基于SystemView的無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建

閆云斌，劉新海，王永川，李永科

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基于SystemView的無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建

閆云斌，劉新海，王永川，李永科

（軍械工程學(xué)院 無人機(jī)工程系，河北 石家莊 050003）

針對(duì)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)課程的教學(xué)，利用SystemView軟件構(gòu)建了無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)模型． 利用該模型仿真分析，可以得到無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈上行遙控信號(hào)從信源擴(kuò)頻、調(diào)制、加噪聲到解調(diào)和濾波等各個(gè)環(huán)節(jié)的時(shí)域波形圖．實(shí)踐結(jié)果表明，利用SystemView軟件構(gòu)建的無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)模型在教學(xué)實(shí)踐中把抽象復(fù)雜的知識(shí)點(diǎn)轉(zhuǎn)換成形象直觀的波形圖，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，提升了該課程的教學(xué)效果．

SystemView；無人機(jī)；數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)課程是本科無人機(jī)工程專業(yè)和生長干部任職教育培訓(xùn)的一門必修課，是學(xué)習(xí)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理、操作使用、參數(shù)測(cè)試、維護(hù)保養(yǎng)和故障分析等內(nèi)容的一門專業(yè)課．在掌握數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)原理構(gòu)造知識(shí)、使用與保障方法，奠定開展技術(shù)保障實(shí)踐所需的專業(yè)基礎(chǔ)，培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的科學(xué)思維、養(yǎng)成復(fù)合型軍官良好的專業(yè)素養(yǎng)等方面具有重要作用[1]．

在課程學(xué)習(xí)過程中，教學(xué)采用的是實(shí)際裝備，實(shí)裝教學(xué)的特點(diǎn)是能夠?qū)嵮b練習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)際操作能力．但是無人機(jī)裝備屬于復(fù)雜武器系統(tǒng)，也屬于航空飛行器，從學(xué)生素質(zhì)要求出發(fā)，必須“先懂技術(shù)原理，才能操作使用”，傳統(tǒng)的裝備教學(xué)方法在復(fù)雜高技術(shù)武器系統(tǒng)前面會(huì)脫節(jié)、失效．因此，需要對(duì)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論知識(shí)做一定的了解．

而對(duì)于無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)涉及到的基礎(chǔ)理論知識(shí)大多屬于通信原理的知識(shí)內(nèi)容，主要特點(diǎn)是抽象概念多，理論性較強(qiáng)[2]．而學(xué)生們大多這方面基礎(chǔ)薄弱，尤其是生長干部任職教育的學(xué)生．因此，為了讓學(xué)生能夠更加直觀地理解無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)理論方面的內(nèi)容，需要在理論知識(shí)講解過程中，多一些感性認(rèn)知，少一些理論推導(dǎo)．

SystemView是Elanix公司推出的一款動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真軟件，具有良好的交互界面，強(qiáng)大的信號(hào)分析窗口和計(jì)算功能，可提供多樣的庫文件及實(shí)現(xiàn)可視化仿真過程等．在信號(hào)分析、通信系統(tǒng)等領(lǐng)域受到教育、教學(xué)等研究者的青睞[3-5]．利用其強(qiáng)大的分析窗口，該軟件可以繪制時(shí)域和頻域圖，方便學(xué)生觀察通信系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)特征[6]．

本文應(yīng)用SystemView仿真平臺(tái)對(duì)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路的核心部分進(jìn)行了建模和仿真．利用其實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，分析功能強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)，把復(fù)雜的理論知識(shí)形象化，促進(jìn)了理論知識(shí)和實(shí)踐應(yīng)用的結(jié)合，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，為后續(xù)的實(shí)際裝備操作教學(xué)打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)．

1 無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)模型

無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)通常由地面測(cè)控設(shè)備和無人機(jī)組成[7]，其中地面測(cè)控設(shè)備通過無線傳輸對(duì)空中的無人機(jī)進(jìn)行遙控、遙測(cè)、任務(wù)信息傳輸和跟蹤定位．無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈基本組成框圖見圖1．由圖1可見，無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)可分為上行遙控鏈路和下行遙測(cè)鏈路．上行鏈路主要功能是把地面測(cè)控設(shè)備的遙控指令傳送給無人機(jī)，而下行鏈路負(fù)責(zé)把任務(wù)設(shè)備偵察到的任務(wù)信息傳送回地面測(cè)控設(shè)備．為了保證無人機(jī)的安全，需要上行鏈路做到絕對(duì)可靠．一般上行鏈路采用抗干擾能力較強(qiáng)的直接序列擴(kuò)頻通信技術(shù)，而下行鏈路一般需要把偵察到的情報(bào)數(shù)據(jù)發(fā)送給地面測(cè)控設(shè)備，通常采用的調(diào)制方式是2FSK調(diào)制．

