復(fù)雜電磁環(huán)境下通信裝備模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

達(dá)新宇，張亞普，謝鐵城

（空軍工程大學(xué)電訊工程學(xué)院，陜西西安 710077）

復(fù)雜電磁環(huán)境下通信裝備模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

達(dá)新宇，張亞普，謝鐵城

（空軍工程大學(xué)電訊工程學(xué)院，陜西西安 710077）

介紹了一種通信裝備網(wǎng)絡(luò)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想與系統(tǒng)組成，主要從模擬電臺終端、主控計(jì)算機(jī)、程控語音交換機(jī)幾方面介紹系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。同時(shí)重點(diǎn)討論了復(fù)雜電磁環(huán)境的模擬。實(shí)踐表明系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，電磁輻射小、訓(xùn)練效果好。

電臺；模擬訓(xùn)練系統(tǒng)；復(fù)雜電磁環(huán)境；程控語音交換機(jī)

世界主要軍事強(qiáng)國都高度重視武器裝備訓(xùn)練系統(tǒng)的研究與開發(fā)，伴隨著我軍信息化訓(xùn)練條件建設(shè)的不斷加快與創(chuàng)新，傳統(tǒng)的訓(xùn)練模式正向基地化、模擬化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。復(fù)雜電磁環(huán)境是現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭的突出特點(diǎn)，對裝備的可靠性以及作戰(zhàn)人員的操作水平提出了更高要求。因此，開發(fā)復(fù)雜電磁環(huán)境下的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，對參訓(xùn)人員在復(fù)雜電磁環(huán)境下的應(yīng)變能力及操作技術(shù)進(jìn)行鍛煉和檢驗(yàn)，成為部隊(duì)信息化建設(shè)的當(dāng)務(wù)之急［1－4］。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想及組成

1．1 設(shè)計(jì)思想

某型短波電臺作為部隊(duì)的基礎(chǔ)通信裝備，具有裝備量大，使用人員多等特點(diǎn)，其操作訓(xùn)練與維修受到部隊(duì)和院校的普遍關(guān)注［5］。傳統(tǒng)的實(shí)裝施訓(xùn)模式由于訓(xùn)練效率低、維護(hù)成本高、信息資源保密性差、電磁污染強(qiáng)、訓(xùn)練考核手段單一等弊端，很難適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境下電臺操作人員的培訓(xùn)需求。

筆者以某短波自適應(yīng)數(shù)字化電臺通信系統(tǒng)為對象，設(shè)計(jì)開發(fā)了具有仿真復(fù)雜電磁環(huán)境的分布式網(wǎng)絡(luò)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)既能實(shí)施單電臺終端的操作訓(xùn)練，又能完成多電臺終端的一體化協(xié)同訓(xùn)練，系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)思想具有以下3點(diǎn)。

1）半實(shí)物仿真短波電臺終端 模擬電臺采用與實(shí)裝電臺完全一樣的外形，并提供真實(shí)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(tǒng)在不使用任何真實(shí)裝備的條件下，全面、逼真地復(fù)現(xiàn)真實(shí)裝備的外觀界面、操作規(guī)程和功能任務(wù)。

2）采用無線系統(tǒng)有線化、射頻系統(tǒng)基帶化、單一電臺網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)采用有線方式構(gòu)成局域網(wǎng)來聯(lián)通各個(gè)電臺，把真實(shí)電臺以射頻系統(tǒng)形式傳輸變成基帶系統(tǒng)方式傳輸，極大的降低了成本，有效節(jié)約了組訓(xùn)空間，并利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和軟件控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)操作技能考核的微機(jī)化、智能化，實(shí)現(xiàn)教學(xué)監(jiān)控的實(shí)時(shí)化、遠(yuǎn)程化、全面化、細(xì)節(jié)化。系統(tǒng)能夠在不產(chǎn)生任何電磁污染和信息泄露的情況下，實(shí)現(xiàn)短波電臺的對講、群呼和組呼功能等全部功能，而且具有實(shí)時(shí)考核與記錄功能。

3）遠(yuǎn)程監(jiān)控方便實(shí)用 系統(tǒng)各電臺模擬終端雖然構(gòu)成局域網(wǎng)，但可以方便的與遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)調(diào)用等遠(yuǎn)程操作功能。

