測控系統仿真與測控設備軟件化技術
2.測控設備軟件化技術基礎
測控設備軟件化的技術理論是軟件無線電。軟件無線電技術突破了傳統的無線電設備以功能單一、可擴展性差的硬件為核心的設計局限性,強調以開放性的最簡硬件為通用平臺,盡可能地用可編程、可升級、可重配置的應用軟件來實現各種無線電功能的設計新思路。用戶可通過選用不同的應用軟件,在通用的、可擴展的硬件平臺上,滿足不同時期、不同使用環(huán)境的不同功能的需要,并可適應不斷發(fā)展的技術進步,節(jié)省大量的硬件投資,大大縮短新產品的研制開發(fā)周期,適時地適應市場變化。
測控設備軟件化的基礎是數字化,其核心是數字器件、芯片的超高速時間響應及超大規(guī)模的高度集成。當前,微電子技術發(fā)展迅速,單塊集成芯片上的晶體管數目每隔18個月就增加1倍,2001年已有10億個晶體管的集成芯片面世,未來20年中,將出現1萬億個晶體管的集成芯片。數字電路的高度集成化,為測控設備軟件化技術發(fā)展提供了有力保證。
3.測控設備軟件化技術的特點
測控設備軟件化是利用可編程技術,通過加載不同的軟件,實現一機多用,一站多用,從而完成多種功能、多種技術狀態(tài)的測控任務。測控設備軟件化的技術特點主要有:
?。?)軟件化具有很強的靈活性,通過增加軟件模塊,可以很容易增加新的功能,可以通過無線加載改變軟件模塊或更新軟件,并可根據所需功能的強弱,取舍選用的軟件模塊;
(2)軟件化具有較強的開放性,它采用模塊化、標準化的結構,硬件可以隨著器件和技術的發(fā)展而更新或擴展,軟件也可以隨需要而不斷升級;
?。?)軟件化可以方便地應用豐富的軟件算法進行數據的平滑處理、系統誤差的修正、建模預測分 析、線性或非線性補償及特定條件下的模糊控制,從而有效地提高測控精度;
(4)軟件化可以大量減少設備硬件種類和數量,提高設備小型化水平和系統可靠性,同時大大降低測控系統的研制費用和成本;
(5)軟件化便于測控設備模塊化、標準化。
4.測控設備軟件化技術的內容
測控設備軟件化技術主要包括:
?。?)測控視頻數據處理軟件技術,包括數據處理模塊、可重組監(jiān)控軟件模塊、事后數據處理模塊等;
?。?)信道的模塊化與可重組技術及由中頻到射頻的軟件化延伸;
?。?)終端設備的可編程、可重組、模塊化、標準化技術;
(4)天線的指向編程控制技術。
5.軟件化技術的發(fā)展方向
測控設備軟件化技術以軟件為主導,它的所有工作過程和參數處理都可以由軟件來定義和控制,其發(fā)展方向可從以下幾方面進行闡述:
(1)射頻前端采樣數字化技術。軟件無線電的宗旨是盡可能簡化射頻模擬前端,使A/D轉換盡可能地靠近天線去完成模擬信號的數字化,而且數字化后的信號要盡可能地用軟件來處理,實現各種功能和指標。隨著數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到工程應用階段,可以構想,在不久的時間內,射頻直接帶通采樣數字化將有重大突破;
?。?)基帶空間傳輸。在無線傳輸中,具有嚴格規(guī)律特性的正弦波一直是載波信號的主要形式,基帶空間傳輸就是要擯棄正弦波載波調制,以數字化形式直接實現空間傳輸。它的傳播媒介為非常窄的時域脈沖,脈寬一般小于1 ns。它的信號能量分布在從直流(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)軟件測試鑒定技術。由于軟件在軟件化的測控設備中起主導作用,那么對軟件的正確性、可靠性測試與鑒定將成為一項專門技術。
四、測控系統仿真與測控設備軟件化技術應用綜合
