鄭海昕 劉燕都 李小波

裝備指揮技術學院 北京 101416

PCM/FM遙測模擬訓練系統設計

鄭海昕 劉燕都 李小波

裝備指揮技術學院 北京 101416

根據我院多個專業(yè)對遙測遙控原理/技術課程的教學需要，以典型的PCM/FM遙測系統為背景，在LabWindows/CVI平臺上開發(fā)了具有虛擬儀器特點的模擬訓練軟件，重點介紹系統的功能、結構和實現方法。

PCM/FM；LabWindows/CVI；教學

隨著我國航天測控任務的迅速發(fā)展，航天測控任務的組織和管理都對測控技術人員的能力提出了越來越高的要求。遙測遙控系統是航天測控系統中的一個重要組成部分，我院開設遙測遙控原理課程已經有十幾年。PCM/FM信號作為當前航天測控標準體制的一種，在國內外都具有廣泛的應用。為滿足測控基地的實際需求，提高我院航天測控工程和發(fā)射工程專業(yè)本科生以及相關專業(yè)任職培訓人員遙測遙控方向的教學質量，在虛擬儀器開發(fā)平臺LabWindows/CVI中針對PCM/FM體制，設計開發(fā)出了“PCM/FM遙測系統模擬訓練系統”。

一、系統功能

PCM/FM遙測系統模擬訓練軟件是一套相對獨立的應用軟件，運行于標準PC機上，根據軟件功能模塊主要分為基礎理論、性能分析和解調處理三大部分，如圖1所示。

圖1 系統功能組成

1.基礎理論

主要從理論的角度使學員了解和掌握遙測遙控系統中所涉及的相關技術，充分利用現代信息化的手段在基礎理論介紹的過程中加入各種多媒體素材，借助動畫等方式使枯燥的理論變得更為生動，能夠使學員留下更為深刻的印象。

2.性能分析

為了更好地將課本知識與實際操作使用相聯系，結合在測控基地的調研結果，從操作實際遙測遙控設備的需求出發(fā)，根據實際設備情況設計不同的參數設置條件，學會對整個系統及各分系統的性能進行分析。

3.解調處理

以再入遙測系統中常用的PCM/FM體制為背景，設計一個完整的遙測系統，模擬整個系統的工作流程，開放系統中的關鍵參數，使學員通過自行設置系統參數，觀測處理結果，能夠定位問題，排除問題，從而對遙測系統的工作過程及相關注意事項有一個深入的了解。

系統中“基礎理論”功能以幫助文件的形式來實現；性能分析部分的功能主要以操作使用說明的文本形式給出，指導學員在操作使用的過程中注意觀察改變關鍵參數后對整個系統性能的影響；功能最為繁雜的部分是解調處理部分，本文對其進行詳細介紹。

二、關鍵技術

對一個實際應用的遙測系統而言，信號是前提，解調是關鍵，同步是基礎，同步技術中包括了碼同步和幀同步，有必要對上述關鍵技術進行分析，選擇滿足教學訓練軟件實際需求的方法予以實現。

1.信號源

本質上可將PCM/FM看成是連續(xù)相位的頻移鍵控，即CPFSK調制信號，數學表達式為：

其中：A為載波幅度；fc為載波頻率；f(t)為數字基帶信號，碼速率Rb，碼型為NRZ碼；KFM為頻偏常數，調制峰值頻偏0.35Rb。

從信號的數學表達式中可以看出,PCM/FM信號用高移至f1頻率的載波代表二進制“1”狀態(tài),用頻率低移至f0頻率的載波代表二進制“0”狀態(tài)。考慮到充分利用各種軟件的優(yōu)勢,由SystemView仿真軟件完全根據理論知識產生信號,生成數據文件供后續(xù)模塊使用。

2.解調技術

解調的最終目的是要判決每一個碼元間隔內傳送的碼是“0”或是“1”，根據PCM/FM信號的基本特征，“0”碼和“1”碼對應著載波頻率f0和f1，對于PCM/FM而言解調的核心就是快速計算一個碼元內f0和f1兩個頻點的能量并進行判別。選用短時傅里葉(STFT)的方法，在時域中使用一個隨著時間滑動的時間窗口，對每個窗口截取到信號再進行DFT運算，得到f0和f1兩個頻點的能量隨時間的變化。短時傅里葉變換STFT的定義形式為：

