模擬仿真技術(shù)在播出系統(tǒng)的應(yīng)用淺述

張 宇，陸衛(wèi)強(qiáng)，韓 峻，金 勇

（上海衛(wèi)星地球站，上海 201114）

模擬仿真技術(shù)在播出系統(tǒng)的應(yīng)用淺述

張 宇，陸衛(wèi)強(qiáng)，韓 峻，金 勇

（上海衛(wèi)星地球站，上海 201114）

本仿真系統(tǒng)基于地球站的設(shè)備特性，根據(jù)有限元的設(shè)備仿真與設(shè)備相似原理，構(gòu)造出一種通用的算法。并利用模塊化程序設(shè)計(jì)思路，動(dòng)態(tài)計(jì)算播出鏈路中每個(gè)環(huán)節(jié)的仿真結(jié)果，同時(shí)輸出圖像與聲音，達(dá)到與真實(shí)播出系統(tǒng)基本相同的環(huán)境。以此，實(shí)現(xiàn)仿真技術(shù)在播出系統(tǒng)鏈路中的應(yīng)用，并引伸、擴(kuò)展此技術(shù)的應(yīng)用，將其運(yùn)用到日常維護(hù)與培訓(xùn)中。

鏈路仿真；模擬應(yīng)急；培訓(xùn)；有限元；相似原理；網(wǎng)絡(luò)

1　引言

仿真技術(shù)是一門(mén)多學(xué)科的綜合性技術(shù)，它以控制論、系統(tǒng)論、相似原理和信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)和專用設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對(duì)實(shí)際的運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。將仿真技術(shù)手段與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，由真實(shí)仿真設(shè)備和計(jì)算機(jī)綜合仿真系統(tǒng)組成仿真環(huán)境，讓用戶在與真實(shí)情況幾乎相似的仿真環(huán)境中使用與操作設(shè)備，提前了解系統(tǒng)的工作情況與可能存在的問(wèn)題，減少對(duì)真實(shí)設(shè)備的意外損耗，降低操作風(fēng)險(xiǎn)。在模擬應(yīng)急訓(xùn)練中，可以做到全天候、不間斷、既經(jīng)濟(jì)又高效的實(shí)現(xiàn)對(duì)人員的培訓(xùn)。

2　模塊化設(shè)計(jì)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(shè)備交互部分、用戶交互部分，如圖1所示。各部分又由多個(gè)模塊功能實(shí)現(xiàn)，各模塊間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的接口進(jìn)行通信，因此，對(duì)于本系統(tǒng)可以將程序安裝在一臺(tái)或多臺(tái)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行運(yùn)算，如用戶交互部分的兩個(gè)功能模塊可為特殊需要單獨(dú)或統(tǒng)一的運(yùn)行，擴(kuò)展功能的應(yīng)用。

圖1　各功能模塊間的關(guān)系示意圖

3　模擬仿真模型的建立

在軟件行業(yè)中有許多通過(guò)仿真實(shí)現(xiàn)的模擬程序，它們大致可以被分為兩類：

一類為真實(shí)模擬（如針對(duì)單片機(jī)的模擬器）。這類模擬程序具有1︰1的模擬效果，將設(shè)備中擁有的所有功能一一模擬，通過(guò)軟件的方式實(shí)現(xiàn)硬件效果，此類仿真程序成本較高，需要有很強(qiáng)的基礎(chǔ)理論作為依托，并且需要反復(fù)試驗(yàn)確保準(zhǔn)確，并不適合在應(yīng)用開(kāi)發(fā)中廣泛使用。

