測(cè)控系統(tǒng)仿真與測(cè)控設(shè)備軟件化技術(shù)
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2．測(cè)控設(shè)備軟件化技術(shù)基礎(chǔ)
測(cè)控設(shè)備軟件化的技術(shù)理論是軟件無(wú)線電。軟件無(wú)線電技術(shù)突破了傳統(tǒng)的無(wú)線電設(shè)備以功能單一、可擴(kuò)展性差的硬件為核心的設(shè)計(jì)局限性，強(qiáng)調(diào)以開(kāi)放性的最簡(jiǎn)硬件為通用平臺(tái)，盡可能地用可編程、可升級(jí)、可重配置的應(yīng)用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)各種無(wú)線電功能的設(shè)計(jì)新思路。用戶可通過(guò)選用不同的應(yīng)用軟件，在通用的、可擴(kuò)展的硬件平臺(tái)上，滿足不同時(shí)期、不同使用環(huán)境的不同功能的需要，并可適應(yīng)不斷發(fā)展的技術(shù)進(jìn)步，節(jié)省大量的硬件投資，大大縮短新產(chǎn)品的研制開(kāi)發(fā)周期，適時(shí)地適應(yīng)市場(chǎng)變化。
測(cè)控設(shè)備軟件化的基礎(chǔ)是數(shù)字化，其核心是數(shù)字器件、芯片的超高速時(shí)間響應(yīng)及超大規(guī)模的高度集成。當(dāng)前，微電子技術(shù)發(fā)展迅速，單塊集成芯片上的晶體管數(shù)目每隔18個(gè)月就增加1倍，2001年已有10億個(gè)晶體管的集成芯片面世，未來(lái)20年中，將出現(xiàn)1萬(wàn)億個(gè)晶體管的集成芯片。數(shù)字電路的高度集成化，為測(cè)控設(shè)備軟件化技術(shù)發(fā)展提供了有力保證。
3．測(cè)控設(shè)備軟件化技術(shù)的特點(diǎn)
測(cè)控設(shè)備軟件化是利用可編程技術(shù)，通過(guò)加載不同的軟件，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，一站多用，從而完成多種功能、多種技術(shù)狀態(tài)的測(cè)控任務(wù)。測(cè)控設(shè)備軟件化的技術(shù)特點(diǎn)主要有：
?。?）軟件化具有很強(qiáng)的靈活性，通過(guò)增加軟件模塊，可以很容易增加新的功能，可以通過(guò)無(wú)線加載改變軟件模塊或更新軟件，并可根據(jù)所需功能的強(qiáng)弱，取舍選用的軟件模塊；
（2）軟件化具有較強(qiáng)的開(kāi)放性，它采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)，硬件可以隨著器件和技術(shù)的發(fā)展而更新或擴(kuò)展，軟件也可以隨需要而不斷升級(jí)；
?。?）軟件化可以方便地應(yīng)用豐富的軟件算法進(jìn)行數(shù)據(jù)的平滑處理、系統(tǒng)誤差的修正、建模預(yù)測(cè)分 析、線性或非線性補(bǔ)償及特定條件下的模糊控制，從而有效地提高測(cè)控精度；
?。?）軟件化可以大量減少設(shè)備硬件種類(lèi)和數(shù)量，提高設(shè)備小型化水平和系統(tǒng)可靠性，同時(shí)大大降低測(cè)控系統(tǒng)的研制費(fèi)用和成本；
（5）軟件化便于測(cè)控設(shè)備模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化。
4．測(cè)控設(shè)備軟件化技術(shù)的內(nèi)容
測(cè)控設(shè)備軟件化技術(shù)主要包括：
?。?）測(cè)控視頻數(shù)據(jù)處理軟件技術(shù)，包括數(shù)據(jù)處理模塊、可重組監(jiān)控軟件模塊、事后數(shù)據(jù)處理模塊等；
?。?）信道的模塊化與可重組技術(shù)及由中頻到射頻的軟件化延伸；
?。?）終端設(shè)備的可編程、可重組、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)；
（4）天線的指向編程控制技術(shù)。
5．軟件化技術(shù)的發(fā)展方向
測(cè)控設(shè)備軟件化技術(shù)以軟件為主導(dǎo)，它的所有工作過(guò)程和參數(shù)處理都可以由軟件來(lái)定義和控制，其發(fā)展方向可從以下幾方面進(jìn)行闡述：
