CN102820936A - 一种分布式差分跳频通信测试系统 - Google Patents

Abstract

一种分布式差分跳频通信测试系统由硬件、软件两部分组成，硬件部分包括6台计算机和一台服务器，为软件功能成员提供硬件运行环境。软件部分包括：差分跳频信号产生功能成员、信号信道功能成员、差分跳频信号接收功能成员、差分环路效果演示成员、视景分析功能成员、系统控制管理成员。本系统可在一个局域网络上实现全数字化分布式差分跳频通信系统的测试过程，能够进行差分跳频信号产生的测试，建立可靠的、稳定的、可扩展的差分跳频通信测试系统，实现对差分跳频信号发射机、信号信道、差分跳频信号接收机进行测试的分布式差分跳频通信测试系统。

Description

一种分布式差分跳频通信测试系统

技术领域

本发明属于电学技术领域，特别涉及到电通信技术专业的一种分布式差分跳频通信测试系统。 

背景技术

短波差分跳频通信具有高跳速和高数据率、抗干扰能力强等优点，在短波通信领域得到了广泛的应用。现有的短波差分跳频系统大都是对单纯的终端，如短波差分跳频信号产生、短波差分跳频信号接收等进行功能测试，并没有从状态同步、时间同步角度进行其系统的控制及管理，因此处理过程的正确性和时效性无法达到测试要求。 

发明内容

本发明的目的是提供一种分布式差分跳频通信测试系统，本系统是具有真实测试能力的通信系统，建立可靠的、稳定的、可扩展的差分跳频通信测试系统，实现对差分跳频信号发射机、信号信道、差分跳频信号接收机进行测试的分布式差分跳频通信测试系统。 

采用的技术方案是： 

一种分布式差分跳频通信测试系统由硬件、软件两部分组成，硬件部分包括6台计算机和一台服务器，为软件功能成员提供硬件运行环境。软件部分包括：差分跳频信号产生功能成员、信号信道功能成员、差分跳频信号接收功能成员、差分环路效果演示成员、视景分析功能成员和系统控制管理成员。 

所述的差分跳频信号产生功能成员 

差分跳频信号产生成员的功能为：根据传输信息数据、上一跳差分跳频信号频率控制字和G函数规则产生当前跳的跳频频率控制字，由数字频率合成器产生频率控制字对应频率的数字差分跳频信号，最后通过D/A转换模块变为模拟差分跳频信号。根据差分跳频信号产生模块的功能，设计差分跳频信号产生模块的整体结构。所述的差分跳频信号产生模块为差分跳频信号产生成员的硬件。 

差分跳频信号产生模块包括5个子模块，分别为：G函数运算子模块、DCM子模块、差分跳频信号产生逻辑控制子模块、数字频率合成子模块和D/A转换 子模块。下面分别对各子模块进行说明。 

G函数运算子模块根据输入传输信息数据、上一跳差分跳频信号频率控制字和G函数规则产生当前跳的跳频频率控制字，用于产生当前跳的差分跳频信号。 

差分跳频信号产生逻辑控制子模块根据G函数运算子模块产生的跳频频率控制字，产生对应的控制参数，对数字频率合成子模块进行配置，并读取数字频率合成子模块生成的数字差分跳频信号，将其发送至D/A转换子模块。 

数字频率合成子模块包括多个数字频率合成器，根据差分跳频信号产生逻辑控制子模块提供的频率控制字及对应控制参数，调用数字频率合成器产生数字差分跳频信号。 

D/A转换子模块将数字差分跳频信号变为模拟差分跳频信号进行发送。 

DCM子模块负责为其他各模块提供稳定的时钟驱动。 

所述的信号信道功能成员 

短波通信信号可由天波信道和地波信道分别进行传播。短波通信信号经天波信道传播，其优点是传输损耗小，利用较小的功率可进行远程通讯。短波通信信号在天波信道传播路径中的基本传输损耗包括自由空间传输损耗、地面反射损耗、电离层吸收损耗、额外系统损耗。 

所述的差分跳频信号接收功能成员 

对经信道处理后的差分跳频信号进行基于差分环路的频点检测、基于逐符号或序列检测的G^-1函数传输信息提取，实现差分跳频通信的信号接收过程，并为验证差分环路接收功能成员功能实现的有效性和正确性提供测试和接收结果的验证功能。 

所述的差分环路效果演示成员 

差分环路效果演示功能成员将差分跳频信号产生功能成员传输的数据信息和差分跳频接收功能成员解算的频率序列和数据信息进行对比，验证差分环路接收性能的有效性和正确性。 

所述的视景分析功能成员 

视景分析功能成员主要提供差分跳频信号产生功能成员、差分跳频接收功能成员和传输信道的位置、距离和传输路径等信息，为差分环路跳频通信系统提供直观的分析应用环境。 

所述的系统控制管理成员 

系统控制管理成员负责整个联邦的运行，发送控制指令并完成状态交互。系统控制管理成员是整个系统联邦的重要成员之一，它管理整个联邦的运行，包括创建联邦、撤销联邦、开始测试、暂停测试、继续测试以及显示测试时间等功能。在联邦中，除了控制成员之外，其它各个联邦成员与系统控制管理成员都有联系，当他们加入联邦后，只有控制成员发出启动命令，各个功能成员才能运行。 

系统控制初始化后，首先创建联邦，然后设置时间管理策略、时间推进机制和公布/订购关系，等到其它各功能成员都加入到联邦后，开始执行控制交互，各成员开始测试。随着仿真时间的推进，接收订购的交互，并且可以通过界面调整相应成员的状态显示。 

基于HLA/RTI的差分跳频通信测试系统，其特征是基于时间控制及时间受限的分布式系统控制机制。 

系统控制管理成员管理整个测试联邦的运行，发送控制指令并完成状态交互。具体过程为：创建联邦、开始运行、停止运行、撤销联邦等。 

(1)联邦对象模型 

HLA的联邦对象模型的主要目的是提供联邦成员之间用公共的、标准化的格式进行数据交换的规范，它描述了在仿真运行过程中将参与联邦成员信息交换的对象类、对象类属性、交互类、交互类参数的特性。根据HLA规范规定，系统采用对象模型模板OMT来描述联邦和联邦中的每一个成员，以及联邦在运行过程中需要交换的各种数据和相关信息，其中主要包括对象类结构表、属性表、交互类结构表、参数表和枚举数据类型表。 

