復雜電磁環境下通信裝備模擬訓練系統的實現

達新宇，張亞普，謝鐵城

（空軍工程大學電訊工程學院，陜西西安 710077）

復雜電磁環境下通信裝備模擬訓練系統的實現

達新宇，張亞普，謝鐵城

（空軍工程大學電訊工程學院，陜西西安 710077）

介紹了一種通信裝備網絡模擬訓練系統的設計思想與系統組成，主要從模擬電臺終端、主控計算機、程控語音交換機幾方面介紹系統的具體設計與實現。同時重點討論了復雜電磁環境的模擬。實踐表明系統設計合理，電磁輻射小、訓練效果好。

電臺；模擬訓練系統；復雜電磁環境；程控語音交換機

世界主要軍事強國都高度重視武器裝備訓練系統的研究與開發，伴隨著我軍信息化訓練條件建設的不斷加快與創新，傳統的訓練模式正向基地化、模擬化和網絡化方向發展。復雜電磁環境是現代高科技戰爭的突出特點，對裝備的可靠性以及作戰人員的操作水平提出了更高要求。因此，開發復雜電磁環境下的模擬訓練系統，對參訓人員在復雜電磁環境下的應變能力及操作技術進行鍛煉和檢驗，成為部隊信息化建設的當務之急［1－4］。

1 系統設計思想及組成

1．1 設計思想

某型短波電臺作為部隊的基礎通信裝備，具有裝備量大，使用人員多等特點，其操作訓練與維修受到部隊和院校的普遍關注［5］。傳統的實裝施訓模式由于訓練效率低、維護成本高、信息資源保密性差、電磁污染強、訓練考核手段單一等弊端，很難適應復雜電磁環境下電臺操作人員的培訓需求。

筆者以某短波自適應數字化電臺通信系統為對象，設計開發了具有仿真復雜電磁環境的分布式網絡模擬訓練系統，該系統既能實施單電臺終端的操作訓練，又能完成多電臺終端的一體化協同訓練，系統的主要設計思想具有以下3點。

1）半實物仿真短波電臺終端 模擬電臺采用與實裝電臺完全一樣的外形，并提供真實電臺的所有操作，還通過語音芯片模擬電臺背景噪聲，使系統在不使用任何真實裝備的條件下，全面、逼真地復現真實裝備的外觀界面、操作規程和功能任務。

2）采用無線系統有線化、射頻系統基帶化、單一電臺網絡化的仿真思想 各電臺之間的通信是以空間電磁波形式相互傳播信息的，該模擬仿真系統采用有線方式構成局域網來聯通各個電臺，把真實電臺以射頻系統形式傳輸變成基帶系統方式傳輸，極大的降低了成本，有效節約了組訓空間，并利用計算機網絡和軟件控制技術，實現操作技能考核的微機化、智能化，實現教學監控的實時化、遠程化、全面化、細節化。系統能夠在不產生任何電磁污染和信息泄露的情況下，實現短波電臺的對講、群呼和組呼功能等全部功能，而且具有實時考核與記錄功能。

3）遠程監控方便實用 系統各電臺模擬終端雖然構成局域網，但可以方便的與遠端計算機連接，實現遠程監控、數據調用等遠程操作功能。

1．2 系統組成

該通信裝備網絡模擬操作訓練系統由主控計算機終端、電臺模擬終端、語音傳輸與處理單元、語音交換系統、模擬復雜電磁環境和背景噪聲產生器、數據傳輸與控制單元、以太網交換機等7部分組成。圖1是系統原理組成原理方框圖。

圖1 電臺模擬訓練系統的組成原理

該系統從功能角度可將該系統劃分為兩個子系統：以網絡交換機為中心節點的數據傳輸系統和以程控語音交換機為中心節點的音頻信號傳輸系統，如圖2所示。

圖2 系統功能框圖

數據傳輸系統中，主控計算機收集上傳的狀態信息，結合教學綜合管理軟件對模擬電臺終端進行實時管理和監控，并根據需求進行記錄，使主控計算機能夠回放指定模擬電臺終端操作過程，對操作的熟練程度，進行人工和自動打分。主控計算機還可通過局域網設置模擬電臺終端故障，以考核操作者故障排除能力，通過人工打分，可將其成績記錄到數據庫當中。由于整個系統是基于局域網進行管理和監控，并且形成了基于網絡的數據庫，因此，該系統便于進一步構建基于網絡的遠程教學管理信息系統。