?。?）射頻前端采樣數(shù)字化技術(shù)。軟件無(wú)線電的宗旨是盡可能簡(jiǎn)化射頻模擬前端，使A／D轉(zhuǎn)換盡可能地靠近天線去完成模擬信號(hào)的數(shù)字化，而且數(shù)字化后的信號(hào)要盡可能地用軟件來(lái)處理，實(shí)現(xiàn)各種功能和指標(biāo)。隨著數(shù)字芯片及器件的頻響速率的迅速提高，幾千兆赫茲的速率已達(dá)到工程應(yīng)用階段，可以構(gòu)想，在不久的時(shí)間內(nèi)，射頻直接帶通采樣數(shù)字化將有重大突破；
?。?）基帶空間傳輸。在無(wú)線傳輸中，具有嚴(yán)格規(guī)律特性的正弦波一直是載波信號(hào)的主要形式，基帶空間傳輸就是要擯棄正弦波載波調(diào)制，以數(shù)字化形式直接實(shí)現(xiàn)空間傳輸。它的傳播媒介為非常窄的時(shí)域脈沖，脈寬一般小于1 ns。它的信號(hào)能量分布在從直流（DC）到幾千兆赫茲范圍，可以用超寬帶天線低失真地輻射和接收；
（3）軟件測(cè)試鑒定技術(shù)。由于軟件在軟件化的測(cè)控設(shè)備中起主導(dǎo)作用，那么對(duì)軟件的正確性、可靠性測(cè)試與鑒定將成為一項(xiàng)專(zhuān)門(mén)技術(shù)。
四、測(cè)控系統(tǒng)仿真與測(cè)控設(shè)備軟件化技術(shù)應(yīng)用綜合
目前，比較流行的幾種通信仿真設(shè)計(jì)平臺(tái)如COSSAP、SPW、SystemView等都能滿足從數(shù)字信號(hào)處理、濾波器設(shè)計(jì)，到復(fù)雜的通信系統(tǒng)等不同層次的設(shè)計(jì)、仿真要求。在這些系統(tǒng)中，可以在DSP、通信和控制系統(tǒng)中構(gòu)造出復(fù)雜的模擬、數(shù)字、混合和多速率系統(tǒng)。系統(tǒng)具有大量可選擇的庫(kù)，允許用戶有選擇地增加通信、邏輯、DSP和射頻／模擬功能模塊，可進(jìn)行各種系統(tǒng)時(shí)域／頻域分析，能夠?qū)ι漕l／模擬及其混合系統(tǒng)進(jìn)行理論分析和失真分析。當(dāng)然，通用通信系統(tǒng)的仿真平臺(tái)在很大程度上還不能滿足測(cè)控通信系統(tǒng)的應(yīng)用仿真需求，測(cè)控系統(tǒng)仿真在通用平臺(tái)上（仿真平臺(tái)可自主開(kāi)發(fā)）著重解決測(cè)控領(lǐng)域的特殊問(wèn)題，不僅有系統(tǒng)原理上的定性仿真分析，而且更重要地是需要對(duì)分系統(tǒng)和部件設(shè)計(jì)指標(biāo)考慮實(shí)際部件的性能進(jìn)行定量仿真分析，指導(dǎo)系統(tǒng)、分系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)計(jì)，甚至直接產(chǎn)生DSP、FPGA或VHDL的實(shí)用代碼。
測(cè)控系統(tǒng)仿真著重建立一個(gè)開(kāi)放的、可以適應(yīng)技術(shù)和需求不斷發(fā)展的仿真體系結(jié)構(gòu)，支持以組合的方式來(lái)構(gòu)造仿真系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)由功能定義良好的模塊化組件和組件間標(biāo)準(zhǔn)化的接口組成，同時(shí)仿真系統(tǒng)由通用的仿真支撐結(jié)構(gòu)和獨(dú)立的仿真應(yīng)用模型構(gòu)成。測(cè)控系統(tǒng)中各分系統(tǒng)是由眾多的功能部件互連而成，如編碼器、調(diào)制器、側(cè)音產(chǎn)生器、上變頻器、解調(diào)器、譯碼器、距離提取器、下變頻器、頻率綜合器、低噪聲放大器、放大器、鎖相環(huán)等硬件設(shè)備和數(shù)據(jù)錄取、打包、顯示、存儲(chǔ)、打印等軟件單元，其功能部件的特性往往隨被測(cè)量和控制的飛行器參數(shù)及技術(shù)要求不同而略有差異。因此，可以把它們?cè)O(shè)計(jì)成標(biāo)準(zhǔn)模塊，用戶可根據(jù)任務(wù)需要進(jìn)行適當(dāng)選用。從部件、分系統(tǒng)到系統(tǒng)級(jí)聯(lián)合仿真運(yùn)行時(shí)，在結(jié)果符合任務(wù)要求和預(yù)期指標(biāo)的前提下，由功能模塊的算法生成硬件描述語(yǔ)言（VHDL）或DSP的C或匯編代碼，然后進(jìn)行邏輯綜合生成門(mén)級(jí)網(wǎng)表，最后形成目標(biāo)系統(tǒng)的FPGA、ASIC、DSP等板級(jí)電路產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)測(cè)控設(shè)備功能的軟件化。