①交互类结构表 

交互类是指一个成员的对象产生的对其他成员产生影响的明确的动作的抽象。交互类的每一个对象叫做该交互类的实例。在基于HLA/RTI差分跳频通信测试系统中，抽象出的交互类如下： 

控制命令类(Sim_Controller)：该类实现了联邦成员的控制交互。成员运行状态类(Member_State)：该类实现了联邦成员状态交互。表1记录了系统的交互类。 

表1交互类结构表 

②交互类参数表 

参数表提供了关于联邦中所有交互类参数的信息。在基于HLA/RTI差分跳频通信测试系统中，抽象出的交互类参数如下： 

控制命令类：控制命令。成员运行状态类：成员号，成员状态。表2记录了系统的交互类的参数。 

表2交互类参数表 

(2)联邦执行的状态控制 

HLA提供的联邦执行状态管理服务，实现了联邦执行的创建、撤销以及联邦成员的加入、退出。但是，在基于HLA/RTI差分跳频通信测试系统中，还需要实现联邦执行的开始、暂停、继续、结束和退出等状态的控制，因此，直接利用HLA的联邦管理提供的服务无法实现。为了解决多状态控制问题，在控制端(即联邦控制成员)设置枚举类型变量，为每一个联邦状态设置一个枚举值，并利用HLA中交互类的公布机制，发布控制信息。而在受控端(即联邦成员)使用HLA中交互类的订购机制，获取控制信息，并结合多布尔变量控制技术，确定自身受控状态。多布尔变量控制技术是在受控端设置多个布尔变量，根据枚举控制信息，改变相应的布尔变量值，确定受控端自身的状态。状态控制枚举类型以及枚举值如表3所示。 

表3状态控制枚举类型 

受控端订购控制信息后，利用在主线程simulation.cpp中调用回调函数Member_State::addCallback(&exConn，Member_StateCallback，NULL)状态控制交互回调函数，设置相应的布尔变量的值。在受控端设置的多个布尔变量以及与枚举值的关系如表4所示。 

表4状态布尔变量表 

受控端获取枚举控制信息，并设置相应布尔变量值后，受控端系统主线程通过判断各布尔变量的值，确定自身的状态。 

(3)联邦时间管理机制 

在HLA中，联邦时间管理关注的是如何在联邦执行时控制时间的推进。联邦时间管理通过协调带时戳(联邦成员的测试时间)的消息传递，实现测试时间的推进。联邦的时间管理机制包括两方面内容：消息传递机制和时间推进机制。 

①联邦成员的消息传递机制 

消息在HLA系统设计上是一个非常重要的概念，RTI通过消息来协调整联邦的运行。HLA时间管理服务协调时间的方式就是通过相互发送消息进行的。在基于HLA/RTI差分跳频通信测试系统中，为保证差分跳频信号的实时通信，测试系统必须进行高速传输，系统对消息传递速度的要求高于对因果关系的要求，同时考虑到仿真系统中所有成员都是受限成员这一特点，确定该测试系统中所有成员的消息传递顺序都为接收顺序。 

②联邦成员的时间推进机制 

在基于HLA/RTI差分跳频通信测试系统中接收功能成员每次处理0.2ms的差分跳频信号数据，并对产生的差分信号进行频点检测以及序列检测，为了保证逻辑和时序的正确性，采用步进的时间推进机制。除此之外，步进的时间推进机制还可以将跳频信号数据分多步产生，每一步产生较短的数据。这样既缩短了差分跳频信号产生时间，又避免了其他功能成员因长时间等待而浪费系统资源。 

在RTI中，基于步长的联邦时间的推进过程包括三个步骤：首先，联邦成员调用一个时间管理服务TimeAdvanceRequest()请求逻辑时间推进。接着，如果满足时间推进条件，RTI向联邦成员分发当前时间在消息队列中满足发送条件的消息。最后，RTI通过调用联邦成员TimeAdvanceRequest()回调函数，表示该联邦成员的逻辑时间已经推进。 

(4)数据传输方式 

基于HLA/RTI差分跳频通信测试系统中设计传输的数据主要包括两类：一类是测试系统正常运行所必需的交互类，通常只含有一个或几个数值类型的数据，为小型数据。另一类主要是用于差分跳频信号产生及发送的信号数据，这类数据的量比较大。在选取差分跳频信号的时间片大小为0.2ms的情况下，每次产生并传输的跳频信号数据的大小都超过上万个浮点类型的数据所占的空间，为大型数据。 

基于HLA/RTI差分跳频通信测试系统供联邦成员之间数据传输的方式主要有两种：一种是基于HLA的公布与订购机制实现的数据传输；另一种是基于windows平台的套接字(socket)传输。 

针对跳频信号的传输数据类型，根据其特点，确定了它们的数据传输方式：对于交互类这种小型数据的传输，采用基于HLA的公布与订购的机制实现，减少网络通信量，节省处理器时间。对于差分跳频信号数据的传输，由于基于HLA/RTI差分跳频通信测试系统中差分跳频信号数据比较大，每一次传输的浮点数量都超过一万，而且为保证差分跳频信号数据传输的正确性，必须进行可靠传输。因此，采用基于TCP的数据传输方式实现差分跳频信号数据的传输。 

(5)集成并测试联邦 

对联邦中各个联邦成员而言，RTI对联邦每个功能成员的服务都是类似的，因此，可以开发一个通用的联邦主线程来完成，将RTI执行服务的基本过程封 装起来，实现各联邦成员的测试流程，这样能大大提高联邦的开发效率。系统中联邦主线程流程如图3所示。 

