（交通信息工程及控制专业论文）GMDSS模拟器中语音数据通信仿真及教练台功能的研究.pdf

摘要 本文介绍了大连海事大学航海动态仿真与控制实验室研发的g m d s s 模拟器中 对语音与数据通信的仿真及教练台功能的研究。 g m d s s 各设备的通信质量受到各自无线信道的制约。通常局域网有线信道的通 信质量优于无线信道，因此需要在局域网有线信道中仿真出g m d s s 通信设备在无 线信道中传输的效果，以增强模拟器的真实感。文章首先介绍了g m d s s 通信使用 的通信信道情况，然后分析了信道对传输信息的影响。对于g m d s s 模拟器中的通 信仿真，文章分别给出了语音通信模型和数据通信模型，并在对通信模型介绍的 基础上，给出了在有线信道中仿真无线信道传输影响的方法。 对g m d s s 模拟器中的教练台功能设置，本文从四个功能模块角度介绍了对教 练台功能的设置：教师功能、岸站功能、r c c 功能及陆地用户。教师利用教练台可 以监控学员台运行，设置学员台通信环境；可以模拟岸站向“船舶”播发海上安 全信息，接收并确认遇险报警；可以模拟r c c 向“船舶”播发搜救协调信息；可 以模拟陆地用户接收设备等，从而提高了g m d s s 模拟器的真实感和演练各类g m d s s 业务的能力。 关键词：g m d s s 模拟器；通信信道；v o l p 技术；教练台 t h es i m u ia t i o no ft h ev o i c e d a t ao o m m u n ic a t i o r la n dt h e r e s e a r c ho ft h eln s t r u c ts t a tjo n sf u n c tio r so ng m d s s s j m u i a t o r a b s t r a c t t h ep a d e ri n t r o d n c e st h es i m u l a t i o no ft h ev o i c e & d a t ac o m m u n i c a t i o na n dt h e r e s e a r c ho ft h ei n s t r u c ts t a t i o n sf u n c t i o n so ng m d s ss i m u l a t o rd e v e l o p e db yt h e l a b o r a t o r yo f m a r i n es i m u l a t i o na n dc o n t r o lo f d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y c o m m u n i c a t i o nq u a l i t yo fg m d s sd e v i c e si si n f l u e n c e db yw i r e l e s sc h a n n e l w h i c ht h e yw o r k u s u a l l yt h ew i r ec h a n n e li nl a nw i l lb eb e t t e rt h a nt h ew i r e l e s s c h a n n e lo nc o m m u n i c a t i o nq u a l i t y , s oi ti sn e c e s s a r yt os i m u l a t et h er e a le f f e c to ft h e w i r e l e s sc h a n n e li nt h el a nc h a n n e l t h i s p a p e r f i r s ti n t r o d u c e st h eg m d s s c o m m u n i c a t i o f f sc h a n n e l s ，a n dg i v et h ee f f e c tw h i c hc h a n n e li n f l u e n c et h es i g n a l t h e p a p e rg i v e st h ev o i c e & d a t ac o m m u n i c a t i o n sm o d e l a n dt h em e t h o d sw h i c ht h ew i r e c h a n n e l ss i m u l a t et h ee f f e c to f t h ew i r e l e s se h a n n e lb a s e do nt h ec o m m u n i c a t i o nm o d e l t h en e wg m d s ss i m u l a t i o nm o d u l ee n h a n c e st h er e s e a r c ho ft h ei n s t r u e ts t a t i o n s f u n c t i o n sf r