野戰(zhàn)有線通信系統(tǒng)二線全雙工接口測試電路設計

孫慧賢1，張玉華2，李召瑞1，王曉波1，陶 杰1

（1.軍械工程學院信息工程系，石家莊 050003；2.軍械工程學院無人機工程系，石家莊 050003）

野戰(zhàn)有線通信系統(tǒng)二線全雙工接口測試電路設計

孫慧賢1，張玉華2，李召瑞1，王曉波1，陶 杰1

（1.軍械工程學院信息工程系，石家莊 050003；2.軍械工程學院無人機工程系，石家莊 050003）

野戰(zhàn)有線通信系統(tǒng)全雙工接口在單對線上同時收發(fā)信號，難以直接進行數據采集和測試；針對上述問題，研究了一種基于收發(fā)分離和自適應回波抵消的二線全雙工接口測試方法；首先，設計電子收發(fā)分離器，實現(xiàn)線路上收發(fā)信號的隔離；然后，使用自適應回波抵消器，完成了近端回波干擾信號的抵消；最后，借鑒軟件無線電技術和存儲測試技術，構建測試系統(tǒng)，實現(xiàn)激勵信號生成與數據采集；仿真和實驗表明，該測試方法能夠實現(xiàn)有效完成收發(fā)信號隔離以及回波干擾信號抵消，適用于野戰(zhàn)有線通信系統(tǒng)二線全雙工接口測試。

野戰(zhàn)有線通信系統(tǒng)；二線全雙工通信；接口測試；收發(fā)分離器；自適應回波抵消

0 引言

野戰(zhàn)有線通信具有可靠性高、抗干擾能力強的優(yōu)點，是指揮信息系統(tǒng)的重要通信方式之一［1］。為了有效測試與評估指揮信息系統(tǒng)的通信能力，需要對有線通信接口進行測試。目前，野戰(zhàn)有線通信多采用二線全雙工制，即通信雙方在單對線上同時同頻收發(fā)信號，測試時難以直接進行收發(fā)信號分離和數據采集［2］。

傳統(tǒng)的測試方法是按“以設備測設備”的思想進行設計，對于指揮系統(tǒng)有線通信設備的每一類通信接口，均設計一個與之相同的檢測接口，通過“對通”完成功能測試［3］。而在通信網絡中，存在多類通信設備和多種二線雙工接口通信接口，由于各個接口協(xié)議的差異性，傳統(tǒng)的方法是針對每一類接口設計一個與之相同的測試接口，顯然這種方法代價太大并且缺乏靈活性和通用性。

為此，本文設計了一種基于收發(fā)分離和自適應回波抵消的二線全雙工接口測試方法。首先，利用專用電子收發(fā)分離器，實現(xiàn)線路上收發(fā)信號的隔離；然后，使用自適應回波抵消器，完成了近端回波干擾信號的抵消；最后，借鑒軟件無線電技術和存儲測試技術，構建測試系統(tǒng)，實現(xiàn)激勵信號生成與數據采集。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

野戰(zhàn)有線二線全雙工通信通常采用回波抵消方式（EC，Echo cancellation）原理完成雙向同時通信?；诖?，構建了二線全雙工通信接口測試系統(tǒng)，按照功能可以分為5個部分，分別是主控單元、DSP單元、激勵通道、接收通道、電子收發(fā)分離器，具體如圖1所示。

圖1 二線全雙工通信接口測試系統(tǒng)結構

在二線全雙工通信接口測試系統(tǒng)中，主控單元負責測試過程控制與人機交互。DSP單元主要由激勵信號生成、響應信號分析、回波抵消（EC）等3個模塊組成，激勵信號生成模塊用于針對不同的測試接口產生相對應的激勵信號，EC模塊負責抵消近端回波，響應信號分析模塊用于對分離出來的遠端信號進行分析，給出分析結果。激勵通道由數模轉換（DAC）電路、濾波器、驅動電路組成。接收通道由模數轉換（ADC）電路、濾波器、可控增益放大器（PGA）組成，用于實現(xiàn)輸入信號的幅值調節(jié)，消除高頻分量，然后將模數轉換后得到的數字信號送往DSP單元。電子收發(fā)分離用于在接口前端將收發(fā)混合信號中抵消發(fā)送信號，實現(xiàn)發(fā)送信號與接收信號的分離。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵技術

