一個(gè)基于PXI總線(xiàn)的半實(shí)物仿真系統的設計與實(shí)現

半實(shí)物仿真作為仿真技術(shù)的一個(gè)分支，是工程領(lǐng)域內一種應用較為廣泛的仿真技術(shù)，是計算機仿真回路中接入一些實(shí)物進(jìn)行的試驗。

半實(shí)物仿真是一種通俗的稱(chēng)謂，其準確的意義是實(shí)物在回路中的仿真，國際上通稱(chēng)為“Hardware In The Loop Simulation”。它是把部分數學(xué)模型、部分物理模型和實(shí)際設備聯(lián)系在一起運轉，組成仿真系統，同時(shí)在系統中進(jìn)行的仿真試驗。這樣更接近實(shí)際情況，從而得到更確切的信息。和物理仿真相比，半實(shí)物仿真的系統結構更易修改、優(yōu)化。研發(fā)費用更加低廉，周期更短。和數學(xué)仿真相比，半實(shí)物仿真更加逼真，仿真精度更高。

本文介紹了一套圖像數據傳輸半實(shí)物仿真系統。該圖像數據終端設備通過(guò)中繼衛星與接收設備進(jìn)行數據傳輸。由于該圖像數據傳輸系統采用碼分多址的工作體制，當多個(gè)終端同時(shí)工作時(shí)系統性能會(huì )因為接收設備受到多址干擾的影響而降低。因此需要研制一套仿真系統進(jìn)行模擬驗證該系統在多個(gè)用戶(hù)終端同時(shí)工作時(shí)，多少個(gè)用戶(hù)同時(shí)工作會(huì )產(chǎn)生多徑干擾。此外，該仿真系統在此后的針對碼分多址問(wèn)題進(jìn)行的圖像傳輸系統設計改進(jìn)工作中，也能起到輔助驗證的作用。

1 系統組成

整個(gè)圖像數據傳輸半實(shí)物仿真系統由兩部分組成：模擬多個(gè)數據終端設備的多用戶(hù)終端模擬器和模擬地面接收設備的地面模擬器。

多用戶(hù)終端模擬器功能：模擬產(chǎn)生多路圖像信號，并與1路數據終端設備的圖像信號合并，通過(guò)天線(xiàn)發(fā)射出去。各路圖像信號偽碼各不相同。

模擬圖像信號由圖像基帶處理單元和圖像射頻處理單元產(chǎn)生。圖像基帶處理單元為PCI板卡，有2個(gè)完全相同的基帶處理模塊，為防止各路圖像源信號相互干擾，每個(gè)模塊為獨立的硬件設計。圖像射頻處理單元為完全相同的射頻處理模塊，將中頻圖像上變頻到射頻頻率，并且可以獨立設置頻點(diǎn)。

地面模擬器功能：接收上述圖像信號，依據指定偽碼將其中1路圖像信號解析出來(lái)后用上位機軟件播放，根據接收到圖像內容的正確性驗證系統滿(mǎn)載容量下的工作性能。

地面模擬器的下變頻、解調及解擴模塊采用美國國家儀器公司(NI)的PXI機箱、控制器及PXI板卡實(shí)現。地面模擬器還配備了擴頻調制及上變頻模塊，以便和下變頻、解調及解擴模塊組成中頻或射頻的自閉環(huán)路，便于地面模擬器能夠進(jìn)行通信協(xié)議開(kāi)發(fā)、自閉環(huán)調試驗證。各模塊的技術(shù)參數可通過(guò)基于LabVIEW工具開(kāi)發(fā)的系統軟件配置各板卡嵌入式軟件中的參數進(jìn)行修改。

PXI總線(xiàn)系統是NI公司于1997年利用PCI總線(xiàn)的擴展發(fā)布的總線(xiàn)系統，是繼VXI總線(xiàn)儀器之后，一種新型的模塊化儀器系統。PXI總線(xiàn)系統除了具有PCI總線(xiàn)的功能外，增加了用于多模塊同步的觸發(fā)總線(xiàn)和參考時(shí)鐘、用于進(jìn)行精確定時(shí)的星形觸發(fā)總線(xiàn)以及用于相鄰模塊間高速通信的局部總線(xiàn)來(lái)滿(mǎn)足實(shí)驗和測量對高性能儀器儀表的要求。PXI規范是在Comp act PCI機械規范中增加了環(huán)境測試和主動(dòng)冷卻要求，以保證多廠(chǎng)商產(chǎn)品的互操作性和系統的易集成性。PXI成為一種系統級規范，使系統易于集成與使用，從而進(jìn)一步降低開(kāi)發(fā)成本。

地面模擬器的板卡選型：控制器PXIe-8133是PXI設備的CPU控制器，主要完成各個(gè)單板的控制;圖像基帶處理模塊PXIe-7965R完成圖像基帶信號的處理;矢量信號發(fā)生器PXIe -5673和矢量信號分析儀PXIe-5663E同時(shí)結合PSK-DSSS矢量信號發(fā)生器軟件，完成射頻信號的變頻、發(fā)射和接收等處理;低噪放PXI-5691和程控衰減器PXI-5695用于射頻信號的放大和衰減。地面模擬器自帶發(fā)射和接收模塊，系統內可以進(jìn)行自閉環(huán)調試，驗證信道參數的設置正確性。

