綜合通信訓練模擬系統(tǒng)短波信道分布式實時仿真

短波信道仿真總體結構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)高斯分布隨機序列：本文首先采用混合同余算法產(chǎn)生均勻分布的隨機數(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。各項參數(shù)本文采用了標準C語言的定義，即m=232，c=12345，a=1103515245。以混合同余算法為基礎，經(jīng)過適當?shù)淖儞Q即可得到高斯分布隨機序列，具體實現(xiàn)流程如圖3所示。

需要注意的是進入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為高斯分布，為此，本文采用了Matlab設計的IIR濾波器中IIRLPNORM(n，d，f，edges，a)函數(shù)，利用IIRLPNORM函數(shù)構造低通濾波器，使其幅度響應逼近高斯分布，通過該函數(shù)可得到濾波器系數(shù)。該設計的采樣頻率是8 kHz，IIR濾波器的階數(shù)為8，多普勒頻率擴展范圍是0.1～30 Hz。

實現(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備。

3.2 希爾伯特(Hilbert)變換

本文設計的系統(tǒng)中，首先設計了一個低通濾波器，其沖激響應為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信號I和Q。兩個帶通濾波器的沖激響應為：

式中，T為采樣周期，N為濾波器階數(shù)，f0為中心頻率。

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

4 分布式實時仿真設計與實現(xiàn)

綜合通信訓練模擬系統(tǒng)主要由總控導演臺、信道仿真臺、收(發(fā))信方仿真臺、系統(tǒng)監(jiān)控臺、通信設備模擬器(單片機實現(xiàn))、串口服務器和接口等部分組成。各仿真臺站計算機通過局域網(wǎng)相互連接。

4.1 分布式實時仿真設計

基于面向對象的程序設計方法，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)實現(xiàn)模塊和各類后臺線程(信源數(shù)據(jù)實時接收線程、合成數(shù)據(jù)實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備的初始化，這一模塊在系統(tǒng)啟動時運行。

為解決模型逼真度與解算速度的問題，在程序設計上采用了分布式數(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臺計算機進行多機聯(lián)合仿真。這4臺計算機按照所擔負的任務分別命名為：Matlab數(shù)據(jù)庫計算機、信源數(shù)據(jù)計算機、信道解算計算機、數(shù)據(jù)合成與傳送計算機。各計算機間通過UDP／IP協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和握手通信。各模擬器終端利用單片機實現(xiàn)收信與發(fā)信，單片機與計算機之間、計算機與計算機之間并、串行工作。

4.2 基于VC++的分布式實時仿真實現(xiàn)

基于上節(jié)的設計方案，采用VC++語言實現(xiàn)了一個集成化的通信信道仿真環(huán)境，以實現(xiàn)通信信道模型仿真和信號源實時產(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果分析與表示等集成在一個仿真環(huán)境下，加強系統(tǒng)各部分之間的聯(lián)系與交互，進而完成模擬設備收發(fā)數(shù)據(jù)的實時產(chǎn)生、解算與傳送。

圖4顯示了信源數(shù)據(jù)計算機產(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，同時啟動與主控導演臺和信道解算計算機之間的數(shù)據(jù)交換線程。線程一接收總控導演臺用戶根據(jù)既定場景、任務條件下設定的各項參數(shù)，同時喚醒主程序進行數(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)傳送至信道解算計算機。