二線全雙工通信接口測試系統(tǒng)實現(xiàn)中的關鍵技術包括電子收發(fā)分離、自適應回波抵消以及激勵生成與響應采集。

2.1 電子收發(fā)分離

由于二線全雙工接口的收發(fā)信號同時在同一對線路上傳輸，所以線路上的信號就是近端發(fā)送信號、遠端接收信號和回波信號的疊加。要完成測試，首先需要對線路上的信號進行分離，獲取有用的信號。對于測試系統(tǒng)而言，有用信號為遠端發(fā)送信號，近端發(fā)送信號和回波信號為干擾信號。為此，本文設計了一種針對二線全雙工通信接口信號收發(fā)分離電路，具體如圖2所示。

圖2 電子收發(fā)分離器原理圖

在圖2中，U1是近端信號，U3是遠端信號，RL是線路負載。RS用于匹配線路負載以及隔離信號反射。A1，A2，B1是3個單運放，增益值為1。A1，A2構成一個儀表放大器，用于實現(xiàn)近端信號的共模抑制。B1構成一個減法器，用于實現(xiàn)差分到單端的轉換。B2是一個帶有滑動變阻器的儀表放大器，用于實現(xiàn)接口阻抗匹配、遠端信號共模抑制以及差分到單端的轉換。C是一個減法器，用于實現(xiàn)混合信號與近端信號的減法。

由于變壓器比值是1：1，根據左右兩側電流值相等，得到：

最終得到C輸出信號：

從式（4）中可以看出，通過調節(jié)滑動變阻器RH，改變B2的增益，C輸出的信號不再包含近端信號U1，只包含遠端信號U2，成功實現(xiàn)了近端發(fā)送信號和遠端接收信號的隔離。當用于匹配線路負載的RS是線路負載RL二分之一時，此時U4＝U3即實現(xiàn)了遠端接收信號的獲取。

2.2 自適應回波抵器

盡管混合電路利用電子收發(fā)分離器能夠將收發(fā)信號進行分離，但是在實際應用中，由于線路的阻抗是由線路參數決定的，而線路參數往往是不能準確得知的，這樣線路阻抗不匹配就在所難免了。由于線路阻抗不匹配會導致混合網絡平衡誤差，使得回波會進入ADC電路，引發(fā)串音干擾。

回波分為遠端回波和近端回波，分別來自于接收端和發(fā)送端。遠端回波一般經過長距離線路傳輸后，衰減比較嚴重，其能量會遠遠低于近端回波，因此只需要考慮近端回波進入ADC電路產生的影響，遠端回波的影響可以忽略?；夭ǖ窒幕驹砭褪抢靡粋€自適應濾波器來辨識并模擬回波路徑，產生一個回波的副本，再從接收信號中減去該副本，得到期望接收的信號。實現(xiàn)回波抵消的方法有很多種［4］，現(xiàn)在最常用的是采用自適應濾波器來模擬回波信道，實現(xiàn)對發(fā)送端引入的部分近端信號的消除。

自適應回波抵消器的原理如圖3所示，在這里選擇正向建模方式，使得濾波器響應輸出盡可能逼近未知系統(tǒng)的響應輸出。圖中x（n）為近端發(fā)送信號，s（n）為遠端發(fā)送信號，即有用信號，v（n）為噪聲信號，y（n）為近端回波干擾信號和遠端干擾信號的疊加信號，可以看作是近端發(fā)送信號x（n）通過一個未知系統(tǒng)后得到的信號。自適應濾波器用于跟蹤模擬未知系統(tǒng)，其輸出信號ˉy（n）為y（n）的估計信號，e（n）為經過回波抵消后的信號，同時也作為自適應濾波器系數更新的誤差信號。誤差信號e（n）被反饋回來用于不斷調節(jié)自適應濾波器權系數，使得誤差信號最終輸出不再包含近端信號。

圖3 自適應回波抵消器原理圖

濾波器結構選擇橫向FIR濾波器，若其權系數向量表示為：

可以得到誤差信號：

當自適應濾波器能夠完全模擬未知系統(tǒng)時，即ˉy（n）＝y(tǒng)（n），則此時回波抵消器的輸出信號e（n）只包含噪聲信號和遠端發(fā)送信號，不再含有近端信號分量，達到了回波消除的目的。

