一个基于PXI总线的半实物仿真系统的设计与实现

李睿鹏，高凌云，刘 佳，郑世明

（1.航天恒星科技有限公司 北京 100086；2.国家新闻出版广电总局广播电视卫星直播中心 北京 100866）

半实物仿真作为仿真技术的一个分支，是工程领域内一种应用较为广泛的仿真技术，是计算机仿真回路中接入一些实物进行的试验[1]。

半实物仿真是一种通俗的称谓，其准确的意义是实物在回路中的仿真，国际上通称为 “Hardware In The Loop Simulation”。它是把部分数学模型、部分物理模型和实际设备联系在一起运转，组成仿真系统，同时在系统中进行的仿真试验。这样更接近实际情况，从而得到更确切的信息。和物理仿真相比，半实物仿真的系统结构更易修改、优化。研发费用更加低廉，周期更短。和数学仿真相比，半实物仿真更加逼真，仿真精度更高[2]。

本文介绍了一套图像数据传输半实物仿真系统。该图像数据终端设备通过中继卫星与接收设备进行数据传输。由于该图像数据传输系统采用码分多址的工作体制，当多个终端同时工作时系统性能会因为接收设备受到多址干扰的影响而降低[3]。因此需要研制一套仿真系统进行模拟验证该系统在多个用户终端同时工作时，多少个用户同时工作会产生多径干扰。此外，该仿真系统在此后的针对码分多址问题进行的图像传输系统设计改进工作中，也能起到辅助验证的作用。

1 系统组成

整个图像数据传输半实物仿真系统由两部分组成：模拟多个数据终端设备的多用户终端模拟器和模拟地面接收设备的地面模拟器。

多用户终端模拟器功能：模拟产生多路图像信号，并与1路数据终端设备的图像信号合并，通过天线发射出去。各路图像信号伪码各不相同。

模拟图像信号由图像基带处理单元和图像射频处理单元产生。图像基带处理单元为PCI板卡，有2个完全相同的基带处理模块，为防止各路图像源信号相互干扰，每个模块为独立的硬件设计。图像射频处理单元为完全相同的射频处理模块，将中频图像上变频到射频频率，并且可以独立设置频点。

地面模拟器功能：接收上述图像信号，依据指定伪码将其中1路图像信号解析出来后用上位机软件播放，根据接收到图像内容的正确性验证系统满载容量下的工作性能。

地面模拟器的下变频、解调及解扩模块采用美国国家仪器公司（NI）的PXI机箱、控制器及PXI板卡实现。地面模拟器还配备了扩频调制及上变频模块，以便和下变频、解调及解扩模块组成中频或射频的自闭环路，便于地面模拟器能够进行通信协议开发、自闭环调试验证。各模块的技术参数可通过基于LabVIEW工具开发的系统软件配置各板卡嵌入式软件中的参数进行修改[4]。

图1 多用户终端模拟器主要功能模块示意图Fig.1 Multi-user terminal simulator construction

图2 地面模拟器功能模块示意图Fig.2 Ground simulator construction

表1 PXI设备组成表Tab.1 PXI equipment constitutes

PXI总线系统是NI公司于1997年利用PCI总线的扩展发布的总线系统，是继VXI总线仪器之后，一种新型的模块化仪器系统[5]。PXI总线系统除了具有PCI总线的功能外，增加了用于多模块同步的触发总线和参考时钟、用于进行精确定时的星形触发总线以及用于相邻模块间高速通信的局部总线来满足实验和测量对高性能仪器仪表的要求[6]。PXI规范是在Compact PCI机械规范中增加了环境测试和主动冷却要求，以保证多厂商产品的互操作性和系统的易集成性。PXI成为一种系统级规范，使系统易于集成与使用，从而进一步降低开发成本。

地面模拟器的板卡选型：控制器PXIe-8133是PXI设备的CPU控制器，主要完成各个单板的控制；图像基带处理模块PXIe-7965R完成图像基带信号的处理；矢量信号发生器PXIe-5673和矢量信号分析仪PXIe-5663E同时结合PSKDSSS矢量信号发生器软件，完成射频信号的变频、发射和接收等处理；低噪放PXI-5691和程控衰减器PXI-5695用于射频信号的放大和衰减。地面模拟器自带发射和接收模块，系统内可以进行自闭环调试，验证信道参数的设置正确性。

2 单元设计

2.1 图像基带处理单元

图像基带处理单元原理框图如图3所示。

图3 图像基带处理板原理框图Fig.3 Image Base-Band operating board scheme

图像基带处理单元对图像信号进行如下处理：测试使用的图像压缩数据存储到板载FLASH中，由FPGA读出图像压缩数据进行处理，完成对成帧后的图像码流进行帧同步、加扰、RS+卷积编码、码型变换、扩频、调制、DA接口配置及数据接口转换等功能。

