第３１卷第１１期 四川兵工学报 ２０１０年１１月 【自动化技术】 无线信道电磁干扰仿真系统的设计与实现 霍景河，吴昊阳 （装甲兵工程学院信息工程系，北京１０００７２） 摘要：分析了电磁干扰模型，采用语音信号与干扰信号线性叠加的方法，设计了无线信道电磁干扰仿真系统。采 用基于ＡＲＭ１ １的嵌入式系统设计了仿真节点，利用Ｃ／Ｓ模式构建了一个仿真无线通信网络，并重点阐述了仿真 系统的软硬件实现方案。 关键词：电磁干扰；仿真系统；嵌入式系统 中图分类号：ＴＮ９７２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６—０７０７（２０１０）１１—００７６—０３ 目前，在无线通信及干扰仿真方面，主要是基于计算 ＝机软件仿真平台。采用软件仿真工具进行仿真，具有低成 本、灵活性好、容易实现等优点，但不能直观地反映实际的 通信状况，特别是对于模拟语音通信。本文设计了多个硬 件节点，构建一个无线通信电磁干扰仿真平台，对无线通 信中的电磁干扰进行仿真。该仿真系统能够模拟多种电 式中，为干扰频率。 阻塞式干扰模型为 ∑ （ （１） ．， ＝∑如 ） 式中 为干扰机干扰带宽。 （２） 磁干扰环境，能够为多种实际应用做仿真。 到达接收机的干扰信号总和，经接收天线频率选择后 １电磁干扰分析 １．１电磁干扰模型 进入接收机的干扰总功率超过了有用信号的功率，则有用 信号被干扰信号所压制。压制系数 为达到压制条件时 接收机输入端干扰功率与信号功率的最小比值。 ｒ 电磁干扰按频谱特性分类，可分为瞄准式干扰、半瞄 准式干扰、阻塞式干扰、扫频干扰，而每种干扰模式又有不 ＝ｉ，ＩＮ （３） 同的波形形成方式。干扰信号的样式多样，主要有单音干 扰、多音干扰、射频噪声干扰、脉冲干扰、噪声调制干扰、音 频杂音干扰等。实际干扰信号通常使用视频的正态噪声 对振荡器的载波调制产生。调制方式有噪声调幅、调频、 式中： 为接收机输入端的干扰功率；ｐ为接收机输入端的 信号功率。 １．２电磁干扰的仿真方法 电磁干扰的基本原理是干扰信号与被干扰信号的线 调相、调幅一调频等。 性叠加。无论是被干扰信号还是干扰信号的载波都只是 输送有用信号和噪声的工具，只有二者的载频的重合度较 高时，才能进行有效的干扰，但载频并不影响最终信号的 解调…。 干扰都是随着时间、频率、空间和地理位置的变化而 变化。所有干扰都可以表示为Ｊ；＝Ｊ（ｆ，ｄ，ｔ，ｚ），其中，为频 率，ｄ为距离，ｔ为时间，Ｚ为空间。 各个干扰源产生的干扰信号，经传播到达接收机后叠 电磁干扰仿真以差分原理为基础，将电磁场连续场域 加，得到一个总的干扰。这个总的干扰表现为一个功率随 频率、时间变化的函数。干扰信号只有在时间和频率同时 对准有用信号时，才能达到干扰效果。在应用中采用的干 扰模拟分为瞄准式干扰和阻塞式干扰。 瞄准式干扰模型为 内的问题转变为离散系统的问题，即用各离散点上的数值 来逼近连续场内的真实值。根据压制性电磁干扰原理分 析，无线语音通信受到的电磁干扰主要是在语音信号上叠 加了干扰信号，从而影响正常的通信。语音信号实时采样 后转化为数字信号，存人数据缓冲区，从ＲＡＭ中调出相应 的干扰信号数据，干扰信号数据选择依据：信噪比决定干 收稿日期：２０１０—０８—２１ 作者简介：霍景河（１９６５一），副教授，主要从事军事通信网研究。 霍景河，等：无线信道电磁干扰仿真系统的设计与实现 扰信号数据的大小，也就是幅度因子Ａ ；干扰信号样式决 定干扰信号数据种类，也就是干扰信号数组序号，多个干 扰源选用多个干扰数组。 ７７ 器将所有的电磁干扰环境信息和每个节点的工作参数信 息实时地显示在界面上。当几个仿真节点工作在同频道、 同种加密下时，这几个节点就组成了一个小的通信 网。在服务器的控制下，所有的节点可以同时组成几个小 的通信网。 ２硬件平台构建 ２．１仿真节点设计 仿真节点接受服务器传来的控制命令和参数信息，根 据干扰的类型信息，选择要叠加的干扰的类型，并综合自 单个仿真节点就是一个嵌入式系统，单个节点的设计 框图如图１所示，节点采用ＡＲＭ１１处理器￥３Ｃ６４１０， 身工作参数和干扰信息参数，计算信噪比，选择要叠加的 干扰信号的强度。将干扰和语音数据流叠加后送到声卡 ￥３Ｃ６４１０支持６６７ ＭＨｚ主频，外围资源丰富，功能强大，能 够满足复杂的语音处理功能。声卡采用ＷＭ９７１４芯片，处 播放，模拟实时语音通信。下面说明仿真节点之间的语音 通信过程：Ａ发话，Ａ节点采集语音，将模拟语音转化为数 字信号，将数字信号通过局域网转发到Ｂ节点，Ｂ节点处叠 加上相应的干扰数字信号，然后通过Ｂ节点声卡播放。 理器支持ＡＣ９７接口，通过ＡＣ９７接口控制声卡，进行语音 采集与播放。网卡芯片采用ＤＭ９０００，ＤＭ９０００是一款完 全集成的单芯片快速以太网ＭＡＣ控制器与一般处理接 口，一个１０／１００Ｍ自适应的ＰＨＹ和４Ｋ ＤＷＯＲＤ值的 ３ 软件设计 ＷｉｎＣＥ６．０是基于ＷＩＮ３２ ＡＰＩ重新开发、新型的信息 ＳＲＡＭ。ＤＭ９０００支持８位，ｌ６位和３２位接口访问内部存 储器，以支持不同的处理器。仿真节点采用ＷｉｎＣＥ６．０操 作系统，ＷｉｎＣＥ６．０可根据需求自行裁剪，具有模块化、结 构化和基于Ｗｉｎ３２应用程序接口和与处理器无关等特点。 设备的平台，大多数Ｗｉｎｄｏｗｓ下的ＡＰＩ函数都能直接使用， 因此基于ＷｉｎＣＥ６．０的软件开发简单方便。 软件设计中最重要的是网络传输的实现，语音数据的 采集和播放处理以及电磁干扰环境的产生。良好的仿真 节点和服务器之间的通信协议是仿真系统可靠工作的保 证，因此仿真节点和服务器之间必须要设计完备的握手 机制。 ３．１ 消息命令和语音数据的传输 语音数据和控制命令采用ＵＤＰ协议传输。ＵＤＰ是无 连接的传输协议，不能完全保证数据的可靠性传输，但能 图１仿真节点硬件框图 ２．２仿真平台构建 够向若干个目标发送数据，接收来自若干个源的数据。数 据的传输是用数据报，所以ＵＤＰ通常适用于由每次传输少 量数据或有实时需要的程序使用。在这种情况下，ＵＤＰ的 仿真平台采用Ｃ／Ｓ模式结构。服务器要求可靠性好， 处理能力强大，因此采用ＰＣ机作为服务器。一个仿真节 点就是一个客户端，多个仿真节点通过路由器和服务器相 低开销和多播（组播）能力，比ＴＣＰ更合适大量语音数据的 传输。因此就对语音数据采用ＵＤＰ／ＩＰ的多播方式来进行 传输。 ３．２语音数据的采集和播放处理 声音处理采用底层音频ＡＰＩ—ｗａｖｅｘ函数来实现音频 连，组成一个局域网，构成一个网络仿真平台，来模拟超短 波通信网络。网络拓扑结构如图２所示。 的采集和播放，底层音频服务中的回调机制使得数据的采 集与播放过程简单方便。 声音的采集和播放主要通过消息回调函数来实现，成 功调用某些音频函数后，会产生消息，将该消息发送到回 调函数，回调函数就可以继续其他工作。消息操作过程 为：录音时，调用ｗａｖｅＩｎＡｄｄ Ｂｕｒｒ（…）函数成功后，将缓冲 区数据填满后，设备驱动程序会发送一个ＷＩＭ—ＤＡＴＡ消息 到ｗａｖｅＩｎ Ｏｐｅｎ（…）函数中指明的回调函数，在回调函数 图２仿真系统网络拓扑图 中重新准备好缓冲区后，继续调用ｗａｖｅｌｎＡｄｄＢｕｆｅｒ（…）函 数录音，一直循环采集语音。播放时，调用 ｗａｖｅＯｕｔＷｒｉｔｅ（…）成功后，设备驱动程序会发送消息ＷＯＭ —服务器模拟各种实际通信场景，产生各种电磁干扰环 境，配置各个节点的工作参数以及干扰的类型和参数，将 模拟的电磁干扰环境信息发送到各个仿真节点，同时服务 ＤＯＮＥ，相应的回调函数会将数据内存释放，重新准备缓 ７８ 四川兵工学报 冲区，已备接收后续数据。