在图3中，各步骤的基本操作如下： 

STEP1：初始化成员数据。 

(1)创建RTIambassador对象rtiAmb 

(2)创建FederateAmbassador对象fedAmb 

(3)初始化成员的测试对象 

STEP2：调用rti.creatFederationExecution()创建联邦执行 

STEP3：加入联邦执行 

(1)调用rtiAmb.joinFederationExecution()加入联邦执行 

(2)若加入异常，则退出程序 

STEP4：声明公布/订购关系 

(1)调用RTI::AttributeHandleSetFactory::create()为每一对象类创建句柄集 

调用rtiAmb.getObjectClassHandle()获取对象类句柄值 

调用rtiAmb.getAttributeHandle()获取对象类属性句柄值 

(2)调用rtiAmb.publishObjectClass()公布对象类 

调用rtiAmb.subscribeObjectClassAttribute()订购对象类 

(3)调用rtiAmb.getInteractionClassHandle()获取交互类句柄值 

调用rtiAmb.gerParameterHandle()获取交互参数句柄值 

(4)调用rtiAmb.publishInteractinClass()公布交互类 

调用rtiAmb.subscribeInteractionClass()订购交互类 

STEP5：确定联邦成员的时间推进策略(默认情况下为既非“时间控制”也非“时间受限”) 

(1)调用rtiAmb.enableTimeConstrained()声明时间推进策略为时间受限(Constrained) 

(2)调用rtiAmb.enableTimeRegulation()声明时间推进策略为时间控制(Regulation) 

STEP6：调用rtiAmb.registerObjectInstance()注册对象实例 

STEP7：调用rtiAmb.timeAdvanceRequest()请求时间推进 

STEP8：推进(1)运行联邦成员的模型 

(2)更新对象实例属性值 

调用RTI::AttributeSetFactory::create()创建 

RTI::AttributeHandleValuePairSet 

调用rtiAmb.updateAttributeValues更新实例属性值 

(3)发送交互实例 

调用RTI::ParameterSetFactory::create()创建 

RTI::ParameterHandleValuePairSet 

调用rtiAmb.sendInteraction发送交互实例 

(4)根据需要创建/删除对象实例 

(5)根据需要转移/接收实例所有权 

(6)根据需要公布/取消公布、定购/取消订购对象类/交互类 

(7)根据需要改变联邦成员的时间推进策略 

STEP9：调用rtiAmb.resignFederationExecution()退出联邦执行 

STEP10：调用rtiAmb.destoryFederationExecution()撤销联邦执 

差分跳频通信联邦结构系统是一个由多个功能成员组成的系统。在测试过程中，各对象成员必须协调工作，共同完成测试演示验证。各对象成员分布于各个物理节点上，为确保各节点工作的有效性、一致性和时效性，必须采用有效的分布式控制软件来实现。差分跳频通信测试系统采用HLA/RTI来解决分布式管理与控制问题，以系统的应用环境和结构为目标，建立合理的测试平台。系统功能控制管理成员作为整体测试系统的核心，其采用联邦管理模式，并由联邦控制管理成员负责联邦的管理工作，包括：联邦的创建、联邦的撤销、联邦成员的加入、同步策略的控制、测试的开始、暂停与结束等。通过差分跳频信号产生终端(成员)产生相应的差分跳频信号，传输到信号信道进行衰减、加噪处理后，差分跳频信号接收机在功能控制管理成员的控制下，进行接收。 

其优点在于： 

本系统可在一个局域网络上实现全数字化分布式差分跳频通信系统的测试过程，能够进行差分跳频信号产生的测试，通过设置合理的参数进行信号信道测试，差分跳频接收功能成员可以根据信道传输参数进行接收测试，视景分析功能成员提供相应的可视化测试分析，差分环路效果演示成员提供结果正确性验证，系统控制管理成员保证各功能成员间的一系列功能的控制和管理，确保测试系统的正确运行。本系统采用HLA-RTI技术实现各成员的同步通信与交互，进而保证系统各部分协调、有序运行。本发明的技术方案是搭建分布式差分跳频通信测试系统，并采用基于HLA-RTI的技术实现差分跳频通信测试系统的联 邦管理及同步控制。 

附图说明

图1是差分跳频通信测试系统成员拓扑图。 

图2是差分跳频通信联邦结构系统。 

图3是联邦主线程流程图。 

图4是差分跳频通信测试系统通信流程图。 

具体实施方式

一种分布式差分跳频通信测试系统由硬件、软件两部分组成，硬件部分包括6台计算机和一台服务器，为软件功能成员提供硬件运行环境。软件部分包括：差分跳频信号产生功能成员、信号信道功能成员、差分跳频信号接收功能成员、差分环路效果演示成员、视景分析功能成员、系统控制管理成员。 

所述的差分跳频信号产生功能成员 

差分跳频信号产生成员的功能为：根据传输信息数据、上一跳差分跳频信号频率控制字和G函数规则产生当前跳的跳频频率控制字，由数字频率合成器产生频率控制字对应频率的数字差分跳频信号，最后通过D/A转换模块变为模拟差分跳频信号。根据差分跳频信号产生模块的功能，设计差分跳频信号产生模块的整体结构。所述的差分跳频信号产生模块为差分跳频信号产生成员的硬件。 

所述的信号信道功能成员 

短波通信信号可由天波信道和地波信道分别进行传播。短波通信信号经天波信道传播，其优点是传输损耗小，利用较小的功率可进行远程通讯。短波通信信号在天波信道传播路径中的基本传输损耗包括自由空间传输损耗、地面反射损耗，电离层吸收损耗、额外系统损耗。 

所述的差分跳频信号接收功能成员 

对经信道处理后的差分跳频信号进行基于差分环路的频点检测、基于逐符号或序列检测的G^-1函数传输信息提取，实现差分跳频通信的信号接收过程，并为验证差分环路接收功能成员功能实现的有效性和正确性提供测试和接收结果的验证功能。 