圖1 無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)基本組成框圖

相對(duì)于上行鏈路，下行鏈路相對(duì)比較簡(jiǎn)單，本文主要在SystemView軟件構(gòu)建無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的上行鏈路．采用擴(kuò)頻和BPSK調(diào)制的上行鏈路組成的框圖見圖2．

圖2 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)上行鏈路組成框圖

在發(fā)送端地面測(cè)控設(shè)備產(chǎn)生控制無人機(jī)的遙控指令，送到地面數(shù)據(jù)終端處理機(jī)進(jìn)行編碼、加密和擴(kuò)頻后形成遙控基帶信號(hào)．遙控基帶信號(hào)通過遙控發(fā)射機(jī)進(jìn)行相位調(diào)制，產(chǎn)生遙控中頻信號(hào)，經(jīng)上變頻后形成遙控射頻信號(hào)，再經(jīng)功率放大后輸出到遙控發(fā)射天線，通過上行鏈路發(fā)射到無人機(jī)．

在接收端，無人機(jī)通過遙控接收天線和遙控接收機(jī)分別接收地面數(shù)據(jù)終端發(fā)射來的遙控射頻信號(hào)，經(jīng)放大、解擴(kuò)和解調(diào)等處理后，輸出遙控指令送到無人機(jī)的飛控計(jì)算機(jī)．

2 SystemView軟件介紹

SystemView軟件功能齊全，界面操作友好，能夠?yàn)橛脩籼峁┚艿那度胧椒治龉ぞ?，具備以下幾個(gè)特點(diǎn)[8]．

2.1 強(qiáng)大的仿真設(shè)計(jì)功能

SystemView軟件能夠構(gòu)造復(fù)雜的模擬、數(shù)字以及數(shù)/?；旌拖到y(tǒng)．尤其是對(duì)濾波器的設(shè)計(jì)，用戶可以根據(jù)自己需求，設(shè)計(jì)多種濾波器，并完成濾波器的各種指標(biāo)設(shè)計(jì)，還可以對(duì)各種系統(tǒng)的時(shí)頻域進(jìn)行分析．

2.2 豐富的資源庫

在SystemView軟件的基本庫中包括多種信號(hào)源、接收窗、加法器、乘法器及各種函數(shù)運(yùn)算器等．此外，它還可以添加如通信、邏輯及數(shù)字信號(hào)處理等專業(yè)庫．滿足現(xiàn)代信息傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真．

2.3 開發(fā)友好的用戶界面

在仿真系統(tǒng)建模過程中，不需要編寫代碼．采用圖形化的設(shè)計(jì)，操作簡(jiǎn)單，具有和其它外部文件接口，可直接讀入真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，也可以將處理結(jié)果輸出到外部數(shù)據(jù)文件．

2.4 開發(fā)友好的用戶界面

提供與Xilinx公司和TI公司生產(chǎn)的硬件進(jìn)行配套的接口，能夠把系統(tǒng)級(jí)仿真和電路級(jí)仿真結(jié)合起來．

2.5 智能化輔助設(shè)計(jì)

在仿真時(shí)，當(dāng)連接信息發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，自動(dòng)提示出錯(cuò)，并給出錯(cuò)誤圖標(biāo)的位置．

2.6 具備動(dòng)態(tài)探針功能

動(dòng)態(tài)的分析和后處理，提供了動(dòng)態(tài)探針功能，可以實(shí)時(shí)對(duì)示波器或頻譜儀進(jìn)行仿真．利用其“接收計(jì)算器”能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)仿真中時(shí)域波形圖和頻譜圖的監(jiān)測(cè)，還可以對(duì)觀察運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行各種運(yùn)算、譜分析和濾波等．

3 基于SystemView的無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈上行鏈路模型

利用SystemView完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)通常包括２個(gè)步驟：一是建立系統(tǒng)模型，二是仿真分析，同時(shí)根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行論證分析和修改[9]．首先介紹PSK調(diào)制和直接序列擴(kuò)頻通信的基本原理，然后利用SystemView軟件實(shí)現(xiàn)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的上行鏈路．

3.1 BPSK擴(kuò)頻調(diào)制基本原理

BPSK是擴(kuò)頻系統(tǒng)中最為常用的一種調(diào)制方式．如果假設(shè)擴(kuò)頻碼為，載波頻率為，調(diào)相波可表示為[10]

BPSK擴(kuò)頻調(diào)制器見圖3．對(duì)于BPSK擴(kuò)頻調(diào)制的解調(diào)，可以是圖3的逆過程，接收端得到的信號(hào)首先經(jīng)過下變頻，得到中頻信號(hào)，然后經(jīng)過解擴(kuò)、解調(diào)得到相應(yīng)的信息碼．

圖3 BPSK調(diào)制器

3.2 無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈上行鏈路的SystemView實(shí)現(xiàn)

通過理論分析，結(jié)合無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈上行鏈路的發(fā)送和接收框圖可以創(chuàng)建仿真分析系統(tǒng)．SystemView軟件下無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈上行鏈路的發(fā)送和接收仿真框圖見圖4、圖5．

