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(xué)院信息工程系，石家莊 050003；2.軍械工程學(xué)院無(wú)人機(jī)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(cè)試電路設(shè)計(jì)

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(xué)院信息工程系，石家莊 050003；2.軍械工程學(xué)院無(wú)人機(jī)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(duì)線上同時(shí)收發(fā)信號(hào)，難以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和測(cè)試；針對(duì)上述問(wèn)題，研究了一種基于收發(fā)分離和自適應(yīng)回波抵消的二線全雙工接口測(cè)試方法；首先，設(shè)計(jì)電子收發(fā)分離器，實(shí)現(xiàn)線路上收發(fā)信號(hào)的隔離；然后，使用自適應(yīng)回波抵消器，完成了近端回波干擾信號(hào)的抵消；最后，借鑒軟件無(wú)線電技術(shù)和存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)，構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)激勵(lì)信號(hào)生成與數(shù)據(jù)采集；仿真和實(shí)驗(yàn)表明，該測(cè)試方法能夠?qū)崿F(xiàn)有效完成收發(fā)信號(hào)隔離以及回波干擾信號(hào)抵消，適用于野戰(zhàn)有線通信系統(tǒng)二線全雙工接口測(cè)試。

野戰(zhàn)有線通信系統(tǒng)；二線全雙工通信；接口測(cè)試；收發(fā)分離器；自適應(yīng)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(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，是指揮信息系統(tǒng)的重要通信方式之一［1］。為了有效測(cè)試與評(píng)估指揮信息系統(tǒng)的通信能力，需要對(duì)有線通信接口進(jìn)行測(cè)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(duì)線上同時(shí)同頻收發(fā)信號(hào)，測(cè)試時(shí)難以直接進(jìn)行收發(fā)信號(hào)分離和數(shù)據(jù)采集［2］。

傳統(tǒng)的測(cè)試方法是按“以設(shè)備測(cè)設(shè)備”的思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)于指揮系統(tǒng)有線通信設(shè)備的每一類通信接口，均設(shè)計(jì)一個(gè)與之相同的檢測(cè)接口，通過(guò)“對(duì)通”完成功能測(cè)試［3］。而在通信網(wǎng)絡(luò)中，存在多類通信設(shè)備和多種二線雙工接口通信接口，由于各個(gè)接口協(xié)議的差異性，傳統(tǒng)的方法是針對(duì)每一類接口設(shè)計(jì)一個(gè)與之相同的測(cè)試接口，顯然這種方法代價(jià)太大并且缺乏靈活性和通用性。

為此，本文設(shè)計(jì)了一種基于收發(fā)分離和自適應(yīng)回波抵消的二線全雙工接口測(cè)試方法。首先，利用專用電子收發(fā)分離器，實(shí)現(xiàn)線路上收發(fā)信號(hào)的隔離；然后，使用自適應(yīng)回波抵消器，完成了近端回波干擾信號(hào)的抵消；最后，借鑒軟件無(wú)線電技術(shù)和存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)，構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)激勵(lì)信號(hào)生成與數(shù)據(jù)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(shí)通信。基于此，構(gòu)建了二線全雙工通信接口測(cè)試系統(tǒng)，按照功能可以分為5個(gè)部分，分別是主控單元、DSP單元、激勵(lì)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(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在二線全雙工通信接口測(cè)試系統(tǒng)中，主控單元負(fù)責(zé)測(cè)試過(guò)程控制與人機(jī)交互。DSP單元主要由激勵(lì)信號(hào)生成、響應(yīng)信號(hào)分析、回波抵消（EC）等3個(gè)模塊組成，激勵(lì)信號(hào)生成模塊用于針對(duì)不同的測(cè)試接口產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的激勵(lì)信號(hào)，EC模塊負(fù)責(zé)抵消近端回波，響應(yīng)信號(hào)分析模塊用于對(duì)分離出來(lái)的遠(yuǎn)端信號(hào)進(jìn)行分析，給出分析結(jié)果。激勵(lì)通道由數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）電路、濾波器、驅(qū)動(dòng)電路組成。接收通道由模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）電路、濾波器、可控增益放大器（PGA）組成，用于實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的幅值調(diào)節(jié)，消除高頻分量，然后將模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字信號(hào)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(hào)中抵消發(fā)送信號(hào)，實(shí)現(xiàn)發(fā)送信號(hào)與接收信號(hào)的分離。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

