分布式系統(tǒng)實(shí)時信號級仿真實(shí)現(xiàn)方法*

邱 嵐，胡 莉

（1.江西科技學(xué)院信息工程學(xué)院，南昌 330098；2.河北師范大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，石家莊 050024）

0 引言

仿真技術(shù)是以相似原理、系統(tǒng)技術(shù)、信息技術(shù)以及仿真應(yīng)用領(lǐng)域的有關(guān)專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計算機(jī)系統(tǒng)、與應(yīng)用有關(guān)的物理效應(yīng)設(shè)備以及仿真器為工具，利用模型對實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行研究的一門多科學(xué)綜合性技術(shù)[1]。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的高速發(fā)展，仿真技術(shù)也得到了長足進(jìn)步，在軍用和民用領(lǐng)域中的應(yīng)用更是不斷向深度和廣度拓展。對于仿真系統(tǒng)的要求也越來越高，目前，就軍用仿真系統(tǒng)而言，主要分為功能級仿真系統(tǒng)和信號級仿真系統(tǒng)[2]。功能級仿真系統(tǒng)主要是檢測該系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，對于系統(tǒng)中細(xì)節(jié)部分關(guān)注較少。優(yōu)點(diǎn)在于仿真速度快；而缺點(diǎn)在于仿真精度低。信號級仿真系統(tǒng)更接近真實(shí)系統(tǒng)，主要用于對系統(tǒng)中應(yīng)用的相關(guān)算法、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)功能進(jìn)行研究。優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)反映清晰、仿真精度高；而缺點(diǎn)在于計算量大，運(yùn)行速度慢。

目前，國內(nèi)對于解決分布式系統(tǒng)的實(shí)時信號處理問題主要集中于硬件提升以及算法上，傳統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)時處理機(jī)制多是利用構(gòu)建系統(tǒng)模型，犧牲空間來彌補(bǔ)時間上的不足，這樣的仿真系統(tǒng)過于繁瑣，應(yīng)用受限。現(xiàn)代軍用仿真系統(tǒng)主要應(yīng)用于戰(zhàn)場環(huán)境、電子對抗等方面，用來對戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法、武器系統(tǒng)研制以及各項(xiàng)處理算法進(jìn)行研究。根據(jù)以上特點(diǎn)，系統(tǒng)必須具備運(yùn)行速度快、逼真度高等條件。所以研究一種實(shí)現(xiàn)實(shí)時性、信號級仿真系統(tǒng)的方法十分必要。目前，制約信號級仿真的最大障礙就是系統(tǒng)的運(yùn)行速度，文獻(xiàn)[3]中利用并行計算模式構(gòu)造了相控陣?yán)走_(dá)仿真系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)運(yùn)行速度，其實(shí)質(zhì)在于利用大量的計算機(jī)資源換取計算速度，但計算量卻沒有降低。

本文結(jié)合透明計算實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，提出一種實(shí)時信號級仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。該方法主要是根據(jù)透明計算概念中，軟、硬件分離的思想，改變仿真系統(tǒng)中信號發(fā)射端和接收端的結(jié)構(gòu)，將信號的特征值代替信號采樣數(shù)據(jù)作為各節(jié)點(diǎn)間傳輸信息，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大大減小，從而最終使系統(tǒng)達(dá)到實(shí)時仿真。

1 原理介紹

文獻(xiàn)[4]中是這樣描述透明計算的：透明計算模式由服務(wù)器以及終端機(jī)組成，用戶通過網(wǎng)絡(luò)，向服務(wù)器提出要求，服務(wù)器根據(jù)要求，下發(fā)指令至各用戶，由各用戶所持有的終端產(chǎn)生用戶所需要的資源。這種計算模式使得用戶能夠根據(jù)自己的興趣和需要去選擇資源，減少了資源浪費(fèi)；同時服務(wù)器只用于儲存，不從事應(yīng)用計算，提高了用戶響應(yīng)速度。這種模式也可理解為遠(yuǎn)端提供指令；本地提供硬件，根據(jù)用戶所需，獲取遠(yuǎn)端技術(shù)指令，并在本地生成對應(yīng)數(shù)據(jù)。這種方式的好處在于遠(yuǎn)端無需提供用戶所需全部數(shù)據(jù)，通過指令指導(dǎo)用戶本地硬件產(chǎn)生對應(yīng)數(shù)據(jù)，大大減少傳輸數(shù)據(jù)量，縮短響應(yīng)時間。

