遠(yuǎn)程復(fù)雜通信電磁環(huán)境模擬器的設(shè)計與實現(xiàn)

儲飛黃，謝海勇，俞紅兵

（解放軍電子工程學(xué)院，合肥 230037）

遠(yuǎn)程復(fù)雜通信電磁環(huán)境模擬器的設(shè)計與實現(xiàn)

儲飛黃，謝海勇，俞紅兵

（解放軍電子工程學(xué)院，合肥 230037）

通信電磁環(huán)境模擬器是保障完成通信對抗裝備檢測與訓(xùn)練的重要設(shè)備。提出了一種基于任意波形發(fā)生器和嵌入式GPRS/GPS模塊的遠(yuǎn)程模擬器設(shè)計方案。同時，討論了一種模擬器的組網(wǎng)拓?fù)湓O(shè)計，實現(xiàn)了復(fù)雜信號環(huán)境生成。解決了遠(yuǎn)程通信電磁環(huán)境生成問題，具有很高的工程應(yīng)用價值。

遠(yuǎn)程控制，GPRS，遠(yuǎn)程檢測，環(huán)境模擬器

引言

通信對抗訓(xùn)練與裝備功能檢測需要信號環(huán)境支持。設(shè)計一種可遠(yuǎn)程控制生成復(fù)雜通信電磁環(huán)境的模擬器，是裝備遠(yuǎn)程管理、訓(xùn)練與檢測的前提與基礎(chǔ)，對于建設(shè)信息化條件下的裝備管理與運(yùn)用體系具有重要意義。借鑒國外通信信號環(huán)境模擬器的設(shè)計思想［1］，本文提出了一種基于任意波形發(fā)生器的復(fù)雜通信電磁環(huán)境模擬器的設(shè)計方案，可實現(xiàn)復(fù)雜信號的生成組網(wǎng)與遠(yuǎn)程控制功能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

本系統(tǒng)基于典型C/S架構(gòu)，可執(zhí)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理，文件操作及實時控制等任務(wù)［2］。系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心、通信模塊和信號環(huán)境模擬器3大部分組成（如圖1所示）。其中，監(jiān)控中心是系統(tǒng)的控制與指揮中心，主要負(fù)責(zé)完成信號環(huán)境生成方案編輯、數(shù)據(jù)庫存取和地理信息顯示等功能；通信模塊由嵌入式GPRS模塊和連接有公網(wǎng)IP地址的互聯(lián)網(wǎng)組成，可以實時高效地完成數(shù)據(jù)通信功能；環(huán)境模擬器主要由AWG（任意波形發(fā)生器）、嵌入式GPS（Global Postioning System）模塊和功放等組成，可以響應(yīng)遠(yuǎn)程控制指令，自動完成GPS校時和按照想定方案生成所需的復(fù)雜通信電磁環(huán)境。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計

2.1AWG的硬件設(shè)計

AWG是系統(tǒng)的核心組成部分，能生成 2 MHz～100 MHz的任意復(fù)雜信號。其硬件結(jié)構(gòu)主要包括嵌入式工控機(jī)、USB接口卡和信號產(chǎn)生板等模塊（如圖2所示）。其中，信號產(chǎn)生板由高速DAC、時鐘電路和輸出電路組成。

圖2 AWG硬件總體方案

用戶首先定制和編輯自己所需要的任意波數(shù)據(jù)，然后通過控制命令將波形數(shù)據(jù)傳送至硬件電路（即信號產(chǎn)生板）上的存儲器中，最后信號產(chǎn)生板DAC模塊在75 Hz～150 MHz參考時鐘驅(qū)動下，由內(nèi)部控制電路將波形數(shù)據(jù)以相應(yīng)速度從存儲器取出，通過超高速DAC電路和輸出電路得到所需要的模擬輸出信號。

2.1.1 信號產(chǎn)生板

在AWG硬件原理框圖中，最核心部分為信號產(chǎn)生板，主要包括300MSPS、14bit DAC模塊、大容量數(shù)據(jù)存儲模塊、FPGA控制模塊、高精度時鐘模塊和控制輔助電路（如圖3所示），核心是高速高精度DAC技術(shù)。

圖3 信號發(fā)生板硬件框圖

2.1.2 高分辨率時鐘

為了實現(xiàn)系統(tǒng)要求的75 Hz～150 MHz正弦時鐘輸入，基于DDS技術(shù)開發(fā)了時鐘信號產(chǎn)生板。主要由DDS芯片AD9954、運(yùn)放AD8009、低通濾波器和控制與接口FPGA芯片EP1C6Q240構(gòu)成（如圖4所示）。時鐘板的最高輸出頻率為160 MHz，頻帶內(nèi)平坦度3 dB，頻率精度0.23 Hz，輸出50 MHz單頻信號時信噪比可達(dá)65 dB以上。