所述的差分环路效能演示成员 

差分环路效果演示功能成员将差分跳频信号产生功能成员传输的数据信息和差分跳频接收功能成员解算的频率序列和数据信息进行对比，验证差分环路 接收性能的有效性和正确性。 

所述的视景分析成员 

视景分析成员主要提供差分跳频信号产生功能成员、差分跳频接收功能成员和传输信道的位置、距离和传输路径等信息，为差分环路跳频通信系统提供直观的分析应用环境。 

差分跳频信号产生模块 

差分跳频信号产生模块共包含5个子模块，分别为：G函数运算子模块、DCM子模块、差分跳频信号产生逻辑控制子模块、数字频率合成子模块和D/A转换子模块。下面分别对各子模块的功能进行说明。 

G函数运算子模块根据输入传输信息数据、上一跳差分跳频信号频率控制字和G函数规则产生当前跳的跳频频率控制字，用于产生当前跳的差分跳频信号。 

差分跳频信号产生逻辑控制子模块根据G函数运算子模块产生的跳频频率控制字，产生对应的控制参数，对数字频率合成子模块进行配置，并读取数字频率合成子模块生成的数字差分跳频信号，将其发送至D/A转换子模块。 

数字频率合成子模块包含多个数字频率合成器，根据差分跳频信号产生逻辑控制子模块提供的频率控制字及对应控制参数，调用数字频率合成器产生数字差分跳频信号。 

D/A转换子模块将数字差分跳频信号变为模拟差分跳频信号进行发送。 

DCM子模块负责为其他各模块提供稳定的时钟驱动。 

差分跳频信号产生模块的各子模块相互协作，共同实现了差分跳频信号的产生功能。 

1)1bitG函数差分跳频信号产生 

步骤1：载入传输数据X_n，载入m序列，载入冗余码RS，以及2bit的m序列参数m1和m2； 

步骤2：利用下式对数据X_n进行编码计算出d_n； 

$d_n=\left\{\begin{array}{cc}1& X_n=0\\ -1& X_n=1\end{array}\right.$

步骤3：设置初始频率f₀； 

步骤4：将步骤1的参量前跳频率F_n-1，频点数N，子集数p，m序列，冗余码RS和d_n代入公式，求出下一跳频率F_n。 

F_n＝(F_n-1+d_n ²+2d_n-2RS)mod(N/p)+(N/p)*(m₁+2m₂) 

步骤5：对所求频率F_n进行校验，若与前两跳的频率号F_n-2相同，满足F_n＝F_n-2，则利用式重新计算F_n。 

F_n＝G(F_n-2，N，p)＝(F_n-2+N/p)mod(N) 

其中p为跳频频点子集数。 

步骤6：最后将得到的F_n进行存储，然后返回步骤4重新计算下跳频率控制字，由跳频频率转移函数关系式G(·)生成频率控制序列。 

步骤7：设置发射频率函数，产生64个频率值； 

步骤8：设置采样频率；以及信号的幅值，通过频率控制序列的控制，选择每一跳需的频率值， 

步骤9：通过直接频率合成器合成对应的差分跳频信号，送至短波信道。 

2)4bitG函数差分跳频信号产生 

步骤1：读取要发送的数据X_n，以及RS序列(2bit)，然后对数据X_n进行编码计算出d_n； 

$d_n=\left\{\begin{array}{cc}1& X_n=0(n=\mathrm{1,2,3,4})\\ -1& X_n=1(n=\mathrm{1,2,3,4})\end{array}\right.$

步骤2：将前跳频率F_n-1，频点数N，子集数p，RS码，编码后的数据d_n公式求出下跳频率F_n。 

F_n＝{[F_n-1+8d₁+4d₂+2d₃+d₄]mod(N/p)+(N/p)*RS} 

其中，D_n为4位的传输的数据信息d₄d₃d₂d₁。 

步骤3：对所求频率F_n进行校验，若F_n＝F_n-2，表示则代入公式的转移函数重新计算F_n。 

F_n＝G(F_n-2，N，p)＝(F_n-2+N/p)mod(N) 

步骤4：最后将得到的F_n进行存储，然后返回步骤1重新计算下跳。 

在利用G函数的到每跳差分跳频信号的频率f_k后，即产生差分跳频信号。 

2.信号信道功能成员 

短波通信信号在天波信道传播路径中包含的损耗，短波通信信号经天波信道的基本传输损耗L_b可表示为： 

L_b＝L_bf+L_g+L_a+Y_p    (dB)(1) 

其中，L_bf为自由空间传输损耗，L_g为地面反射损耗，L_a为电离层吸收损耗，Y_p为额外系统损耗。 

①自由空间传播损耗L_bf

自由空间传输损耗是由于逐渐远离发射点传播，能量在空间扩散所引起的。其计算公式如下： 

L_bf＝32.45+20lgf+20lgr  (dB)    (2) 

对于天波传播，式中f为信号频率，r为电波经电离层反射的实际传播路径长度(km)。 

②电离层吸收损耗L_a

电离层吸收的程度与太阳黑子数、反射点的太阳天顶角、季节、工作频率、磁旋频率和辐射仰角等参数有关，非偏移损耗计算相当复杂，工程中常利用以下半经验公式计算： 

$L_a=\frac{677.2\sec {\mathrm{\θ}}_0}{{(f+f_H)}^{1.98}+10.2}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_j---\left(3\right)$

I_j＝(1+0.0037R₁₂)cos(0.881x_j)¹³    (4) 

参数说明：L_a-电离层吸收损耗；n-跳数；θ₀-100km高度处电波的入射角；f_H-100km高度处磁旋谐振频率的平均值(MHz)；I_j-吸收系数；x_j为穿透吸收区的太阳天顶角平均值；R₁₂为12个月太阳黑子的流动平均值。 

③地面反射损耗L_g

在天波多跳传播模式中，传播损耗不仅要考虑电波二次进入电离层，还要考虑经地面反射的损耗。如果电波是一跳则无此损耗。 

估算该项损耗的公式： 

$L_g=(n-1)\×10\lg \left(\frac{{\left|R_V\right|}^2+{\left|R_H\right|}^2}{2}\right)\left(\mathrm{dB}\right)---\left(5\right)$

