何　漫，崔毅楠，張　恒，劉　佳，解洪文

(中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 研究發(fā)展中心，北京　100076)

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可接入射頻半實(shí)物的試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

何漫，崔毅楠，張恒，劉佳，解洪文

(中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 研究發(fā)展中心，北京100076)

分布交互式仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的建立，帶來(lái)了射頻半實(shí)物仿真設(shè)備和數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)互連互通的需求；為解決異構(gòu)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套可接入射頻半實(shí)物的試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換硬件系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)中射頻信號(hào)發(fā)生模塊、中頻數(shù)據(jù)回放設(shè)備、試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、高速數(shù)字I/O模塊和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件模塊完成高頻信號(hào)與數(shù)字仿真系統(tǒng)可用文件的相互轉(zhuǎn)換；文章詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)各個(gè)模塊的硬件架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法，并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試給出了測(cè)試結(jié)果，證明了通過(guò)該系統(tǒng)可以將射頻半實(shí)物接入并實(shí)現(xiàn)其數(shù)據(jù)與數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)的相互利用。

射頻；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；硬件系統(tǒng)

0　引言

半實(shí)物仿真演示驗(yàn)證系統(tǒng)中包含了大量異構(gòu)仿真模型[1]，且要求強(qiáng)實(shí)時(shí)性。隨著半實(shí)物仿真演示驗(yàn)證系統(tǒng)在各導(dǎo)彈武器研制試驗(yàn)過(guò)程中的推廣，對(duì)射頻級(jí)半實(shí)物，如半實(shí)物雷達(dá)等試驗(yàn)設(shè)備的接入提出了新的需求?？山尤肷漕l半實(shí)物的試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換硬件系統(tǒng)(以下均簡(jiǎn)稱試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng))可對(duì)射頻半實(shí)物設(shè)備產(chǎn)生的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的采集、轉(zhuǎn)換、傳輸、交互與管理，支持射頻半實(shí)物的實(shí)時(shí)/非實(shí)時(shí)仿真試驗(yàn)應(yīng)用。

1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及原理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1　試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

系統(tǒng)包括射頻信號(hào)發(fā)生模塊、中頻數(shù)據(jù)回放設(shè)備、試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、高速數(shù)字I/O模塊和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件模塊。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程為，射頻信號(hào)發(fā)生模塊根據(jù)射頻信號(hào)遠(yuǎn)程控制設(shè)備指令產(chǎn)生射頻信號(hào)，射頻信號(hào)作用于試驗(yàn)設(shè)備產(chǎn)生所需要的各類高頻試驗(yàn)信號(hào)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集卡負(fù)責(zé)采集模擬數(shù)據(jù)，由模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)；或者接受試驗(yàn)設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)，由高速數(shù)字I/O模塊輸入試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備，然后經(jīng)過(guò)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件模塊將這些不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通過(guò)軟硬件接口模塊接入數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1射頻信號(hào)發(fā)生模塊

射頻信號(hào)發(fā)生模塊[2]共分為兩個(gè)波段：S波段和X波段，主要完成這兩個(gè)波段的射頻信號(hào)的上、下變頻。

S波段射頻信號(hào)發(fā)生模塊整體設(shè)計(jì)如圖2所示。

X波段射頻信號(hào)發(fā)生模塊具體設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3　X波段射頻信號(hào)發(fā)生模塊具體設(shè)計(jì)框圖

2.2中頻數(shù)據(jù)回放設(shè)備

中頻數(shù)據(jù)回放設(shè)備[3]主要由D/A中頻數(shù)據(jù)回放卡和管理控制回放卡的應(yīng)用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，D/A中頻數(shù)據(jù)回放卡完成對(duì)基帶信號(hào)的數(shù)字上變頻和數(shù)據(jù)回放，生成中頻信號(hào)；再送給射頻信號(hào)發(fā)生模塊，對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行上變頻至射頻信號(hào)。

產(chǎn)生中頻信號(hào)的數(shù)據(jù)為基帶復(fù)序列數(shù)據(jù)，可來(lái)源于存儲(chǔ)介質(zhì)，也可由算法產(chǎn)生。轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的回放設(shè)備數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行高速內(nèi)插和正交調(diào)制，從而可實(shí)現(xiàn)任意波特率的信號(hào)波形產(chǎn)生。通過(guò)增益控制模塊調(diào)整輸出信號(hào)電平、通過(guò)頻率調(diào)整模塊調(diào)整輸出信號(hào)的載波頻率。經(jīng)DA和模擬濾波后產(chǎn)生任意頻率的中頻模擬信號(hào)。

本系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)多種調(diào)制、不同波特率、電平可控、任意中頻頻率可調(diào)的要求，硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)采用一個(gè)通用、可編程的硬件架構(gòu)，通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)多種功能，采用目前業(yè)內(nèi)較先進(jìn)芯片構(gòu)成的系統(tǒng)硬件，滿足未來(lái)高速信號(hào)的回放要求，具備良好的可擴(kuò)展性。出于對(duì)數(shù)據(jù)處理能力上的考慮，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)回放卡時(shí)，采用DDS+FPGA+DSP結(jié)構(gòu)，充分利用DDS、FPGA與DSP在數(shù)據(jù)運(yùn)算與處理上的特點(diǎn)，做到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。整個(gè)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)方案如圖4所示(以單通道為例)。