o mf o u ra s p e c t s ：i n s t r u c t o rf u n c t i o n s ，l e sf u n c t i o n s ，r c cf u n c t i o n sa n d l a n du s e rf u n c t i o n s t h ei n s t r u c t o rc a l lm o n i t o rt h es t u d e n t sc o m m u n i c a t i o n si n c l u d i n g t h et w op a r t i e s 、t i m e 、c o m m u n i c a t i o nd e v i c e s 、c o n t e n t ，a n ds i m u l a t et h el e sw h i c h c a r lb r o a d c a s tt h em s ia n dd i s t r e s sa c k n o w l e d g e m e n t ，a n ds i m u l a t et h er c cb r o a d c a s t t h ei n f o r m a t i o no fr e s c u e ，a n ds i m u l a t et h el a n dt e l e xa n dt e l e p h o n e a l lc a ne n h a n c e g m d s ss i m u l a t o r sr e a l i t ya n dt h eo p e r a t o r ss k i l l so f t h eg m d s s o p e r a t i o n k e yw o r d s ：s i m u l a t o ro fg m d s s ，；c o m m u n i c a t i o nc h a n n e l ；v o i p t e c h n i q u e ； i n s t r u c ts t a t i o n v 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文= = g 垒4 旦s 墨搓塑墨生置童数塑通信笪笾墓丞熬筮金功 能鲍殛窥”o 除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他 个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：彳彳妇匐俳印月争曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密日7 ( 请在以上方框内打：”) 论文作者签名： 导师签名：尹一，龙 同期名2 年尹月厂r 第1 章绪论 g m d s s ( g l o b a lm a r i t i m ed i s t r e s sa n ds a f e t ys y s t e m ) 即全球海上遇险与安全系 统是在现代无线电通信技术的基础上适应海上搜救的需要丽建立起来的一种新的 搜救通信系统。i m o 在1 9 8 8 年通过了s o l a s 公约修正案，把g m d s s 引入了公 约，并将g m d s s ，丌始实旋的日期选定为1 9 9 2 年2 月1 同“7 。因此为了适应公约 及保障航运安全的要求，必须要对从事航运事业的人员进行g m d s s 业务培训。 因为g m d s s 真设备价格昂贵，型号种类繁多，且从可操作性上来说，像有关遇 险安全通信，在真设备上进行操作培训也不可行，因此在g m d s s 教育和培训中广 泛使用了g m d s s 模拟器。 大连海事大学航海动态仿真与控制实验室自2 0 0 4 年初开始g m d s s 模拟器课 题研究，并引进一套丹麦s k a n t i 公司最新g m d s s 设备，为课题研发的领先性 提供了最大的支持。g m d s s 课题研发目的有两个：一是作为大连海事大学航海动 态仿真与控制实验室研发的v d r a g o n 一2 0 0 0 大型船舶操纵模拟器的子系统；二是研 发一套g m d s s 桌面培训系统。g m d s s 课题的研究到2 0 0 5 年6 月完成第一阶段 的研究，期间完成了对g m d s s 各单独设备的仿真开发。因为s k a n t i 系统中只 有c 船站，因此课题组又补充了对b 船站的仿真，并且开始计划对f 船站的仿真， 这将使得g m d s s 模拟系统更加完善，更能适应更多客户的需求。从2 0 0 5 年6 月 丌始的g m d s s 模拟器第二研究阶段的重点主要是完成通信信道对通信质量影响 的仿真和教练台功能设置。 1 1g m d s s 系统简介 g m d s s 基本概念是船舶遇险时能迅速有效的进行报警，岸上搜救当局能够以 最短的时问延迟进行协同的搜救活动，并能够做到立即向岸上机关及附近的船舶通 报遇险信息，加大搜救的成功率 ”。 收到警报后，陆上搜救机构的首要责任是协调和展开救助。