基于VC與Fortran的短波傳輸性能仿真

金善來,王永斌,劉宏波

(海軍工程大學,湖北武漢430033)

0 引言

短波信道是短波通信系統的重要組成部分。信道的好壞直接影響著通信的質量。而在短波信道中傳輸的電波直接受到周圍環境的影響,到達接收端時會發生很大的衰落變化,對通信質量產生非常不利的影響。

短波通信試驗中,涉及地域廣、試驗次數多、經費消耗大,采用仿真技術是有效的解決途徑。在評估短波數字通信系統時,為了探測通信鏈路以及通信網絡質量的好壞,一種是實驗測試,一種是信道模擬[1]。實驗測試是在實際的電離層鏈路上進行的,實現起來非常困難,而且對信道條件難以控制。而信道模擬仿真方法則是通過對信道特性進行理論分析,建立信道模型。利用信道仿真可以控制、改變信道參數,進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為進行線路設計而假設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,表示無線電波進入電離層信道后,在傳輸中的能量損耗。若把天線增益也歸入到“損耗”中去,則稱為“系統損耗”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

系統由4大部分組成,劇情數據的接收模塊、規劃數據的接收模塊、數據庫模塊、信噪比的讀取及發送模塊。

其中劇情數據的接收模塊、規劃數據的接收模塊、信噪比的讀取及發送模塊由VC編寫,信道模型的計算模塊由Fortran編寫,數據庫模塊包括電離層干擾產生、太陽黑子數和短波信道傳播預測的數據,由Access數據庫及標準的關系數據庫操作語言完成。系統的總體流程圖如圖2所示,下面對流程圖中各模塊功能進行分析。

圖2 系統的總體流程圖

2.1 劇情數據和規劃數據的接收模塊

圖中的劇情數據包提供參加通信的各個位置的地理信息,如經緯度等;規劃數據包提供參加通信的各個通信裝備的具體指標,如電臺功率、天線高度等。劇情數據的接收模塊和規劃數據的接收模塊是接收各計算參數,并把收到的數據傳入信道模型的計算模塊處理。在接收數據時,通過VC編寫一個定時器周期性檢查端口收發實時狀態,以保證整個程序可以不停的接收外界數據包,且不存在數據的丟失和錯亂問題。

2.2 信道模型的計算模塊

信道模型的計算模塊是由Fortran編寫的,利用了Fortran程序的科學計算精確度高,運算速率快等特點實時處理上層數據,而且此部分是整個模型建立的核心部分,當接收到相應的參數后使用模型算法實時處理,運算結果存入數據庫。

可通率是指通信線路的接收端的信噪功率比γo高于某個可以接收的最小信噪比 γomin的時間百分比[3]。在線路設計時,可通率是重要的指標,因此計算出接收端的信噪功率比γo非常關鍵[4]。

假設SNr是接收機信噪比,Pr是接收端的接收信號功率,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是額外系統損耗。Yp不同時刻的估算值如表1所示。

表1 額外系統損耗的估算值表

中緯度地區,Yp大約在15～18 dB。

噪聲功率計算：大氣噪聲用CCIR第322報告所提供的世界大氣無線電噪聲資料來估算。這一套資料把一天分成6個時段,而把一季里同一時段內的360個小時組成1個時區,全年共有24個時區。大氣噪聲資料為每1時區提供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Fa來表示大氣噪聲的數值[3]。

由3張算圖求得Fa后,應利用下式折算成噪聲功率

最后得：SNr=Pr-Pn。

2.3 數據庫模塊

在整個的模型計算過程中,數據讀取和存入都和數據庫有著緊密的聯系,數據庫部分起到了數據的保存和數據的共享作用。而且,數據庫存儲了信道計算所需的電離層干擾數據、太陽黑子數據等數據,提供模型計算使用。這樣即使得整個計算過程流程清晰化、處理數據實時化,還起到了分布式計算的作用。

2.4 信噪比的讀取及發送模塊

信噪比的讀取及發送模塊是利用VC編寫的,通過VC編寫一個定時器周期性的讀取數據庫中的數據,使計算的結果可以準確實時地發送給模擬臺位,以便整個網絡運行使用。

3 短波通信線路模型仿真實現

3.1 仿真場景設置

仿真場景如圖3,此場景包括規劃臺位1個、劇情臺位1個、信道模擬臺位1個以及通信模擬臺位5個。

圖3 實驗室仿真環境

各臺位之間通過UDP協議通信。信道模擬臺位接收規劃數據包和劇情數據包,解析其中的相關數據,進行計算,將計算結果信噪比以廣播的形式發送給各個通信模擬臺位。各個模擬臺位通過接收到與自己相關的信噪比來判斷是否可以進行通信[5](假定此次仿真中接收機靈敏度為-30 dB)。

3.2 試驗性能分析

為了驗證仿真的可行性,用如下數據進行測試,表2為輸入參數表,表中的經緯度和模擬臺號來自劇情數據包,頻率、功率和天線高度來自規劃數據包。參加組網的有5個模擬臺位,取出其中任意2個臺位進行計算,共有20種排列的方式,通過這20個計算結果判斷是否可以正常通信。表3為輸出結果對比表。

表2 輸入參數表

表3 輸出信噪比對比表 (單位：dB)

其中,表 3 中表頭的 1、2、3、4、5 代表模擬臺位號;表中的數據是信噪比,單位是dB。通過對表3的數據分析,可得出如下結論：

①同樣的2個臺位,把它們分別當成發端和收端,所得到的信噪比完全不同,這是因為和收端的本地噪聲有關,與實際吻合;

②得出的信噪比,有的接近于0 dB,有的是負值,這說明本地噪聲很大,與實際情況基本相符。

從上面的數據分析,可以得出模型的仿真可以基本滿足需求。

4 結束語

利用VC與Fortran聯合編程的方法[6],對短波通信線路進行仿真,并對模型公式進行了簡化,完成了短波信道傳輸性能的仿真開發,在實現可操作性的同時保證了數值運算的可靠和簡潔高效,具有簡單易行、可移植性強等優點,并可嵌入到大型半實物網絡運行環境中。

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

[2]賈獻品,周安棟,楊路剛,等.基于VC和Matlab的短波電臺通信仿真設計[J].通信技術,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.現代短波通信[M].北京：國防工業出版社,2005.

[5]張傳浩,程健慶,陳利風.短波信道模型仿真實現及改進算法研究[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數值模擬軟件中的應用[J].計算機與通訊技術2010(3)：79-81.