圖4　數(shù)據(jù)回放設(shè)備功能實(shí)現(xiàn)方案

對(duì)D/A中頻數(shù)據(jù)回放卡的管理和控制為運(yùn)行于PC機(jī)上的應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)基帶信號(hào)的數(shù)字上變頻和數(shù)據(jù)回放，生成中頻信號(hào)。應(yīng)用程序處理流程如圖5所示。

圖5　應(yīng)用程序處理流程

應(yīng)用程序的主要功能包括：狀態(tài)監(jiān)視、DDS設(shè)置、DMA傳輸和回放控制等，按照模塊化的設(shè)計(jì)思想，設(shè)置了以下幾個(gè)功能模塊。

1)初始化模塊：負(fù)責(zé)參數(shù)的初始化、資源的申請(qǐng)、驅(qū)動(dòng)程序初始化、AD9957控制寄存器初始化和相關(guān)線程的創(chuàng)建。

2)回放數(shù)據(jù)流的格式轉(zhuǎn)換及傳輸模塊：主要包括兩部分。一是將記錄的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為符合DDS輸入規(guī)范要求的數(shù)據(jù)格式；二是采用多線程及DMA技術(shù)實(shí)現(xiàn)PC與硬件之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。

3)回放控制模塊：回放控制模塊控制FPGA中FIFO的寫(xiě)使能和AD9957的使能信號(hào)以啟動(dòng)或者停止數(shù)據(jù)回放。

4)DDS配置模塊：根據(jù)用戶輸入配置AD9957的配置寄存器以使AD9957工作在不同模式。

2.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、高速數(shù)字I/O模塊

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備[4]包含一套數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)據(jù)處理軟件?？梢杂蒔C機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，接收數(shù)據(jù)采集卡采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提供圖形化的數(shù)據(jù)分析、信號(hào)處理和儀器控制開(kāi)發(fā)環(huán)境。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集卡用于實(shí)時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集。將各試驗(yàn)設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)模信號(hào)統(tǒng)一采集，保證該模塊能夠進(jìn)行多路信號(hào)同時(shí)采集，保證全系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集卡安裝在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備上，支持基于PCI的數(shù)據(jù)交換和大容量采集數(shù)據(jù)的緩存處理。

數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊用于采集模擬數(shù)據(jù)，將試驗(yàn)中的模擬信號(hào)數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)。由自行研制的基于PCI總線的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集卡來(lái)完成，模擬信號(hào)的采集可接入試驗(yàn)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集卡上留有與數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、高速數(shù)字I/O模塊的接口，可以通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、高速數(shù)字I/O模塊來(lái)完成模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)的采集。

高速數(shù)字I/O模塊用于接受數(shù)字信號(hào)，支持多通道高速率的采集方式，并應(yīng)具有多通道存儲(chǔ)空間使得大量數(shù)據(jù)的處理更加可靠。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、高速數(shù)字I/O模塊可以做到一塊高速數(shù)據(jù)采集PCI卡上，工作原理如圖6所示。

圖6　基于PCI總線的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集卡工作原理

2.4異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件模塊

本系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件模塊為運(yùn)行于PC機(jī)上的應(yīng)用程序，完成對(duì)采集到的中頻數(shù)據(jù)的數(shù)字下變頻處理，生成基帶信號(hào)，進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，并保存采集數(shù)據(jù)文件。

應(yīng)用程序通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序與硬件板卡通訊，向PCI卡傳送各種命令字，接收采集到的數(shù)據(jù)。信號(hào)采集系統(tǒng)是在后臺(tái)軟件的操作下進(jìn)行工作的，軟件設(shè)計(jì)的原則是實(shí)用、操作界面友好，目的是把硬件控制和數(shù)據(jù)分析緊密地結(jié)合在一起。軟件的工作流程如圖7所示。

圖7　數(shù)據(jù)采集軟件的工作流程圖

系統(tǒng)所有的操作基本上由軟件來(lái)控制，由數(shù)據(jù)庫(kù)、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、幫助等幾個(gè)模塊構(gòu)成。

數(shù)據(jù)分析包括數(shù)據(jù)庫(kù)操作和采集數(shù)據(jù)分析3個(gè)模塊。

數(shù)據(jù)庫(kù)操作包括對(duì)多次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、修改，查詢的條件可以根據(jù)雷達(dá)型號(hào)、試驗(yàn)日期、環(huán)境參數(shù)等條件進(jìn)行分類查詢和比較。