其中，n为跳数；R_V和R_H分别为垂直极化和水平极化的反射系数，其表示式分别为： 

$R_V=\frac{{{\mathrm{\ϵ}}_r}^{\′}\sin \mathrm{\Δ}-\sqrt{{{\mathrm{\ϵ}}_r}^{\′}-{\cos }^2\mathrm{\Δ}}}{{{\mathrm{\ϵ}}_r}^{\′}\sin \mathrm{\Δ}+\sqrt{{{\mathrm{\ϵ}}_r}^{\′}-{\cos }^2\mathrm{\Δ}}}---\left(6\right)$

$R_H=\frac{\sin \mathrm{\Δ}-\sqrt{{{\mathrm{\ϵ}}_r}^{\′}-{\cos }^2\mathrm{\Δ}}}{\sin \mathrm{\Δ}+\sqrt{{{\mathrm{\ϵ}}_r}^{\′}-{\cos }^2\mathrm{\Δ}}}---\left(7\right)$

其中，Δ是射线仰角；ε_r′是大地的相对复介电常数，满足ε_r′＝ε_r-j60λσ；λ 为波长；σ是地表面导电率(Ω·m)^-1。 

④额外系统损耗Y_p

所谓额外系统损耗是指除了以上三种损耗外，其它原因而引起的损耗。额外系统损耗不是一个稳定的参数，它的数值与地磁纬度、季节、本地时间、路径长短等都有关系。准确计算其损耗值非常困难，在工程计算中，通常用经过反复校核的统计值来进行估算，并列表查得。 

3.差分跳频信号接收功能成员 

步骤1：初始化接收机，开始接收发送过来的差分信号，通过宽带接收，利用加窗FFT对接收数据进行处理，得到时间窗包含的数据中跳频频率集内各跳频频点的能量值； 

步骤2：利用加窗FFT进行差分跳频信号频点检测时，采样滑动时间窗的方法进行处理，当连续多个时间窗内同一频点均存在信号能量时，才认为该频点存在信号。检测出差分跳频信号的频率值； 

步骤3：设计频率转移解析函数G^-1，解析出所传输的数据。同时利用G^-1函数还可去除某些不符合G函数的干扰信号； 

步骤4：再进行跳频频点序列的检测，对连续多跳信号进行分析，选取其中最优路径作为信息提取路径； 

步骤5：序列检测法实现可采用Viterbi算法； 

步骤6：接收机正确解调并输出解调数据，结束接收过程。 

4.系统控制管理成员 

系统控制管理成员管理整个联邦的运行，发送控制指令并完成状态交互。具体过程为：创建联邦、开始运行、停止运行、撤销联邦等。 

①创建联邦 

联邦是为联邦成员间的交互而创建的一个虚拟世界。联邦创建前，各联邦成员可能已经建立了构建测试实体的对象，但各联邦成员的对象之间并没有交互，而且这些对象均没有在联邦中注册。控制中创建联邦就是创建联邦仿真线程，并在线程中实现： 

初始化联邦名称、测试时间以及联邦成员名称。 

设置联邦成员间的互操作服务，本系统中消息传递顺序被设置为接受顺序，时间约束类型被设置为既时间控制又时间受限。 

建立循环，在联邦未撤销的情况下判断测试是否暂停或结束，并实现系统 以步进的方式向前推进，控制并显示当前的测试时间。 

②运行 

所有功能成员加入联邦后，开始运行，功能成员根据模型参与联邦交互，完成测试功能。 

③暂停测试 

系统运行过程中，由于某种原因，需要暂时停止运行。暂停命令触发后，控制与管理成员向每个功能成员发送一个交互实例，控制各成员暂停，并设置状态参数。 

④停止测试 

测试任务完成后，必须结束测试活动，停止测试。各联邦成员在测试停止后，停止当前的测试活动，结束循环，退出联邦。系统控制成员向所有的功能成员发送一个交互实例，停止当前所有的测试活动，并将各功能成员状态指示设为初始状态，即未加入联邦状态。 

⑤撤销联邦 

测试运行停止后，联邦仍存在，需撤销联邦。联邦撤销后各联邦成员的实例被销毁，联邦成员间交互的环境不复存在。系统控制管理成员跳出循环，销毁测试线程。 

(1)联邦对象模型 

HLA的联邦对象模型的主要目的是提供联邦成员之间用公共的、标准化的格式进行数据交换的规范，它描述了在仿真运行过程中将参与联邦成员信息交换的对象类、对象类属性、交互类、交互类参数的特性。根据HLA规范规定，系统采用对象模型模板OMT来描述联邦和联邦中的每一个成员，以及联邦在运行过程中需要交换的各种数据和相关信息，其中主要包括对象类结构表、属性表、交互类结构表、参数表和枚举数据类型表。 

①交互类结构表 

交互类是指一个成员的对象产生的对其他成员产生影响的明确的动作的抽象。交互类的每一个对象叫做该交互类的实例。在基于HLA/RTI差分跳频通信测试系统中，抽象出的交互类如下： 

控制命令类(Sim_Controller)：该类实现了联邦成员的控制交互。成员运行状态类(Member_State)：该类实现了联邦成员状态交互。表1记录了系统的交互类。 

表1交互类结构表 

②参数表 

参数表提供了关于联邦中所有交互类参数的信息。在基于HLA/RTI差分跳频通信测试系统中，抽象出的交互类参数如下： 

控制命令类：控制命令。成员运行状态类：成员号，成员状态。表2记录了系统的交互类的参数。 

表2交互类参数表 

(2)联邦执行的状态控制 

HLA提供的联邦执行状态管理服务，实现了联邦执行的创建、撤销以及联邦成员的加入、退出。但是，在基于HLA/RTI差分跳频通信测试系统中，还需要实现联邦执行的开始、暂停、继续、结束和退出等状态的控制，因此，直接利用HLA的联邦管理提供的服务无法实现。为了解决多状态控制问题，在控制端(即联邦控制成员)设置枚举类型变量，为每一个联邦状态设置一个枚举值，并利用HLA中交互类的公布机制，发布控制信息。而在受控端(即联邦成员)使用HLA中交互类的订购机制，获取控制信息，并结合多布尔变量控制技术，确定自身受控状态。多布尔变量控制技术是在受控端设置多个布尔变量，根据枚举控制信息，改变相应的布尔变量值，确定受控端自身的状态。枚举类型以及枚举值如表3所示。 

