一個(gè)基于PXI總線的半實(shí)物仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(nèi)一種應(yīng)用較為廣泛的仿真技術(shù)，是計(jì)算機(jī)仿真回路中接入一些實(shí)物進(jìn)行的試驗(yàn)。

半實(shí)物仿真是一種通俗的稱謂，其準(zhǔn)確的意義是實(shí)物在回路中的仿真，國際上通稱為“Hardware In The Loop Simulation”。它是把部分?jǐn)?shù)學(xué)模型、部分物理模型和實(shí)際設(shè)備聯(lián)系在一起運(yùn)轉(zhuǎn)，組成仿真系統(tǒng)，同時(shí)在系統(tǒng)中進(jìn)行的仿真試驗(yàn)。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(tǒng)結(jié)構(gòu)更易修改、優(yōu)化。研發(fā)費(fèi)用更加低廉，周期更短。和數(shù)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(shù)據(jù)傳輸半實(shí)物仿真系統(tǒng)。該圖像數(shù)據(jù)終端設(shè)備通過中繼衛(wèi)星與接收設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。由于該圖像數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用碼分多址的工作體制，當(dāng)多個(gè)終端同時(shí)工作時(shí)系統(tǒng)性能會因?yàn)榻邮赵O(shè)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(tǒng)進(jìn)行模擬驗(yàn)證該系統(tǒng)在多個(gè)用戶終端同時(shí)工作時(shí)，多少個(gè)用戶同時(shí)工作會產(chǎn)生多徑干擾。此外，該仿真系統(tǒng)在此后的針對碼分多址問題進(jìn)行的圖像傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)工作中，也能起到輔助驗(yàn)證的作用。

1 系統(tǒng)組成

整個(gè)圖像數(shù)據(jù)傳輸半實(shí)物仿真系統(tǒng)由兩部分組成：模擬多個(gè)數(shù)據(jù)終端設(shè)備的多用戶終端模擬器和模擬地面接收設(shè)備的地面模擬器。

多用戶終端模擬器功能：模擬產(chǎn)生多路圖像信號，并與1路數(shù)據(jù)終端設(shè)備的圖像信號合并，通過天線發(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(dú)立的硬件設(shè)計(jì)。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(dú)立設(shè)置頻點(diǎn)。

地面模擬器功能：接收上述圖像信號，依據(jù)指定偽碼將其中1路圖像信號解析出來后用上位機(jī)軟件播放，根據(jù)接收到圖像內(nèi)容的正確性驗(yàn)證系統(tǒng)滿載容量下的工作性能。

地面模擬器的下變頻、解調(diào)及解擴(kuò)模塊采用美國國家儀器公司(NI)的PXI機(jī)箱、控制器及PXI板卡實(shí)現(xiàn)。地面模擬器還配備了擴(kuò)頻調(diào)制及上變頻模塊，以便和下變頻、解調(diào)及解擴(kuò)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)議開發(fā)、自閉環(huán)調(diào)試驗(yàn)證。各模塊的技術(shù)參數(shù)可通過基于LabVIEW工具開發(fā)的系統(tǒng)軟件配置各板卡嵌入式軟件中的參數(shù)進(jìn)行修改。

PXI總線系統(tǒng)是NI公司于1997年利用PCI總線的擴(kuò)展發(fā)布的總線系統(tǒng)，是繼VXI總線儀器之后，一種新型的模塊化儀器系統(tǒng)。PXI總線系統(tǒng)除了具有PCI總線的功能外，增加了用于多模塊同步的觸發(fā)總線和參考時(shí)鐘、用于進(jìn)行精確定時(shí)的星形觸發(fā)總線以及用于相鄰模塊間高速通信的局部總線來滿足實(shí)驗(yàn)和測量對高性能儀器儀表的要求。PXI規(guī)范是在Comp act PCI機(jī)械規(guī)范中增加了環(huán)境測試和主動(dòng)冷卻要求，以保證多廠商產(chǎn)品的互操作性和系統(tǒng)的易集成性。PXI成為一種系統(tǒng)級規(guī)范，使系統(tǒng)易于集成與使用，從而進(jìn)一步降低開發(fā)成本。

