測(cè)控系統(tǒng)仿真與測(cè)控設(shè)備軟件化技術(shù)
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;
?。?)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;
?。?)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)專門技術(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。
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評(píng)論