表3状态控制枚举类型 

受控端订购控制信息后，利用在主线程simulation.cpp中调用回调函数Member_State::addCallback(&exConn，Member_StateCallback，NULL)状态控制交互回调函数，设置相应的布尔变量的值。在受控端设置的多个布尔变量以及与枚举值的关系如表4所示。 

表4状态布尔变量表 

受控端获取枚举控制信息，并设置相应布尔变量值后，受控端系统主线程通过判断各布尔变量的值，确定自身的状态。 

(3)联邦时间管理机制 

在HLA中，联邦时间管理关注的是如何在联邦执行时控制时间的推进。联邦时间管理通过协调带时戳(联邦成员的测试时间)的消息传递，实现测试时间的推进。联邦的时间管理机制包括两方面内容：消息传递机制和时间推进机制。 

①联邦成员的消息传递机制 

消息在HLA系统设计上是一个非常重要的概念，RTI通过消息来协调整联邦的运行。HLA时间管理服务协调时间的方式就是通过相互发送消息进行的。在基于HLA/RTI差分跳频通信测试系统中，为保证差分跳频信号的实时通信，测试系统必须进行高速传输，系统对消息传递速度的要求高于对因果关系的要求，同时考虑到仿真系统中所有成员都是受限成员这一特点，确定该测试系统中所有成员的消息传递顺序都为接收顺序。 

②联邦成员的时间推进机制 

在基于HLA/RTI差分跳频通信测试系统中接收功能成员每次处理0.2ms的差分跳频信号数据，并对产生的差分信号进行频点检测以及序列检测，为了保证逻辑和时序的正确性，采用步进的时间推进机制。除此之外，步进的时间推进机制还可以将跳频信号数据分多步产生，每一步产生较短的数据。这样既缩短了差分跳频信号产生时间，又避免了其他功能成员因长时间等待而浪费系统资源。 

在RTI中，基于步长的联邦时间的推进过程包括三个步骤：首先，联邦成员调用一个时间管理服务TimeAdvanceRequest()请求逻辑时间推进。接着，如果满足时间推进条件，RTI向联邦成员分发当前时间在消息队列中满足发送条件的消息。最后，RTI通过调用联邦成员TimeAdvanceRequest()回调函数，表示该联邦成员的逻辑时间已经推进。 

(4)数据传输方式 

基于HLA/RTI差分跳频通信测试系统中设计传输的数据主要包括两类：一类是测试系统正常运行所必需的交互类，通常只含有一个或几个数值类型的数据，为小型数据。另一类主要是用于差分跳频信号产生及发送的信号数据，这类数据的量比较大。在选取差分跳频信号的时间片大小为0.2ms的情况下，每次产生并传输的跳频信号数据的大小都超过上万个浮点类型的数据所占的空间，因此，为大型数据。 

基于HLA/RTI差分跳频通信测试系统供联邦成员之间数据传输的方式主要有两种：一种是基于HLA的公布与订购机制实现的数据传输；另一种是基于windows平台的套接字(socket)传输。 

针对跳频信号的传输数据类型，根据其特点，确定了它们的数据传输方式：对于交互类这种小型数据的传输，采用基于HLA的公布与订购的机制实现，减少网络通信量，节省处理器时间。对于差分跳频信号数据的传输，由于基于HLA/RTI差分跳频通信测试系统中差分跳频信号数据比较大，每一次传输的浮点数量都超过一万，而且为保证差分跳频信号数据传输的正确性，必须进行可靠传输。因此，采用基于TCP的数据传输方式实现差分跳频信号数据的传输。 

(5)集成并测试联邦 

对联邦中各个联邦成员而言，RTI对联邦每个功能成员的服务都是类似的，因此，可以开发一个通用的联邦主线程来完成，将RTI执行服务的基本过程封装起来，实现各联邦成员的测试流程，这样能大大提高联邦的开发效率。系统 中联邦主线程流程如图3所示。 

在图3中，各步骤的基本操作如下： 

STEP1：初始化成员数据。 

(1)创建RTIambassador对象rtiAmb 

(2)创建FederateAmbassador对象fedAmb 

(3)初始化成员的测试对象 

STEP2：调用rti.creatFederationExecution()创建联邦执行 

STEP3：加入联邦执行 

(1)调用rtiAmb.joinFederationExecution()加入联邦执行 

(2)若加入异常，则退出程序 

STEP4：声明公布/订购关系 

(1)调用RTI::AttributeHandleSetFactory::create()为每一对象类创建句柄集 

调用rtiAmb.getObjectClassHandle()获取对象类句柄值 

调用rtiAmb.getAttributeHandle()获取对象类属性句柄值 

(2)调用rtiAmb.publishObjectClass()公布对象类 

调用rtiAmb.subscribeObjectClassAttribute()订购对象类 

(3)调用rtiAmb.getInteractionClassHandle()获取交互类句柄值 

调用rtiAmb.gerParameterHandle()获取交互参数句柄值 

(4)调用rtiAmb.publishInteractinClass()公布交互类 

调用rtiAmb.subscribeInteractionClass()订购交互类 

STEP5：确定联邦成员的时间推进策略(默认情况下为既非“时间控制”也非“时间受限”) 

(1)调用rtiAmb.enableTimeConstrained()声明时间推进策略为时间受限(Constrained) 

(2)调用rtiAmb.enableTimeRegulation()声明时间推进策略为时间控制(Regulation) 