圖4　無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈上行鏈路發(fā)射端SystemView仿真框圖

圖5 無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈上行鏈路接收端SystemView仿真框圖

在圖5中，接收端接收到的信號(hào)包括射頻信號(hào)以及在信道傳輸中疊加的高斯白噪聲．接收到的信號(hào)首先經(jīng)過解擴(kuò)，解擴(kuò)的核心是同步．在仿真中，可以采用和發(fā)射端一樣的擴(kuò)頻碼序列，解擴(kuò)以后再經(jīng)過BPSK解調(diào)就可以得到基帶信號(hào)，這里BPSK解調(diào)采用的是相干解調(diào)．

在SystemView窗口中，在“時(shí)間窗”參數(shù)中設(shè)置仿真的起始時(shí)間和終止時(shí)間，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，運(yùn)算結(jié)束后按“分析窗”按鈕，進(jìn)入分析窗口，點(diǎn)擊繪圖可以得到相關(guān)的仿真結(jié)果圖．

4 實(shí)驗(yàn)調(diào)試、仿真結(jié)果分析

在SystemView環(huán)境下，啟動(dòng)仿真系統(tǒng)，利用分析窗口和接收計(jì)算器功能進(jìn)行觀察和運(yùn)算，觀察到無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈上行鏈路在發(fā)送端和接收端的部分仿真結(jié)果圖．

無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈上行鏈路在發(fā)射端各個(gè)節(jié)點(diǎn)的仿真結(jié)果見圖6．其中，從上到下分別是基帶信號(hào)、擴(kuò)頻以后的信號(hào)和經(jīng)過調(diào)制的BPSK擴(kuò)頻信號(hào)．

圖 6 發(fā)射端各節(jié)點(diǎn)時(shí)域波形圖

無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈上行鏈路在接收端各個(gè)節(jié)點(diǎn)的仿真結(jié)果見圖7．其中，從上到下分別是疊加了高斯白噪聲的接收信號(hào)，經(jīng)過解擴(kuò)以后的接收信號(hào)，經(jīng)過BPSK解調(diào)后的信號(hào)和最終經(jīng)過抽樣判決恢復(fù)的基帶碼元．

圖 7 接收端各節(jié)點(diǎn)時(shí)域波形圖

在實(shí)際的裝備教學(xué)中，好多模塊都集成在一起，不方便測(cè)量．通過SystemView軟件把無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈上行鏈路和下行鏈路各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)域波形圖仿真出來，便于學(xué)生直觀形象地理解無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)．

5 結(jié)束語

本文利用SystemView仿真軟件，構(gòu)建了無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈上行鏈路的仿真模型．通過該模型，可以直觀地觀察無人機(jī)上行鏈路在不同節(jié)點(diǎn)的時(shí)域和頻域波形圖，把復(fù)雜的理論知識(shí)、抽象的數(shù)學(xué)表達(dá)式轉(zhuǎn)變成適合大家理解的波形圖．實(shí)現(xiàn)了感性認(rèn)知和理性認(rèn)知的結(jié)合，加深了課程知識(shí)點(diǎn)的理解，取得了非常顯著的教學(xué)效果．

[1] 王永川，田慶民，胡永江．“無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)”課程教學(xué)改革的幾點(diǎn)思考[J]．軍械教育研究，2014（2）：18-21

[2] 李莉，趙蓉，項(xiàng)東．通信原理綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的實(shí)踐[J]．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015，34（8）：179-181

[3] 龐姣，王虹，趙璞．SystemView在通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J]．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，28（8）：267-271

[4] 任峻，張紅燕．運(yùn)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)改革通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J]．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014（3）：95- 97，104

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[6] 李東生．SystemView系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真入門與應(yīng)用[M]．北京：電了工業(yè)出版社，2002

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[10] 趙剛．?dāng)U頻通信系統(tǒng)實(shí)用仿真技術(shù)[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2009

UAV data link experimental system constructed based on SystemView

YAN Yun-bin，LIU Xin-hai，WANG Yong-chuan，LI Yong-ke

（Department of UAV Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

In the course of the data link system of unmanned aerial vehicles（UAV）， the UAV data link system model is constructed by using SystemView software，which can be obtained the time domain waveform and frequency spectrum of the UAV data up link from the source spreading，modulation，plus noise，demodulation and filtering. The practice results show that the UAV data link system model based on SystemView is used to transform the abstract complex knowledge into the waveform，which can mobilize the initiative and enthusiasm of students and improve the teaching effect of the course.

SystemView；unmanned aerial vehicles；data link system；experimental system

1007-9831（2016）07-0083-05

TN919.2∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.07.022

2016-05-12

閆云斌（1984-），男，山西朔州人，講師，博士，主要從事無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈方面的研究．E-mail：zkjysyyb@163.com