另一類為相似理論模擬（如建筑物強(qiáng)度測(cè)試）。雖然需要較多的理論基礎(chǔ)，但基本還是建立在經(jīng)驗(yàn)與有限元范圍內(nèi)進(jìn)行仿真模擬，被應(yīng)用開(kāi)發(fā)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(jiǎn)單，計(jì)算量比較少，模擬結(jié)果較快，得到的結(jié)果為離散型數(shù)值，能夠大致反映出變化情況。對(duì)于在相似程度要求不是很高的場(chǎng)合應(yīng)用比較多，但其最大的缺點(diǎn)在于，當(dāng)模擬要求超出表格的范圍就無(wú)法實(shí)現(xiàn)模擬，必須通過(guò)修改表格，因此對(duì)于應(yīng)用者來(lái)說(shuō)，先期工作壓力較大，改變模擬環(huán)境就可能需要重新人工計(jì)算。第二種為范圍計(jì)算模擬，通過(guò)公式對(duì)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算產(chǎn)生模擬結(jié)果。這種模擬計(jì)算量較大，能夠得到較準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，但對(duì)計(jì)算機(jī)的壓力較大，大規(guī)模的數(shù)據(jù)運(yùn)算將影響效率。

鑒于以上幾種模擬方式，本仿真系統(tǒng)中采用復(fù)合形式進(jìn)行模擬。在對(duì)于鏈路中設(shè)備間信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程中采用真實(shí)模擬，也就是將設(shè)備一一對(duì)應(yīng)加以模擬；在對(duì)于設(shè)備內(nèi)部信號(hào)運(yùn)算模擬中，將采用查表模擬與范圍計(jì)算模擬共同承擔(dān)。如：對(duì)于信號(hào)電平的衰減采用上下限區(qū)分的三個(gè)不同范圍，在這三個(gè)范圍內(nèi)分別采用不同的計(jì)算公式，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的衰減模擬。

3.1基本信號(hào)模型

本仿真系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初，是作為真實(shí)運(yùn)營(yíng)鏈路的輔助檢測(cè)工具使用。但經(jīng)過(guò)開(kāi)發(fā)人員的反復(fù)論證后發(fā)現(xiàn)，就目前對(duì)真實(shí)鏈路的檢測(cè)范圍存在局限性：主要表現(xiàn)在設(shè)備監(jiān)測(cè)手段有限，若增加監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)將增加鏈路的復(fù)雜度，降低系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，更可能影響信號(hào)電平的有效利用率。

鑒于以上原因，在大多數(shù)的播出運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)中，工程師在設(shè)計(jì)系統(tǒng)鏈路時(shí)，除非必要一般都不刻意增加監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定，并控制系統(tǒng)維護(hù)成本。但對(duì)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)管監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，需要了解系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，才可能全面了解運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的工作情況計(jì)算出結(jié)果。因此，我們必須折中尋找一種方法解決兩種不可調(diào)和的情況。

模擬仿真系統(tǒng)就是在這樣的現(xiàn)狀下被提出來(lái)的，當(dāng)我們需要真實(shí)設(shè)備的參數(shù)與狀態(tài)時(shí)，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)從設(shè)備中獲??；當(dāng)有些設(shè)備無(wú)法獲取參數(shù)與狀態(tài)的情況下，通過(guò)相似原理由仿真系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)據(jù)，幫助工程師了解系統(tǒng)，最大可能的逼近真實(shí)環(huán)境。

對(duì)于播出系統(tǒng)而言，無(wú)論信號(hào)電平是高或低，信號(hào)類型是視頻、中頻或射頻等，信號(hào)中包含的節(jié)目?jī)?nèi)容，貫穿整條鏈路的就是信號(hào)，同樣這也是對(duì)于播出部門(mén)最關(guān)心的重點(diǎn)。因此，從相似理論來(lái)說(shuō)，滿足不同規(guī)模物理現(xiàn)象保持相似的條件，就必須考慮鏈路中的信號(hào)這個(gè)關(guān)鍵要素。也就是說(shuō)，這個(gè)鏈路中每種設(shè)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(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，使流經(jīng)所有設(shè)備的信號(hào)都可在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中得到解釋。

信號(hào)模型主要包括以下幾個(gè)特性：

（1）信號(hào)頻點(diǎn)：這里的頻點(diǎn)是一個(gè)虛概念，它并不一定表示信號(hào)的中心頻率，而是說(shuō)明此信號(hào)正處于什么環(huán)節(jié)、信號(hào)的性質(zhì)。同時(shí)，使用頻點(diǎn)表示可以比較方便與其他信號(hào)區(qū)分。在播出鏈路中，尤其是進(jìn)入數(shù)字電視時(shí)代，無(wú)論是基帶信號(hào)、中頻信號(hào)、射頻信號(hào)、衛(wèi)星信號(hào)，都可以使用信號(hào)頻點(diǎn)這個(gè)概念去描述。

