模擬仿真技術在播出系統的應用淺述

張 宇，陸衛強，韓 峻，金 勇

（上海衛星地球站，上海 201114）

模擬仿真技術在播出系統的應用淺述

張 宇，陸衛強，韓 峻，金 勇

（上海衛星地球站，上海 201114）

本仿真系統基于地球站的設備特性，根據有限元的設備仿真與設備相似原理，構造出一種通用的算法。并利用模塊化程序設計思路，動態計算播出鏈路中每個環節的仿真結果，同時輸出圖像與聲音，達到與真實播出系統基本相同的環境。以此，實現仿真技術在播出系統鏈路中的應用，并引伸、擴展此技術的應用，將其運用到日常維護與培訓中。

鏈路仿真；模擬應急；培訓；有限元；相似原理；網絡

1　引言

仿真技術是一門多學科的綜合性技術，它以控制論、系統論、相似原理和信息技術為基礎，以計算機和專用設備為工具，利用系統模型對實際的運營系統進行動態試驗。將仿真技術手段與網絡技術相結合，由真實仿真設備和計算機綜合仿真系統組成仿真環境，讓用戶在與真實情況幾乎相似的仿真環境中使用與操作設備，提前了解系統的工作情況與可能存在的問題，減少對真實設備的意外損耗，降低操作風險。在模擬應急訓練中，可以做到全天候、不間斷、既經濟又高效的實現對人員的培訓。

2　模塊化設計思路模型的建立

模塊化模型由四大部分組成：邏輯鏈路部分、模擬仿真部分、設備交互部分、用戶交互部分，如圖1所示。各部分又由多個模塊功能實現，各模塊間通過標準的接口進行通信，因此，對于本系統可以將程序安裝在一臺或多臺計算機上進行運算，如用戶交互部分的兩個功能模塊可為特殊需要單獨或統一的運行，擴展功能的應用。

圖1　各功能模塊間的關系示意圖

3　模擬仿真模型的建立

在軟件行業中有許多通過仿真實現的模擬程序，它們大致可以被分為兩類：

一類為真實模擬（如針對單片機的模擬器）。這類模擬程序具有1︰1的模擬效果，將設備中擁有的所有功能一一模擬，通過軟件的方式實現硬件效果，此類仿真程序成本較高，需要有很強的基礎理論作為依托，并且需要反復試驗確保準確，并不適合在應用開發中廣泛使用。

另一類為相似理論模擬（如建筑物強度測試）。雖然需要較多的理論基礎，但基本還是建立在經驗與有限元范圍內進行仿真模擬，被應用開發中廣泛采用，稱為相似模擬。

相似模擬也可大致分為兩種思路：一種為查表式的模擬。這種模擬較為簡單，計算量比較少，模擬結果較快，得到的結果為離散型數值，能夠大致反映出變化情況。對于在相似程度要求不是很高的場合應用比較多，但其最大的缺點在于，當模擬要求超出表格的范圍就無法實現模擬，必須通過修改表格，因此對于應用者來說，先期工作壓力較大，改變模擬環境就可能需要重新人工計算。第二種為范圍計算模擬，通過公式對范圍內的數據進行計算產生模擬結果。這種模擬計算量較大，能夠得到較準確的模擬結果，但對計算機的壓力較大，大規模的數據運算將影響效率。

鑒于以上幾種模擬方式，本仿真系統中采用復合形式進行模擬。在對于鏈路中設備間信號傳輸的過程中采用真實模擬，也就是將設備一一對應加以模擬；在對于設備內部信號運算模擬中，將采用查表模擬與范圍計算模擬共同承擔。如：對于信號電平的衰減采用上下限區分的三個不同范圍，在這三個范圍內分別采用不同的計算公式，實現信號的衰減模擬。

3.1基本信號模型

本仿真系統在設計之初，是作為真實運營鏈路的輔助檢測工具使用。但經過開發人員的反復論證后發現，就目前對真實鏈路的檢測范圍存在局限性：主要表現在設備監測手段有限，若增加監測環節將增加鏈路的復雜度，降低系統運行的穩定性，更可能影響信號電平的有效利用率。

鑒于以上原因，在大多數的播出運營系統中，工程師在設計系統鏈路時，除非必要一般都不刻意增加監測環節，確保系統的穩定，并控制系統維護成本。但對于計算機網管監控系統來說，需要了解系統中所有節點的狀態，才可能全面了解運營系統的工作情況計算出結果。因此，我們必須折中尋找一種方法解決兩種不可調和的情況。

模擬仿真系統就是在這樣的現狀下被提出來的，當我們需要真實設備的參數與狀態時，可以通過網絡從設備中獲取；當有些設備無法獲取參數與狀態的情況下，通過相似原理由仿真系統產生數據，幫助工程師了解系統，最大可能的逼近真實環境。