因此，海上警报应 首先被岸上救助机构接收，随后的行动和联络则由指定的救助协调中，b ( r c c ) 统一控 制。目前大多数国家已经要求驾驶员通过取得操作员证书( g o c ) 或限用操作员证 书( r o c ) 。而且很多国家也要求一定吨位以上的渔船也要配备g m d s s 设备。 g m d s s 应符合1 9 7 4 年国际海上人命安全公约( s o l a s ) 的1 9 8 8 年修改生效的 新i v 章和国际电信联盟( i t u ) 1 9 8 7 年世界无线电大会修改的无线电规则新 九章的规定，具有以下功能： ( 1 ) 至少有两种分别独立的系统可以用于发送船至岸的遇险报警； ( 2 ) 接收岸至船的遇险报警功能； ( 3 ) 发送和接收船对船的遇险报警功能； ( 4 ) 搜救协调通信功能； ( 5 ) 遇险现场通信功能； ( 6 ) 发送和接收海上安全信息功能； ( 7 ) 同常通信的功能； ( 8 ) 驾驶台对驾驶台的通信功能； ( 9 ) 寻位搜救功能。 g m d s s 包括两个通信系统，一是卫星通信系统，一是地面通信系统0 1 。船用 设备主要有i n m a r s a t - a 船站、n m a r s a t - b 船站、i n m a r s a t - c 船站、船用 无线电话、d s c ( 数字选择性呼叫系统) 、n b d p ( 窄带直接印字电报) 、 n a v t e x ( 航行警告接收机) 、e p i r b ( 卫星应急无线电示位标系统) ，s a r t ( 搜救 雷达应答器) 等。 1 2g m d s s 模拟器研究及现状简介 s t c w7 8 9 5 公约中对无线电通信的模拟提出了建议性要求，因此可以据其来 发展g m d s s 模拟器，或者称之为无线电通信模拟器f 习( r a d i oc o m m u n i c a t i o n s i m u l a t o r ) 。此外，d n v ( 挪威船缴社) 也对g m d s s 模拟器研发提出了相应标准 【4 ：能模拟g m d s s 要求配备的所有设备；该模拟设备的屏幕显示和操作必须与 所模拟的真机完全相同：g m d s s 模拟器必须能进行系统联网，实现单机训练和 联网训练功能，g m d s s 模拟器还应该与航海模拟器或雷达模拟器相连接，以便 丌展海上遇险应急搜救的模拟训练等。g m d s s 模拟器也必须要引入模块化设计的 思想口i ，这一思想不仅仅是为了方便地构成不同型号、不同规模的模拟器，也是为 了考虑到将g m d s s 模拟器和船舶操纵模拟器组合在一个系统中使用，而这恰恰 是航海类模拟器发展的总趋势。 国内外一些公司及研究机构也较早就开始了对g m d s s 模拟器的研发，本文 系列( 一) 在1 3 节“g m d s s 模拟器的研究现状”里介绍了较常用、较有代表性 的三种模拟器产品，本节仅对使用最广泛的英国船商公司最新型n t p r o4 0 0 0 g m d s s 模拟器作简要介绍。图1 i 是该型模拟器学员台主界面。 幽l ln t p r o4 0 0 0g m d s s 模拟器 f i g 1 ，1n t p r o 4 0 0 0g m d s ss i m u l a t o r 该联网型模拟器教练台和学员台都采用p c 机实现，软件上模拟了g m d s s 所 有真设备，每个模拟设备的操作和真设备一致，且如上图所示，在界面操作风格 的人性化上都相较其上一代产品t g s 2 0 0 0 型g m d s s 模拟器有了很大改善。抛开 g m d s s 单独设备的仿真不谈，该型模拟器尚有三处设计值得模拟器开发人员借 鉴。第一，该型模拟器加入了电子海图选项，可供学员通过海图查看船位；第二， 该型模拟器中学员站数据统一从教练台中读耿；第j i ，浚型模拟器在每个学员站 上方设景一摄像头，在教练台中单独配备一显示器来观察学员的训练状态。 1 3g m d s $ 模拟器在航海模拟器中的地位 s t c w 7 8 9 5 公约对航行与值班、船舶操作和操纵、货物装卸和积载、无线电 通信、主机和辅机操作等非强制型模拟提出了建议性要求，因此可以将其提出的 模拟归入下面四种主要的模拟器中p j ： ( 1 ) 船舶操纵模拟器( s h i ph a n d l i n gs i m u l a t o r ) ： ( 2 ) 轮机模拟器( m a c f i n e r yo p e r a t i o ns i m u l a t o r ) ： ( 3 ) g m d s s 模拟器或无线电通信模拟器( r a d i oc o m m u n i c a t i o ns i m u l a t o r ) ： ( 4 ) 液货装卸模拟器( l i q u i dc a r g os i m u l a t o r ) 这四种模拟器将是航海模拟器发展的主要研究对象，也可以根据需要将上述 四种模拟器组合在一个系统中，构成船舶操作模拟器( s h i po p e r a t i o ns i m u l a t o r ) 大连海事大学航海动态仿真与控制实验室研发的v d r a g o n 2 0 0 0 功能完备型船 舶操纵模拟器能胜任有关航海技术的培训、评估任务，能承担工程论证、航行安 全评估、操纵方案预演、海事分析等科研性模拟任务。