2 單元設計

2.1 圖像基帶處理單元

圖像基帶處理單元原理框圖如圖3所示。

圖像基帶處理單元對圖像信號進(jìn)行如下處理：測試使用的圖像壓縮數據存儲到板載FLASH中，由FPGA讀出圖像壓縮數據進(jìn)行處理，完成對成幀后的圖像碼流進(jìn)行幀同步、加擾、RS+卷積編碼、碼型變換、擴頻、調制、DA接口配置及數據接口轉換等功能。

圖像基帶處理單元的功能主要由兩片DA轉換芯片和兩片FPGA芯片實(shí)現。其中D/A轉換芯片主要完成數模轉換及中頻上變頻，其他的數字信號處理功能主要由FPGA完成。

FPGA芯片負責壓縮圖像的擴頻調制及PCI9054接口芯片的控制操作。

D/A芯片負責數字/模擬信號轉變，形成中頻信號輸出。

FLASH存儲器用于存儲圖像數據，圖像數據可以通過(guò)PCI工控機進(jìn)行更新。

PCI9054接口芯片完成偽碼信息的下載、壓縮圖像數據的下載和狀態(tài)信息的上傳功能。

依據以上功能需求，FPCA軟件頂層劃分為5個(gè)大模塊，各模塊及子模塊具體描述如表2所示。

2.2 基于NI標準板卡的上下變頻及調制解調系統系統

接收解調系統由嵌入式控制器、下變頻模塊(即矢量信號分析儀)、基帶處理模塊、板卡驅動(dòng)軟件、測控模擬軟件組成。圖中控制器是基于PXIe總線(xiàn)的NI嵌入式控制器。

NI PXIe嵌入式控制器為PXI測量系統提供具有高性能而緊湊的嵌入式計算機解決方案，嵌入式控制器配有標準設備(如：集成CPU、硬盤(pán)、RAM、以太網(wǎng)、視頻、鍵盤(pán)/鼠標、串口、USB和其他外設)以及Microsoft Windows和所有已經(jīng)安裝的設備驅動(dòng)程序。圖4為M PXIe機箱外觀(guān)圖。

上下變頻及調制解調系統框圖如圖5所示。

系統由嵌入式主控板、下變頻模塊、綜合基帶解調模塊、綜合基帶調制模塊以及上變頻模塊組成。下變頻模塊(包含頻率轉換模塊)接收輸入的S頻段射頻信號，下變頻到70MH z/140 MHz中頻信號。上變頻模塊接收調制基帶處理模塊輸出的中頻信號，上變頻到對應的S頻段射頻信號。

綜合基帶解調模塊對中頻信號進(jìn)行采樣，在數字域完成擴頻捕獲跟蹤、載波同步、幀同步、解碼等工作，主要工作在FPGA中完成，DSP實(shí)現流程控制和參數計算設置。解調解碼后的原碼數據通過(guò)PXI總線(xiàn)發(fā)送給上位機軟件，由軟件進(jìn)行圖像軟解碼、顯示等操作。

綜合基帶調制模塊，對輸入的遙控數據或遙測數據，進(jìn)行加擾、編碼、碼型變化、擴頻等運算，在數字域實(shí)現載波調制，然后送給DAC，完成數模轉換，輸出70 MHz、140MHz的中頻信號送給上變頻模塊或直接輸出待測設備。

圖中主控模塊是基于PXIe/PXI總線(xiàn)的NI嵌入式控制器。它們適合基于PXI或PXI Express的系統。

3 仿真驗證

該圖像數據傳輸半實(shí)物仿真系統研制完成后，進(jìn)行多用戶(hù)終端仿真驗證試驗，試驗結果表明：在目前的工作模式下，當超過(guò)4臺終端同時(shí)工作時(shí)，就會(huì )出現由于碼分多址干擾導致的信號解碼失敗的問(wèn)題。

4 結論

本文介紹了一套半實(shí)物仿真系統，該仿真系統用于對某圖像數據傳輸系統多個(gè)用戶(hù)終端同時(shí)工作時(shí)的多徑干擾情況進(jìn)行仿真驗證，以了此某圖像數據傳輸系統在多個(gè)用戶(hù)終端同時(shí)工作時(shí)產(chǎn)生多徑干擾時(shí)的用戶(hù)終端數量。

本半實(shí)物仿真系統在發(fā)射端使用了與實(shí)際情況十分接近的多用戶(hù)終端，而在接收端采用了具有通用性的NI公司的PXI總線(xiàn)機箱與板卡實(shí)現。

通過(guò)多用戶(hù)工作仿真驗證，證明該系統設計達到了預期的技術(shù)要求。該半實(shí)物仿真系統還可以對后續的抗多址干擾技術(shù)的仿真以及改進(jìn)能夠提供有力的技術(shù)支持。

該系統的地面模擬器通過(guò)該NI標準板卡搭建，在進(jìn)行完模擬驗證任務(wù)后，用戶(hù)可以通過(guò)進(jìn)行軟件二次開(kāi)發(fā)，調制解調系統可以適應新的通信體制，仍然能夠在為后續研制、仿真及測試工作發(fā)揮作用，避免了研制專(zhuān)用設備的局限。