由于軟件化以數(shù)字化為基礎(chǔ)，在現(xiàn)有器件技術(shù)發(fā)展水平上，目前的測(cè)控設(shè)備軟件化主要體現(xiàn)在測(cè)控系統(tǒng)終端（即70 MHz中頻以下的基帶設(shè)備）設(shè)備的軟件化上。終端設(shè)備的軟件化，方便地實(shí)現(xiàn)了終端設(shè)備的可重組。這種可重組終端對(duì)數(shù)字運(yùn)算的要求主要是實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性，包括運(yùn)算速度、運(yùn)算能力、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量、數(shù)據(jù)吞吐率等。實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備軟件化可以有2種途徑。一是采用DSP實(shí)現(xiàn)。隨著新的DSP器件的出現(xiàn)，DSP能夠提供的運(yùn)算量大大提高，許多由ASIC實(shí)現(xiàn)的算法可能會(huì)逐步轉(zhuǎn)移到用DSP實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到更高的靈活性。但在目前的技術(shù)水平下，這種方案存在著功耗大和處理速度慢的缺點(diǎn)。二是采用DSP和FPGA實(shí)現(xiàn)。在過(guò)去，F(xiàn)PGA是作為ASIC設(shè)計(jì)的一個(gè)快速原型設(shè)計(jì)方法，是一個(gè)中間過(guò)程?，F(xiàn)在將FPGA直接用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以減少需要的ASIC芯片的個(gè)數(shù)，提高了靈活性，同時(shí)也使研制時(shí)間也顯著地縮短。它帶來(lái)的好處是：一個(gè)單一的或者相對(duì)少的芯片個(gè)數(shù)可以支持更多標(biāo)準(zhǔn)的組合。
因此，測(cè)控系統(tǒng)中部件、分系統(tǒng)及系統(tǒng)總體方案可以通過(guò)仿真運(yùn)行與分析來(lái)評(píng)估，由于仿真模塊在功能上形成了模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，總體方案中的終端模塊可通過(guò)專(zhuān)用接口實(shí)現(xiàn)測(cè)控設(shè)備的軟件化，將系統(tǒng)仿真與軟件化技術(shù)緊密結(jié)合起來(lái)，形成未來(lái)測(cè)控系統(tǒng)研制的新模式。
五、結(jié)束語(yǔ)
目前，在測(cè)控系統(tǒng)設(shè)備研制中，采用仿真技術(shù)的只有一些零零星星的專(zhuān)題研究的例子，距一體化、綜合化仿真應(yīng)用距離還較大。相對(duì)來(lái)講，測(cè)控設(shè)備軟件化技術(shù)較為成熟一些，但實(shí)際工程應(yīng)用中效率還不高，需要我們好好總結(jié)。測(cè)控系統(tǒng)仿真技術(shù)與設(shè)備軟件化技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，將是我們今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)需要重點(diǎn)開(kāi)展實(shí)用研究的重要方向。
［2］ 孫兆偉，等．小衛(wèi)星設(shè)計(jì)、分析與仿真驗(yàn)證一體化系統(tǒng)［J］．系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2001（5）．
［3］ 朱志勤．運(yùn)載測(cè)控軟件化技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］．導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2002，（2）．
［4］ 伍一，等．通信系統(tǒng)軟件仿真技術(shù)［J］．通信與計(jì)算機(jī)，1999．（6）．
評(píng)論