根据s t c w 一9 5 公约表a 1 i 1 3 及表a i i ，2 4 条款要求，功能完备的航海模拟器应该能处理海上遇险与安全 业务：遇险报警、搜寻救助、安全信息播发和日常通信等救协调作业。显然，引入 g m d s s 模拟器的必要性是显而易见的了。 1 4 本课题的提出 g m d s s 模拟器中工作于局域网中，局域网有线信道中的通信传输质量远好于 无线信道中通信传输质量，因此为增强模拟器真实感，需要在局域网有线信道中 仿真出g m d s s 在无线信道中传输的通信效果。 作为以教学培训为主要目的的g m d s s 模拟器来讲，还需要开发供教师使用 的的教练台系统。教练台与仅是单设备组成的学生台不同，它应具有相当强大的 功能，例如监控学员台的启动；查看每个学员台的通信情况，包括通信设备、通 信双方、通信时蒯及通信内容；教练台应能控制学员台设备，例如关闭学员台某 设备：教练台可以模拟岸站或者地面站的功能，给学员台发送海上安全信息等； 教练台也可以模拟r c c 功能，接收海一i ：遇险报警，给学员台发送救助协调信息等 等。 在第一阶段的工作中，g m d s s 模拟器基本完成了各单独设备的开发任务。第 二阶段的主要任务是：语音通信系统的完善与稳定，通信信道对通信效果的影响仿 真，教练台功能设置，s a r t 设备的仿真，e p i r b 设备的仿真。 基于以上原因，作者将g m d s s 模拟器中语音数据通信仿真及教练台功能研 究作为作者的研究课题。 1 5 文章内容结构安排 第一章，介绍g m d s s 模拟器课题第一阶段工作情况及本课题的提出。 第二章，本章主要介绍了短波电离层反射信道、甚高频信道和卫星信道的特 点，并从语音通信和数据通信两方面介绍了对g m d s s 中各设备通信质量的影响。 第三章，本章首先介绍了g m d s s 模拟器中使用的语音通信技术：v o i p 技术， 并对其重点知识语音编解码器和h 3 2 3 协议族做了介绍，然后在语音通信技术和 第二章中信道对语音通信质量影响的分析基础上，给出了信道对g m d s s 模拟器 中语音通信质量影响仿真的方法。 第四章，本章主要介绍了g m d s s 模拟器中使用的数据通信编程模型，并给 出了信道对数据通信影响仿真的方法。 第五章，介绍了对海上寻位搜救设备的仿真。 第六章，从教师、岸站、r c c 及陆地用户四个角度介绍了对教练台功能的设置。 第七章，总结了全文的工作。 第2 章信道对g m d s s 通信质量的影响 从信息传输的角度来看，信道即信息自始至终经过的通道。信道按研究范围 可分成狭义信道和广义信道【5 l ： ( 1 ) 狭义信道：仅指传输媒质：电缆、光缆、电离层、对流层等。 ( 2 ) 广义信道：除传输媒质外，还包括通信系统的某些设备，例如，编译码器、 调制解调器等，则所构成的系统称为广义信道，如图2 1 所示。 爨薯 逦p 匦哥篡：t 图2 1 广义信道简略豳 f i g 2 1g e n e r a l i z e dc h a n n e lc u r t a 1f i g u r e 2 ) 广义信道又按研究问题的不同，常分为调制信道和编码信道( 图2 1 ) ： ( 1 ) 调制信道：从调制输出端一解调输入端 ( 2 ) 编码信道：从编码输出端一解码输入端 本文中所讲的信道，都是指狭义信道而言。 g m d s s 船用设备主要是m f h f 电台、v h f 电台、n b d p 、i n m a r s a t b 船站、 i n m a r s a t - c 船站、n a v t e x 等，其中具有语音通信功能的设备是m f h f 选呼电台、 v h f 选呼电台和l n m a r s a t b 船站，其余设备的主要通信种类是电传式数据通信。 g m d s s 各设备通信方式不同通信种类和通信信道也各不相同。 本章主要介绍了g m d s s 船用设备各自使用的通信信道，并在对各信道传输 特征分析的基础上，给出了g m d s s 通信质量受信道影响最显著的特征。 2 1 信道对语音通信的影响 本节主要介绍了船用m f h f 电台、船用v h f 电台、i n m a r s a t b 船站的语音 信号传输所使用的信道特征，并在此基础上分析了信道对语音通信质量的主要影 响。 2 1 1 信道对船用m f h f 电台语音通信的影响 2 1 1 1m f h f 船用电台工作情况介绍 m f h f 船用电台：m f h f 通信系统由海岸电台和船台组成，用来实现船岸问 或船舶间中远距离通信，同时通过海岸电台的转接还可以实现船台与陆地公众网 用户的通信。m f h f 电台发射机频率范围为1 6 2 7 5m h z ，属于中、短波波段， m f h f 短波主要借助于电离层反射进行远距离通信i “。操作员可以独立地改变发 射频率，而不受接收频率的制约。 