其中，W(n)為時域窗函數。對PCM/FM信號進行STFT，隨著窗函數沿信號的時間軸方向連續(xù)移動，可以得到PCM/FM信號的時頻特性，如圖2所示，此時，設定時域窗口長度為一個碼元寬度。在PCM/FM信號的時頻分布中提取出f0和f1兩個頻點對應的能量，在碼同步信號的控制下，在一個碼元間隔內進行判決，即可完成軟件解調任務。PCM/FM軟件解調流程如圖3所示。

圖2 PCM/FM信號時頻圖

圖3 PCM/FM信號解調過程

3.同步技術

(1)碼同步。PCM/FM信號在一個碼元的主要區(qū)間內可以看作是一個單載頻的正弦信號,通過兩個不同頻率載波的交替,實現數字信息的傳輸。通過對離散傅里葉變換(DFT)計算一個碼元區(qū)間內頻譜的方法實現PCM/FM信號的解調結果的特點分析，建立如圖4所示的簡易碼同步方法。

圖4 碼同步判決原理圖

解體的過程中蘊含著這樣一個事實：考慮一個碼元間隔內的DFT結果，當峰值出現在f1頻附近時，說明當前的碼元為“1”；當峰值出現在f0頻附近時時,說明當前的碼元為“0”；如果峰值出現在載頻附近，即f0和f1中間位置 ,說明當前截取的數據處于兩個碼元的過渡區(qū)即DFT計算時間區(qū)間與實際信號沒有同步，則需要進行碼同步校正。這種簡易的碼同步方式結合了解調算法的特點，巧妙地回避了硬件解調過程中繁雜的鎖相環(huán)等復雜運算，在解調的同時就可以直接進行碼同步的調整，適于在教學輔助軟件中使用，如果將此種方法應用在實際工程中，還應當注意進一步提高譜估計的精度和自適應調整等方面的問題。

(2)幀同步。遙測系統是一個典型的多路時分復用系統，在碼同步的基礎上，為了能夠正確提取各路數據，必須先尋找到一個數據幀的開始位置，建立幀同步。典型的幀同步檢出過程可分為搜索、校核、鎖定三種狀態(tài)，建立如圖5所示三種狀態(tài)之間的邏輯關系，在幀同步過程中采用本地幀同步碼組同輸入信號序列的進行異或運算即進行數字相關運算，通過相關后的結果進行判決。這樣的幀同步方法充分利用幀同步碼組在一個數據幀中的出現是具有周期性的特點，使用這種周期性對相關檢出的幀同步信號進行真假判決，真正的幀同步碼組的檢出也應該是具有相同的周期性，而其他檢出的不具有周期性的幀同步均為假同步。

圖5 幀同步保護三態(tài)邏輯圖

三、功能實現

確立了軟件系統中所應當采用的關鍵技術后，就可以充分利用LabWindows/CVI自帶的函數庫中的相關功能函數，合理設計系統的總體結構，逐個實現各功能模塊的設計。

1.線程結構

遙測信號的處理具有一些數據量大、數據成流的形式進行處理等特點，在整個軟件運行中，可以理解為系統處理消息，傳遞數據流的過程。當系統采用多線程技術時，線程之間的數據保護非常關鍵，LabWindows/CVI提供的線程安全隊列允許在兩個線程之間安全地傳遞數據。當一個線程采集數據，另一個線程處理這些數據，所以使用線程安全隊列完成軟件中的數據保護。

2.軟件流程

通過合理分配線程處理任務，將系統中的各項關鍵技術實現于LabWindows/CVI程序中，并保證其中數據結構的正確性，軟件運行的通暢性和可執(zhí)行性，整個軟件的流程圖如圖6所示。

圖6 軟件總體流程圖

3.運行結果

(1)系統主功能。系統軟件啟動后首先展示主界面，如圖7所示，按照功能劃分為若干功能區(qū)域便于學員進行選擇以及系統運行狀態(tài)的監(jiān)視。主要有如下幾個區(qū)域:

圖7 軟件運行主界面

①系統狀態(tài)顯示功能控件。狀態(tài)顯示有運行顯示，碼同步顯示、幀同步顯示，主要通過指示燈(LED)完成，當系統正常運行，碼同步正常，幀同步正常時，運行燈亮、碼同步等亮、幀同步燈亮；當系統暫停時，運行燈滅，暫停燈亮；碼同步失鎖、幀同步失鎖時，相應的燈變成紅色。

②參數設置功能。參數設置主要指系統執(zhí)行解調過程的相關參數的預置，包括解調參數、碼同步參數和幀同步參數等。參數設置主要通過數值型控件(Numeric Control)和循環(huán)控件(Ring Control)實現，輸入相關參數，返回至程序定義的相關變量中。

③數據讀取和存儲功能控件。數據的讀取與存儲操作主要在面板的“數據文件選擇”區(qū)域或文件菜單中完成，點擊“打開”或“保存”按鈕選擇文件路路徑，或點擊相應的菜單項，即可執(zhí)行相應的操作。

④擴展功能。依據軟件工程對于一個完整軟件設計的思想，軟件設計完成后的設計維護是必不可少的。將方案中涉及的相關功能作為擴展，在程序中設置接口，以在后續(xù)的工作中不斷完善軟件的功能。擴展功能包括：解調體制選擇、數據來源選擇、硬盤選擇、幀碼選擇、譜估計方式選擇以及硬件接口單元和TCP/IP單元等。

(2)解調處理結果。系統解調處理結果顯示界面如圖8所示，主要包括三個選項卡：頻譜分析、幀同步分析和分路顯示。

圖8 解調處理界面

在頻域分析窗口(左側)中，數據以一幀為單位截取至開辟的內存，將這一幀數據一次在時域波形圖上繪出，再對這數據的頻譜，顯示在頻譜窗口，最后在解調過程中，依次將每個窗內的頻譜繪至瀑布圖。

在幀同步分析窗口(中間)中，數據繪制由幀處理線程完成，讀取線程安全隊列中的解調數據，對解調出的數據以幀碼的長度為單位截取，并做相關運算，遇到幀碼組EB90(H)，則有類似三角的相關波形出現，根據碼同步計時產生幀同步脈沖，繪制在幀碼波形窗口中。

分路顯示是遙測操作人員所能接觸到的最終對象，顯示的直觀性和靈活性直接影響了操作人員的工作質量。在數據解調、碼同步和幀同步都完成之后，進入到分路顯示的功能面板中，主要有條圖顯示和數值顯示兩種方式。

四、結束語

PCM/FM遙測模擬訓練系統的開發(fā)豐富了現有課堂教學手段,在開發(fā)的工程中筆者們注重了對問題實質分析,依據軟件解調的實際過程和本系統的應用目不同,采用虛擬無線電的思想優(yōu)化了遙測系統的工作流程；通過發(fā)揮不同軟件的優(yōu)勢采用了SystemView軟件開發(fā)信號源；利用LabWindows/CVI所提供的強大界面設計功能,高級信號處理庫函數以及實用函數庫中多線程函數,在LabWindows/CVI虛擬儀器開發(fā)平臺上設計完成解調處理和顯示等功能,大大地簡化了編程實現的復雜度,提高了工作效率。實踐教學中的應用表明該系統有助于加深學員對遙測系統工作過程的理解。

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Abstract: According to the teaching requirement of ‘Telemetry and Command Techniques’ and based on the actual PCM/FM telemetry system a simulating and training software is developed. It is achieved by LabWindows/CVI. The function, structure and ideal of program are detailed.

Key words: PCM/FM；Lab Windows/CVI；teaching

Design of PCM/FM telemetry simulating and training software

Zheng Haixin, Liu Yandu, Li Xiaobo
The academy of equipment command technology，Beijing，101416，China

2009-08-24

鄭海昕，碩士，講師。劉燕都，學士。李小波,碩士,副教授。