VHF通信系統(tǒng)數(shù)字化仿真平臺構(gòu)想

摘 要：文章分別闡述了數(shù)字化仿真平臺的優(yōu)點及實現(xiàn)方式，介紹了建模的過程以及常用的數(shù)字化仿真平臺為該構(gòu)想的實現(xiàn)提供較為可信的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：VHF通信系統(tǒng)；仿真模型；仿真平臺

引言

文章主要提出一種構(gòu)想：基于電路仿真的方法，將通信中涉及到的電臺及傳輸設(shè)備等組件，通過建模搭建數(shù)字化的仿真模型，模擬通信過程；為員工的業(yè)務培訓提供更接近真實的學習方法。

1 目前培訓

烏魯木齊飛行情報區(qū)新疆境內(nèi)面積為156萬平方公里， 西藏境內(nèi)面積為28萬平方公里，總面積約184萬平方公里，是國內(nèi)最大的飛行情報區(qū)。技術(shù)保障中心負擔著整個新疆23臺站和烏魯木齊機場臺站的通信、導航、監(jiān)視設(shè)備的運行維護，為新疆空管保駕護航。為了提高員工的業(yè)務水平，每年業(yè)務培養(yǎng)都是新疆空管局的重要工作內(nèi)容，培訓是給員工傳授其完成工作所必需的思維認知、知識技能的過程。業(yè)務培訓自然是提高維護質(zhì)量的根本辦法。而現(xiàn)有的培訓方式主要分為以下幾類：

1.1 培訓方式

單位內(nèi)部培訓，國內(nèi)行業(yè)交流，國外廠家培訓。這幾種方法存在一些缺點，例如培訓內(nèi)容有限、費用昂貴等。

1.2 工作經(jīng)驗傳統(tǒng)獲得方式

（1）師徒傳承。

（2）現(xiàn)實長期工作中排故積累經(jīng)驗。

（3）利用備件搭建平臺，模擬現(xiàn)實應用。

優(yōu)點：所學內(nèi)容有效積累。

缺點：周期長，成本高，人均利用率低。

在日常的工作生活中，人們會慢慢發(fā)現(xiàn)自己的“知識貧乏”，已有的知識正變得支離破碎，學習的速度慢、要學的知識多。由于空管這個特殊行業(yè)，對安全性要求較高，很多情況下對于工作中提出的新觀點、新理論、新方法，不能方便地著手進行試驗、嘗試，因為這會對現(xiàn)有運行的設(shè)備、系統(tǒng)造成安全隱患。尤其在故障排除過程中，更不能模擬故障，論證假設(shè)。所以空管通信系統(tǒng)急需一套數(shù)字化的仿真平臺能夠如同電路仿真一般，是一套半物理化的仿真系統(tǒng)，能夠通過搭建系統(tǒng)模型，論證理論、學習系統(tǒng)知識。

2 仿真模型的實現(xiàn)

搭建構(gòu)想來源于手機APP仿真電路，該軟件使用感受：方便、直觀、形象。電路形式自己按需使用電阻、電容、電感、電壓源、電流源、二極管、三極管等進行搭建，就好像兒童搭積木一樣簡單。電路搭建完成后，電路各個支路電壓大小電流大小及流向均形象展出。

構(gòu)想的數(shù)字化平臺，以WINDOWS為基礎(chǔ)整個操作界面就像一個電子實驗工作臺，所需的組件和測試儀器均可直接拖放到屏幕上，所有組件的控制面板和操作方式都和實物相似，輕點鼠標可用導線將它們連接起來。正確搭建完畢后，平臺將會顯示信號流向、大小。電臺及傳輸設(shè)備等組件具體參數(shù)改變，會影響最終發(fā)射、接收數(shù)據(jù)，平臺實時顯示具體變化。軟件儀器的控制面板和操作方式都和實物相似，測量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線如同在真實儀器看到的。組件之間連線錯誤，平臺給出錯誤指示甚至模擬真實故障情況比如：短路火花；RF線虛接、斷路引起VSWR告警，參數(shù)設(shè)置不合理導致的發(fā)射或接收效果不好等實際問題。

2.1 數(shù)字化仿真的優(yōu)勢

（1）便捷、利用率高。不受時間地點限制，任何員工都可以使用此應用。

（2）為實際工作提供便捷有趣的學習方式，練習過程中仿真運用，實際培訓效果將大大提高。

（3）培訓成本降低，可避免培訓實操期間誤操作損壞設(shè)備，比如不同設(shè)備之間電壓匹配不當就會損壞器件，還可節(jié)約搭建實際平臺費用。

2.2 數(shù)字化仿真模型的實現(xiàn)