（2）信號(hào)功率：信號(hào)功率是設(shè)備對(duì)信號(hào)檢測(cè)的一個(gè)重要指標(biāo)，也是人為判斷信號(hào)好壞的基本要素，因此，在信號(hào)模型中信號(hào)功率是必須的。

（3）信號(hào)質(zhì)量：信號(hào)質(zhì)量是指信號(hào)中包含內(nèi)容的優(yōu)劣，也是人為判斷信號(hào)優(yōu)劣的主觀評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)；在真實(shí)運(yùn)營(yíng)環(huán)境中，信號(hào)質(zhì)量的體現(xiàn)是利用監(jiān)測(cè)設(shè)備，通過(guò)監(jiān)視器、喇叭等輸出輸出設(shè)備展現(xiàn)的，但在模擬仿真中，必須通過(guò)人為定義。

（4）信號(hào)延遲：在播出鏈路中，數(shù)字信號(hào)處理、加密信號(hào)的應(yīng)用，都會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的信號(hào)延遲情況，尤其在通過(guò)衛(wèi)星傳輸?shù)男盘?hào)時(shí)，因?yàn)榫嚯x的原因延遲甚至可能超過(guò)0.2秒，整條鏈路累計(jì)延遲時(shí)間有時(shí)候會(huì)超過(guò)1秒。但在真實(shí)情況下，這個(gè)因素往往會(huì)被忽略，因此，模擬仿真中加入延遲指標(biāo)可幫助工程師準(zhǔn)確判斷。

（5）信號(hào)名稱：這是對(duì)信號(hào)的命名，幫助使用者掌握信號(hào)的流向。

（6）內(nèi)容描述：對(duì)于不同的信號(hào)內(nèi)容會(huì)有不同的描述（如：視頻信號(hào)以視頻流方式描述、音頻信號(hào)以音波形式描述），目的是展現(xiàn)的效果更逼近真實(shí)情況。

3.2基本設(shè)備模型

為了盡可能逼真模擬信號(hào)流經(jīng)設(shè)備的過(guò)程，我們必須統(tǒng)一規(guī)范與真實(shí)情況相似的設(shè)備構(gòu)成。

（1）信號(hào)處理特征：每一臺(tái)設(shè)備被應(yīng)用到鏈路中，其主要目的是為了處理播出信號(hào)或信號(hào)監(jiān)測(cè)，因此，每臺(tái)設(shè)備都有其對(duì)于信號(hào)的處理特征，這些特征就是區(qū)分其功能的關(guān)鍵，被稱為顆粒特征。但無(wú)論設(shè)備內(nèi)部特征如何不同，我們更關(guān)心信號(hào)被以怎樣的標(biāo)準(zhǔn)格式送入設(shè)備，又以怎樣的標(biāo)準(zhǔn)格式送出設(shè)備，因此，信號(hào)特征的處理算法是設(shè)備模型的首要部分，也就是顆粒算法。設(shè)備顆粒為鏈路中最小單位不可分割，也定義了統(tǒng)一的算法，具有處理不同輸入信號(hào)并輸出的能力。

（2）設(shè)備端口：端口是設(shè)備顆粒之間的互通信號(hào)的橋梁，而線纜是信號(hào)流通的載體；對(duì)于仿真模型來(lái)說(shuō)，線纜的區(qū)別是由端口確定的，端口的性質(zhì)決定了線纜的性質(zhì)，也決定了流經(jīng)線纜的信號(hào)。鑒于端口對(duì)于設(shè)備的重要性，在模擬仿真中，端口被作為設(shè)備構(gòu)成的另一個(gè)重要部分。