2 1 1 ，2 短波传播特点 在介绍短波传播特点前，先介绍几个相关概念。 地波传播：地波传播指电波沿地球表面传播。通常波长越长，绕射距离越远， 这是因为无线电波具有当其波长与障碍物尺寸相比拟时才能发生绕射的特性。地 波传播是有衰减的，原因主要有两个：一是天线电波扩散而引起的自然衰减；二 是随着传播距离的加大，电波传播受大地吸收( 主要是地面的电性能参数和地形 地物) 的影响很大，且波长越短影响越大。但是因为地面的电性能参数和地形地 物随时间的变化一般不大，地波传播稳定可靠，且受太阳照射状况变化的影响很 小，所以昼夜和四季的变化对它影响也很小。 电离层概念7 ：电离层是太阳的高能电磁辐射线辐射作用于高层大气，使之电 离而生成的出正离子、负离子及自出电子构成的能量很低的准中性等离子体区域。 它是对无线电波传播有着重要影响的区域。电离层距离地面的高度为6 0 3 0 0 k m ， 其带电粒子运动受地磁场制约，因此又称电离层介质为磁离子介质。电离层按照 电子密度随高度的变化又分为d 层、e 层和f 层( 如图2 2 所示) 。电离层参量是 时间( 时、同、季节) 、空制( 经度、纬度和高度) 和太阳活动的复杂函数，所有 高度上的电予密度都随地方时、季节和太阳活动有着重大变化，在地理位置上随 纬度有很复杂的结构。 d 层：高度5 0k m 至9 0k m 处，游离较弱，主要是吸收高频电波而产生。主 要反射无线电波中的中长波部分，而对短波部分却有吸收竹用。白天存在，夜晚 消失。白天最大电子密度约在7 0k i n 处 e 层：高度9 0k m 至1 5 0k m 处，包含由太阳辐射生成的一般e 层，和散块e 层。最大电子密度约在1 1 0 k i n 处， f 1 层：高度约在1 7 0 k i n 至2 2 0k m 处，经常出现在夏季白天，夜间及冬季常 消失。 f 2 层：出现在2 2 5 k m 至3 0 0k m 处，最大电子密度约在2 5 0 3 0 0 k m 处f 2 层电子密度是白天大、夜间小，冬季大、夏季小。 图2 2 电离层结构图 f i g 2 2f l a y e rs t r u c t u r e 电离层传输特性5 _ 7 】： 1 多径传输：电离层是半导电物质，其相对介电常数为【8 】 = 1 - 8 0 8 札f 2 ( 21 ) 式中m 一电子密度，以每立方米内的电子数计；厂一电磁波的频率，以h ：计。 电子密度j v 。随高度而变化，一般在f 层出现相对极大值。由于在可利用电离 层范围内( 主要是d 、e 、f 1 、f 2 层) ，m 随高度的增加而增加，故相对介电常数 。及媒质的折尉率( 它等于t ) 都随高度的增加而减小。当电波在这样的媒质中 传播时，因逐步折射使轨道发生弯曲，从而在某一高度将产生全反射。通常，在 短波电离层反射信道中，会发生多径传输现象，是因为电离层特性，电波可同过 若干条路径不同的传输模式到达接收端。一条通信线路中存在着多种传播路径， 不同的通信距离可能有不同的传输模式，而相同的距离也可能有多种传输模式存 在，这造成了短波通信存在多径的特点。对于多径路数的统计叭，多径路数在2 4 条约占8 5 ，以3 条出现几率最高。 2 。工作频率：当电磁波以角入射电离层时，能从电离层反射的最高频率穆 为最高可用频率( m u f ) ，当工作频率高于最高可用频率时，电磁波将穿透电离层， 不再返回地面。最高可用频率取决于电离层电子密度的最大值m 。及电磁波投射 到电离层的入射角纯。 3 频率色散：根据麦克斯韦方程组，可推导出【5 。9 ：在电导率为l 、介电常数 为占的物质媒质中，当电场源具有频率为的简谐振荡特性时，电场矢量为 e ：c ! p ，( 一h ( 22 ) ， 其中c 为与电场源( 强度、极化) 有关的常数：，一观测点至辐射源的距离 传播常数，k = 0 五，。 此时，波的传播速度为 v ：里：；一 ( 23 ) k 、3 p ， 、 由式2 3 可知，电离层中半导电媒质的介电常数都是电磁波的频率f = c o l 2 z 的函数，故传播常数k 与翻不为线性关系，由此导致电离层媒质中的信号会因各频 率分量的传播特性不同而畸变，即发生频率色散。 4 时空变化：由于电离层对电磁波的吸收损耗与层中电子密度成比例，而电离层的 电子密度随地球经纬度、昼夜、季节以及太阳1 1 年活动周期等而发生变化，故短 波在电离层中传播具有显著的时空变化特性。 通过对一h 述四个特点的分析，可以知道，短波信号经电离层传播后，电波特 p e 在空问( 由一点发送变为多处接收) 、时问( 多条路径分时到达，即时问色散) 和频率( 频率色散) 等方面都会发生变化，某一处接收到的信号是由具有不同时 延、频偏的多个分量的组合。 短波波长为l o 1 0 0 m ，频率为3 3 0 m h z ，靠地波和电离层波来传播。但 短波的地波传播，由于波长较短，沿地面绕射传播的能力差，且地面吸收强烈， 衰减很快，在陆地的传播距离般不超过1 0 0 k i n ，在海洋，最多也只能有1 5 0 k i n 。 靠电离层波传播时，因为频率较高，电离层波在电离层中损耗减小，可借助于电 离层进行一次或多次反射，进行远距离通信。