基于VC与Fortran的短波传输性能仿真

金善来,王永斌,刘宏波

(海军工程大学,湖北武汉430033)

0 引言

短波信道是短波通信系统的重要组成部分。信道的好坏直接影响着通信的质量。而在短波信道中传输的电波直接受到周围环境的影响,到达接收端时会发生很大的衰落变化,对通信质量产生非常不利的影响。

短波通信试验中,涉及地域广、试验次数多、经费消耗大,采用仿真技术是有效的解决途径。在评估短波数字通信系统时,为了探测通信链路以及通信网络质量的好坏,一种是实验测试,一种是信道模拟[1]。实验测试是在实际的电离层链路上进行的,实现起来非常困难,而且对信道条件难以控制。而信道模拟仿真方法则是通过对信道特性进行理论分析,建立信道模型。利用信道仿真可以控制、改变信道参数,进而了解在不同信道条件下的信道性能。

1 短波通信线路模型

建立一条具体的通信线路,可以有各种不同的方案,图1为进行线路设计而假设的短波电离层反射信道模型[3]。

图1 短波电离层反射信道的模型

图中信道基本传播损耗Lp,表示无线电波进入电离层信道后,在传输中的能量损耗。若把天线增益也归入到“损耗”中去,则称为“系统损耗”Ls,P′n表示侵入短波信道的各种外部噪声功率。显然,若用 Pt表示发射功率,Pr表示接收功率,则：

2 短波通信线路模型仿真方案

系统由4大部分组成,剧情数据的接收模块、规划数据的接收模块、数据库模块、信噪比的读取及发送模块。

其中剧情数据的接收模块、规划数据的接收模块、信噪比的读取及发送模块由VC编写,信道模型的计算模块由Fortran编写,数据库模块包括电离层干扰产生、太阳黑子数和短波信道传播预测的数据,由Access数据库及标准的关系数据库操作语言完成。系统的总体流程图如图2所示,下面对流程图中各模块功能进行分析。

图2 系统的总体流程图

2.1 剧情数据和规划数据的接收模块

图中的剧情数据包提供参加通信的各个位置的地理信息,如经纬度等;规划数据包提供参加通信的各个通信装备的具体指标,如电台功率、天线高度等。剧情数据的接收模块和规划数据的接收模块是接收各计算参数,并把收到的数据传入信道模型的计算模块处理。在接收数据时,通过VC编写一个定时器周期性检查端口收发实时状态,以保证整个程序可以不停的接收外界数据包,且不存在数据的丢失和错乱问题。

2.2 信道模型的计算模块

信道模型的计算模块是由Fortran编写的,利用了Fortran程序的科学计算精确度高,运算速率快等特点实时处理上层数据,而且此部分是整个模型建立的核心部分,当接收到相应的参数后使用模型算法实时处理,运算结果存入数据库。

可通率是指通信线路的接收端的信噪功率比γo高于某个可以接收的最小信噪比 γomin的时间百分比[3]。在线路设计时,可通率是重要的指标,因此计算出接收端的信噪功率比γo非常关键[4]。

假设SNr是接收机信噪比,Pr是接收端的接收信号功率,Pn是噪声功率

式中,Lp0是自由空间传播损耗;La是电离层吸收损耗;Lg是多跳地面反射损耗;Yp是额外系统损耗。Yp不同时刻的估算值如表1所示。

表1 额外系统损耗的估算值表

中纬度地区,Yp大约在15～18 dB。

噪声功率计算：大气噪声用CCIR第322报告所提供的世界大气无线电噪声资料来估算。这一套资料把一天分成6个时段,而把一季里同一时段内的360个小时组成1个时区,全年共有24个时区。大气噪声资料为每1时区提供3张算图,所以一套完整的大气噪声资料含有72张算图。在算图中用有效天线噪声系数Fa来表示大气噪声的数值[3]。

由3张算图求得Fa后,应利用下式折算成噪声功率

最后得：SNr=Pr-Pn。

2.3 数据库模块

在整个的模型计算过程中,数据读取和存入都和数据库有着紧密的联系,数据库部分起到了数据的保存和数据的共享作用。而且,数据库存储了信道计算所需的电离层干扰数据、太阳黑子数据等数据,提供模型计算使用。这样即使得整个计算过程流程清晰化、处理数据实时化,还起到了分布式计算的作用。

2.4 信噪比的读取及发送模块

信噪比的读取及发送模块是利用VC编写的,通过VC编写一个定时器周期性的读取数据库中的数据,使计算的结果可以准确实时地发送给模拟台位,以便整个网络运行使用。

3 短波通信线路模型仿真实现

3.1 仿真场景设置

仿真场景如图3,此场景包括规划台位1个、剧情台位1个、信道模拟台位1个以及通信模拟台位5个。

图3 实验室仿真环境

各台位之间通过UDP协议通信。信道模拟台位接收规划数据包和剧情数据包,解析其中的相关数据,进行计算,将计算结果信噪比以广播的形式发送给各个通信模拟台位。各个模拟台位通过接收到与自己相关的信噪比来判断是否可以进行通信[5](假定此次仿真中接收机灵敏度为-30 dB)。

3.2 试验性能分析

为了验证仿真的可行性,用如下数据进行测试,表2为输入参数表,表中的经纬度和模拟台号来自剧情数据包,频率、功率和天线高度来自规划数据包。参加组网的有5个模拟台位,取出其中任意2个台位进行计算,共有20种排列的方式,通过这20个计算结果判断是否可以正常通信。表3为输出结果对比表。

表2 输入参数表

表3 输出信噪比对比表 (单位：dB)

其中,表 3 中表头的 1、2、3、4、5 代表模拟台位号;表中的数据是信噪比,单位是dB。通过对表3的数据分析,可得出如下结论：

①同样的2个台位,把它们分别当成发端和收端,所得到的信噪比完全不同,这是因为和收端的本地噪声有关,与实际吻合;

②得出的信噪比,有的接近于0 dB,有的是负值,这说明本地噪声很大,与实际情况基本相符。

从上面的数据分析,可以得出模型的仿真可以基本满足需求。

4 结束语

利用VC与Fortran联合编程的方法[6],对短波通信线路进行仿真,并对模型公式进行了简化,完成了短波信道传输性能的仿真开发,在实现可操作性的同时保证了数值运算的可靠和简洁高效,具有简单易行、可移植性强等优点,并可嵌入到大型半实物网络运行环境中。

[1]韩志学,毕文斌,张兴周.基于Watterson模型的短波信道实时软件模拟[J].微电子学与计算机,2007(5)：33-36.

[2]贾献品,周安栋,杨路刚,等.基于VC和Matlab的短波电台通信仿真设计[J].通信技术,2010(1)：51-53.

[3]沈琪琪,朱德生.短波通信[M].西安：西安电子科技出版社,2001.

[4]胡中豫.现代短波通信[M].北京：国防工业出版社,2005.

[5]张传浩,程健庆,陈利风.短波信道模型仿真实现及改进算法研究[J].指挥控制与仿真,2009(6)：77-78.

[6]胡亚鹏,朱东华,郭小宾,等.VC++和FORTR AN混合编程在阵列感应数值模拟软件中的应用[J].计算机与通讯技术2010(3)：79-81.