自適應濾波器工作的過程就是依據事先設定的某種最優(yōu)準則，通過誤差信號不斷更新其權系數，使其與期望系統(tǒng)逼近的過程。近年來自適應濾波理論和算法飛速發(fā)展，針對不同的應用產生了各種優(yōu)秀的算法。在二線接口測試過程中，回波路徑因與線路參數有關，而近似為一個未知系統(tǒng)，但在測試過程中，線路參數可以近似為恒定?；趹脳l件和運算量的綜合衡量，在此選擇運算量較小、運算相對簡單的LMS自適應算法。此時其權系數迭代公式為：

式中，μ為自適應濾波器的步長參數（收斂因子），決定了橫向濾波器權系數的收斂性和收斂速度，其收斂條件為：

式中，Pin為輸入信號功率，在實際使用中，通常μ值選取足夠小，使得：

2.3 激勵生成與響應采集

通信接口測試激勵信號生成通常可采用硬件電路法和軟件解析法［5］。硬件電路法指的是利用全雙工通信數字網絡接口專用芯片，構建相應的外部硬件接口電路，只需要將待發(fā)送的數據按照相應的發(fā)送時序輸出至二線接口專用芯片接口即可，無需考慮信號協(xié)議以及生成，但是靈活差，不支持接口重構。軟件解析法指的是接口電路采用FPGA等可編程器件構建核心電路，激勵信號生成由固件完成的方法，可以利用其豐富的邏輯資源實現(xiàn)不同激勵信號的生成，無需購置二線接口專用芯片和搭建外圍電路，具有很強的通用性和靈活性。

但是由于工作模式以及不同生產廠家自定義的協(xié)議不同，導致工作量較大?；谝陨峡紤]，借鑒設計軟件無線電技術和存儲測試技術的思想：在對被測對象無影響或影響在允許范圍的條件下，在被測體內置入微型數據采集與存儲測試儀，現(xiàn)場實時完成信息的快速采集與記憶［6］?？梢韵葘Ω黝惤涌诘耐ㄐ判盘栠M行采集、存儲，并將該信號作為后續(xù)測試中的激勵信號。

圖4 激勵生產與響應采集示意圖

在二線全雙工通信中，線路上傳輸信號是兩個設備發(fā)送信號的疊加，直接進行信號采集得到的是混疊信號，因而需要將收發(fā)信號分離后進行采集。圖5所示為應用存儲測試技術進行激勵信號采集連接示意圖。使用2個測試系統(tǒng)，分別連接兩個通信設備A和B，將收、發(fā)通道進行分離，同時在測試系統(tǒng)中增加存儲單元（SU，Storage Unit），用于采集近端產生的發(fā)送信號的存儲。在后續(xù)測試中，就可以根據不同的測試對象調用SU中存儲的前期采集信號作為激勵信號。此種方法相對于前兩種方法不管是工作量還是經濟效益上都占有優(yōu)勢，并且靈活方便，可操作性強。

3 實驗分析

以某型指揮系統(tǒng)有線通信設備為對象，進行測試實驗。

3.1 回波抵消仿真

接口信號回波抵消是二線全雙工通信接口測試實現(xiàn)的基礎。為此，針對本文設計的收發(fā)分離后的接口信號回波抵消能力進行仿真分析。

假設遠端信號為128 k Hz、有效值1 V的正弦信號，遠端信號為64 k Hz、有效值1 V的正弦信號。在經過電子收發(fā)分離器之后，已經基本消除了近端信號，遠端信號中仍然包含近端回波干擾以及線路噪聲。

自適應回波抵消器仿真結果如圖5所示，第一行波形為遠端發(fā)送信號s（n），第二行波形為回波干擾信號y（n）與高斯白噪聲信號v（n）的疊加，第三行波形為自適應濾波器的輸入信號d（n），第四行波形為經自適應回波抵消后的輸出信號e（n）。將e（n）與y（n）進行對比，發(fā)現(xiàn)e（n）中已明顯無回波干擾信號分量，說明設計的自適應回撥抵消器符合要求。

圖5 自適應回波抵消器實驗結果

3.2 收發(fā)分離實驗

以某型指揮系統(tǒng)有線通信設備群路數字用戶接口為例，采用實驗驗證電子收發(fā)分離電路的能力。

收發(fā)分離電路在設計過程中需要關注運放的選擇，為滿足信號輸入帶寬要求，電子收發(fā)分離器需要選擇的運放單位增益帶寬至少是信號最高頻率的10倍。在此，選用高速運算放大器AD820，單位增益帶寬120 MHz，工作電壓±5 V或者是± 10 V，0.1%建立時間是90 ns。