（3）設(shè)備屬性：對(duì)于模擬仿真，盡管設(shè)備必須被抽象成統(tǒng)一的設(shè)備模型，但每一種設(shè)備所具有的差異性，也必須被體現(xiàn)出來(lái)，比如：設(shè)備自身的衰減特性、最大最小極限、延遲情況，或是當(dāng)這個(gè)仿真設(shè)備被與資產(chǎn)管理關(guān)聯(lián)的時(shí)候，區(qū)分就顯得尤為重要。設(shè)備屬性就是為這個(gè)目的而存在的，它可以滿足設(shè)備模型的通用性要求。

（4）設(shè)備顆粒狀態(tài)：仿真設(shè)備的狀態(tài)是表現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部端口連接的情況，是信號(hào)內(nèi)容變化與信號(hào)路由變化的關(guān)鍵。設(shè)備狀態(tài)在兩種情況下發(fā)生變化：通過(guò)設(shè)置的方式修改設(shè)備狀態(tài)；通過(guò)仿真硬件讀取狀態(tài)。

3.3鏈路模型

鏈路是由信號(hào)、設(shè)備（顆粒）、線纜組成。

（1）信號(hào)：信號(hào)是信號(hào)模型的實(shí)例，是模擬仿真系統(tǒng)的處理對(duì)象，可通過(guò)設(shè)備端口與線纜，了解信號(hào)情況，判斷鏈路準(zhǔn)確性。

（2）顆粒：鏈路中的顆粒是設(shè)備模型的實(shí)例，是鏈路的關(guān)鍵。模擬仿真系統(tǒng)為每個(gè)設(shè)備顆粒建立一個(gè)設(shè)備邏輯模塊，模塊中包括設(shè)備外形、信號(hào)處理特征、端口及特性，模塊建立在統(tǒng)一的算法之上。建立鏈路圖紙，實(shí)際上就是使用設(shè)備的邏輯模塊，將各端口相互連接的過(guò)程。建立鏈路的同時(shí)，也是在創(chuàng)建模擬仿真的邏輯依據(jù)。

（3）線纜：線纜是流經(jīng)信號(hào)的載體，是連接設(shè)備端口的媒介，它只負(fù)責(zé)告訴模擬系統(tǒng)，設(shè)備顆粒的連接方式與走向，同時(shí)偵測(cè)端口連接的邏輯正確性。一般情況下，線纜只是從一個(gè)設(shè)備輸出端口連接到另一個(gè)設(shè)備的輸入端口，但也存在兩種特例：一是從設(shè)備輸出端口連接到當(dāng)前設(shè)備的另一個(gè)輸入端口（如矩陣的自環(huán)）；二是從多個(gè)設(shè)備的輸出端口到單個(gè)設(shè)備輸入端口（如天線上行到衛(wèi)星的情況）。

（4）鏈路：將所有設(shè)備顆?；ハ噙B接構(gòu)成整個(gè)鏈路，在繪制了這條系統(tǒng)鏈路的同時(shí)也就建立了邏輯關(guān)系。遍歷核心算法可以逐一計(jì)算輸出結(jié)果并展現(xiàn)，直至覆蓋所有設(shè)備，達(dá)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(yùn)算的設(shè)計(jì)思路

本模擬仿真系統(tǒng)的仿真運(yùn)算部分主要集中在設(shè)備模型的信號(hào)處理特征中，設(shè)備模型被抽象成一個(gè)設(shè)備類（Cdevice）。Cdevice中除包含設(shè)備的特性參數(shù)外，還包含插入信號(hào)緩沖，以及一個(gè)代表設(shè)備端口的數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)椎刂罚ㄟ^(guò)訪問(wèn)此地址可遍歷設(shè)備的所有端口。

端口被抽象成一個(gè)端口類（Cport），Cport中包含了端口的相關(guān)特性（如信號(hào)類型、輸入輸出性質(zhì)、信號(hào)過(guò)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(shè)備端口通過(guò)線纜（連線Cline）連接，也可以與內(nèi)部端口連接（內(nèi)聯(lián)CinLink），也就是設(shè)備狀態(tài)。與外部設(shè)備端口連接可將信號(hào)送入下一個(gè)設(shè)備或從上一個(gè)設(shè)備獲取信號(hào)，與內(nèi)部端口的連接將進(jìn)行信號(hào)的處理。另外，端口中還有一個(gè)信號(hào)緩存，用于記錄經(jīng)過(guò)此端口的信號(hào)情況。

