綜合通信訓(xùn)練模擬系統(tǒng)短波信道分布式實(shí)時(shí)仿真方法

1 引 言

自無(wú)線電技術(shù)發(fā)明并得到廣泛應(yīng)用以來(lái)，依靠電離層進(jìn)行傳播的短波通信就成為遠(yuǎn)距離無(wú)線通信的主要手段。為了有效訓(xùn)練通信裝備操作人員，過(guò)去，在教學(xué)訓(xùn)練單位，通常大量時(shí)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(shí)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(duì)于像戰(zhàn)術(shù)對(duì)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(jí)的開(kāi)關(guān)機(jī)訓(xùn)練層面。

近年來(lái)，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(gè)解決問(wèn)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。基于此，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(shí)仿真問(wèn)題的討論。

2 短波信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懛治黾胺抡婺Ｐ?/p>

2.1 對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懛治?/p>

通常情況下，無(wú)線電波通過(guò)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(shí)變色散信道，它具有時(shí)間、頻率和空間三種選擇性衰落，對(duì)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(hào)由于電離層的多徑效應(yīng)會(huì)引起信道時(shí)間色散，它使發(fā)射信號(hào)的幅度減小，甚至完全消失，致使通信系統(tǒng)接收信號(hào)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(cuò)誤的主要原因。其次，信道輸入信號(hào)由于電離層多普勒效應(yīng)會(huì)引起信道頻率色散，由于各個(gè)路徑長(zhǎng)度隨時(shí)間的變化，表現(xiàn)出頻率散布，使發(fā)射信號(hào)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(hào)在時(shí)域上產(chǎn)生了時(shí)間選擇性衰落，從而造成數(shù)據(jù)信號(hào)的錯(cuò)誤接收。

2.2 信道仿真模型

通過(guò)上述分析可知，短波信道在時(shí)域和頻域都是時(shí)變的。根據(jù)對(duì)短波信道特性的統(tǒng)計(jì)分析，接收端接收信號(hào)的幅度服從Rayleigh分布，接收信號(hào)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(shí)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(shí)間模型來(lái)表示，如圖1所示。

這里每個(gè)抽頭對(duì)應(yīng)一條可分解的傳輸路徑，每條路徑上，信號(hào)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(hào)，n為路徑總數(shù)，fc為信號(hào)載頻，ai(t)是第i條路徑上接收信號(hào)的衰減因子，τi(t)是第i條路徑上的傳輸時(shí)延，c(τ，t)表示在t-τ時(shí)產(chǎn)生的脈沖經(jīng)過(guò)信道后t時(shí)刻引起的響應(yīng)。

若輸入信號(hào)為s(t)，則輸出為：

式中，sl為低通等效信號(hào)，*表示卷積。r(t)為接收信號(hào)，表示接收信號(hào)是由許多不同衰減的幅值與不同延時(shí)的多徑信號(hào)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(shí)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(guò)程，它可由高斯白噪聲通過(guò)一個(gè)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(gè)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(yǔ)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(guò)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(gè)高斯型變量G1，G2經(jīng)過(guò)低通濾波后則為等效離散時(shí)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(gè)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(guò)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(guò)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(pán)中，為模擬系統(tǒng)工作時(shí)生成衰落所需的高斯控制信號(hào)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(gè)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(hào)分別經(jīng)過(guò)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(hào)變換成為一個(gè)復(fù)信號(hào)I和Q。兩個(gè)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(hào)成為復(fù)信號(hào)后，可以按照所需路徑數(shù)(實(shí)際系統(tǒng)中是通過(guò)總控導(dǎo)演臺(tái)設(shè)置完成，框圖示意了兩路信號(hào))選擇相應(yīng)的路徑和延遲。

4 分布式實(shí)時(shí)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(tái)、信道仿真臺(tái)、收(發(fā))信方仿真臺(tái)、系統(tǒng)監(jiān)控臺(tái)、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(tái)站計(jì)算機(jī)通過(guò)局域網(wǎng)相互連接。

4.1 分布式實(shí)時(shí)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(tái)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(kù)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(tái)線程(信源數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收線程、合成數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送線程和總控?cái)?shù)據(jù)接收線程)。其中初始化模塊包括各數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(dòng)時(shí)運(yùn)行。

為解決模型逼真度與解算速度的問(wèn)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(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行多機(jī)聯(lián)合仿真。這4臺(tái)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(kù)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(guò)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(shí)仿真實(shí)現(xiàn)

基于上節(jié)的設(shè)計(jì)方案，采用VC++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了一個(gè)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(hào)源實(shí)時(shí)產(chǎn)生等功能的有效調(diào)度和管理。該系統(tǒng)通過(guò)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(gè)功能模塊以及仿真結(jié)果分析與表示等集成在一個(gè)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(shí)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(hào)數(shù)據(jù)幀生成的程序執(zhí)行路徑。程序執(zhí)行時(shí)，首先將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元初始化，同時(shí)啟動(dòng)與主控導(dǎo)演臺(tái)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(tái)用戶根據(jù)既定場(chǎng)景、任務(wù)條件下設(shè)定的各項(xiàng)參數(shù)，同時(shí)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(shí)，通過(guò)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(dòng)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(yǔ)

針對(duì)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(shí)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(duì)傳輸信號(hào)的實(shí)時(shí)處理，能夠?qū)崟r(shí)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(hào)譜，圖7則是500 Hz正弦信號(hào)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(hào)變?yōu)橛袃蓷l多徑，并且每一條多徑信號(hào)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(shí)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。