二線全雙工通信接口測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù)包括電子收發(fā)分離、自適應(yīng)回波抵消以及激勵(lì)生成與響應(yīng)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(hào)同時(shí)在同一對(duì)線路上傳輸，所以線路上的信號(hào)就是近端發(fā)送信號(hào)、遠(yuǎn)端接收信號(hào)和回波信號(hào)的疊加。要完成測(cè)試，首先需要對(duì)線路上的信號(hào)進(jìn)行分離，獲取有用的信號(hào)。對(duì)于測(cè)試系統(tǒng)而言，有用信號(hào)為遠(yuǎn)端發(fā)送信號(hào)，近端發(fā)送信號(hào)和回波信號(hào)為干擾信號(hào)。為此，本文設(shè)計(jì)了一種針對(duì)二線全雙工通信接口信號(hào)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(hào)，U3是遠(yuǎn)端信號(hào)，RL是線路負(fù)載。RS用于匹配線路負(fù)載以及隔離信號(hào)反射。A1，A2，B1是3個(gè)單運(yùn)放，增益值為1。A1，A2構(gòu)成一個(gè)儀表放大器，用于實(shí)現(xiàn)近端信號(hào)的共模抑制。B1構(gòu)成一個(gè)減法器，用于實(shí)現(xiàn)差分到單端的轉(zhuǎn)換。B2是一個(gè)帶有滑動(dòng)變阻器的儀表放大器，用于實(shí)現(xiàn)接口阻抗匹配、遠(yuǎn)端信號(hào)共模抑制以及差分到單端的轉(zhuǎn)換。C是一個(gè)減法器，用于實(shí)現(xiàn)混合信號(hào)與近端信號(hào)的減法。

由于變壓器比值是1：1，根據(jù)左右兩側(cè)電流值相等，得到：

最終得到C輸出信號(hào)：

從式（4）中可以看出，通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器RH，改變B2的增益，C輸出的信號(hào)不再包含近端信號(hào)U1，只包含遠(yuǎn)端信號(hào)U2，成功實(shí)現(xiàn)了近端發(fā)送信號(hào)和遠(yuǎn)端接收信號(hào)的隔離。當(dāng)用于匹配線路負(fù)載的RS是線路負(fù)載RL二分之一時(shí)，此時(shí)U4＝U3即實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)端接收信號(hào)的獲取。

2.2 自適應(yīng)回波抵器

盡管混合電路利用電子收發(fā)分離器能夠?qū)⑹瞻l(fā)信號(hào)進(jìn)行分離，但是在實(shí)際應(yīng)用中，由于線路的阻抗是由線路參數(shù)決定的，而線路參數(shù)往往是不能準(zhǔn)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(huì)導(dǎo)致混合網(wǎng)絡(luò)平衡誤差，使得回波會(huì)進(jìn)入ADC電路，引發(fā)串音干擾。

回波分為遠(yuǎn)端回波和近端回波，分別來(lái)自于接收端和發(fā)送端。遠(yuǎn)端回波一般經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離線路傳輸后，衰減比較嚴(yán)重，其能量會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于近端回波，因此只需要考慮近端回波進(jìn)入ADC電路產(chǎn)生的影響，遠(yuǎn)端回波的影響可以忽略?；夭ǖ窒幕驹砭褪抢靡粋€(gè)自適應(yīng)濾波器來(lái)辨識(shí)并模擬回波路徑，產(chǎn)生一個(gè)回波的副本，再?gòu)慕邮招盘?hào)中減去該副本，得到期望接收的信號(hào)。實(shí)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(yīng)濾波器來(lái)模擬回波信道，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)送端引入的部分近端信號(hào)的消除。

自適應(yīng)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(yīng)輸出盡可能逼近未知系統(tǒng)的響應(yīng)輸出。圖中x（n）為近端發(fā)送信號(hào)，s（n）為遠(yuǎn)端發(fā)送信號(hào)，即有用信號(hào)，v（n）為噪聲信號(hào)，y（n）為近端回波干擾信號(hào)和遠(yuǎn)端干擾信號(hào)的疊加信號(hào)，可以看作是近端發(fā)送信號(hào)x（n）通過(guò)一個(gè)未知系統(tǒng)后得到的信號(hào)。自適應(yīng)濾波器用于跟蹤模擬未知系統(tǒng)，其輸出信號(hào)ˉy（n）為y（n）的估計(jì)信號(hào)，e（n）為經(jīng)過(guò)回波抵消后的信號(hào)，同時(shí)也作為自適應(yīng)濾波器系數(shù)更新的誤差信號(hào)。誤差信號(hào)e（n）被反饋回來(lái)用于不斷調(diào)節(jié)自適應(yīng)濾波器權(quán)系數(shù)，使得誤差信號(hào)最終輸出不再包含近端信號(hào)。

