電離層多普勒效應(yīng)會引起信道頻率色散，由于各個路徑長度隨時間的變化，表現(xiàn)出頻率散布，使發(fā)射信號的頻率結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，相位起伏不定，致使通信系統(tǒng)接收信號在時域上產(chǎn)生了時間選擇性衰落，從而造成數(shù)據(jù)信號的錯誤接收。

2.2 信道仿真模型

通過上述分析可知，短波信道在時域和頻域都是時變的。根據(jù)對短波信道特性的統(tǒng)計(jì)分析，接收端接收信號的幅度服從Rayleigh分布，接收信號的相位服從(0，2π)均勻分布。假設(shè)分析只限于有限頻帶和足夠短的時間，可以認(rèn)為信道基本上是穩(wěn)定的，從而可以選用等效離散時間模型來表示，如圖1所示。

這里每個抽頭對應(yīng)一條可分解的傳輸路徑，每條路徑上，信號受到信道的幅度和相位的雙重調(diào)制，相當(dāng)于在每條路徑上增加了頻率擴(kuò)展和多普勒頻移，信道沖激響應(yīng)為：

式中，i為路徑標(biāo)號，n為路徑總數(shù)，fc為信號載頻，ai(t)是第i條路徑上接收信號的衰減因子，τi(t)是第i條路徑上的傳輸時延，c(τ，t)表示在t-τ時產(chǎn)生的脈沖經(jīng)過信道后t時刻引起的響應(yīng)。

若輸入信號為s(t)，則輸出為：

式中，sl為低通等效信號，*表示卷積。r(t)為接收信號，表示接收信號是由許多不同衰減的幅值與不同延時的多徑信號疊加而成。   

 3 信道仿真關(guān)鍵技術(shù)

基于短波電離層反射信道仿真模型，建立了如圖2所示的短波信道仿真總體結(jié)構(gòu)。圖中示出了2條多徑的短波信道總體結(jié)構(gòu)框圖。

短波信道仿真總體結(jié)構(gòu)是由高斯噪聲生成器(AWGN)、低通濾波器(LPF)、Hilbert變換以及等效離散時間模型組成。

3.1 抽頭系數(shù)的產(chǎn)生

短波信道模型的抽頭系數(shù)是期望為零、方差為σ2的相位獨(dú)立的高斯過程，它可由高斯白噪聲通過一個低通濾波器得到。

(1)高斯分布隨機(jī)序列：本文首先采用混合同余算法產(chǎn)生均勻分布的隨機(jī)數(shù)序列，其迭代公式如下：

式中c≠0，增量c與模數(shù)m互質(zhì)，a稱作乘子，a-1必須是模數(shù)m任意一個素因子的倍數(shù)，如果m是4的倍數(shù)，則n-1是4的倍數(shù)，發(fā)生器的最大周期為m。各項(xiàng)參數(shù)本文采用了標(biāo)準(zhǔn)C語言的定義，即m=232，c=12345，a=1103515245。以混合同余算法為基礎(chǔ)，經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖儞Q即可得到高斯分布隨機(jī)序列，具體實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

需要注意的是進(jìn)入AWGN模塊前需要指定信噪比。

(2)高斯成形低通濾波器：前述產(chǎn)生的兩個高斯型變量G1，G2經(jīng)過低通濾波后則為等效離散時間模型的抽頭系數(shù)，其仿真了多普勒頻率擴(kuò)展。為使每個分量的功率譜為高斯型，低通濾波器所期望的幅度響應(yīng)為高斯分布，為此，本文采用了Matlab設(shè)計(jì)的IIR濾波器中IIRLPNORM(n，d，f，edges，a)函數(shù)，利用IIRLPNORM函數(shù)構(gòu)造低通濾波器，使其幅度響應(yīng)逼近高斯分布，通過該函數(shù)可得到濾波器系數(shù)。該設(shè)計(jì)的采樣頻率是8 kHz，IIR濾波器的階數(shù)為8，多普勒頻率擴(kuò)展范圍是0.1～30 Hz。

實(shí)現(xiàn)過程中，首先采用Matlab產(chǎn)生符合不同衰落要求下低通濾波器的系數(shù)矩陣D，將系數(shù)矩陣D以數(shù)據(jù)文件形式保存至硬盤中，為模擬系統(tǒng)工作時生成衰落所需的高斯控制信號做準(zhǔn)備。

3.2 希爾伯特(Hilbert)變換

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，首先設(shè)計(jì)了一個低通濾波器，其沖激響應(yīng)為hlp(t)。如圖2所示，輸入的音頻信號分別經(jīng)過帶寬為3 kHz的帶通濾波器和3 kHz帶寬的Hilbert濾波器，將輸入信號變換成為一個復(fù)信號I和Q。兩個帶通濾波器的沖激響應(yīng)為：

式中，T為采樣周期，N為濾波器階數(shù)，f0為中心頻率。

輸入信號成為復(fù)信號后，可以按照所需路徑數(shù)(實(shí)際系統(tǒng)中是通過總控導(dǎo)演臺設(shè)置完成，框圖示意了兩路信號)選擇相應(yīng)的路徑和延遲。