STEP6：调用rtiAmb.registerObjectInstance()注册对象实例 

STEP7：调用rtiAmb.timeAdvanceRequest()请求时间推进 

STEP8：推进(1)运行联邦成员的模型 

(2)更新对象实例属性值 

调用RTI::AttributeSetFactory::create()创建 

RTI::AttributeHandleValuePairSet 

调用rtiAmb.updateAttributeValues更新实例属性值 

(3)发送交互实例 

调用RTI::ParameterSetFactory::create()创建 

RTI::ParameterHandleValuePairSet 

调用rtiAmb.sendInteraction发送交互实例 

(4)根据需要创建/删除对象实例 

(5)根据需要转移/接收实例所有权 

(6)根据需要公布/取消公布、定购/取消订购对象类/交互类 

(7)根据需要改变联邦成员的时间推进策略 

STEP9：调用rtiAmb.resignFederationExecution()退出联邦执行 

STEP10：调用rtiAmb.destoryFederationExecution()撤销联邦执。 

Claims (4)

1.一种分布式差分跳频通信测试系统，是一种基于HLA/RTI的分布式差分跳频通讯测试系统；其特征在于：由硬件、软件两部分组成，硬件部分包括6台计算机和一台服务器，为软件功能成员提供硬件运行环境，软件部分包括：差分跳频信号产生功能成员、信号信道功能成员、差分跳频信号接收功能成员、差分环路效果演示成员、视景分析功能成员、系统控制管理成员；

所述的差分跳频信号产生功能成员

差分跳频信号产生功能成员是根据传输信息数据、上一跳差分跳频信号频率控制字和G函数规则产生当前跳的跳频频率控制字，由数字频率合成器产生频率控制字对应频率的数字差分跳频信号，最后通过D/A转换模块变为模拟差分跳频信号；根据差分跳频信号产生模块的功能，设计差分跳频信号产生模块的整体结构；

所述的信号信道功能成员

短波通信信号可由天波信道和地波信道分别进行传播；短波通信信号经天波信道传播；短波通信信号在天波信道传播路径中包含的损耗，短波通信信号经天波信道的基本传输损耗包括自由空间传输损耗、地面反射损耗，电离层吸收损耗、额外系统损耗；

所述的差分跳频信号接收功能成员

对经信道处理后的差分跳频信号进行基于差分环路的频点检测、基于逐符号或序列检测的G-1函数传输信息提取，实现差分跳频通信的信号接收过程，并为验证差分环路接收功能成员功能实现的有效性和正确性提供测试和接收结果的验证功能；

差分环路效能演示成员

差分环路效果演示功能成员将差分跳频信号产生功能成员传输的数据信息和差分跳频接收功能成员解算的频率序列和数据信息进行对比，验证差分环路接收性能的有效性和正确性；

所述的视景分析成员

视景分析成员主要提供差分跳频信号产生功能成员、差分跳频接收功能成员和传输信道的位置、距离和传输路径等信息，为差分环路跳频通信系统提供直观的分析应用环境。

2.根据权利要求1所述的一种分布式差分跳频通信测试系统的系统控制管理成员，其特征在于：

系统控制管理整个联邦的运行，发送控制指令并完成状态交互；系统控制管理成员是整个系统联邦的重要成员之一，它管理整个联邦的运行，包括创建联邦、撤销联邦、开始测试、暂停测试、继续测试以及显示测试时间等功能；在联邦中，除了仿真控制成员之外，其它各个联邦成员与系统控制管理成员都有联系，当他们加入联邦后，只有控制成员发出启动命令，各个功能成员才能运行；

系统控制初始化后，首先创建联邦，然后设置时间管理策略、时间推进机制和公布/订购关系，等到其它各功能成员都加入到联邦后，开始执行控制交互，各成员开始测试；随着仿真时间的推进，接收订购的交互，并且可以通过界面调整相应成员的状态显示；

基于HLA/RTI的差分跳频通信测试系统，是基于时间控制及时间受限的分布式系统控制机制；

系统控制管理成员管理整个测试联邦的运行，发送控制指令并完成状态交互；具体过程为：创建联邦、开始运行、停止运行、撤销联邦；

(1)联邦对象模型

HLA的联邦对象模型的主要目的是提供联邦成员之间用公共的、标准化的格式进行数据交换的规范，描述了在仿真运行过程中将参与联邦成员信息交换的对象类、对象类属性、交互类、交互类参数的特性；

(2)联邦执行的状态控制

HLA提供的联邦执行状态管理服务，实现了联邦执行的创建、撤销以及联邦成员的加入、退出；但是，在基于HLA/RTI差分跳频通信测试系统中，还需要实现联邦执行的开始、暂停、继续、结束和退出等状态的控制，因此，直接利用HLA的联邦管理提供的服务无法实现；为了解决多状态控制问题，在控制端即联邦控制成员设置枚举类型变量，为每一个联邦状态设置一个枚举值，并利用HLA中交互类的公布机制，发布控制信息；而在受控端即联邦成员使用HLA中交互类的订购机制，获取控制信息，并结合多布尔变量控制技术，确定自身受控状态；多布尔变量控制技术是在受控端设置多个布尔变量，根据枚举控制信息，改变相应的布尔变量值，确定受控端自身的状态；

受控端订购控制信息后，利用在主线程中调用回调函数状态控制交互回调函数，设置相应的布尔变量的值；

受控端获取枚举控制信息，并设置相应布尔变量值后，受控端系统主线程通过判断各布尔变量的值，确定自身的状态；

(3)联邦时间管理机制

在HLA中，联邦时间管理关注的是如何在联邦执行时控制时间的推进；联邦时间管理通过协调带时戳联邦成员的测试时间的消息传递，实现测试时间的推进；联邦的时间管理机制包括两方面内容：消息传递机制和时间推进机制；

