0 引 言
        为了适应我国现代信息化的需要，充分发挥信息技术的主导作用，最大限度的配置和使用好数字化设备，目前急需实现对信息系统提供实验、验证和评估手段。无线通信实验室信道仿真器的建设，能够完成具有信息系统的多方面试验能力，包括指挥控制、通信网络、系统可用性等多个方面的功能与性能的综合试验。该系统还可以在实验室环境下进行外场相应的性能测试、评估移动通信终端的性能、对使用移动终端设备的操作人员进行培训，测试费用少，可重复性强，大大减少了人力物力的开销。
        在移动通信信道的仿真中，很多信道仿真器的设计都是基于点通信的模拟信道[1]或数字信道 [2-4]。而本文所设计的信道仿真器是基于集群通信的网通信数字信道，与一般的信道仿真器相比，除了都有的加性高斯白噪声、多径信道以外控制工程网版权所有，还具有交换路由的功能，可以验证通信网络的组网能力，人为再现一些外场实验中难以再现的连接状态。
        1 移动通信信道特点
        移动通信中无线信道的主要特征是多径传播。电波在传播的过程中会遇到各种各样的建筑物、树木、植被以及起伏的地形，会引起能量的吸收、穿透以及电波的反射、散射和绕射等[5]，同时移动台的运动使得信号产生多普勒频移。综上考虑，典型的无线信道可以表示成各条路径上都有瑞利衰落的多径信道[6]。由于无线信道非常复杂，不可能进行精确的理论分析，在实际应用中，往往采用理论分析与实验相结合的方法，针对不同的环境有相应的路径损耗模型[7]。
        误码率是衡量数字通信系统在正常情况下，传输消息可靠程度的重要性指标[8]。在接收端无线数字信道对传输数据的影响体现在误码率的大小上。在仿真系统中可以将电台不同的通信机制等信息折算到接收机的误码率来进行仿真，验证仿真系统的组网特性。本文所设计的信道仿真器接收来自电台的码流，根据仿真场景(地形、气候、干扰)及电台提供的参数(发射功率、收发频率、位置、工作模式等)选择路径损耗模型从而计算出信道误码率(信道误码率计算在这里不作介绍)，再把接收到的码流加以误码处理后送往可能接收到该电台信息的电台。
        2 信道仿真器的硬件结构
        信道仿真器主要基于ARM和FPGA硬件结构实时模拟真实环境的通信信道，不但可以实现尽可能多的信道特性，并且可以方便今后的扩展，其硬件结构如图1所示。考虑到通信信道的特点以及实现的可行性，拟将32部电台构成一组临近放置，电台到信道仿真器单元之间以RS485连接。信道仿真器之间可通过扩展口进行连接通信。由于信道仿真器放置在不同的地方且距离较远，所以选择光纤连接。通过电台接口和信道仿真器的扩展口，各个节点之间可以建立逻辑连接。各节点之间是否连接以及连接的信号质量如何，可由中央仿真主控计算机灵活设定。

        图 1 信道仿真器硬件结构示意图

        信道仿真器中ARM采用三星S3C2410，主要完成信道仿真器的控制功能，如以太网通信、串口通信、控制FPGA动作等。FPGA负责接收电台的控制信息，然后将参数传到ARM处理，再根据ARM传来的误码控制字对源电台发送的数据进行误码处理后传到目的电台的接收端，模拟了源电台和目的电台之间经过信道衰减的过程。
        中央仿真主控计算机通过以太网与信道仿真器进行数据通信，从信道仿真器得到电台工作状态字，按电台的收发频段、通信位置、信道条件等参数计算出信道误码率，并将其转换为误码控制字，最后通过以太网发给信道仿真器。在中央仿真主控计算机上可以灵活设置信道参数及电台工作状态，能够满足多种测试环境的需要。
        电台可以工作在UHF、VHF、短波、超短波频段并且具有一发双收的功能。信道仿真器与电台之间的接口为RS485异步串行接口。该接口采用双线差分连接方式控制工程网版权所有，通信方式为全双工通信，通信速率是460.8Kbps，通信协议采用SLIP协议。
        3 信道仿真器的实现方案
        在信道仿真器的硬件平台基础上，通过软件的编程，可灵活设置不同环境不同频段的信道特性。信道仿真器是一个被动的系统并且受电台命令控制CONTROL ENGINEERING China版权所有，通过电台的参数为电台组网通信。其中电台之间是以广播网的形式传输数据，完成各种业务的功能。
        3.1信道仿真器的信道仿真
        本文所设计的信道仿真器可以完成多部电台的集群通信。其设计准则是：通信子网以频率划分www.cechina.cn，即同一频率的电台划分成一个子网，同一时刻可以组成很多个通信子网。在同一子网内的电台可以互相通信，其通信方式是广播方式，即同一时刻一个电台发送数据子网内的其他电台均可接收到数据。
        信道仿真器的信道可以分为物理信道和逻辑信道，如图2所示：

