一個基于PXI總線的半實物仿真系統的設計與實現

李睿鵬，高凌云，劉 佳，鄭世明

（1.航天恒星科技有限公司 北京 100086；2.國家新聞出版廣電總局廣播電視衛星直播中心 北京 100866）

半實物仿真作為仿真技術的一個分支，是工程領域內一種應用較為廣泛的仿真技術，是計算機仿真回路中接入一些實物進行的試驗[1]。

半實物仿真是一種通俗的稱謂，其準確的意義是實物在回路中的仿真，國際上通稱為 “Hardware In The Loop Simulation”。它是把部分數學模型、部分物理模型和實際設備聯系在一起運轉，組成仿真系統，同時在系統中進行的仿真試驗。這樣更接近實際情況，從而得到更確切的信息。和物理仿真相比，半實物仿真的系統結構更易修改、優化。研發費用更加低廉，周期更短。和數學仿真相比，半實物仿真更加逼真，仿真精度更高[2]。

本文介紹了一套圖像數據傳輸半實物仿真系統。該圖像數據終端設備通過中繼衛星與接收設備進行數據傳輸。由于該圖像數據傳輸系統采用碼分多址的工作體制，當多個終端同時工作時系統性能會因為接收設備受到多址干擾的影響而降低[3]。因此需要研制一套仿真系統進行模擬驗證該系統在多個用戶終端同時工作時，多少個用戶同時工作會產生多徑干擾。此外，該仿真系統在此后的針對碼分多址問題進行的圖像傳輸系統設計改進工作中，也能起到輔助驗證的作用。

1 系統組成

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

多用戶終端模擬器功能：模擬產生多路圖像信號，并與1路數據終端設備的圖像信號合并，通過天線發射出去。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生。圖像基帶處理單元為PCI板卡，有2個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。

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路，便于地面模擬器能夠進行通信協議開發、自閉環調試驗證。各模塊的技術參數可通過基于LabVIEW工具開發的系統軟件配置各板卡嵌入式軟件中的參數進行修改[4]。

圖1 多用戶終端模擬器主要功能模塊示意圖Fig.1 Multi-user terminal simulator construction

圖2 地面模擬器功能模塊示意圖Fig.2 Ground simulator construction

表1 PXI設備組成表Tab.1 PXI equipment constitutes

PXI總線系統是NI公司于1997年利用PCI總線的擴展發布的總線系統，是繼VXI總線儀器之后，一種新型的模塊化儀器系統[5]。PXI總線系統除了具有PCI總線的功能外，增加了用于多模塊同步的觸發總線和參考時鐘、用于進行精確定時的星形觸發總線以及用于相鄰模塊間高速通信的局部總線來滿足實驗和測量對高性能儀器儀表的要求[6]。PXI規范是在Compact PCI機械規范中增加了環境測試和主動冷卻要求，以保證多廠商產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，從而進一步降低開發成本。

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；矢量信號發生器PXIe-5673和矢量信號分析儀PXIe-5663E同時結合PSKDSSS矢量信號發生器軟件，完成射頻信號的變頻、發射和接收等處理；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。地面模擬器自帶發射和接收模塊，系統內可以進行自閉環調試，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3 圖像基帶處理板原理框圖Fig.3 Image Base-Band operating board scheme

圖像基帶處理單元對圖像信號進行如下處理：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行處理，完成對成幀后的圖像碼流進行幀同步、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PCI工控機進行更新。

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信息的上傳功能。

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

表2 圖像基帶處理板FPGA軟件功能模塊Tab.2 Image base-band operating board FPGA software unit

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、RAM、以太網、視頻、鍵盤/鼠標、串口、USB和其他外設）以及Microsoft Windows和所有已經安裝的設備驅動程序。圖4為NI PXIe機箱外觀圖。

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70 MHz/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實現流程控制和參數計算設置。解調解碼后的原碼數據通過PXI總線發送給上位機軟件，由軟件進行圖像軟解碼、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，進行加擾、編碼、碼型變化、擴頻等運算，在數字域實現載波調制，然后送給DAC，完成數模轉換，輸出70 MHz、140 MHz的中頻信號送給上變頻模塊或直接輸出待測設備。

圖4 NI PXIe機箱圖Fig.4 NIPXIe equipment construction

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。

3 仿真驗證

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

4 結 論

本文介紹了一套半實物仿真系統，該仿真系統用于對某圖像數據傳輸系統多個用戶終端同時工作時的多徑干擾情況進行仿真驗證，以了此某圖像數據傳輸系統在多個用戶終端同時工作時產生多徑干擾時的用戶終端數量。

本半實物仿真系統在發射端使用了與實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總線機箱與板卡實現。

圖5 系統硬件組成框圖Fig.5 System hardware construction scheme

通過多用戶工作仿真驗證，證明該系統設計達到了預期的技術要求。該半實物仿真系統還可以對后續的抗多址干擾技術的仿真以及改進能夠提供有力的技術支持。

該系統的地面模擬器通過該NI標準板卡搭建，在進行完模擬驗證任務后，用戶可以通過進行軟件二次開發，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、仿真及測試工作發揮作用，避免了研制專用設備的局限。

[1]單家元，孟秀云，丁艷.半實物仿真[M].北京:國防工業出版社，2008.

[2]Jeffrey Travis、Jim Kring著，喬瑞萍譯.LabVIEW大學實用教程[M].3版.北京:電子工業出版社，2008.

[3]蔣巖巖.CDMA系統空域抗多址干擾技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2005.

[4]楊樂平，李海濤，趙勇，等.LabVIEW高級程序設計[M].北京:清華大學出版社，2003.

[5]Tom Shanley、Don Anderson著， PCI系統結構 [M].4版.劉輝、冀然然、夏意軍譯.北京:電子工業出版社，2000.

[6]梁祥，封吉平，安學軍，等.基于PXI總線的高速數據采集模塊設計[J].自動測量與控制，2007，26（1）：72-73.LIANG Xiang，FENG Ji-ping，AN Xue-jun.High-speed data acquisition module design[J].Automatic Measurement and Control，2007，26（1）：72-73.