綜合通信訓練模擬系統短波信道分布式實(shí)時(shí)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(shí)間模型組成。

3.1 抽頭系數的產(chǎn)生

短波信道模型的抽頭系數是期望為零、方差為σ2的相位獨立的高斯過(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序列，其迭代公式如下：

式中c≠0，增量c與模數m互質(zhì)，a稱(chēng)作乘子，a-1必須是模數m任意一個(gè)素因子的倍數，如果m是4的倍數，則n-1是4的倍數，發(fā)生器的最大周期為m。各項參數本文采用了標準C語(yǔ)言的定義，即m=232，c=12345，a=1103515245。以混合同余算法為基礎，經(jīng)過(guò)適當的變換即可得到高斯分布隨機序列，具體實(shí)現流程如圖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，其仿真了多普勒頻率擴展。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，利用IIRLPNORM函數構造低通濾波器，使其幅度響應逼近高斯分布，通過(guò)該函數可得到濾波器系數。該設計的采樣頻率是8 kHz，IIR濾波器的階數為8，多普勒頻率擴展范圍是0.1～30 Hz。

實(shí)現過(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矩陣D，將系數矩陣D以數據文件形式保存至硬盤(pán)中，為模擬系統工作時(shí)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

本文設計的系統中，首先設計了一個(gè)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(guò)帶寬為3 kHz的帶通濾波器和3 kHz帶寬的Hilbert濾波器，將輸入信號變換成為一個(gè)復信號I和Q。兩個(gè)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，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(實(shí)際系統中是通過(guò)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(shí)時(shí)仿真設計與實(shí)現

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

4.1 分布式實(shí)時(shí)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軟件劃分為系統初始化模塊、濾波器數據庫模塊、AWGN數據生成模塊、信道算法(如短波信道的多徑、衰落等)實(shí)現模塊和各類(lèi)后臺線(xiàn)程(信源數據實(shí)時(shí)接收線(xiàn)程、合成數據實(shí)時(shí)傳送線(xiàn)程和總控數據接收線(xiàn)程)。其中初始化模塊包括各數據存儲單元的初始化和顯控設備的初始化，這一模塊在系統啟動(dòng)時(shí)運行。

為解決模型逼真度與解算速度的問(wèn)題，在程序設計上采用了分布式數據解算方法，充分利用系統硬件資源，以保證程序具有足夠的速度和靈活性。

信道仿真系統是利用局域網(wǎng)內的4臺計算機進(jìn)行多機聯(lián)合仿真。這4臺計算機按照所擔負的任務(wù)分別命名為：Matlab數據庫計算機、信源數據計算機、信道解算計算機、數據合成與傳送計算機。各計算機間通過(guò)UDP／IP協(xié)議實(shí)現數據交換和握手通信。各模擬器終端利用單片機實(shí)現收信與發(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(shí)時(shí)仿真實(shí)現

基于上節的設計方案，采用VC++語(yǔ)言實(shí)現了一個(gè)集成化的通信信道仿真環(huán)境，以實(shí)現通信信道模型仿真和信號源實(shí)時(shí)產(chǎn)生等功能的有效調度和管理。該系統通過(guò)信道仿真模型、算法、數據、輸入輸出參數等的統一管理，將各個(gè)功能模塊以及仿真結果分析與表示等集成在一個(gè)仿真環(huán)境下，加強系統各部分之間的聯(lián)系與交互，進(jìn)而完成模擬設備收發(fā)數據的實(shí)時(shí)產(chǎn)生、解算與傳送。

圖4顯示了信源數據計算機產(chǎn)生高斯噪聲和通信信號數據幀生成的程序執行路徑。程序執行時(shí)，首先將數據存儲單元初始化，同時(shí)啟動(dòng)與主控導演臺和信道解算計算機之間的數據交換線(xiàn)程。線(xiàn)程一接收總控導演臺用戶(hù)根據既定場(chǎng)景、任務(wù)條件下設定的各項參數，同時(shí)喚醒主程序進(jìn)行數據生成，產(chǎn)生數據幀的同時(shí)，通過(guò)線(xiàn)程二將數據傳送至信道解算計算機。