對于播出系統而言，無論信號電平是高或低，信號類型是視頻、中頻或射頻等，信號中包含的節目內容，貫穿整條鏈路的就是信號，同樣這也是對于播出部門最關心的重點。因此，從相似理論來說，滿足不同規模物理現象保持相似的條件，就必須考慮鏈路中的信號這個關鍵要素。也就是說，這個鏈路中每種設備的差別很大，我們不可能一一模擬不同的情況，因此，需要制定一個統一的標準，使流經所有設備的信號都可在這個標準中得到解釋。

信號模型主要包括以下幾個特性：

（1）信號頻點：這里的頻點是一個虛概念，它并不一定表示信號的中心頻率，而是說明此信號正處于什么環節、信號的性質。同時，使用頻點表示可以比較方便與其他信號區分。在播出鏈路中，尤其是進入數字電視時代，無論是基帶信號、中頻信號、射頻信號、衛星信號，都可以使用信號頻點這個概念去描述。

（2）信號功率：信號功率是設備對信號檢測的一個重要指標，也是人為判斷信號好壞的基本要素，因此，在信號模型中信號功率是必須的。

（3）信號質量：信號質量是指信號中包含內容的優劣，也是人為判斷信號優劣的主觀評判標準；在真實運營環境中，信號質量的體現是利用監測設備，通過監視器、喇叭等輸出輸出設備展現的，但在模擬仿真中，必須通過人為定義。

（4）信號延遲：在播出鏈路中，數字信號處理、加密信號的應用，都會出現嚴重的信號延遲情況，尤其在通過衛星傳輸的信號時，因為距離的原因延遲甚至可能超過0.2秒，整條鏈路累計延遲時間有時候會超過1秒。但在真實情況下，這個因素往往會被忽略，因此，模擬仿真中加入延遲指標可幫助工程師準確判斷。

（5）信號名稱：這是對信號的命名，幫助使用者掌握信號的流向。

（6）內容描述：對于不同的信號內容會有不同的描述（如：視頻信號以視頻流方式描述、音頻信號以音波形式描述），目的是展現的效果更逼近真實情況。

3.2基本設備模型

為了盡可能逼真模擬信號流經設備的過程，我們必須統一規范與真實情況相似的設備構成。

（1）信號處理特征：每一臺設備被應用到鏈路中，其主要目的是為了處理播出信號或信號監測，因此，每臺設備都有其對于信號的處理特征，這些特征就是區分其功能的關鍵，被稱為顆粒特征。但無論設備內部特征如何不同，我們更關心信號被以怎樣的標準格式送入設備，又以怎樣的標準格式送出設備，因此，信號特征的處理算法是設備模型的首要部分，也就是顆粒算法。設備顆粒為鏈路中最小單位不可分割，也定義了統一的算法，具有處理不同輸入信號并輸出的能力。

（2）設備端口：端口是設備顆粒之間的互通信號的橋梁，而線纜是信號流通的載體；對于仿真模型來說，線纜的區別是由端口確定的，端口的性質決定了線纜的性質，也決定了流經線纜的信號。鑒于端口對于設備的重要性，在模擬仿真中，端口被作為設備構成的另一個重要部分。

（3）設備屬性：對于模擬仿真，盡管設備必須被抽象成統一的設備模型，但每一種設備所具有的差異性，也必須被體現出來，比如：設備自身的衰減特性、最大最小極限、延遲情況，或是當這個仿真設備被與資產管理關聯的時候，區分就顯得尤為重要。設備屬性就是為這個目的而存在的，它可以滿足設備模型的通用性要求。

（4）設備顆粒狀態：仿真設備的狀態是表現設備內部端口連接的情況，是信號內容變化與信號路由變化的關鍵。設備狀態在兩種情況下發生變化：通過設置的方式修改設備狀態；通過仿真硬件讀取狀態。

3.3鏈路模型

鏈路是由信號、設備（顆粒）、線纜組成。

（1）信號：信號是信號模型的實例，是模擬仿真系統的處理對象，可通過設備端口與線纜，了解信號情況，判斷鏈路準確性。

（2）顆粒：鏈路中的顆粒是設備模型的實例，是鏈路的關鍵。模擬仿真系統為每個設備顆粒建立一個設備邏輯模塊，模塊中包括設備外形、信號處理特征、端口及特性，模塊建立在統一的算法之上。建立鏈路圖紙，實際上就是使用設備的邏輯模塊，將各端口相互連接的過程。建立鏈路的同時，也是在創建模擬仿真的邏輯依據。