在仿真領(lǐng)域定義3種時間：自然時間、機(jī)器時間和仿真時間[5]。自然時間為客觀世界的現(xiàn)實(shí)時間；仿真時間為仿真系統(tǒng)產(chǎn)生的仿真世界的時間。只有當(dāng)自然時間等于仿真時間時，才能認(rèn)為該仿真具有實(shí)時性。通常，在實(shí)時性要求很高的軍事仿真領(lǐng)域，相鄰的兩次仿真時間間隔不應(yīng)超過1/60 s，否則仿真人員往往在下達(dá)指令后無法立刻得到系統(tǒng)響應(yīng)，產(chǎn)生延遲的感覺[6-7]。

信號級系統(tǒng)仿真時，大數(shù)據(jù)量的傳輸導(dǎo)致了整個系統(tǒng)的計算、響應(yīng)速度變慢，無法適應(yīng)現(xiàn)代軍用仿真的要求。信號經(jīng)采樣后，每秒傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為幾兆至幾十兆不等，而對于一些信號源數(shù)目較多的系統(tǒng)，比如雷達(dá)組網(wǎng)仿真、雷達(dá)偵察仿真等系統(tǒng)，在進(jìn)行仿真時，在傳輸線上每秒所需要傳遞的數(shù)據(jù)量就會達(dá)到幾百兆甚至更大，所以降低傳遞的數(shù)據(jù)量是改善系統(tǒng)運(yùn)行速度的關(guān)鍵。

根據(jù)透明計算的模式結(jié)構(gòu)，將仿真系統(tǒng)的信號發(fā)射端和接收端類比于服務(wù)器和終端機(jī)，服務(wù)器將對終端機(jī)用戶的需求提供技術(shù)指導(dǎo)，最終用戶的需求通過技術(shù)指導(dǎo)，在本地生成所需資源，這樣直接減少了數(shù)據(jù)傳遞量，并且也能完成用戶所需。同樣的，仿真系統(tǒng)也能通過此方法減少數(shù)據(jù)量，信號發(fā)射端提供產(chǎn)生發(fā)射信號所需的足夠特征值，將特征值數(shù)據(jù)傳遞給信號的接收端，接收端利用信號特征值信息，在接收端產(chǎn)生信號，直接進(jìn)行處理。這樣系統(tǒng)傳輸?shù)牟辉偈谴罅康男盘柌蓸雍蟮臄?shù)據(jù)，取而代之的則是信號特征值數(shù)據(jù)。很明顯，系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)間傳遞的數(shù)據(jù)量大幅減少。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 發(fā)射、接收端結(jié)構(gòu)

圖1重新規(guī)定了仿真系統(tǒng)中的信號發(fā)射、接收端結(jié)構(gòu)。按照透明計算的軟硬件分離的思想[9-10]，將產(chǎn)生信號的硬件結(jié)構(gòu)安置于信號的接收端，這樣信號發(fā)射端產(chǎn)生的只是所要產(chǎn)生信號的特征值，接收端利用特征值在本地信號復(fù)原模塊上進(jìn)行信號復(fù)原，并得到信號數(shù)據(jù)，進(jìn)一步處理。