信號(hào)同樣被抽象成一個(gè)信號(hào)類（Csignal），Csignal中主要記錄頻點(diǎn)、節(jié)目名稱、功率、延遲、質(zhì)量情況、描述等信息。

設(shè)備類對(duì)輸入的信號(hào)根據(jù)內(nèi)聯(lián)情況進(jìn)行衰減、延遲、節(jié)目質(zhì)量等相關(guān)計(jì)算，并結(jié)合設(shè)備插入信號(hào)（可用于抗干擾模擬）給出最終的輸出信號(hào)結(jié)果。

由此，“設(shè)備→端口→信號(hào)”構(gòu)成設(shè)備模型對(duì)于信號(hào)處理的所有步驟，最終通過(guò)線纜傳送到另外一個(gè)設(shè)備端口，完成模擬的一個(gè)周期。當(dāng)該類被實(shí)例化之后組成一個(gè)設(shè)備數(shù)據(jù)鏈，鏈中每個(gè)設(shè)備表示為一個(gè)用于模擬的顆粒對(duì)象，通過(guò)遍歷所有設(shè)備對(duì)象完成對(duì)信號(hào)鏈路模擬。通過(guò)查看每個(gè)端口可知道鏈路中信號(hào)經(jīng)過(guò)此端口時(shí)的信號(hào)情況，達(dá)到仿真模擬的效果。

圖3　仿真運(yùn)算的設(shè)計(jì)思路

5　仿真展現(xiàn)的設(shè)計(jì)思路

模擬仿真的展現(xiàn)表現(xiàn)在兩個(gè)方面的內(nèi)容：

一是幫助工程師直觀了解鏈路工作情況。模擬仿真系統(tǒng)的邏輯依據(jù)是由鏈路模型決定的，而鏈路模擬表現(xiàn)形式就是系統(tǒng)圖紙。圖紙中所有的設(shè)備與線纜都具有邏輯意義，可以被當(dāng)作一個(gè)對(duì)象來(lái)操作，可以非常直觀地表現(xiàn)系統(tǒng)鏈路的全貌。工程師可通過(guò)選取設(shè)備、線纜了解信號(hào)的情況，仿真系統(tǒng)可幫助工程師檢查鏈路的邏輯錯(cuò)誤，排除可能存在的潛在問(wèn)題。并生成相關(guān)設(shè)備對(duì)照表、線號(hào)對(duì)照表、鏈路更變情況，同步計(jì)算工程量、各種類型線纜長(zhǎng)度，打印標(biāo)簽。

二是仿真結(jié)果的直觀展現(xiàn)。當(dāng)模擬仿真系統(tǒng)被運(yùn)行，可通過(guò)觸碰設(shè)備端口與線纜，實(shí)時(shí)監(jiān)看動(dòng)態(tài)圖像、監(jiān)聽(tīng)聲音、顯示仿真頻譜，就像在真實(shí)運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)中的監(jiān)測(cè)工具中所展現(xiàn)的信息（如視頻、圖像、音柱、頻譜等）。固化這些可顯示的信息構(gòu)成電視墻，仿真真實(shí)的監(jiān)控環(huán)境，提高仿真效果。

6　結(jié)束語(yǔ)

目前，我們已經(jīng)完成了第一個(gè)階段的開(kāi)發(fā)，模擬的結(jié)果基本達(dá)到預(yù)期，被應(yīng)用到日常的應(yīng)急培訓(xùn)中，反映良好。仿真是一個(gè)逐步逼近真實(shí)的過(guò)程，其中涉及較多細(xì)節(jié)思路與實(shí)現(xiàn)方法，本文只是針對(duì)仿真系統(tǒng)中的關(guān)鍵要素進(jìn)行了整理，并未涉及具體代碼開(kāi)發(fā)的內(nèi)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