1．2 系統(tǒng)組成

該通信裝備網(wǎng)絡(luò)模擬操作訓(xùn)練系統(tǒng)由主控計(jì)算機(jī)終端、電臺模擬終端、語音傳輸與處理單元、語音交換系統(tǒng)、模擬復(fù)雜電磁環(huán)境和背景噪聲產(chǎn)生器、數(shù)據(jù)傳輸與控制單元、以太網(wǎng)交換機(jī)等7部分組成。圖1是系統(tǒng)原理組成原理方框圖。

圖1 電臺模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的組成原理

該系統(tǒng)從功能角度可將該系統(tǒng)劃分為兩個(gè)子系統(tǒng)：以網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)為中心節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和以程控語音交換機(jī)為中心節(jié)點(diǎn)的音頻信號傳輸系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能框圖

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，主控計(jì)算機(jī)收集上傳的狀態(tài)信息，結(jié)合教學(xué)綜合管理軟件對模擬電臺終端進(jìn)行實(shí)時(shí)管理和監(jiān)控，并根據(jù)需求進(jìn)行記錄，使主控計(jì)算機(jī)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(jìn)行人工和自動(dòng)打分。主控計(jì)算機(jī)還可通過局域網(wǎng)設(shè)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(shù)據(jù)庫當(dāng)中。由于整個(gè)系統(tǒng)是基于局域網(wǎng)進(jìn)行管理和監(jiān)控，并且形成了基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)庫，因此，該系統(tǒng)便于進(jìn)一步構(gòu)建基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程教學(xué)管理信息系統(tǒng)。

音頻信號傳輸系統(tǒng)中，主控計(jì)算機(jī)可以根據(jù)模擬電臺終端的頻點(diǎn)、工作模式，通過RS232接口控制程控語音交換機(jī)，對模擬電臺終端之間話音通信鏈路的建立與釋放進(jìn)行控制，保證了模擬電臺終端點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)話音通信，同時(shí)通過設(shè)置話音處理模塊和復(fù)雜電磁環(huán)境模擬器，完全模擬復(fù)雜電磁環(huán)境下的實(shí)戰(zhàn)裝備話音通信。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2．1 主控計(jì)算機(jī)

主控計(jì)算機(jī)是系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理與系統(tǒng)控制的中心。系統(tǒng)主控軟件采用基于Windows操作系統(tǒng)的VB6語言開發(fā)，具有界面友好，操作簡單的特點(diǎn)。主控計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控模擬電臺終端面板及顯示單元的狀態(tài)，并進(jìn)行顯示和存儲，同時(shí)根據(jù)狀態(tài)通過RS232接口向交換控制單片機(jī)發(fā)出交換矩陣的控制命令。完成的主要工作包括以下幾項(xiàng)。

1）操作訓(xùn)練中的實(shí)時(shí)查看、顯示、打印等教學(xué)管理功能；

2）基于TCP／IP協(xié)議，完成對整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)模擬電臺終端設(shè)備的監(jiān)測和管理；

3）實(shí)時(shí)顯示和存儲32臺仿真設(shè)備狀態(tài)，并分析任務(wù)需要，并發(fā)出與控制音頻交換命令；

4）通過局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)的連接；

5）通過RS232接口來管理控制音頻交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)單對單，單對多，通播等語音通話功能；

6）管理控制模擬復(fù)雜電磁環(huán)境發(fā)生器，構(gòu)建復(fù)雜電磁環(huán)境等。

2．2 模擬電臺終端

模擬電臺終端利用TCP／IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)與主控計(jì)算機(jī)之間的控制和狀態(tài)信息傳輸，利用按鍵和顯示模塊實(shí)現(xiàn)電臺的各種操作和顯示功能，并且在外形上與實(shí)裝高度逼真，因此，模擬電臺終端硬件模塊包括：主控模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、鍵盤掃描及顯示驅(qū)動(dòng)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(jié)構(gòu)關(guān)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(shí)鐘電路，CAT1025復(fù)位芯片、JTAG等外圍電路及與其他模塊的接口電路［6］；網(wǎng)絡(luò)接口單元（NIU）采用廣州周立功公司的10M以太網(wǎng)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(wǎng)口打包發(fā)送給主控計(jì)算機(jī)，同時(shí)接收主控計(jì)算機(jī)發(fā)來的指令。