这样，各音频数据块就在消息 Ｐｒｏｃ，ｔｈｉｓ，０，ＮＵＬＬ）；／／建立语音采集线程 机制的控制下，无需人为干涉地进行实时采集、处理和 ｍ—ｗｏｒｋｔｈｒｅａｄ＝ＣｒｅａｔｅＴｈｒｅａｄ（ＮＵＬＬ，０，Ｈｅａｒｔ—Ｂｅａｔ－ 播放。 ＴｈｒｅａｄＰｒｏｃ，ｔｈｉｓ，０，ＮＵＬＬ）；／／建立心跳线程 ３．３电磁干扰环境的产生 根据服务器设置的电磁干扰环境中的干扰类型，产生 ４结束语 干扰信号的离散数据。干扰信号数据的产生可以采用２种 方法： 构建了一个基于Ｃ／Ｓ结构的无线信道电磁干扰硬件 １）利用软件产生噪声数据。根据干扰信号的样式产 仿真系统。采用嵌入式系统来设计仿真节点及基于ＰＣ机 生数学模型，常用的干扰信号样式有正弦信号、锯齿波、高 的服务器。通过模拟超短波通信环境中的各类干扰源，将 斯噪声等。通过函数来产生随机噪声，具有灵活、占用 干扰信号叠加到语音信号上，来模拟干扰环境下的无线语 ＲＡＭ小、实时性好等优点。但要精确地模拟实际噪声，计 音通信。该仿真系统适用性广，只要针对不同的无线通信 算复杂度较高，对系统的处理能力要求较高。 的特点，对服务器和仿真节点进行配置，就可以用来模拟 ２）对不便于用函数表达的噪声类型，如杂音等，可以 各类实际无线通信。同时，该仿真系统还可以继续深入开 直接用声卡采集，噪声采样速率要和语音信号的采样速率 发，以满足更高的仿真需求。 保持一致。采样后保存为数组的形式，存储在ＲＡＭ里 备用。 参考文献： ３．４仿真节点软件设计 ［１］ 彭文成，张文．无线语音通信电磁干扰仿真研究［Ｊ］． 仿真节点启动工作后，创建２个ＵＤＰ套接字，一个为 计算机仿真，２０１０（１）：３３０—３３３． 命令套接字，一个为语音套接字，分别用来和服务器交互 ［２］ 郭黎利，孙治国．通信对抗技术［Ｍ］．哈尔滨：哈尔滨 命令数据包和语音数据包。启动录音和放音设备，建立语 工业大学出版社，２００４． 音采集线程，实时采集话音。同时还建立一个心跳进程， ［３］ 汤再江，王浩．无线通信及其干扰的建模与仿真研究 定时向服务器发送心跳信息，若服务器一段时间内没有收 ［Ｊ］．装甲兵工程学院学报，２００９（１）：６５—６９． 到心跳信息，则认为客户端下线。仿真节点软件框架： ［４］ 张勇，赵东宁．军事短波通信抗干扰性能仿真设计与 ｍｃｍｄｓｏｃｋ．Ｃｒｅａｔｅ（０，ＯｎＣｍｄＡｒｒｉｖｅ，ＯｎＣｍｄｌｄｌｅ， 实现［Ｊ］．系统仿真学报，２００３（１）：１７—２０． （ＤＷＯＲＤ）ｔｈｉｓ）；／／４４建命令套接字 ［５］ 董海．不规则地形的无线信道模型仿真及硬件实现 ｍ设计［Ｄ］．长沙：国防科技大学，２００９． —ｄａｔａｓｏｃｋ．Ｃｒｅａｔｅ（０，ＯｎＤａｔａＡｒｒｉｖｅ，ＯｎＤａｔａＩｄｌｅ， （ＤＷＯＲＤ）ｔｈｉｓ）；／／４４建语音套接字 ［６］ 刘海洋，王建新，高明．车栽无线电台通信训练仿真 ｅｒｒｅｃｏｒｄｅｒ＝ＳｔａｒｔＲｅｃｏｒｄｅｒ（）；／／启动录音设备 系统设计与实现［Ｊ］．企业技术开发，２００９（１）：１—３． ＿ｍ＿ｐｌａｙｅｒ＝ＳｔａｒｔＰｌａｙｅｒ（）；／／启动播放设备 ｍ＿ｗｏｒｋｔｈｒｅａｄ＝ＣｒｅａｔｅＴｈｒｅａｄ（ＮＵＬＬ，０，Ｗｏｒｋ—Ｔｈｒｅａｄ— （责任编辑陈松） （上接第４７页） 办法。 参考文献： ［１］ 胡跃明．非线性控制系统理论与应用［Ｍ］．北京：国 防工业出版社，２００２． ［２］ 郭燕．非线性参数化系统的鲁棒自适应控制［Ｊ］．重 庆工学院学报：自然科学版，２００８，２２（２）：８２—８７． ［３］ 赵汉元．飞行器再入动力学和制导［Ｍ］．长沙：国防 科技大学出版社，１９９７． ［４］ 刘石泉．弹道导弹突防技术导论［Ｍ］．北京：中国宇 航出版社，２００３． 图２攻角一时间曲线 由此可见，本文所设计的速度方向的时变制导律是满 （责任编辑刘舸） 足机动弹道速度方向控制需求的，是一种非常有效的