采集數(shù)據(jù)分析又分為實(shí)時(shí)分析和事后分析兩個(gè)部分。

實(shí)時(shí)分析主要以圖形方式顯示采集到的原始數(shù)據(jù)，顯示FFT譜，并能以一定的分辨率顯示PPI圖像。

事后分析主要是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存為Matlab軟件的數(shù)據(jù)格式，由Matlab軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更進(jìn)一步的分析。

3　實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了驗(yàn)證該套系統(tǒng)針對(duì)射頻半實(shí)物試驗(yàn)設(shè)備 接入以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的有效性和準(zhǔn)確性，本文進(jìn)行了完整的系統(tǒng)測(cè)試。本次試驗(yàn)?zāi)康氖菍⒛嘲雽?shí)物設(shè)備產(chǎn)生的S波段模擬信號(hào)進(jìn)行解調(diào)并將解調(diào)結(jié)果存儲(chǔ)為二進(jìn)制文件供其它數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)使用。首先，利用射頻信號(hào)遠(yuǎn)程控制設(shè)備的設(shè)置界面，設(shè)置射頻發(fā)生器將要輸出的信號(hào)頻率，如圖8所示。

圖8　射頻信號(hào)發(fā)生模塊的配置界面

當(dāng)成功設(shè)置并產(chǎn)生射頻信號(hào)后，該軟件界面會(huì)返回 ok指示符，并利用惠普8563E頻譜分析儀對(duì)射頻信號(hào)發(fā)生模塊進(jìn)行了測(cè)試，如圖9所示，可測(cè)到3.1 GHz,-33 dBm的一個(gè)峰值頻點(diǎn)。

圖9　射頻信號(hào)發(fā)生模塊的頻譜儀輸出畫(huà)面

該射頻信號(hào)與某半實(shí)物設(shè)備的輸出信號(hào)混頻后，經(jīng)由試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備得到中頻信號(hào)，并利用采集設(shè)備的軟件進(jìn)行繪制，如圖10所示。

圖10　試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的中頻采集測(cè)試(采集工作狀態(tài))

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件模塊將采集到的中頻數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字下變頻處理，生成基帶信號(hào)，進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，并保存采集數(shù)據(jù)文件，如圖11，圖12，成功轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制文件可被其它數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)利用。經(jīng)測(cè)試，該套設(shè)備可以正常工作并輸出預(yù)定結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了射頻半實(shí)物設(shè)備與數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)的連接。

圖11　試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的解調(diào)測(cè)試(解調(diào)工作狀態(tài))

4　結(jié)束語(yǔ)

本文首先介紹了可接入射頻半實(shí)物的試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換硬件系

圖12　二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)測(cè)試

統(tǒng)的應(yīng)用背景，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理，然后可接入該套系統(tǒng)的各功能模塊進(jìn)行了硬件和軟件設(shè)計(jì)的詳細(xì)說(shuō)明，最后根據(jù)應(yīng)用需求對(duì)該套系統(tǒng)進(jìn)行了深入的測(cè)試并得到了該套系統(tǒng)有效可靠的測(cè)試結(jié)論。該套系統(tǒng)目前僅覆蓋S和X波段，為了進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)還可以補(bǔ)充射頻組件以擴(kuò)展頻率覆蓋范圍，還可以開(kāi)發(fā)更多常用硬件接口接入方式如串口、1553B等。

[1] 張中偉.軍事通信系統(tǒng)半實(shí)物仿真技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò),2007(10):43-45,48.

[2] 黃雅崢,魏國(guó)華,劉娟.一種實(shí)時(shí)射頻半實(shí)物仿真技術(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2012(5).

[3] 陶長(zhǎng)興,關(guān)濟(jì)實(shí),王建迎,等.模擬板件測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)回放軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].儀器儀表用戶,2012,19(3):63-65.

[4] 劉宇鴻,蔣留兵,車?yán)?等.基于FPGA的數(shù)據(jù)采集與回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2015,35(1).

Design and Implementation of a Hardware System for Test Data Conversion for RF Hardware-in-the-Loop

He Man，Cui Yinan，Zhang Heng，Liu Jia，Xie Hongwen

(Research & Development Center，China Academy of Lanuch Vehicle Technology,Beijing100076,China)

The application of RF hardware-in-the-loop in simulation demonstration system brings the need for the interactions between RF hardware-in-the-loop devices and mathematical simulation platform and other hardware-in-the-loop devices. To resolve the issue of the mutual usage of software and hardware simulation test data, a hardware system for the test data conversion for RF hardware-in-the-loop was designed . The conversion between the high frequency signal and digital simulation system can be accomplished by RF signal generator,data playback equipment,data acquisition and processing equipment,DA conversion module,high speed digital I/O module and software module of test data conversion in heterogeneous network environment. The hardware architecture and implementation of each module of the system are introduced in detail,and test results are presented,which proves the system can be used to achieve the interaction between the RF and the mathematical simulation system.

RF; data conversion；hardware system

1671-4598(2016)04-0129-04DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.04.039

TP274

A

2015-09-24；

2015-12-08。

何漫(1985-)，女，湖北潛江人，碩士研究生，主要從事系統(tǒng)仿真方向的研究。