音頻信號傳輸系統中，主控計算機可以根據模擬電臺終端的頻點、工作模式，通過RS232接口控制程控語音交換機，對模擬電臺終端之間話音通信鏈路的建立與釋放進行控制，保證了模擬電臺終端點對點、點對多點話音通信，同時通過設置話音處理模塊和復雜電磁環境模擬器，完全模擬復雜電磁環境下的實戰裝備話音通信。

2 系統設計與實現

2．1 主控計算機

主控計算機是系統網絡管理與系統控制的中心。系統主控軟件采用基于Windows操作系統的VB6語言開發，具有界面友好，操作簡單的特點。主控計算機實時監控模擬電臺終端面板及顯示單元的狀態，并進行顯示和存儲，同時根據狀態通過RS232接口向交換控制單片機發出交換矩陣的控制命令。完成的主要工作包括以下幾項。

1）操作訓練中的實時查看、顯示、打印等教學管理功能；

2）基于TCP／IP協議，完成對整個系統各個模擬電臺終端設備的監測和管理；

3）實時顯示和存儲32臺仿真設備狀態，并分析任務需要，并發出與控制音頻交換命令；

4）通過局域網實現對整個系統的連接；

5）通過RS232接口來管理控制音頻交換機，實現單對單，單對多，通播等語音通話功能；

6）管理控制模擬復雜電磁環境發生器，構建復雜電磁環境等。

2．2 模擬電臺終端

模擬電臺終端利用TCP／IP網絡通信協議實現與主控計算機之間的控制和狀態信息傳輸，利用按鍵和顯示模塊實現電臺的各種操作和顯示功能，并且在外形上與實裝高度逼真，因此，模擬電臺終端硬件模塊包括：主控模塊、網絡通信模塊、鍵盤掃描及顯示驅動模塊、話音信號處理模塊以及背景噪聲模擬模塊等部分。具體結構關系圖見圖3所示。

主控模塊采用PHILIPS公司推出的ARM7系列芯片LPC2132，包括11．0592 MHz時鐘電路，CAT1025復位芯片、JTAG等外圍電路及與其他模塊的接口電路［6］；網絡接口單元（NIU）采用廣州周立功公司的10M以太網控制器ZNE－10T，通過串口與主控制器通信，將按鍵等操作信息通過網口打包發送給主控計算機，同時接收主控計算機發來的指令。

實裝電臺的操作與顯示主要集中在前面面板部分，經過分析，前面面板主要包括：28個為開關量的按鍵、1個能進行雙向旋轉的準連調旋鈕、1個由8位5×7LED點陣和16個LED指示二極管。因此，鍵盤掃描模塊系統采用兩線制串口（準I2C）芯片SD7218A作為鍵盤掃描驅動芯片，通過I／O口模擬總線技術與主控制器通信［7］。顯示模塊分為功能指示、LED表和點陣LED顯示器三部分，其中功能指示部分使用SD7218A驅動，LED表用LM3915指示信號強度，點陣LED顯示器采用模擬總線技術實現對其中移位寄存器的寫入，實現操作顯示信息。

圖3 模擬電臺終端硬件結構

模擬訓練系統利用有線局域網絡模擬無線話音通信，因此，可采用話音信號直接傳輸的方式，即將話音信號傳輸在基帶上，其組成如圖4所示。同時，在發射端和接收端采取音頻自動增益控制（AGC）、音頻濾波、放大、音頻靜噪等措施對話音進行處理，以增大通信距離提高話音清晰度。

2．3 程控語音交換機

系統所模擬的實裝電臺具有定頻呼叫、單臺地址自適應呼叫、網絡地址自適應呼叫以及跳頻通信等功能，因此，點對點、點對多點話音通信的實現是系統功能模擬的關鍵。程控語音交換器由2片MT8816構成，其工作原理為主控計算機通過RS232時刻監視并判斷電臺的工作狀態，當系統中某些電臺雙方符合建立通信的條件之后，主控計算機經過RS232向交換機發送連接命令，命令經交換機中AT89C15識別之后向相應MT8816寫控制命令，實現對應模擬終端的各種呼叫功能。

3 復雜電磁環境模擬

通過對復雜電磁環境的模擬實現，增強了該模擬訓練系統在訓練時的針對性、真實性與實戰效果。該系統主要對電臺的內部和外部電磁環境進行了模擬，其中，內部電磁環境主要是指通信裝備自身的電磁輻射，可通過背景噪聲模擬器產生，外部電磁環境主要是指戰場環境中敵我雙方用頻裝備產生的電磁輻射，可由戰場電磁環境模擬器實現。