圖4 高分辨率時鐘原理框圖

2.2 嵌入式GPRS/GPS模塊

本系統(tǒng)使用自主開發(fā)的集成有GPRS/GPS功能的通信模塊，通過RS232C串口與工控機(jī)進(jìn)行通信。GPRS模塊使用了SIMCom公司生產(chǎn)的SIM300模塊，該模塊具有三頻段工作方式、集成有TCP/IP棧協(xié)議，支持使用AT指令集對其進(jìn)行操作，能夠完成短信與GPRS通信。GPS模塊選用GStar公司的GS-89模塊，具有高精度，低電壓和自動導(dǎo)航等特點(diǎn)，支持輸出標(biāo)準(zhǔn)的NMEA0183語句，能夠滿足基本的定位和校時功能。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要任務(wù)在于完成GPRS通信、GPS校時和波形產(chǎn)生等功能，方便用戶操作。系統(tǒng)提供兩種工作模式：本地控制模式和遠(yuǎn)程控制模式。

3.1 GPRS網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計

3.1.1 GPRS網(wǎng)絡(luò)連接

GPRS模塊負(fù)責(zé)完成連接互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。SIM300模塊集成有TCP/IP棧協(xié)議，通過寫AT指令，控制硬件模塊，開啟GPRS功能，連接目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。連接處理過程如圖5所示。

圖5 GPRS網(wǎng)絡(luò)連接流程設(shè)計

監(jiān)控中心模塊連接的互聯(lián)網(wǎng)具有公網(wǎng)IP地址，一般為動態(tài)分配的，系統(tǒng)需要采用匯報查詢的方式獲得IP地址和端口。模擬器開機(jī)或重連后以短信的方式向中心匯報，中心得到相應(yīng)信息后同樣以短信的方式向模擬器發(fā)送IP和端口號。如果中心網(wǎng)絡(luò)具有固定IP地址，則模擬器開機(jī)即可直接連接網(wǎng)絡(luò)。

通過讀寫SIM300串口，實現(xiàn)GPRS連接和狀態(tài)查詢等功能。串口操作采用WIN32 API函數(shù)直接讀寫串口。首先，關(guān)閉PDP環(huán)境，選擇連接方式，設(shè)置接收數(shù)據(jù)是否加上IP頭，從而初始化GPRS連接。然后，寫AT指令，連接目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)。在使用過程中應(yīng)該實時查詢連接狀態(tài)，返回狀態(tài)供用戶判斷決策。

3.1.2 網(wǎng)絡(luò)在線檢測

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接是否正常關(guān)系到正常數(shù)據(jù)收發(fā)。監(jiān)控中心建立3個基于TCP的Socket通信子服務(wù)，分別處理GPS定位數(shù)據(jù)、GPRS網(wǎng)絡(luò)測試數(shù)據(jù)包和其他系統(tǒng)需要處理的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)使用了獨(dú)立的服務(wù)端口接收網(wǎng)絡(luò)測試數(shù)據(jù)包，若系統(tǒng)連接異常，則關(guān)閉現(xiàn)有連接，重新建立新連接，從而保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)正常接收。

3.2 GPS定位校時設(shè)計

GPS模塊支持標(biāo)準(zhǔn)NMEA0183語句和SiRF二進(jìn)制協(xié)議。NMEA0183語句是以$GP開頭的ASCII碼，代表不同信息的數(shù)據(jù)字段組成的數(shù)據(jù)包（如圖6所示）。以$GPRMC語句為例解析各字段所代表的含義［4］。

圖6 GPRMC語句各字段含義

模擬器通過讀取串口數(shù)據(jù)，獲取實時更新的數(shù)據(jù)包，解析得到相關(guān)經(jīng)緯度、速度和日期時間等信息后，將數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控中心，完成地理信息的匯報。

同時，為滿足檢測與實驗要求，需要有精準(zhǔn)的時間同步系統(tǒng)。本系統(tǒng)基于GPS模塊提取其UTC時間和日期，解析后轉(zhuǎn)換為北京時間系統(tǒng)，輸出后對時間進(jìn)行校準(zhǔn)［5］。使用GPS開發(fā)板設(shè)計的校時系統(tǒng)具有成本低、實用性強(qiáng)和操作簡單等特點(diǎn)，且能夠滿足動態(tài)測量和時間校準(zhǔn)的要求。