        图 2 信道分类

        物理信道：可以传输来自电台不同频段的语音或数据。
        逻辑信道：根据信道仿真器与电台传递的信息种类不同，逻辑信道可分为两类：控制信道：用于传递电台的控制命令;业务信道：用于传递经编码和加密后的语音和数据。
        由于信道仿真器是一个被动系统，所以与电台间的控制信道命令传输是单向的，如图3所示(以4部信道仿真器为例)。电台开机时或状态改变时发送命令上报其工作状态字，经信道仿真器处理后通过以太网把信息传到中央仿真主控计算机上。最后中央仿真主控计算机汇总了所有工作电台的信息，并且根据电台的工作频率对电台进行子网分组。当电台发送业务时首先通过控制信道发送命令打开信道，待业务发送完毕后再发送命令关闭信道。

        图 3 信道仿真器控制信道示意图

        整个控制信道基于以太网通信，采用Socket网络编程。ARM上采用嵌入式Linux操作系统，软件流程图如图4所示(见下页)。

        图4 ARM上的软件流程图

        业务信道中数据传输是双向的。当同一子网内的电台通信时，源电台的数据通过信道仿真器传送到目的电台。中央仿真主控计算机根据电台的工作状态计算信道误码率，并下发信息到信道仿真器中。信道仿真器给传输的数据添加误码，实现信道特性的仿真。
        3.2 信道仿真器FPGA设计
        FPGA是实现信道仿真器模拟信道特性的关键。根据上述FPGA实现的功能及外部接口，FPGA采用的是Xilinx公司的Spartan-3E系列的XC3S1600E-FG320。根据信道仿真器实现的功能把FPGA划分为6个模块如图5所示，具体功能如下：

        图5 FPGA功能模块示意图

        (1)双口RAM模块：桥接ARM与FPGA的内部功能模块，ARM与FPGA的数据交换均通过访问存储器的方式来完成。
        (2)电台控制模块：检测485接口数据中电台控制信息的请求信号，并读取控制信息。
        (3)内部总线模块：将本地电台发送的数据信息和光接口传输的有效数据信息送到总线上。
        (4)误码产生模块：在电台收到数据信号前，对所连接的电台的发送数据信号进行误码处理，以模拟信道衰减的过程。
        (5)485接口模块：电台与FPGA的接口，接收电台发送的命令和数据，并把处理后的数据发送到能够接收的电台。
        (6)光接口数据模块：完成信道仿真器之间的通信功能。
        通过上述介绍可知，电台控制命令的流向：485接口模块-电台控制模块-双口RAM模块传到ARM上;电台数据的流向：485接口模块-内部总线模块-误码产生模块-485接口模块。
        4 信道仿真器实验测试结果
        目前信道测试环境是仿真平原场景，4台信道仿真器分别放在实验室A、B里，A、B之间距离约为1.5km。A、B内分别放有相距15m 的2台信道仿真器，每部信道仿真器连接32部电台。信道仿真器之间通过光纤通信，其硬件连接示意图如图6所示。

        图6 信道仿真器间硬件连接示意图

        中央仿真主控计算机软件可以设置仿真场景，即通过设置误码率公式模拟不同的仿真环境，如图7所示。通过中央主控计算机设置电台运动轨迹，再结合电台的工作频率、起始位置、运动速度等参数实时地计算出电台间的通信距离，从而得出误码率以模拟实时信道的衰减。

        图7 信道仿真场景的设置

        实际测试表明，信道仿真器可实现UHF、VHF、短波、超短波不同频段信道的仿真CONTROL ENGINEERING China版权所有，最多可以设置128个通信子网。信道仿真器具有较高实时处理能力，信道时延小于5ms，误码率精度为0.001%。在无误码的情况下，信道的丢包率为0。通过信道仿真器模拟所得结果与实际测试的结果进行比较，对误码率计算公式进行修改校正，使之不断接近真实情况的信道。
        5 结 论
        本文所设计的信道仿真器可以模拟真实的无线信道，实现了电台之间的集群通信，并且验证通信网络的组网能力。通过实际测试表明，信道仿真器运行稳定，达到了各项指标和功能的要求。目前，信道仿真器已投入实验室使用。