4 分布式實(shí)時仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

綜合通信訓(xùn)練模擬系統(tǒng)主要由總控導(dǎo)演臺、信道仿真臺、收(發(fā))信方仿真臺、系統(tǒng)監(jiān)控臺、通信設(shè)備模擬器(單片機(jī)實(shí)現(xiàn))、串口服務(wù)器和接口等部分組成。各仿真臺站計(jì)算機(jī)通過局域網(wǎng)相互連接。

4.1 分布式實(shí)時仿真設(shè)計(jì)

基于面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法，將信道仿真臺的信道仿真系統(tǒng)軟件劃分為系統(tǒng)初始化模塊、濾波器數(shù)據(jù)庫模塊、AWGN數(shù)據(jù)生成模塊、信道算法(如短波信道的多徑、衰落等)實(shí)現(xiàn)模塊和各類后臺線程(信源數(shù)據(jù)實(shí)時接收線程、合成數(shù)據(jù)實(shí)時傳送線程和總控數(shù)據(jù)接收線程)。其中初始化模塊包括各數(shù)據(jù)存儲單元的初始化和顯控設(shè)備的初始化，這一模塊在系統(tǒng)啟動時運(yùn)行。

為解決模型逼真度與解算速度的問題，在程序設(shè)計(jì)上采用了分布式數(shù)據(jù)解算方法，充分利用系統(tǒng)硬件資源，以保證程序具有足夠的速度和靈活性。

信道仿真系統(tǒng)是利用局域網(wǎng)內(nèi)的4臺計(jì)算機(jī)進(jìn)行多機(jī)聯(lián)合仿真。這4臺計(jì)算機(jī)按照所擔(dān)負(fù)的任務(wù)分別命名為：Matlab數(shù)據(jù)庫計(jì)算機(jī)、信源數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)、信道解算計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)合成與傳送計(jì)算機(jī)。各計(jì)算機(jī)間通過UDP／IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和握手通信。各模擬器終端利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)收信與發(fā)信，單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間、計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間并、串行工作。

4.2 基于VC++的分布式實(shí)時仿真實(shí)現(xiàn)

基于上節(jié)的設(shè)計(jì)方案，采用VC++語言實(shí)現(xiàn)了一個集成化的通信信道仿真環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)通信信道模型仿真和信號源實(shí)時產(chǎn)生等功能的有效調(diào)度和管理。該系統(tǒng)通過信道仿真模型、算法、數(shù)據(jù)、輸入輸出參數(shù)等的統(tǒng)一管理，將各個功能模塊以及仿真結(jié)果分析與表示等集成在一個仿真環(huán)境下，加強(qiáng)系統(tǒng)各部分之間的聯(lián)系與交互，進(jìn)而完成模擬設(shè)備收發(fā)數(shù)據(jù)的實(shí)時產(chǎn)生、解算與傳送。

圖4顯示了信源數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生高斯噪聲和通信信號數(shù)據(jù)幀生成的程序執(zhí)行路徑。程序執(zhí)行時，首先將數(shù)據(jù)存儲單元初始化，同時啟動與主控導(dǎo)演臺和信道解算計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換線程。線程一接收總控導(dǎo)演臺用戶根據(jù)既定場景、任務(wù)條件下設(shè)定的各項(xiàng)參數(shù)，同時喚醒主程序進(jìn)行數(shù)據(jù)生成，產(chǎn)生數(shù)據(jù)幀的同時，通過線程二將數(shù)據(jù)傳送至信道解算計(jì)算機(jī)。

圖5顯示了運(yùn)行于信道解算計(jì)算機(jī)上的信道算法(如短波信道的多徑、衰落等)模塊的程序執(zhí)行路徑。系統(tǒng)啟動后，程序進(jìn)入等待狀態(tài)，由信源數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)觸發(fā)運(yùn)行。

5 結(jié) 語

針對綜合通信訓(xùn)練模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)運(yùn)算量大、實(shí)時性要求高等難題，本文給出了一種分布式仿真的設(shè)計(jì)方案。該方案充分利用了綜合通信訓(xùn)練模擬系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)資源，實(shí)現(xiàn)了對傳輸信號的實(shí)時處理，能夠?qū)崟r模擬通信信道環(huán)境。圖6給出了頻率為500 Hz的原始輸入正弦信號譜，圖7則是500 Hz正弦信號經(jīng)前述短波信道模型(兩條路徑)的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果圖，可以看出原始信號變?yōu)橛袃蓷l多徑，并且每一條多徑信號被分別加上了不同的多普勒頻移和頻擴(kuò)。這一仿真結(jié)果與理論分析相吻合，從另一側(cè)面驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的正確性和合理性。

目前，綜合通信訓(xùn)練模擬系統(tǒng)已經(jīng)投入使用。使用結(jié)果表明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，實(shí)時性好，程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，較逼真地模擬了通信環(huán)境，滿足操作人員實(shí)際操作訓(xùn)練的需要。