實(shí)裝電臺的操作與顯示主要集中在前面面板部分，經(jīng)過分析，前面面板主要包括：28個(gè)為開關(guān)量的按鍵、1個(gè)能進(jìn)行雙向旋轉(zhuǎn)的準(zhǔn)連調(diào)旋鈕、1個(gè)由8位5×7LED點(diǎn)陣和16個(gè)LED指示二極管。因此，鍵盤掃描模塊系統(tǒng)采用兩線制串口（準(zhǔn)I2C）芯片SD7218A作為鍵盤掃描驅(qū)動(dòng)芯片，通過I／O口模擬總線技術(shù)與主控制器通信［7］。顯示模塊分為功能指示、LED表和點(diǎn)陣LED顯示器三部分，其中功能指示部分使用SD7218A驅(qū)動(dòng)，LED表用LM3915指示信號強(qiáng)度，點(diǎn)陣LED顯示器采用模擬總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)對其中移位寄存器的寫入，實(shí)現(xiàn)操作顯示信息。

圖3 模擬電臺終端硬件結(jié)構(gòu)

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)利用有線局域網(wǎng)絡(luò)模擬無線話音通信，因此，可采用話音信號直接傳輸?shù)姆绞剑磳⒃捯粜盘杺鬏斣诨鶐?，其組成如圖4所示。同時(shí)，在發(fā)射端和接收端采取音頻自動(dòng)增益控制（AGC）、音頻濾波、放大、音頻靜噪等措施對話音進(jìn)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(jī)

系統(tǒng)所模擬的實(shí)裝電臺具有定頻呼叫、單臺地址自適應(yīng)呼叫、網(wǎng)絡(luò)地址自適應(yīng)呼叫以及跳頻通信等功能，因此，點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)話音通信的實(shí)現(xiàn)是系統(tǒng)功能模擬的關(guān)鍵。程控語音交換器由2片MT8816構(gòu)成，其工作原理為主控計(jì)算機(jī)通過RS232時(shí)刻監(jiān)視并判斷電臺的工作狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)中某些電臺雙方符合建立通信的條件之后，主控計(jì)算機(jī)經(jīng)過RS232向交換機(jī)發(fā)送連接命令，命令經(jīng)交換機(jī)中AT89C15識別之后向相應(yīng)MT8816寫控制命令，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)模擬終端的各種呼叫功能。

3 復(fù)雜電磁環(huán)境模擬

通過對復(fù)雜電磁環(huán)境的模擬實(shí)現(xiàn)，增強(qiáng)了該模擬訓(xùn)練系統(tǒng)在訓(xùn)練時(shí)的針對性、真實(shí)性與實(shí)戰(zhàn)效果。該系統(tǒng)主要對電臺的內(nèi)部和外部電磁環(huán)境進(jìn)行了模擬，其中，內(nèi)部電磁環(huán)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(chǎn)生，外部電磁環(huán)境主要是指戰(zhàn)場環(huán)境中敵我雙方用頻裝備產(chǎn)生的電磁輻射，可由戰(zhàn)場電磁環(huán)境模擬器實(shí)現(xiàn)。

3．1 背景噪聲模擬器

在綜合分析模擬噪聲源、數(shù)字噪聲源、樣本噪聲源3種噪聲產(chǎn)生方法后，該系統(tǒng)采用樣本噪聲源法設(shè)計(jì)背景噪聲模擬器。

內(nèi)部電磁環(huán)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(huán)境純凈情況下，對裝備上邊帶、下邊帶、調(diào)幅兼容話及邊帶報(bào)或等幅報(bào)等工作狀態(tài)下的電臺背景噪聲進(jìn)行采樣、存儲。

該系統(tǒng)通過ISD 1730芯片實(shí)現(xiàn)背景環(huán)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(yīng)的命令字對ISD 1730的任意地址進(jìn)行操作，包括播放，停止，音量控制等。