目前,比較流行的幾種通信仿真設計平臺如COSSAP、SPW、SystemView等都能滿足從數字信號處理、濾波器設計,到復雜的通信系統等不同層次的設計、仿真要求。在這些系統中,可以在DSP、通信和控制系統中構造出復雜的模擬、數字、混合和多速率系統。系統具有大量可選擇的庫,允許用戶有選擇地增加通信、邏輯、DSP和射頻/模擬功能模塊,可進行各種系統時域/頻域分析,能夠對射頻/模擬及其混合系統進行理論分析和失真分析。當然,通用通信系統的仿真平臺在很大程度上還不能滿足測控通信系統的應用仿真需求,測控系統仿真在通用平臺上(仿真平臺可自主開發(fā))著重解決測控領域的特殊問題,不僅有系統原理上的定性仿真分析,而且更重要地是需要對分系統和部件設計指標考慮實際部件的性能進行定量仿真分析,指導系統、分系統的實際設計,甚至直接產生DSP、FPGA或VHDL的實用代碼。
測控系統仿真著重建立一個開放的、可以適應技術和需求不斷發(fā)展的仿真體系結構,支持以組合的方式來構造仿真系統。仿真系統由功能定義良好的模塊化組件和組件間標準化的接口組成,同時仿真系統由通用的仿真支撐結構和獨立的仿真應用模型構成。測控系統中各分系統是由眾多的功能部件互連而成,如編碼器、調制器、側音產生器、上變頻器、解調器、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)等硬件設備和數據錄取、打包、顯示、存儲、打印等軟件單元,其功能部件的特性往往隨被測量和控制的飛行器參數及技術要求不同而略有差異。因此,可以把它們設計成標準模塊,用戶可根據任務需要進行適當選用。從部件、分系統到系統級聯合仿真運行時,在結果符合任務要求和預期指標的前提下,由功能模塊的算法生成硬件描述語言(VHDL)或DSP的C或匯編代碼,然后進行邏輯綜合生成門級網表,最后形成目標系統的FPGA、ASIC、DSP等板級電路產品,實現測控設備功能的軟件化。
由于軟件化以數字化為基礎,在現有器件技術發(fā)展水平上,目前的測控設備軟件化主要體現在測控系統終端(即70 MHz中頻以下的基帶設備)設備的軟件化上。終端設備的軟件化,方便地實現了終端設備的可重組。這種可重組終端對數字運算的要求主要是實時性、準確性,包括運算速度、運算能力、數據存儲容量、數據吞吐率等。實現終端設備軟件化可以有2種途徑。一是采用DSP實現。隨著新的DSP器件的出現,DSP能夠提供的運算量大大提高,許多由ASIC實現的算法可能會逐步轉移到用DSP實現,以達到更高的靈活性。但在目前的技術水平下,這種方案存在著功耗大和處理速度慢的缺點。二是采用DSP和FPGA實現。在過去,FPGA是作為ASIC設計的一個快速原型設計方法,是一個中間過程?,F在將FPGA直接用于系統設計,可以減少需要的ASIC芯片的個數,提高了靈活性,同時也使研制時間也顯著地縮短。它帶來的好處是:一個單一的或者相對少的芯片個數可以支持更多標準的組合。
因此,測控系統中部件、分系統及系統總體方案可以通過仿真運行與分析來評估,由于仿真模塊在功能上形成了模塊化、標準化,總體方案中的終端模塊可通過專用接口實現測控設備的軟件化,將系統仿真與軟件化技術緊密結合起來,形成未來測控系統研制的新模式。
五、結束語
目前,在測控系統設備研制中,采用仿真技術的只有一些零零星星的專題研究的例子,距一體化、綜合化仿真應用距離還較大。相對來講,測控設備軟件化技術較為成熟一些,但實際工程應用中效率還不高,需要我們好好總結。測控系統仿真技術與設備軟件化技術的有機結合,將是我們今后相當長的一段時間內需要重點開展實用研究的重要方向。
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