金善來(lái),王永斌,劉宏波

(海軍工程大學(xué),湖北武漢430033)

0 引言

短波信道是短波通信系統(tǒng)的重要組成部分。信道的好壞直接影響著通信的質(zhì)量。而在短波信道中傳輸?shù)碾姴ㄖ苯邮艿街車(chē)h(huán)境的影響,到達(dá)接收端時(shí)會(huì)發(fā)生很大的衰落變化,對(duì)通信質(zhì)量產(chǎn)生非常不利的影響。

短波通信試驗(yàn)中,涉及地域廣、試驗(yàn)次數(shù)多、經(jīng)費(fèi)消耗大,采用仿真技術(shù)是有效的解決途徑。在評(píng)估短波數(shù)字通信系統(tǒng)時(shí),為了探測(cè)通信鏈路以及通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的好壞,一種是實(shí)驗(yàn)測(cè)試,一種是信道模擬[1]。實(shí)驗(yàn)測(cè)試是在實(shí)際的電離層鏈路上進(jìn)行的,實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常困難,而且對(duì)信道條件難以控制。而信道模擬仿真方法則是通過(guò)對(duì)信道特性進(jìn)行理論分析,建立信道模型。利用信道仿真可以控制、改變信道參數(shù),進(jìn)而了解在不同信道條件下的信道性能。

1 短波通信線路模型

建立一條具體的通信線路,可以有各種不同的方案,圖1為進(jìn)行線路設(shè)計(jì)而假設(shè)的短波電離層反射信道模型[3]。

圖1 短波電離層反射信道的模型

圖中信道基本傳播損耗Lp,表示無(wú)線電波進(jìn)入電離層信道后,在傳輸中的能量損耗。若把天線增益也歸入到“損耗”中去,則稱(chēng)為“系統(tǒng)損耗”Ls,P′n表示侵入短波信道的各種外部噪聲功率。顯然,若用 Pt表示發(fā)射功率,Pr表示接收功率,則：

2 短波通信線路模型仿真方案

系統(tǒng)由4大部分組成,劇情數(shù)據(jù)的接收模塊、規(guī)劃數(shù)據(jù)的接收模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、信噪比的讀取及發(fā)送模塊。

其中劇情數(shù)據(jù)的接收模塊、規(guī)劃數(shù)據(jù)的接收模塊、信噪比的讀取及發(fā)送模塊由VC編寫(xiě),信道模型的計(jì)算模塊由Fortran編寫(xiě),數(shù)據(jù)庫(kù)模塊包括電離層干擾產(chǎn)生、太陽(yáng)黑子數(shù)和短波信道傳播預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù),由Access數(shù)據(jù)庫(kù)及標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)操作語(yǔ)言完成。系統(tǒng)的總體流程圖如圖2所示,下面對(duì)流程圖中各模塊功能進(jìn)行分析。

圖2 系統(tǒng)的總體流程圖

2.1 劇情數(shù)據(jù)和規(guī)劃數(shù)據(jù)的接收模塊

圖中的劇情數(shù)據(jù)包提供參加通信的各個(gè)位置的地理信息,如經(jīng)緯度等;規(guī)劃數(shù)據(jù)包提供參加通信的各個(gè)通信裝備的具體指標(biāo),如電臺(tái)功率、天線高度等。劇情數(shù)據(jù)的接收模塊和規(guī)劃數(shù)據(jù)的接收模塊是接收各計(jì)算參數(shù),并把收到的數(shù)據(jù)傳入信道模型的計(jì)算模塊處理。在接收數(shù)據(jù)時(shí),通過(guò)VC編寫(xiě)一個(gè)定時(shí)器周期性檢查端口收發(fā)實(shí)時(shí)狀態(tài),以保證整個(gè)程序可以不停的接收外界數(shù)據(jù)包,且不存在數(shù)據(jù)的丟失和錯(cuò)亂問(wèn)題。

2.2 信道模型的計(jì)算模塊

信道模型的計(jì)算模塊是由Fortran編寫(xiě)的,利用了Fortran程序的科學(xué)計(jì)算精確度高,運(yùn)算速率快等特點(diǎn)實(shí)時(shí)處理上層數(shù)據(jù),而且此部分是整個(gè)模型建立的核心部分,當(dāng)接收到相應(yīng)的參數(shù)后使用模型算法實(shí)時(shí)處理,運(yùn)算結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

可通率是指通信線路的接收端的信噪功率比γo高于某個(gè)可以接收的最小信噪比 γomin的時(shí)間百分比[3]。在線路設(shè)計(jì)時(shí),可通率是重要的指標(biāo),因此計(jì)算出接收端的信噪功率比γo非常關(guān)鍵[4]。

假設(shè)SNr是接收機(jī)信噪比,Pr是接收端的接收信號(hào)功率,Pn是噪聲功率

式中,Lp0是自由空間傳播損耗;La是電離層吸收損耗;Lg是多跳地面反射損耗;Yp是額外系統(tǒng)損耗。Yp不同時(shí)刻的估算值如表1所示。

表1 額外系統(tǒng)損耗的估算值表

中緯度地區(qū),Yp大約在15～18 dB。

噪聲功率計(jì)算：大氣噪聲用CCIR第322報(bào)告所提供的世界大氣無(wú)線電噪聲資料來(lái)估算。這一套資料把一天分成6個(gè)時(shí)段,而把一季里同一時(shí)段內(nèi)的360個(gè)小時(shí)組成1個(gè)時(shí)區(qū),全年共有24個(gè)時(shí)區(qū)。大氣噪聲資料為每1時(shí)區(qū)提供3張算圖,所以一套完整的大氣噪聲資料含有72張算圖。在算圖中用有效天線噪聲系數(shù)Fa來(lái)表示大氣噪聲的數(shù)值[3]。