①联邦成员的消息传递机制

消息在HLA系统设计上是一个非常重要的概念，RTI通过消息来协调整联邦的运行；HLA时间管理服务协调时间的方式就是通过相互发送消息进行的；

②联邦成员的时间推进机制

在基于HLA/RTI差分跳频通信测试系统中接收功能成员每次处理0.2ms的差分跳频信号数据，并对产生的差分信号进行频点检测以及序列检测，为了保证逻辑和时序的正确性，采用步进的时间推进机制；除此之外，步进的时间推进机制还可以将跳频信号数据分多步产生，每一步产生较短的数据；在RTI中，基于步长的联邦时间的推进过程包括三个步骤：首先，联邦成员调用一个时间管理服务请求逻辑时间推进；接着，如果满足时间推进条件，RTI向联邦成员分发当前时间在消息队列中满足发送条件的消息；最后，RTI通过调用联邦成员回调函数，表示该联邦成员的逻辑时间已经推进；

(4)数据传输方式

基于HLA/RTI差分跳频通信测试系统中设计传输的数据主要包括两类：一类是测试系统正常运行所必需的交互类，通常只含有一个或几个数值类型的数据，为小型数据；另一类主要是用于差分跳频信号产生及发送的信号数据；在选取差分跳频信号的时间片大小为0.2ms的情况下，每次产生并传输的跳频信号数据的大小都超过上万个浮点类型的数据所占的空间，为大型数据；

基于HLA/RTI差分跳频通信测试系统供联邦成员之间数据传输的方式主要有两种：一种是基于HLA的公布与订购机制实现的数据传输；另一种是基于windows平台的套接字传输；

针对跳频信号的传输数据类型，根据其特点，确定了的数据传输方式：对于交互类这种小型数据的传输，采用基于HLA的公布与订购的机制实现，减少网络通信量，节省处理器时间；对于差分跳频信号数据的传输，由于基于HLA/RTI差分跳频通信测试系统中差分跳频信号数据比较大，每一次传输的浮点数量都超过一万，而且为保证差分跳频信号数据传输的正确性，必须进行可靠传输；因此，采用基于TCP的数据传输方式实现差分跳频信号数据的传输；

(5)集成并测试联邦

对联邦中各个联邦成员而言，RTI对联邦每个功能成员的服务都是类似的，因此，可以开发一个通用的联邦主线程来完成，将RTI执行服务的基本过程封装起来，实现各联邦成员的测试流程。

3.根据权利要求1所述的一种分布式差分跳频通信测试系统，其特征在于：所述的集成并测试联邦，对联邦中各个联邦成员而言，RTI对联邦每个功能成员的服务都是类似的，因此，可以开发一个通用的联邦主线程来完成，将RTI执行服务的基本过程封装起来，实现各联邦成员的测试流程；

各步骤的基本操作如下：

STEP1：初始化成员数据；

(1)创建RTIambassador对象rtiAmb

(2)创建FederateAmbassador对象fedAmb

(3)初始化成员的测试对象

STEP2：调用rti.creatFederationExecution()创建联邦执行

STEP3：加入联邦执行

(1)调用rtiAmb.joinFederationExecution()加入联邦执行

(2)若加入异常，则退出程序

STEP4：声明公布/订购关系

(1)调用RTI::AttributeHandleSetFactory::create()为每一对象类创建句柄集

调用rtiAmb.getObjectClassHandle()获取对象类句柄值

调用rtiAmb.getAttributeHandle()获取对象类属性句柄值

(2)调用rtiAmb.publishObjectClass()公布对象类

调用rtiAmb.subscribeObjectClassAttribute()订购对象类

(3)调用rtiAmb.getInteractionClassHandle()获取交互类句柄值

调用rtiAmb.gerParameterHandle()获取交互参数句柄值

(4)调用rtiAmb.publishInteractinClass()公布交互类

调用rtiAmb.subscribeInteractionClass()订购交互类

STEP5：确定联邦成员的时间推进策略，默认情况下为既非时间控制也非时间受限；

(1)调用rtiAmb.enableTimeConstrained()声明时间推进策略为时间受限Constrained

(2)调用rtiAmb.enableTimeRegulation()声明时间推进策略为时间控制Regulation

STEP6：调用rtiAmb.registerObjectInstance()注册对象实例

STEP7：调用rtiAmb.timeAdvanceRequest()请求时间推进

STEP8：推进(1)运行联邦成员的模型

(2)更新对象实例属性值

调用RTI::AttributeSetFactory::create()创建

RTI::AttributeHandleValuePairSet

调用rtiAmb.updateAttributeValues更新实例属性值

(3)发送交互实例

调用RTI::ParameterSetFactory::create()创建

RTI::ParameterHandleValuePairSet

调用rtiAmb.sendInteraction发送交互实例

(4)根据需要创建/删除对象实例

(5)根据需要转移/接收实例所有权

(6)根据需要公布/取消公布、定购/取消订购对象类/交互类

(7)根据需要改变联邦成员的时间推进策略

STEP9：调用rtiAmb.resignFederationExecution()退出联邦执行

STEP10：调用rtiAmb.destoryFederationExecution()撤销联邦执。

4.根据权利要求1所述的一种分布式差分跳频通信测试系统，其特征在于：所述的差分跳频信号产生成员的硬件为差分跳频信号产生模块；

差分跳频信号产生模块共包含5个子模块，分别为：G函数运算子模块、DCM子模块、差分跳频信号产生逻辑控制子模块、数字频率合成子模块和D/A转换子模块；

G函数运算子模块根据输入传输信息数据、上一跳差分跳频信号频率控制字和G函数规则产生当前跳的跳频频率控制字，用于产生当前跳的差分跳频信号；

差分跳频信号产生逻辑控制子模块根据G函数运算子模块产生的跳频频率控制字，产生对应的控制参数，对数字频率合成子模块进行配置，并读取数字频率合成子模块生成的数字差分跳频信号，将其发送至D/A转换子模块；

数字频率合成子模块包含多个数字频率合成器，根据差分跳频信号产生逻辑控制子模块提供的频率控制字及对应控制参数，调用数字频率合成器产生数字差分跳频信号；

D/A转换子模块将数字差分跳频信号变为模拟差分跳频信号进行发送；

DCM子模块负责为其他各模块提供稳定的时钟驱动。

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