一般情况下，电波穿过e 层在f 层 反射，这是因为e 层的电子密度不足以使电波反射回来。电波在电离层内的衰减 与频率有关，频率越高，衰减越小；当然频率太高时，电波就会穿越电离层，辐 射到外空间，不再折回地面。短波传播具有以下几个特点1 1 “】： f 1 ) 地波衰减很快，传播距离不远： ( 2 ) 天波传播距离远，但信号不稳定； ( 3 ) 有衰落现象。短波通信中的衰落现象比较严重，其原因主要有两种：一是 电离层的变化导致两路电波相位差的变化，接收点产生了衰落；二是也是主要原 因是当电波入射到电离层上时，产生漫反射现象。不同入射角的射线经电离层漫 反射后形成多径反射波。由于电离层的变化，多径反射波在接收点相位差随之变 化，产生衰落现象。 ( 4 1 存在寂静区。当发射频率一定时，在距离短波发射机附近和较远地区都能 收到信号，但在二者之间却有个环形区收不到信号，该区称为寂静区。因为对 地波来说，寂静区内因距发射台太远信号衰减而消失，不能收到；对天波来说， 由于存在跃距，而跃距大于地波传播的最远距离，形成了一个天地波均不能覆盖 的区域。 2 i 1 3 信道对船用m f h f 电台语音通信质量的影响 船用m - f h f 电台语音信号主要是通过短波电离层反射信道传输的。根据 2 1 1 2 节的分析可知，短波电离层反射信道极不稳定，电离层的特殊结构决定了 电离层反射信道对在其中传输的信号的影响，主要是多径传输、衰落带来的影响， 而反应在语音信号的接收效果上，主要表现为噪声( 干扰) 较大、衰落导致的音 量起伏不定( 严重时甚至无法通信) 、频率选择效应即在某时间段内在某频率频段 o 上无法实现通信等情况。 g m d s s 模拟器是从语音接收效果角度来对信道影响进行仿真的，根据上述分 析，主要从三个方面对短波电离层反射信道对语音信号的影响进行了仿真：噪声、 音量起伏和频率选择性特点。 2 1 2 信道对船用v 1 - 1 f 电台语音通信质量的影响 2 1 2 1v i t f 船用电台工作情况简介 v h f 船用电台的工作频段是1 5 6 1 7 4m h z ，波长小于2 m ，属于v i t f 频段。 v h f 无线电波主要依靠空问波传播，传播范围为视距范围，极限值限于1 0 0nm i l e ， 币常值约2 5i 1m i l e 采用调频制以提高抗干扰能力。电话通信种类是调频单路无线 电话。 2 1 2 2 空间波传播特点 在超短波波段，当发射天线和接收天线均高出地面个波长以上( 在海面为5 一1 0 个波长) ，即可忽略地面的作用，此时接收点场强是由地面反射波和空间直 射波合成的，我们称这两个波组成的相干传播为空间波传播。 当发射和接收天线相距不远时，地面可以看成平面。当发射和接收天线的距 离加大时，则必须考虑地球曲率的影响，地球曲率对空间波传播的影响是使空间 波传播的最远距离受到视距的限制。视距是指由于地球曲率的存在，当天线的高 度一定时，由天线顶端所能看到地面的最远距离。空间波主要是直射传播的，收 发天线高度越高，视距越远，传播距离也越远，当收发距离超出视距时，由于地 球衄率的存在，将空间波挡住，收不到信号。、所以空问波传播的最远距离就是视 距。 实际上，空问波传播时，由于大气介质是不均匀的，其折射系数随高度增加 而减小，这导致电波的射线变弯曲，使实际空间波传播距离会大于视距，称之为 超视距。在考虑超视距影响后，空间波传播视距为： d = 4 1 2 ( 啊+ 如) ( 椭) ( 24 ) 式中，h 、a ，分别为收发双方天线的高度，单位是m 2 1 ，2 3 信道对船用v h f 电台语音通信质量的影响 v h f 无线电波通信工作在超短波波段，如上文介绍，利用天线实现视距( 超 视距) 近似直线传播，由于收发双方之间采用天线实现点对点的传输，且距离较 短，因此传播条件比较稳定，可以看作是在恒参信道中的传输5 1 。恒参信道的性 质( 参数) 不随时间变化，或者变化极慢，因此这种信道具有传输容量大、发射 功率小、通信可靠稳定等特点。相对短波电离层信道，超短波信道对语音信号的 影响较小，在v h f 电台语音仿真时的重点是对语音信号通过超短波广义信道时引 入的噪声的仿真。 船用v h f 电台电话通信种类是调频单路无线电话”1 。在调频系统中，调频信 号解调时，存在门限效应6 7 ，现象是当输入信噪比比较大时，解调器输出信噪比 较高，此时信号清晰，噪声很小，输出信噪比与输入信噪比成线性关系；随着输 入信噪比的下降，在某一个值以下时，解调器输出信噪比严重恶化，噪声突然明 显变大，输出信噪比与输入信噪比不再成线性关系。这种现象称为门限效应。 由于门限效应的存在，v h f 船用电台当没有语音信号时，信噪比很小，所以收 听端听到的几乎都是噪声，噪声影响大；而当有语音信号时，信噪比变大，噪声 反而变小，收听端可以听得较清晰的语音。因此对v t t f 船用电台语音效果的仿真 重点是对门限效应的仿真，具体仿真方法将在第三章中介绍。 