3．1 背景噪聲模擬器

在綜合分析模擬噪聲源、數字噪聲源、樣本噪聲源3種噪聲產生方法后，該系統采用樣本噪聲源法設計背景噪聲模擬器。

內部電磁環境主要模擬的是通信裝備自身電磁輻射，因此，在保持電臺外部電磁環境純凈情況下，對裝備上邊帶、下邊帶、調幅兼容話及邊帶報或等幅報等工作狀態下的電臺背景噪聲進行采樣、存儲。

該系統通過ISD 1730芯片實現背景環境的模擬，芯片工作在同步、全雙工的串行接口（Serial Peripheral Interface，SPI）模式。在SPI模式下，主控芯片可通過SPI總線寫入相應的命令字對ISD 1730的任意地址進行操作，包括播放，停止，音量控制等。

背景噪聲模擬器的設計，如圖5所示。其工作過程描述：主控計算機通過網卡將噪音環境策略以郵箱的形式通知LPC2132主控芯片，芯片在收到郵件后從郵箱中提取出該信息，然后經SPI總線發送設置播放指令和相應的起始和結束地址，控制語音芯片ISD1730播放出相應的噪音樣本。

3．2 戰場電磁環境模擬

為了提高模擬訓練系統的戰場逼真程度，該系統在設計電臺背景噪音模擬模塊的同時，還重點開發了戰場電磁環境模擬模塊，再現了真實戰場電磁環境，使模擬訓練更具實戰意義。電磁輻射是通過“前門耦合”和“后門耦合”對通信電臺造成影響的，作用過程的復雜性極大增加了建模的難度，因此，本系統通過采集電臺在不同電磁環境下的耦合信號（通信鏈路建立但通信內容為空時的信號），完成電磁環境記錄，用于電磁環境模擬。如圖6所示。

圖5 背景噪聲模擬器

上圖前半部分為電磁樣本采集過程，由真實電臺、電磁環境、A／D轉換器、電磁數據庫四個要素構成。電臺正常工作，對不同電磁環境下的電磁耦合信號進行A／D轉換，所得數據作為電磁環境樣本存儲在電磁數據庫中。

戰場電磁環境模擬器主要由電磁數據庫、D／A轉換器、信號合成器3部分構成。主控計算機通過RS232向電磁數據庫下達指令，調用電磁環境樣本，經D／A轉換和信號合成后輸出戰場電磁環境信號。

該訓練系統主要對雷雨氣象、雷達信號、電子戰、導航信號、民用無線電五類電磁環境下的電磁耦合信號進行采樣，形成五種獨立的電磁環境模式。主控計算機可任意對這五種電磁模式進行組合，模擬戰場電磁環境。語音交換系統根據主控計算機指令將戰場電磁環境模擬器生成信號與特定電臺信道中語音信號進行加性疊加，以此模擬電臺終端在戰場電磁環境下的通信過程。如圖7所示。

圖6 戰場電磁環境模擬器設計原理

4 結 語

圖7 戰場電磁環境模擬器工作示意

該通信裝備網絡模擬系統經過2年的研制，于2010年通過鑒定與驗收，并在空軍工程大學建立了一個具有40個模擬電臺終端的實習室。通過2年來實際應用，實踐證明本系統設計合理、效果逼真、可靠性高、訓練效果好，由于相比實裝更加經濟，功能也更加強大，裝備使用后大大減少了使用實戰裝備訓練的次數，降低了訓練費用，提高了訓練效率。具有很好的推廣應用前景。由于采用TCP／IP構建的網絡，通過更改或增加通信協議還能對系統的功能進行擴展，進行更高一個層面上的通信訓練與指揮，同時，本系統采用的成熟技術對于其他類似通信系統的模擬訓練具有借鑒意義。

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［3］ 陳 杰，程良平，袁秀麗，等．一種新型復雜電磁環境模擬器的設計與實現［J］．信息化研究，2009，（35）：22－25．

［4］ 吳迎年，張 霖，張利芳，等．電磁環境仿真與可視化研究綜述［J］．系統仿真學報，2009，21（20）：6 332－6 338．

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［6］ 周立功，張 華．深入淺出ARM7［M］．北京：北京航空航天大學出版社，2005．

TP368

A

1008－1542（2011）07－0122－05

2011－06－20；責任編輯：張 軍

達新宇（1961－），男，陜西眉縣人，教授，博士生導師，博士，主要從事通信系統與電磁防護方面的研究。