由3張算圖求得Fa后,應(yīng)利用下式折算成噪聲功率

最后得：SNr=Pr-Pn。

2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊

在整個(gè)的模型計(jì)算過(guò)程中,數(shù)據(jù)讀取和存入都和數(shù)據(jù)庫(kù)有著緊密的聯(lián)系,數(shù)據(jù)庫(kù)部分起到了數(shù)據(jù)的保存和數(shù)據(jù)的共享作用。而且,數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)了信道計(jì)算所需的電離層干擾數(shù)據(jù)、太陽(yáng)黑子數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù),提供模型計(jì)算使用。這樣即使得整個(gè)計(jì)算過(guò)程流程清晰化、處理數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)化,還起到了分布式計(jì)算的作用。

2.4 信噪比的讀取及發(fā)送模塊

信噪比的讀取及發(fā)送模塊是利用VC編寫(xiě)的,通過(guò)VC編寫(xiě)一個(gè)定時(shí)器周期性的讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù),使計(jì)算的結(jié)果可以準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地發(fā)送給模擬臺(tái)位,以便整個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行使用。

3 短波通信線路模型仿真實(shí)現(xiàn)

3.1 仿真場(chǎng)景設(shè)置

仿真場(chǎng)景如圖3,此場(chǎng)景包括規(guī)劃臺(tái)位1個(gè)、劇情臺(tái)位1個(gè)、信道模擬臺(tái)位1個(gè)以及通信模擬臺(tái)位5個(gè)。

圖3 實(shí)驗(yàn)室仿真環(huán)境

各臺(tái)位之間通過(guò)UDP協(xié)議通信。信道模擬臺(tái)位接收規(guī)劃數(shù)據(jù)包和劇情數(shù)據(jù)包,解析其中的相關(guān)數(shù)據(jù),進(jìn)行計(jì)算,將計(jì)算結(jié)果信噪比以廣播的形式發(fā)送給各個(gè)通信模擬臺(tái)位。各個(gè)模擬臺(tái)位通過(guò)接收到與自己相關(guān)的信噪比來(lái)判斷是否可以進(jìn)行通信[5](假定此次仿真中接收機(jī)靈敏度為-30 dB)。

3.2 試驗(yàn)性能分析

為了驗(yàn)證仿真的可行性,用如下數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試,表2為輸入?yún)?shù)表,表中的經(jīng)緯度和模擬臺(tái)號(hào)來(lái)自劇情數(shù)據(jù)包,頻率、功率和天線高度來(lái)自規(guī)劃數(shù)據(jù)包。參加組網(wǎng)的有5個(gè)模擬臺(tái)位,取出其中任意2個(gè)臺(tái)位進(jìn)行計(jì)算,共有20種排列的方式,通過(guò)這20個(gè)計(jì)算結(jié)果判斷是否可以正常通信。表3為輸出結(jié)果對(duì)比表。

表2 輸入?yún)?shù)表

表3 輸出信噪比對(duì)比表 (單位：dB)

其中,表 3 中表頭的 1、2、3、4、5 代表模擬臺(tái)位號(hào);表中的數(shù)據(jù)是信噪比,單位是dB。通過(guò)對(duì)表3的數(shù)據(jù)分析,可得出如下結(jié)論：

①同樣的2個(gè)臺(tái)位,把它們分別當(dāng)成發(fā)端和收端,所得到的信噪比完全不同,這是因?yàn)楹褪斩说谋镜卦肼曈嘘P(guān),與實(shí)際吻合;

②得出的信噪比,有的接近于0 dB,有的是負(fù)值,這說(shuō)明本地噪聲很大,與實(shí)際情況基本相符。

從上面的數(shù)據(jù)分析,可以得出模型的仿真可以基本滿(mǎn)足需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用VC與Fortran聯(lián)合編程的方法[6],對(duì)短波通信線路進(jìn)行仿真,并對(duì)模型公式進(jìn)行了簡(jiǎn)化,完成了短波信道傳輸性能的仿真開(kāi)發(fā),在實(shí)現(xiàn)可操作性的同時(shí)保證了數(shù)值運(yùn)算的可靠和簡(jiǎn)潔高效,具有簡(jiǎn)單易行、可移植性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),并可嵌入到大型半實(shí)物網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行環(huán)境中。

[1]韓志學(xué),畢文斌,張興周.基于Watterson模型的短波信道實(shí)時(shí)軟件模擬[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī),2007(5)：33-36.

[2]賈獻(xiàn)品,周安棟,楊路剛,等.基于VC和Matlab的短波電臺(tái)通信仿真設(shè)計(jì)[J].通信技術(shù),2010(1)：51-53.

[3]沈琪琪,朱德生.短波通信[M].西安：西安電子科技出版社,2001.

[4]胡中豫.現(xiàn)代短波通信[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2005.

[5]張傳浩,程健慶,陳利風(fēng).短波信道模型仿真實(shí)現(xiàn)及改進(jìn)算法研究[J].指揮控制與仿真,2009(6)：77-78.

[6]胡亞鵬,朱東華,郭小賓,等.VC++和FORTR AN混合編程在陣列感應(yīng)數(shù)值模擬軟件中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)與通訊技術(shù)2010(3)：79-81.