該原理也可理解為系統(tǒng)任務(wù)分割并重新組合的一類決策問題[8]。將系統(tǒng)的每一節(jié)點(diǎn)所需完成的任務(wù)進(jìn)行分割，例如信號發(fā)射端，產(chǎn)生發(fā)射信號的任務(wù)可以進(jìn)行再分割，可分為信號特征值提取和信號復(fù)原兩部分。若進(jìn)行這樣的分割還是無法達(dá)到預(yù)期效果，則可以進(jìn)一步細(xì)化。細(xì)化后的節(jié)點(diǎn)拓?fù)鋱D按照所需要求進(jìn)行重組，得到最優(yōu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。重組前后拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2（a）中，將系統(tǒng)任務(wù)分為3部分，并將任務(wù)1，2，3賦予系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)。任務(wù)1為信號產(chǎn)生；任務(wù)2為信號接收；任務(wù)3為信號處理。圖2（b）中，任務(wù)1被重新劃分，分為新的任務(wù)1，任務(wù)4和任務(wù)5。任務(wù)1為信號產(chǎn)生，任務(wù)4為信號特征值提取，任務(wù)5為信號復(fù)原。將信號復(fù)原硬件安裝在信號接收硬件部分，也就是說，信號復(fù)原和信號接收的硬件部分在同一臺PC機(jī)上，且信號特征值在系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)間的傳遞可視為實(shí)時傳遞，所以信號產(chǎn)生和傳遞便不存在時間延遲等問題。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

該實(shí)時信號級系統(tǒng)仿真方法已經(jīng)應(yīng)用于雷達(dá)偵察分布式系統(tǒng)中[11-13]。雷達(dá)偵察仿真系統(tǒng)，主要分為3個部分，分別為導(dǎo)演控制臺、雷達(dá)信號產(chǎn)生子系統(tǒng)和雷達(dá)信號接收機(jī)子系統(tǒng)。兩個子系統(tǒng)分別用不同的PC機(jī)實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)通過傳輸線傳輸。雷達(dá)信號產(chǎn)生子系統(tǒng)中，包括火控、警戒等9部雷達(dá)仿真模塊，采樣率為1 M/s，9部雷達(dá)仿真模塊同時產(chǎn)生仿真信號，則雷達(dá)信號產(chǎn)生子系統(tǒng)每秒產(chǎn)生的采樣后的數(shù)據(jù)量為9 M，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候就會產(chǎn)生數(shù)據(jù)冗余，傳輸速度變慢，導(dǎo)致響應(yīng)無法實(shí)時產(chǎn)生回應(yīng)，失去了仿真的意義。應(yīng)用本文提出的方法，解決了此問題，使得分布式雷達(dá)偵察仿真系統(tǒng)成為真正意義上的實(shí)時信號級仿真系統(tǒng)。各子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳遞的示意圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)傳遞示意圖

當(dāng)仿真開始后，雷達(dá)信號發(fā)射系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)想定，從導(dǎo)演控制臺處接受指令，產(chǎn)生相應(yīng)類型信號，并通過局域網(wǎng)向雷達(dá)偵察子系統(tǒng)傳遞信號數(shù)據(jù)[14]。根據(jù)不同的需求，發(fā)射系統(tǒng)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量的大小就會產(chǎn)生差別[15]。數(shù)據(jù)量大時，勢必會產(chǎn)生傳輸速度慢、系統(tǒng)不能及時響應(yīng)等問題。所以根據(jù)本文方法，將傳遞的數(shù)據(jù)量轉(zhuǎn)換為足夠多的特征值進(jìn)行傳遞以解決該問題。

2.1 數(shù)據(jù)傳輸耗時對比實(shí)驗(yàn)

假設(shè)，本次實(shí)驗(yàn)的源信號為9部雷達(dá)同時產(chǎn)生的，信號類型為線性調(diào)頻、偽碼調(diào)相以及Barker編碼。利用SystemVue軟件產(chǎn)生以上幾類信號，具體參數(shù)見下頁表1。