2 1 3 卫星信道对i n m a r s a t - b 系统语音通信质量的影响 2 1 3 1i n m a r s a t 系统介绍 i n m a r s a t 是国际移动卫星组织的简称，是唯一为海上船舶运输、管理、遇险通 信提供服务的移动卫星通信组织，它负责运营一个全球移动卫星通信系统，该系 统主要由i n m a r s a t 空间段( 卫星和地面控制设备) 、网络协调站( i n m a r s a t 运营和 管理) 、地面站( 各个i 啪a r s a t 成员国建设和运营) 、移动卫星用户终端构成。 移动卫星用户终端是指利用i n m a r s a t 系统进行通信的移动地球站，包括船 站( s e s ) 、车载站和机载站( m e s ) 。i m a r s a t 船站一般分为a 、b 、c 、m 四个种 类，在g m d s s 模拟器中模拟了b 站和c 站。 2 1 3 1i n m a r s a t b 系统 l n m a r s a b 系统是一个数字卫星通信系统，于1 9 9 3 年底开始投入使用，该系 统更有效地利用了卫星功率和频带，在本世纪将取代i a m a r s a t - a 系统。i m a r s a t b 系统有如下的特点： ( 1 ) 每一信道带宽小、话音信道由a 系统的3 0 k h z 减为2 0 k h z ，可提供更多信 道： ( 2 ) 整个系统带宽，由a 系统的8 5 m h z 增加到2 0 m h z ； ( 3 ) 采用话音激活载波技术，可充分利用卫星的功率； ( 4 ) 发射频率与接收频率不成对出现，减小了互调的影响； i n m a r s a t b 船站工作在l 波段，其发射频范围是1 6 2 6 5 0 0 m h z 一1 6 4 6 5 0 0 m h z ， 接收频率范围是1 5 2 5 0 0 0 1 5 4 5 5 0 0m h z ，通信信道由网络协调站分配。 2 1 3 2 卫星信道对i n m a r s a t - b 船站语音通信质量的影响 卫星通信是利用人造地球卫星作为中继转发站实现的通信。当人造地球卫星 的运行轨道在赤道平面上、距离地面3 5 8 6 0k m 时，其绕地球一周的时间为2 4h ， 在地球上看到的该卫星是相对静止的，因此称其为地球同步卫星。利用它作为中 继站，可以实现地球上1 8 0 0 0t o n 范围内的多点通信。地球同步卫星是电磁波直线 传播，因此其信道传播性能稳定可靠，传输距离远，容量大。同步卫星中继信道 可以看作是恒参信道【扪。i r t m a r s a t 系统使用的卫星即是地球同步卫星，所以 i n m a r s a t - b 船站语音信号较稳定，卫星信道对其最显著影响就是话音延迟。所以在 i n m a r s a t b 船站双向直拨数字电话语音质量的仿真中主要考虑的就是对话音延迟 的仿真。根据距离s 、速度v 与传输时间f 的关系式： t = s v f 2 5 ) 可知，传输时间，与传输距离j 成证比，与传输速度v 成反比。电波在卫星信道中 的传输速度v 可以认为是固定不变的，因此传输时间，的大小取决于传输距离s 。 语音信号通过卫星中转到达目的地的距离非常远，因此传输时问f 也较大，幽此导 致语音信号的延迟。 2 2 信道对数据通信的影响 数据一般分为模拟数据和数字数据两大类。模拟数据( a n a l o gd a t a ) 是由传感 器采集得到的连续变化的值，例如温度、压力，以及目前在电话、无线电和电视 广播中的声音和图像。数字数据( d j g it a ld a t a ) 则是模拟数据经量化后得到的离 散的值，例如在计算机中用二进制代码表示的字符、图形、音频与视频数据。 数字数折 通信( d i g i t a ld a t ac o m m u njc a t i o n ) 指直接利用数字传输技术在数 字设备之间传输数字数据，或模拟数据对应的数字信号。由于计算机使用二进制 数字信号，因而计算机与其外部设备之间，以及计算机局域网大多直接采用数字 数据通信。 在g m d s s 中船用n b d p 设备、c 船站、d s c 设备选呼过程的通信都是电传式数 字数据通信，b 船站中电传通信也是其主要功能之一。如2 1 3 2 中，卫星信道可 以看作恒参信道，因此b 船站、c 船站的电传通信质量比较好，误码率很小，在 g m d s s 模拟器中没有考虑信道对其电传通信的影响。本文仅对采用短波信道传输的 n b d p 数字数据传输作了较详细介绍。 2 2 1 信道对w h f 设备数据通信的影响 g m d s s 中m f h f 设备包括n b d p 船用设备和m f h fd s c 选呼设备。因为d s c 选呼过程中的数字数据通信量较小，所以本节主要介绍了n b d p 通信的数据编码和 其工作方式，给出了信道对其通信质量的影响。 2 2 1 1n b d p 数据通信 1 n b d p 功能 窄带直接印字( n b d p ) 终端是g m d s s 地面通信系统中船用m f h f 设备的主要终 端之一。它与m f h f 通信设备相连可实现如下通信功能f 1j ： ( 1 ) 船台船台之间自动或半自动电传通信； ( 2 ) 船台付岸台付国际国内公众电传网用户存贮式或直通式电传通信： ( 3 ) 航运企业寸岸台_ 企业所属团队电传； ( 4 ) m s i 啼岸台一向所有船台发广播式电传。 