計算機模擬平臺是把通信系統(tǒng)的全過程結(jié)構(gòu)組成和大部分規(guī)定事先編入計算機程序，然后用計算機語言描述通信過程，并用計算機進行處理的一種模擬方法。通過數(shù)字化模擬平臺，可以無需使用任何真實組件即可完成一個新系統(tǒng)搭建的可行性驗證。

仿真的基本過程，要進行如下9步：

（1）制定意義：熟練、論證通信系統(tǒng)組成。

（2）制定目標：盡可能的模擬真實VHF通信系統(tǒng)。

（3）建立模型、針對系統(tǒng)中每一個部件，建立其物理模型，進而構(gòu)建系統(tǒng)。描述系統(tǒng)并對所有假設(shè)列表。

（4）羅列出所有可能。

（5）收集數(shù)據(jù)和信息：制作搭建仿真平臺所需各種設(shè)備模型例如具體電臺型號、傳輸設(shè)備、比選設(shè)備、內(nèi)話設(shè)備、遙控盒。各種設(shè)備的輸入輸出接口定義，兼容特性。

（6）建立計算機模型：收集無線電各種公式，公式如何嵌入平臺，相關(guān)參數(shù)設(shè)置改變后，如何直觀顯示對應結(jié)果。一般建模過程是呈階段性的，在進行下一階段建模之前，驗證本階段的模型工作正常，在建模過程中運行和調(diào)試每一階段的模型。

（7）檢驗和確認模型：驗證是確認模型的功能是否同設(shè)想的系統(tǒng)功能相符合。模型是否同我們想構(gòu)建的模型相吻合。確認模型是否能夠正確反映現(xiàn)實系統(tǒng)，評估模型仿真結(jié)果的可信度有多大等。

（8）運行模型：運行仿真時，通過輸入多組仿真輸入?yún)?shù)值，來驗證仿真結(jié)果是否合理也是一種很好的方法。

（9）分析輸出：模型確認建立模型的可信度。

3 數(shù)字化仿真平臺

通信系統(tǒng)是一個強耦合、多變量、時變性的復雜系統(tǒng)，在仿真建模時尤其需要一個合適的開發(fā)環(huán)境，為其提供良好的平臺。MATLAB是為大型數(shù)學計算、復雜的建模研究、過程動態(tài)仿真、系統(tǒng)設(shè)計、調(diào)試、優(yōu)化，代碼生成等，基于微機環(huán)境的開發(fā)與運行支撐的平臺。軟件采用了動態(tài)代碼生成技術(shù)、分布式實時數(shù)據(jù)庫技術(shù)和面向?qū)ο蟮膱D形化建模方法，在仿真領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平。它的應用面很廣，可以用于國防軍事、能源、化工、航空航天、電力、經(jīng)濟等領(lǐng)域研究，更可以適用于實際工程項目。

MATLAB/Simulink使用動態(tài)內(nèi)存機器碼生成技術(shù)，結(jié)合分布式實時數(shù)據(jù)庫，為微機環(huán)境下分布式計算和復雜系統(tǒng)實時仿真，提供了高效的底層支撐平臺；采用圖形化面向?qū)ο蟮慕７椒?，可以為不同領(lǐng)域的仿真，提供通用的開發(fā)環(huán)境。可以實現(xiàn)多個模型的分布式計算、動態(tài)數(shù)據(jù)顯示與在線數(shù)據(jù)修改，可以滿足大型實時仿真系統(tǒng)的開發(fā)和運行的需要，尤其適用于民航通信這種復雜多變量的仿真需求。

MATLAB/Simulink提供了基于復雜模型建模仿真的環(huán)境，平臺內(nèi)部嵌入了多個經(jīng)過驗證的數(shù)學模型函數(shù)庫，在構(gòu)建基于通信系統(tǒng)的模擬仿真時，既可以對已有的數(shù)學模型稍加修改，又可以針對不同需求建立模型，所以本設(shè)想完全可以基于該平臺進行設(shè)計優(yōu)化。

4 結(jié)束語

上述構(gòu)想僅做拋磚引玉之用，希望此構(gòu)想能實現(xiàn)，成為空管通信人培訓學習的利器。