地面模擬器的板卡選型：控制器PXIe-8133是PXI設(shè)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(jié)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(tǒng)內(nèi)可以進(jìn)行自閉環(huán)調(diào)試，驗(yàn)證信道參數(shù)的設(shè)置正確性。

2 單元設(shè)計(jì)

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(shù)據(jù)存儲到板載FLASH中，由FPGA讀出圖像壓縮數(shù)據(jù)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(kuò)頻、調(diào)制、DA接口配置及數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)換等功能。

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

FPGA芯片負(fù)責(zé)壓縮圖像的擴(kuò)頻調(diào)制及PCI9054接口芯片的控制操作。

D/A芯片負(fù)責(zé)數(shù)字/模擬信號轉(zhuǎn)變，形成中頻信號輸出。

FLASH存儲器用于存儲圖像數(shù)據(jù)，圖像數(shù)據(jù)可以通過PCI工控機(jī)進(jìn)行更新。

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

依據(jù)以上功能需求，F(xiàn)PCA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(biāo)準(zhǔn)板卡的上下變頻及調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)系統(tǒng)

接收解調(diào)系統(tǒng)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(qū)動(dòng)軟件、測控模擬軟件組成。圖中控制器是基于PXIe總線的NI嵌入式控制器。

NI PXIe嵌入式控制器為PXI測量系統(tǒng)提供具有高性能而緊湊的嵌入式計(jì)算機(jī)解決方案，嵌入式控制器配有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備(如：集成CPU、硬盤、RAM、以太網(wǎng)、視頻、鍵盤/鼠標(biāo)、串口、USB和其他外設(shè))以及Microsoft Windows和所有已經(jīng)安裝的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。圖4為M PXIe機(jī)箱外觀圖。

上下變頻及調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)框圖如圖5所示。

系統(tǒng)由嵌入式主控板、下變頻模塊、綜合基帶解調(diào)模塊、綜合基帶調(diào)制模塊以及上變頻模塊組成。下變頻模塊(包含頻率轉(zhuǎn)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(diào)制基帶處理模塊輸出的中頻信號，上變頻到對應(yīng)的S頻段射頻信號。

綜合基帶解調(diào)模塊對中頻信號進(jìn)行采樣，在數(shù)字域完成擴(kuò)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(xiàn)流程控制和參數(shù)計(jì)算設(shè)置。解調(diào)解碼后的原碼數(shù)據(jù)通過PXI總線發(fā)送給上位機(jī)軟件，由軟件進(jìn)行圖像軟解碼、顯示等操作。

綜合基帶調(diào)制模塊，對輸入的遙控?cái)?shù)據(jù)或遙測數(shù)據(jù)，進(jìn)行加擾、編碼、碼型變化、擴(kuò)頻等運(yùn)算，在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)載波調(diào)制，然后送給DAC，完成數(shù)模轉(zhuǎn)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(shè)備。

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

3 仿真驗(yàn)證

該圖像數(shù)據(jù)傳輸半實(shí)物仿真系統(tǒng)研制完成后，進(jìn)行多用戶終端仿真驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：在目前的工作模式下，當(dāng)超過4臺終端同時(shí)工作時(shí)，就會出現(xiàn)由于碼分多址干擾導(dǎo)致的信號解碼失敗的問題。

4 結(jié)論

本文介紹了一套半實(shí)物仿真系統(tǒng)，該仿真系統(tǒng)用于對某圖像數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)多個(gè)用戶終端同時(shí)工作時(shí)的多徑干擾情況進(jìn)行仿真驗(yàn)證，以了此某圖像數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)在多個(gè)用戶終端同時(shí)工作時(shí)產(chǎn)生多徑干擾時(shí)的用戶終端數(shù)量。

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

通過多用戶工作仿真驗(yàn)證，證明該系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的技術(shù)要求。該半實(shí)物仿真系統(tǒng)還可以對后續(xù)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(tǒng)的地面模擬器通過該NI標(biāo)準(zhǔn)板卡搭建，在進(jìn)行完模擬驗(yàn)證任務(wù)后，用戶可以通過進(jìn)行軟件二次開發(fā)，調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)可以適應(yīng)新的通信體制，仍然能夠在為后續(xù)研制、仿真及測試工作發(fā)揮作用，避免了研制專用設(shè)備的局限。