3.3 波形產(chǎn)生軟件設(shè)計

波形產(chǎn)生軟件設(shè)計是模擬器的核心功能之一。在本地控制模式下，軟件提供了更加強(qiáng)大的功能，主要包括系統(tǒng)控制模塊和波形編輯模塊兩大部分。系統(tǒng)控制模塊主要完成人機(jī)交互、硬件控制、文件管理和接口支持功能。波形編輯模塊為系統(tǒng)提供任意波形信號的編輯能力，提供圖形編輯、公式編輯、頻域編輯和函數(shù)發(fā)生器4種波形編輯方式，可以生成任意波形數(shù)據(jù)。

而在遠(yuǎn)程控制模式下，系統(tǒng)軟件提供了豐富的生成信號庫，包含常規(guī)通信信號和特定信號。通過遠(yuǎn)程控制指令可以準(zhǔn)確實時地生成信號庫中存在的信號。

以單音信號調(diào)制為例，設(shè)生成信號數(shù)據(jù)為S［i］，載波頻率為fc，時鐘頻率為fs，調(diào)制信號頻率為fm，最大波形點(diǎn)數(shù)為MaxPoints，調(diào)制參數(shù)為Modpara，則單音信號表示為：

同時，為完成遠(yuǎn)程控制的需要，設(shè)計了一套基于可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令集，簡稱為SCPI（Standard Commands for Programmable Instruments）的命令解釋器，接收遠(yuǎn)程控制命令，實現(xiàn)模擬器的實時測量、控制輸出信號等功能。

4 組網(wǎng)生成設(shè)計

組網(wǎng)設(shè)計的總體思想是以監(jiān)控中心為核心，將多個模擬器單機(jī)按照星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成系統(tǒng)，在完成時統(tǒng)的基礎(chǔ)上，分配信號生成方案（如圖7所示）。

圖7 模擬器網(wǎng)絡(luò)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

監(jiān)控中心以一種通用數(shù)據(jù)幀與模擬器通信，數(shù)據(jù)格式如表1所示，各模擬器接收到命令后，按照指定的起止時間和信號參數(shù)，生成指定的信號，從而實現(xiàn)了模擬器的組網(wǎng)功能。

表1 通信數(shù)據(jù)幀格式

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)基于嵌入式GPRS/GPS模塊和自主研發(fā)的AWG，設(shè)計開發(fā)了遠(yuǎn)程復(fù)雜通信電磁環(huán)境模擬器系統(tǒng)，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、GPS定位與時間校準(zhǔn)，實現(xiàn)了復(fù)雜信號遠(yuǎn)程控制與組網(wǎng)功能，很好地滿足了日常通信對抗裝備的遠(yuǎn)程測試、實驗和訓(xùn)練的需求，實踐證明了其可行性與先進(jìn)性。但GPRS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸安全性［6］，需要在日后的研究中不斷改進(jìn)與提高。

［1］張 玉.通信信號電磁環(huán)境模擬器中動態(tài)背景信號產(chǎn)生器的設(shè)計［D］，長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2006.

［2］林梅金，羅 飛，李如雄.GPRS網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)［J］.計算機(jī)工程，2006，32（3）：27-30.

［3］里吉斯.通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：人民郵電出版社，2004.

［4］SiRF Technology［C］//Inc.NMEA Reference Manual，2005.

［5］徐 進(jìn)，李 濤.一種實用GPS授時系統(tǒng)的設(shè)計［J］.西安工程科技學(xué)院學(xué)報，2007，21（6）：11-13.

［6］郝記生，張曦煌.基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)［J］.計算機(jī)工程與設(shè)計，2008，29（20）:34-36.

Design and Implementation of Remote Simulator of Complicated Communicating Electromagnetism Environment

Chu Fei-huang，Xie Hai-yong，Yu Hong-bing
（Electronic Engineering Institute of PLA，Hefei 230037，China）

Simulator of complicated communicating electromagnetism environment is an important device for remote testing and training in communication electronic warfare equipment.This paper proposes a design scheme based on arbitrary waveform generator and GPRS/GPS module.Meanwhile，simulator network system is discussed to realize complicated environment generation.It solves electromagnetism environment problems on remote testing and has available practicality.

remote control，GPRS，remote detection，environment simulator

TN911

A

1002-0640（2014）10-0139-03

2013-08-09

2013-10-07

儲飛黃（1972- ），男，安徽岳西人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向：通信與電子系統(tǒng)。