電子收發(fā)分離器設計完成后需要進行調試，具體步驟為：將電子收發(fā)分離器與被測設備接口進行連接，利用DSP單元通過激勵通道發(fā)送激勵信號，待被測設備接口獲得測試信號后回復響應信號。此時，利用示波器觀察采集得到的信號，通過調節(jié)電子收發(fā)分離器的滑動變阻器RH，當DSP單元采集信號中發(fā)送信號干擾最小時，實現(xiàn)了收發(fā)信號的分離。

圖6所示為群路數字用戶接口信號收發(fā)分離實驗結果，從中可以看出，經過收發(fā)分離電路后，群路數字用戶接口接收信號被有效分離，便于響應分析和測試結果輸出。

圖6 群路數字用戶接口信號收發(fā)分離實驗結果

4 結論

本文針對野戰(zhàn)有線通信系統(tǒng)二線全雙工接口測試中存在的問題，提出了一種基于收發(fā)分離和自適應回波抵消的二線全雙工接口測試方法，并構建了實驗系統(tǒng)。通過設計接口信號收發(fā)分離電路對線路上混合在一起的收發(fā)信號進行隔離，設計自適應回撥抵消器對近端回波干擾信號進行抵消。借鑒軟件無線電技術和存儲測試技術對激勵信號進行采集存儲，最終實現(xiàn)了二線全雙工通信系統(tǒng)的響應信號采集和激勵信號生成。最后通過仿真分析和實驗對測試方法進行了驗證。研究結果表明，所設計的接口測試方法適用于野戰(zhàn)有線通信系統(tǒng)二線全雙工接口測試，并且提高了測試設備的靈活性和通用性，對野戰(zhàn)有線通信設備維修保障工作具有一定的實用價值。

［1］李大芳.一種高可靠性的保密野戰(zhàn)通信系統(tǒng)方案［J］.電訊技術，2013，53（6）：704-706.

［2］吳志抄，譚業(yè)雙，張?zhí)燧x，等.基于數字電位器的增益自適應數據采集系統(tǒng)［J］.儀表技術與傳感器，2014，（9）：66-68.

［3］吳志抄，譚業(yè)雙，李召瑞，等.基于可編程器件的通信檢測系統(tǒng)接口設計［J］.電子技術應用，2014，40（10）：72-75.

［4］黃云俠，姚善化.自適應濾波器在回波抵消中的應用［J］.儀表技術，2009，（8）：26-28.

［5］何遠輝.基于PXI的某型設備接口測試系統(tǒng)［D］.石家莊：軍械工程學院，2010.

［6］張文棟.存儲測試系統(tǒng)的設計理論及其應用［M］.北京：高等教育出版社，2002.

Design of an Interface Testing Circuit for Two－wire Full－duplex Field Wired Communication System

Sun Huixian1，Zhang Yuhua2，Li Zhaorui1，Wang Xiaobo1，Tao Jie1

（1.Department of Information Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China；2.Department of UAV Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

In the Field Wired Communication System，the two－wire full－duplex Communication interface can synchronously transmit both the transmission signal and the received signal on a single pair wire.Consequently，it is difficult to collect the received signal.A new method of two－wire full－duplex interface testing is proposed based on receive／send conversion and adaptive echo offset technique.Firstly，a receive／send conversion circuit is designed to implement the isolation on the line transmission and reception.Secondly，Digital adaptive filtering techniques are used to eliminate line hybrid network balance impedance mismatch errors due to canceling the interference signal of nearend echo.Finally，an interface testing system is constructed based on software radio technology and storage testing technology.The results of simulation and experiments show that the method is feasible for interface testing of two－wire full－duplex communication.

field wired communication system；two－wire full－duplex communication；interface testing；receive／send conversion；adaptive echo offset

1671-4598（2016）08-0178-04

10.16526／j.cnki.11－4762／tp.2016.08.048

：TN216

：A

2016-01-04；

：2016-01-29。

孫慧賢（1980-），男，博士，講師，主要從事通信系統(tǒng)測試與故障診斷方向的研究。