图像基带处理单元的功能主要由两片DA转换芯片和两片FPGA芯片实现。其中D/A转换芯片主要完成数模转换及中频上变频，其他的数字信号处理功能主要由FPGA完成。

FPGA芯片负责压缩图像的扩频调制及PCI9054接口芯片的控制操作。

D/A芯片负责数字/模拟信号转变，形成中频信号输出。

FLASH存储器用于存储图像数据，图像数据可以通过PCI工控机进行更新。

PCI9054接口芯片完成伪码信息的下载、压缩图像数据的下载和状态信息的上传功能。

依据以上功能需求，FPGA软件顶层划分为5个大模块，各模块及子模块具体描述如表2所示。

表2 图像基带处理板FPGA软件功能模块Tab.2 Image base-band operating board FPGA software unit

2.2 基于NI标准板卡的上下变频及调制解调系统系统

接收解调系统由嵌入式控制器、下变频模块（即矢量信号分析仪）、基带处理模块、板卡驱动软件、测控模拟软件组成。图中控制器是基于PXIe总线的NI嵌入式控制器。

NI PXIe嵌入式控制器为PXI测量系统提供具有高性能而紧凑的嵌入式计算机解决方案，嵌入式控制器配有标准设备（如：集成 CPU、硬盘、RAM、以太网、视频、键盘/鼠标、串口、USB和其他外设）以及Microsoft Windows和所有已经安装的设备驱动程序。图4为NI PXIe机箱外观图。

上下变频及调制解调系统框图如图5所示。

系统由嵌入式主控板、下变频模块、综合基带解调模块、综合基带调制模块以及上变频模块组成。下变频模块（包含频率转换模块）接收输入的S频段射频信号，下变频到70 MHz/140 MHz中频信号。上变频模块接收调制基带处理模块输出的中频信号，上变频到对应的S频段射频信号。

综合基带解调模块对中频信号进行采样，在数字域完成扩频捕获跟踪、载波同步、帧同步、解码等工作，主要工作在FPGA中完成，DSP实现流程控制和参数计算设置。解调解码后的原码数据通过PXI总线发送给上位机软件，由软件进行图像软解码、显示等操作。

综合基带调制模块，对输入的遥控数据或遥测数据，进行加扰、编码、码型变化、扩频等运算，在数字域实现载波调制，然后送给DAC，完成数模转换，输出70 MHz、140 MHz的中频信号送给上变频模块或直接输出待测设备。

图4 NI PXIe机箱图Fig.4 NIPXIe equipment construction

图中主控模块是基于PXIe/PXI总线的NI嵌入式控制器。它们适合基于PXI或PXI Express的系统。

3 仿真验证

该图像数据传输半实物仿真系统研制完成后，进行多用户终端仿真验证试验，试验结果表明:在目前的工作模式下，当超过4台终端同时工作时，就会出现由于码分多址干扰导致的信号解码失败的问题。

4 结 论

本文介绍了一套半实物仿真系统，该仿真系统用于对某图像数据传输系统多个用户终端同时工作时的多径干扰情况进行仿真验证，以了此某图像数据传输系统在多个用户终端同时工作时产生多径干扰时的用户终端数量。

本半实物仿真系统在发射端使用了与实际情况十分接近的多用户终端，而在接收端采用了具有通用性的NI公司的PXI总线机箱与板卡实现。

图5 系统硬件组成框图Fig.5 System hardware construction scheme

通过多用户工作仿真验证，证明该系统设计达到了预期的技术要求。该半实物仿真系统还可以对后续的抗多址干扰技术的仿真以及改进能够提供有力的技术支持。

该系统的地面模拟器通过该NI标准板卡搭建，在进行完模拟验证任务后，用户可以通过进行软件二次开发，调制解调系统可以适应新的通信体制，仍然能够在为后续研制、仿真及测试工作发挥作用，避免了研制专用设备的局限。

[1]单家元，孟秀云，丁艳.半实物仿真[M].北京:国防工业出版社，2008.

[2]Jeffrey Travis、Jim Kring著，乔瑞萍译.LabVIEW大学实用教程[M].3版.北京:电子工业出版社，2008.

[3]蒋岩岩.CDMA系统空域抗多址干扰技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2005.

[4]杨乐平，李海涛，赵勇，等.LabVIEW高级程序设计[M].北京:清华大学出版社，2003.

[5]Tom Shanley、Don Anderson著， PCI系统结构 [M].4版.刘辉、冀然然、夏意军译.北京:电子工业出版社，2000.

[6]梁祥，封吉平，安学军，等.基于PXI总线的高速数据采集模块设计[J].自动测量与控制，2007，26（1）：72-73.LIANG Xiang，FENG Ji-ping，AN Xue-jun.High-speed data acquisition module design[J].Automatic Measurement and Control，2007，26（1）：72-73.