上述第1 ，2 项功能，属于点与点之间的通信，采用a r q ( 自动请求重发) 方 式；第3 项属于点对多点形式，采用s f e c ( 选择性前向纠错) 方式；第4 项属于 点对所有点式，采用c f e c ( 公共性前向纠错) 方式。 2 n b d p 通信编码 编码是指将一定位数的二进制数字( 1 或0 ) 按特定的规则进行排列，每一组 分别用来表示一种特定的字符或信息。在n b d p 通信中，涉及到的编码有以下三种 ： ( 1 ) 4 b 3 y 码或4 y 3 b 码：4 b 3 y 编码是一种七单元码，其中b 代表二进制0 ， y 代表“l ”，即这种编码中固定有4 个“0 ”，3 个1 。4 y 3 b 码实际上是4 b 3 y 的反码： ( 2 ) i t an o 2 码：i t an o 2 码是国际，国内公众电报网内传输的信息码，是一 种五单元二进制码。为实现船台经岸台中转与国外国内公众电报网用户间的电传 通信，或国外国内公众电报网用户间经岸台发广播式电传时，岸台的n b d p 设备必 须能将4 b 3 y 或4 y 3 b 七单元码与i t an o 2 五单元码间进行相互变换； ( 3 ) m e i i 码：船用n b d p 终端设备一般由外围设备和a r q 设备构成，而外围 设备常用微机担当，微机中的键盘、c r t 、打印机之间的通信所采用的编码就是a s c i i 码，是七位二进制编码。在一次完整的n b d p 通信中，上述3 种码间变换是必须 的。 3 n b d p 工作方式 n b d p 设备作为m f h f 通信设备的终端，必须与m f h f 通信设备相连使用，才 能完成它的功能。发射电文时，首先在数据终端上将预发电文编辑并存储，然后 选择n b d p 通信方式，设置收发频率，并调好发射机，这时就可按选定的方式( 如 a r q ) 依照用户程序菜单启动呼叫。通信链路建立后，电文以组( 每三个字符为一 组) 的形式进入处理电路，并调制某载波，经过天线辐射出去。 通常n b d p 接收机对某个信道进行守听，一旦检测到呼叫本台的识别码，就自 动打开发射机并将接收机哑控，然后将应答信息从发射机发出。所收信息会被打 印出。从被呼台接收天线上收到一组字符的结束时刻开始，到发射机发出相应的 控制信号之间会存在一定延迟。 对n b d p 数据通信的仿真重点就是对其字符分组发送、自动应答、自动应答延 迟、a r q 通信步骤等方面的仿真。 2 2 1 2 信道对n b d p 数据通信的影响 在本节内容前，先引入通信系统中噪声的概念。在通信系统的任一部分出现的 任何不需要的电压或电流统称为噪声“。根据噪声的产生源，可以将之分为外部 噪声( 或干扰) 和内部噪声。外部噪声指从系统外进入的一切无用信号，包括工 业干扰、天电干扰和宇宙干扰；内部噪声指系统本身产生的噪声，包括热噪声( 白 噪声) 、晶体管噪声等。 n b d p 电传通信属于数字通信，电传在编码后经m f h f 信道传输。数字信号在 传输过程中，由于受干扰和噪声的影响，信号的码元形状会变坏，收方处理判决 时会产生错误，造成错码。错码分为随机性错码和突发性错码。随机性错码是指 错码的出现是随机的，错码之间是统计独立的，它一般是由噪声引起的。突发性 错码是指在很短时间内出现成串错码，它一般是由脉冲干扰或信道衰落引起的， 而在m f h f 信道中衰落的影响是主要的。上文已有介绍，n b d p 通信中采用4 b 3 y 恒比码。4 b 3 y 恒比码1 8 1 具有较强的检错能力，它能检测出所有奇数个码元的错误 及部分偶数个码元的错误，只是不能检测码组中“1 ”变“0 ”与“0 ”变“l ”的 错码数相同的偶数错码，不过这种情况发生的概率极低【8 1 0 1 。 4 b 3 y 恒比码检错的目的就是纠错。n b d p 中纠错的方法有两种，随工作方式 的不同而异。对其在本节不作具体介绍。 2 2 1 3d s c 数据通信 1 d s c 功能 i ) s c 是用来实现遇险报警和选择行呼叫的一个数字终端设备，它与m f h f v h f 电台设备相连可完成下列功能：遇险呼叫、全呼、海呼、组呼、选呼、海上业务 呼叫。 2 d s c 编码及检错措施 d s c 数字选呼的每一种呼叫序列都是由若干码组组成，其中每个码组由若干个 字节组成。每一个字节由十单元二进制码构成，其中前七位是信息码元，后三位 是检错码元，其中检错码元的值正好是信息码中“0 ”的个数，因此此种码也称为 群计数码。收方根据检错码元值检查信息码元中0 的个数，就可判别所收信息码 是否有错。 3 d s c 呼叫序列 用d s c 终端进行呼叫时，发射信号是一个包含一系列信息的编码序列，称为 呼口q 序列，其典型格式如表】所示。 袭2 1b s c 呼叫序列格式 t a b2 1d s cc a l lf o r m a t 点晦定相序格式符地址类别f j 识别电文序列终校验符 列止符 2 2 1 4 信道对d