綜合通信訓練模擬系統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 抽頭系數的產生

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c≠0，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=1103515245。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，多普勒頻率擴展范圍是0.1～30 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(單片機實現)、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UDP／IP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。