1、綜合通信訓練模擬系統短波信道分布式實時仿真方法    自 近年來，隨著計算機技術和網絡通信技術的飛速發展，加上仿真技術的不斷成熟，為我們提供了一個解決問題的有效途徑。利用“ 2 短波信道對信號傳輸的影響分析及仿真模型2.1 對信號傳輸的影響分析通常情況下，無線電波通過媒質產生失真的原因有：一是媒質的色散效應，二是隨機多徑傳輸效應。根據觀察表明，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，對通信系統的穩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會引起信道時間色散，它使發射信號的幅度減小，甚至完全消失，致使

2、通信系統接收信號在頻域上產生了頻率選擇性衰落，這是造成短波通信中出現突發錯誤的主要原因。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，表現出頻率散布，使發射信號的頻率結構發生變化，相位起伏不定，致使通信系統接收信號在時域上產生了時間選擇性衰落，從而造成數據信號的錯誤接收。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。根據對短波信道特性的統計分析，接收端接收信號的幅度服從Rayleigh分布，接收信號的相位服從(0，2)均勻分布。假設分析只限于有限頻帶和足夠短的時間，可以認為信道基本上是穩定的，從而可以選用等效離散時間模型來表示，

3、如圖1所示。這里每個抽頭對應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制，相當于在每條路徑上增加了頻率擴展和多普勒頻移，信道沖激響應為：式中，i為路徑標號，n為路徑總數，fc為信號載頻，ai(t)是第i條路徑上接收信號的衰減因子，i(t)是第i條路徑上的傳輸時延，c(，t)表示在t-時產生的脈沖經過信道后t時刻引起的響應。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 信道仿真關鍵技術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構。圖中示

4、出了2條多徑的短波信道總體結構框圖。 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 抽頭系數的產生短波信道模型的抽頭系數是期望為零、方差為2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生均勻分布的隨機數序列，其迭代公式如下：式中c0，增量c與模數m互質，a稱作乘子，a-1必須是模數m任意一個素因子的倍數，如果m是4的倍數，則n-1是4的倍數，發生器的最大周期為m。各項參數本文采用了標準C語言的定義，即m=232，c=12345，a=11035152

5、45。以混合同余算法為基礎，經過適當的變換即可得到高斯分布隨機序列，具體實現流程如圖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：前述產生的兩個高斯型變量G1，G2經過低通濾波后則為等效離散時間模型的抽頭系數，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，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

6、擴展范圍是0.130 Hz。實現過程中，首先采用Matlab產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中，為模擬系統工作時生成衰落所需的高斯 3.2 希爾伯特(Hilbert)變換本文設計的系統中，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，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(實際系統中是通過總控導演臺設置完成，框圖示意了兩路

7、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)信方仿真臺、系統監控臺、通信設備模擬器( 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)實現模塊和各類后臺線程(信源數據實時接收線程、合成數據實時傳送線程和總控數據接收線程)。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據解算方法，充分利用系統硬件

8、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內的4臺計算機進行多機聯合仿真。這4臺計算機按照所擔負的任務分別命名為：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UDPIP協議實現數據交換和握手通信。各模擬器終端利用單片機實現收信與發信，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基于上節的設計方案，采用VC+語言實現了一個集成化的通信信道仿真環境，以實現通信信道模型仿真和信號源實時產生等功能的有效調度和管理。該系統通過信道仿真模型、算法、數據、輸入輸出參數等的統一管理，將各個功能

9、模塊以及仿真結果分析與表示等集成在一個仿真環境下，加強系統各部分之間的聯系與交互，進而完成模擬設備收發數據的實時產生、解算與傳送。圖4顯示了信源數據計算機產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，首先將數據存儲單元初始化，同時啟動與主控導演臺和信道解算計算機之間的數據交換線程。線程一接收總控導演臺用戶根據既定場景、任務條件下設定的各項參數，同時喚醒主程序進行數據生成，產生數據幀的同時，通過線程二將數據傳送至信道解算計算機。圖5顯示了運行于信道解算計算機上的信道算法(如短波信道的多徑、衰落等)模塊的程序執行路徑。系統啟動后，程序進入等待狀態，由信源數據計算機觸發運行。5 結 語針對綜合通信訓練模擬系統結構復雜、數據運算量大、實時性要求高等難題，本文給出了一種分布式仿真的設計方案。該方案充分利用了綜合通信訓練模擬系統中的計算機資源，實現了對傳輸信號的實時處理，能夠實時模擬通信信道環境。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正弦信號經前述短波信道模型(兩條路徑)的計算機仿真結果圖，可以看出原始信號變為有兩條多徑，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。這一仿真結果與理論