圖3 自適應(yīng)回波抵消器原理圖

濾波器結(jié)構(gòu)選擇橫向FIR濾波器，若其權(quán)系數(shù)向量表示為：

可以得到誤差信號(hào)：

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

自適應(yīng)濾波器工作的過(guò)程就是依據(jù)事先設(shè)定的某種最優(yōu)準(zhǔn)則，通過(guò)誤差信號(hào)不斷更新其權(quán)系數(shù)，使其與期望系統(tǒng)逼近的過(guò)程。近年來(lái)自適應(yīng)濾波理論和算法飛速發(fā)展，針對(duì)不同的應(yīng)用產(chǎn)生了各種優(yōu)秀的算法。在二線接口測(cè)試過(guò)程中，回波路徑因與線路參數(shù)有關(guān)，而近似為一個(gè)未知系統(tǒng)，但在測(cè)試過(guò)程中，線路參數(shù)可以近似為恒定。基于應(yīng)用條件和運(yùn)算量的綜合衡量，在此選擇運(yùn)算量較小、運(yùn)算相對(duì)簡(jiǎn)單的LMS自適應(yīng)算法。此時(shí)其權(quán)系數(shù)迭代公式為：

式中，μ為自適應(yīng)濾波器的步長(zhǎng)參數(shù)（收斂因子），決定了橫向?yàn)V波器權(quán)系數(shù)的收斂性和收斂速度，其收斂條件為：

式中，Pin為輸入信號(hào)功率，在實(shí)際使用中，通常μ值選取足夠小，使得：

2.3 激勵(lì)生成與響應(yīng)采集

通信接口測(cè)試激勵(lì)信號(hào)生成通?？刹捎糜布娐贩ê蛙浖馕龇ǎ?］。硬件電路法指的是利用全雙工通信數(shù)字網(wǎng)絡(luò)接口專用芯片，構(gòu)建相應(yīng)的外部硬件接口電路，只需要將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按照相應(yīng)的發(fā)送時(shí)序輸出至二線接口專用芯片接口即可，無(wú)需考慮信號(hào)協(xié)議以及生成，但是靈活差，不支持接口重構(gòu)。軟件解析法指的是接口電路采用FPGA等可編程器件構(gòu)建核心電路，激勵(lì)信號(hào)生成由固件完成的方法，可以利用其豐富的邏輯資源實(shí)現(xiàn)不同激勵(lì)信號(hào)的生成，無(wú)需購(gòu)置二線接口專用芯片和搭建外圍電路，具有很強(qiáng)的通用性和靈活性。

但是由于工作模式以及不同生產(chǎn)廠家自定義的協(xié)議不同，導(dǎo)致工作量較大?；谝陨峡紤]，借鑒設(shè)計(jì)軟件無(wú)線電技術(shù)和存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)的思想：在對(duì)被測(cè)對(duì)象無(wú)影響或影響在允許范圍的條件下，在被測(cè)體內(nèi)置入微型數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)測(cè)試儀，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)完成信息的快速采集與記憶［6］?？梢韵葘?duì)各類接口的通信信號(hào)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)，并將該信號(hào)作為后續(xù)測(cè)試中的激勵(lì)信號(hào)。

圖4 激勵(lì)生產(chǎn)與響應(yīng)采集示意圖

在二線全雙工通信中，線路上傳輸信號(hào)是兩個(gè)設(shè)備發(fā)送信號(hào)的疊加，直接進(jìn)行信號(hào)采集得到的是混疊信號(hào)，因而需要將收發(fā)信號(hào)分離后進(jìn)行采集。圖5所示為應(yīng)用存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)進(jìn)行激勵(lì)信號(hào)采集連接示意圖。使用2個(gè)測(cè)試系統(tǒng)，分別連接兩個(gè)通信設(shè)備A和B，將收、發(fā)通道進(jìn)行分離，同時(shí)在測(cè)試系統(tǒng)中增加存儲(chǔ)單元（SU，Storage Unit），用于采集近端產(chǎn)生的發(fā)送信號(hào)的存儲(chǔ)。在后續(xù)測(cè)試中，就可以根據(jù)不同的測(cè)試對(duì)象調(diào)用SU中存儲(chǔ)的前期采集信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)。此種方法相對(duì)于前兩種方法不管是工作量還是經(jīng)濟(jì)效益上都占有優(yōu)勢(shì)，并且靈活方便，可操作性強(qiáng)。

3 實(shí)驗(yàn)分析

以某型指揮系統(tǒng)有線通信設(shè)備為對(duì)象，進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

3.1 回波抵消仿真

接口信號(hào)回波抵消是二線全雙工通信接口測(cè)試實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。為此，針對(duì)本文設(shè)計(jì)的收發(fā)分離后的接口信號(hào)回波抵消能力進(jìn)行仿真分析。