背景噪聲模擬器的設(shè)計(jì)，如圖5所示。其工作過程描述：主控計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)卡將噪音環(huán)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(jīng)SPI總線發(fā)送設(shè)置播放指令和相應(yīng)的起始和結(jié)束地址，控制語音芯片ISD1730播放出相應(yīng)的噪音樣本。

3．2 戰(zhàn)場電磁環(huán)境模擬

為了提高模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的戰(zhàn)場逼真程度，該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)電臺背景噪音模擬模塊的同時(shí)，還重點(diǎn)開發(fā)了戰(zhàn)場電磁環(huán)境模擬模塊，再現(xiàn)了真實(shí)戰(zhàn)場電磁環(huán)境，使模擬訓(xùn)練更具實(shí)戰(zhàn)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(fù)雜性極大增加了建模的難度，因此，本系統(tǒng)通過采集電臺在不同電磁環(huán)境下的耦合信號（通信鏈路建立但通信內(nèi)容為空時(shí)的信號），完成電磁環(huán)境記錄，用于電磁環(huán)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(shí)電臺、電磁環(huán)境、A／D轉(zhuǎn)換器、電磁數(shù)據(jù)庫四個(gè)要素構(gòu)成。電臺正常工作，對不同電磁環(huán)境下的電磁耦合信號進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，所得數(shù)據(jù)作為電磁環(huán)境樣本存儲在電磁數(shù)據(jù)庫中。

戰(zhàn)場電磁環(huán)境模擬器主要由電磁數(shù)據(jù)庫、D／A轉(zhuǎn)換器、信號合成器3部分構(gòu)成。主控計(jì)算機(jī)通過RS232向電磁數(shù)據(jù)庫下達(dá)指令，調(diào)用電磁環(huán)境樣本，經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換和信號合成后輸出戰(zhàn)場電磁環(huán)境信號。

該訓(xùn)練系統(tǒng)主要對雷雨氣象、雷達(dá)信號、電子戰(zhàn)、導(dǎo)航信號、民用無線電五類電磁環(huán)境下的電磁耦合信號進(jìn)行采樣，形成五種獨(dú)立的電磁環(huán)境模式。主控計(jì)算機(jī)可任意對這五種電磁模式進(jìn)行組合，模擬戰(zhàn)場電磁環(huán)境。語音交換系統(tǒng)根據(jù)主控計(jì)算機(jī)指令將戰(zhàn)場電磁環(huán)境模擬器生成信號與特定電臺信道中語音信號進(jìn)行加性疊加，以此模擬電臺終端在戰(zhàn)場電磁環(huán)境下的通信過程。如圖7所示。

圖6 戰(zhàn)場電磁環(huán)境模擬器設(shè)計(jì)原理

4 結(jié) 語

圖7 戰(zhàn)場電磁環(huán)境模擬器工作示意

該通信裝備網(wǎng)絡(luò)模擬系統(tǒng)經(jīng)過2年的研制，于2010年通過鑒定與驗(yàn)收，并在空軍工程大學(xué)建立了一個(gè)具有40個(gè)模擬電臺終端的實(shí)習(xí)室。通過2年來實(shí)際應(yīng)用，實(shí)踐證明本系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、效果逼真、可靠性高、訓(xùn)練效果好，由于相比實(shí)裝更加經(jīng)濟(jì)，功能也更加強(qiáng)大，裝備使用后大大減少了使用實(shí)戰(zhàn)裝備訓(xùn)練的次數(shù)，降低了訓(xùn)練費(fèi)用，提高了訓(xùn)練效率。具有很好的推廣應(yīng)用前景。由于采用TCP／IP構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)，通過更改或增加通信協(xié)議還能對系統(tǒng)的功能進(jìn)行擴(kuò)展，進(jìn)行更高一個(gè)層面上的通信訓(xùn)練與指揮，同時(shí)，本系統(tǒng)采用的成熟技術(shù)對于其他類似通信系統(tǒng)的模擬訓(xùn)練具有借鑒意義。

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TP368

A

1008－1542（2011）07－0122－05

2011－06－20；責(zé)任編輯：張 軍

達(dá)新宇（1961－），男，陜西眉縣人，教授，博士生導(dǎo)師，博士，主要從事通信系統(tǒng)與電磁防護(hù)方面的研究。