通過改變3種類型信號的脈沖重復(fù)周期實(shí)現(xiàn)9個雷達(dá)信號。信號產(chǎn)生后，SystemVue軟件能夠形成雷達(dá)信號數(shù)據(jù)，又由于本次實(shí)驗(yàn)是在信號級下進(jìn)行仿真，采樣點(diǎn)數(shù)達(dá)到了1 M，而每個點(diǎn)就是雷達(dá)信號時域的幅度值，換算成比特，每個雷達(dá)信號每次采樣就會產(chǎn)生8 Mb的數(shù)據(jù)量，9個雷達(dá)信號大約就會產(chǎn)生72 Mb以上的數(shù)據(jù)量，傳輸時必然會產(chǎn)生時延。將數(shù)據(jù)打包，最終需要傳遞的數(shù)據(jù)量為85 032 kb，利用傳輸軟件，在局域網(wǎng)中將100次實(shí)驗(yàn)得到的雷達(dá)信號數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，傳輸時間如下頁圖4所示。

實(shí)驗(yàn)中，平均傳輸速率為11.3 Mb/s。通過計算得到100次實(shí)驗(yàn)平均耗時為7.373 6 s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了仿真預(yù)期耗時，無法達(dá)到實(shí)時性系統(tǒng)的要求。按照本文提出的方法改變仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，子系統(tǒng)間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)由雷達(dá)信號采樣數(shù)據(jù)變?yōu)槔走_(dá)信號特征值數(shù)據(jù)，包括信號類型編碼、脈沖重復(fù)周期、脈沖寬度、特征值和采樣率。經(jīng)過打包后，數(shù)據(jù)量為3.652 kb。單從數(shù)據(jù)量上就能看出本文使用的方法能夠很好地減少傳輸數(shù)據(jù)量。同樣按照上述實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到的結(jié)果如圖5所示。

表1 雷達(dá)信號參數(shù)

圖4 雷達(dá)信號數(shù)據(jù)傳輸耗時圖

實(shí)驗(yàn)中，平均傳輸速率為219 kb/s，平均耗時0.173 6 s，達(dá)到了實(shí)時性條件。對比圖4和圖5，很清楚地看到，系統(tǒng)間傳輸特征值數(shù)據(jù)所耗時間遠(yuǎn)小于雷達(dá)信號數(shù)據(jù)傳輸耗時。說明本文提出的方法減少了系統(tǒng)間傳遞的數(shù)據(jù)量，大大減小數(shù)據(jù)傳輸時間。

圖5 特征值數(shù)據(jù)傳輸耗時圖

2.2 接收端復(fù)原信號對比實(shí)驗(yàn)

將實(shí)際的信號接收端復(fù)原的雷達(dá)信號時域波形與雷達(dá)信號發(fā)射端產(chǎn)生的信號進(jìn)行對比，目的是為了驗(yàn)證本文提出的方法能夠保證復(fù)原信號不失真。利用均方根誤差來表示信號之間的差異，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 復(fù)原信號與源信號對比圖

從圖6可以看出，經(jīng)過復(fù)原的信號與源信號相差無幾，并使系統(tǒng)按照圖3的兩種信號傳輸方式進(jìn)行仿真，最終得到的雷達(dá)信號的脈沖描述字相同，說明了該方法不會影響整個系統(tǒng)的仿真結(jié)果。

3 結(jié)論

本文根據(jù)透明計算的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，提出一種實(shí)時信號級仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。將仿真系統(tǒng)中信號產(chǎn)生的硬件部分轉(zhuǎn)移至信號接收端，利用所需產(chǎn)生信號的特征值來指導(dǎo)硬件在信號接收端產(chǎn)生所需信號。該方法減少了系統(tǒng)間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，縮短傳輸時間，并達(dá)到與原系統(tǒng)相同的仿真效果，說明了該方法能夠有效實(shí)現(xiàn)實(shí)時信號級仿真，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價值。