（3）線纜：線纜是流經信號的載體，是連接設備端口的媒介，它只負責告訴模擬系統，設備顆粒的連接方式與走向，同時偵測端口連接的邏輯正確性。一般情況下，線纜只是從一個設備輸出端口連接到另一個設備的輸入端口，但也存在兩種特例：一是從設備輸出端口連接到當前設備的另一個輸入端口（如矩陣的自環）；二是從多個設備的輸出端口到單個設備輸入端口（如天線上行到衛星的情況）。

（4）鏈路：將所有設備顆粒互相連接構成整個鏈路，在繪制了這條系統鏈路的同時也就建立了邏輯關系。遍歷核心算法可以逐一計算輸出結果并展現，直至覆蓋所有設備，達到模擬整條鏈路的效果。圖2為鏈路的最小顯示單元。

圖2　鏈路的最小顯示單元

4　仿真運算的設計思路

本模擬仿真系統的仿真運算部分主要集中在設備模型的信號處理特征中，設備模型被抽象成一個設備類（Cdevice）。Cdevice中除包含設備的特性參數外，還包含插入信號緩沖，以及一個代表設備端口的數據鏈首地址，通過訪問此地址可遍歷設備的所有端口。

端口被抽象成一個端口類（Cport），Cport中包含了端口的相關特性（如信號類型、輸入輸出性質、信號過濾等），以及端口與端口的連接情況。端口既可以與外部其他設備端口通過線纜（連線Cline）連接，也可以與內部端口連接（內聯CinLink），也就是設備狀態。與外部設備端口連接可將信號送入下一個設備或從上一個設備獲取信號，與內部端口的連接將進行信號的處理。另外，端口中還有一個信號緩存，用于記錄經過此端口的信號情況。

信號同樣被抽象成一個信號類（Csignal），Csignal中主要記錄頻點、節目名稱、功率、延遲、質量情況、描述等信息。

設備類對輸入的信號根據內聯情況進行衰減、延遲、節目質量等相關計算，并結合設備插入信號（可用于抗干擾模擬）給出最終的輸出信號結果。

由此，“設備→端口→信號”構成設備模型對于信號處理的所有步驟，最終通過線纜傳送到另外一個設備端口，完成模擬的一個周期。當該類被實例化之后組成一個設備數據鏈，鏈中每個設備表示為一個用于模擬的顆粒對象，通過遍歷所有設備對象完成對信號鏈路模擬。通過查看每個端口可知道鏈路中信號經過此端口時的信號情況，達到仿真模擬的效果。

圖3　仿真運算的設計思路

5　仿真展現的設計思路

模擬仿真的展現表現在兩個方面的內容：

一是幫助工程師直觀了解鏈路工作情況。模擬仿真系統的邏輯依據是由鏈路模型決定的，而鏈路模擬表現形式就是系統圖紙。圖紙中所有的設備與線纜都具有邏輯意義，可以被當作一個對象來操作，可以非常直觀地表現系統鏈路的全貌。工程師可通過選取設備、線纜了解信號的情況，仿真系統可幫助工程師檢查鏈路的邏輯錯誤，排除可能存在的潛在問題。并生成相關設備對照表、線號對照表、鏈路更變情況，同步計算工程量、各種類型線纜長度，打印標簽。

二是仿真結果的直觀展現。當模擬仿真系統被運行，可通過觸碰設備端口與線纜，實時監看動態圖像、監聽聲音、顯示仿真頻譜，就像在真實運營系統中的監測工具中所展現的信息（如視頻、圖像、音柱、頻譜等）。固化這些可顯示的信息構成電視墻，仿真真實的監控環境，提高仿真效果。

6　結束語

目前，我們已經完成了第一個階段的開發，模擬的結果基本達到預期，被應用到日常的應急培訓中，反映良好。仿真是一個逐步逼近真實的過程，其中涉及較多細節思路與實現方法，本文只是針對仿真系統中的關鍵要素進行了整理，并未涉及具體代碼開發的內容。

Simulation Technology in the Application of Broadcasting System

Zhang Yu， Lu Weiqiang， Han Jun， Jin Yong
（Shanghai media Group Satellite earth station of Technical Center， Shanghai， 201114）

Equipment characteristics of the earth station based on this simulation system， simulation and equipment according to the finite element of the similarity principle， construct ageneral algorithm. And the use of modular programming ideas， the dynamic simulation results broadcast every link in the link， while the output of image and sound， reachbroadcast system is basically the same with the real environment. Thus， the realization ofsimulation technology in the broadcast application system in the link， application andextension， extension of this technology， and applies it to the daily maintenance and training.

Link simulation； broadcasting Emergency operatio； drill； Finite element； similarity principle；Network

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.03.008

TN94

A

1672-7274（2015）03.0033-05