假設(shè)遠(yuǎn)端信號(hào)為128 k Hz、有效值1 V的正弦信號(hào)，遠(yuǎn)端信號(hào)為64 k Hz、有效值1 V的正弦信號(hào)。在經(jīng)過(guò)電子收發(fā)分離器之后，已經(jīng)基本消除了近端信號(hào)，遠(yuǎn)端信號(hào)中仍然包含近端回波干擾以及線路噪聲。

自適應(yīng)回波抵消器仿真結(jié)果如圖5所示，第一行波形為遠(yuǎn)端發(fā)送信號(hào)s（n），第二行波形為回波干擾信號(hào)y（n）與高斯白噪聲信號(hào)v（n）的疊加，第三行波形為自適應(yīng)濾波器的輸入信號(hào)d（n），第四行波形為經(jīng)自適應(yīng)回波抵消后的輸出信號(hào)e（n）。將e（n）與y（n）進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)e（n）中已明顯無(wú)回波干擾信號(hào)分量，說(shuō)明設(shè)計(jì)的自適應(yīng)回?fù)艿窒鞣弦蟆?/p>

圖5 自適應(yīng)回波抵消器實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2 收發(fā)分離實(shí)驗(yàn)

以某型指揮系統(tǒng)有線通信設(shè)備群路數(shù)字用戶接口為例，采用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電子收發(fā)分離電路的能力。

收發(fā)分離電路在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要關(guān)注運(yùn)放的選擇，為滿足信號(hào)輸入帶寬要求，電子收發(fā)分離器需要選擇的運(yùn)放單位增益帶寬至少是信號(hào)最高頻率的10倍。在此，選用高速運(yùn)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(shí)間是90 ns。

電子收發(fā)分離器設(shè)計(jì)完成后需要進(jìn)行調(diào)試，具體步驟為：將電子收發(fā)分離器與被測(cè)設(shè)備接口進(jìn)行連接，利用DSP單元通過(guò)激勵(lì)通道發(fā)送激勵(lì)信號(hào)，待被測(cè)設(shè)備接口獲得測(cè)試信號(hào)后回復(fù)響應(yīng)信號(hào)。此時(shí)，利用示波器觀察采集得到的信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)電子收發(fā)分離器的滑動(dòng)變阻器RH，當(dāng)DSP單元采集信號(hào)中發(fā)送信號(hào)干擾最小時(shí)，實(shí)現(xiàn)了收發(fā)信號(hào)的分離。

圖6所示為群路數(shù)字用戶接口信號(hào)收發(fā)分離實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從中可以看出，經(jīng)過(guò)收發(fā)分離電路后，群路數(shù)字用戶接口接收信號(hào)被有效分離，便于響應(yīng)分析和測(cè)試結(jié)果輸出。

圖6 群路數(shù)字用戶接口信號(hào)收發(fā)分離實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

本文針對(duì)野戰(zhàn)有線通信系統(tǒng)二線全雙工接口測(cè)試中存在的問(wèn)題，提出了一種基于收發(fā)分離和自適應(yīng)回波抵消的二線全雙工接口測(cè)試方法，并構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過(guò)設(shè)計(jì)接口信號(hào)收發(fā)分離電路對(duì)線路上混合在一起的收發(fā)信號(hào)進(jìn)行隔離，設(shè)計(jì)自適應(yīng)回?fù)艿窒鲗?duì)近端回波干擾信號(hào)進(jìn)行抵消。借鑒軟件無(wú)線電技術(shù)和存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)對(duì)激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行采集存儲(chǔ)，最終實(shí)現(xiàn)了二線全雙工通信系統(tǒng)的響應(yīng)信號(hào)采集和激勵(lì)信號(hào)生成。最后通過(guò)仿真分析和實(shí)驗(yàn)對(duì)測(cè)試方法進(jìn)行了驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的接口測(cè)試方法適用于野戰(zhàn)有線通信系統(tǒng)二線全雙工接口測(cè)試，并且提高了測(cè)試設(shè)備的靈活性和通用性，對(duì)野戰(zhàn)有線通信設(shè)備維修保障工作具有一定的實(shí)用價(jià)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(shù)，2013，53（6）：704-706.

［2］吳志抄，譚業(yè)雙，張?zhí)燧x，等.基于數(shù)字電位器的增益自適應(yīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)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(cè)系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2014，40（10）：72-75.

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

［5］何遠(yuǎn)輝.基于PXI的某型設(shè)備接口測(cè)試系統(tǒng)［D］.石家莊：軍械工程學(xué)院，2010.

［6］張文棟.存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論及其應(yīng)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(cè)試與故障診斷方向的研究。