模拟通信系统范文

模拟通信系统范文（精选8篇）

模拟通信系统 第1篇

通信电子线路主要包含信号的发送、信号的传递以及信号的接受处理3个部分。在信号的发送中, 需要对待处理的基带信号进行调制以满足传送信道对信号的要求。经过信道传输后, 在信号的接受端, 需要将已经完成调制的信号进行解调, 以实现信号的还原。通过这样的步骤, 就实现了通信的全部过程。

1 无线通信系统的发送端信号的处理

一般来说, 待传输的基带信号的频率较低, 不适合在信道中进行传输。因为如果要将电信号转换为无线电波传送, 则必须满足发送天线的几何尺寸与信号的波长处于同样的数量级。在通信系统中, 带传输的基带信号一般为语音信号或者图像信号, 信号的频率较低, 所以波长就特别大, 设计这样的天线是不实际的。同时为了满足多路复用的要求, 也需要对原始待传输的信号进行特定的变换, 使得信号能够适合在无线信道中传输, 完成这样变换的电路在通信系统中称为调制电路。根据调制信号对载波不同参数的控制, 一般可以将调制分为线性调制以及非线性调制。在本文中以最简单的幅度调制为例进行分析。幅度调制就是基带信号控制高频载波信号的幅度, 从而实现载波幅度对原始信号的直接反映。幅度调制的电路原理图以及波形如图1所示。

2 经过无线信道传输接收端对调制信号的解调分析

经过无线信号的传输以及无线电信号的球面效应, 在信号接收端, 接受到的信号的幅度以及功率都比较小, 所以在信号接受端首先必须采用高频小信号谐振放大电路对信号进行放大, 谐振放大电路在放大信号的同时还可以实现对信号的选择以及对信号中干扰信号的抑制作用。由于谐振放大电路对于不同载频的信号的放大增益不同, 所以在接收端一般需要将不同的调制信号在载频调整到一个固定在载频上去, 实现这一变换的电路称为混频电路。混频电路实现了载波频率的变换, 信号的包络不会发生变化, 所以混频同样属于频谱的线性搬移。混频电路以及混频的输入输出波形如图2所示。

混频目前一般可以采用线性混频以及二极管等非线性期间实现混频。混频在频域对应于频谱的线性搬移, 为了能够保证一定的频谱纯度, 一般在混频的输出端还需要添加滤波电路。在要求不高的场合可以使用简单的无源滤波器实现。

经过混频之后的信号具有了与谐振放大电路匹配的载频, 但是在同时也带入了混频干扰。混频之后的信号仍然不是接收端最终需要的信号, 为了实现信号的还原, 则需要进行对信号的解调。信号的解调也是对应频谱的搬移。与混频不同的就是, 混频是将已调信号的中心频率由载波频搬移到与谐振放大电路匹配的中频, 而解调则是由中频搬移到低频端, 从而实现信号的还原。常用的解调方法有线性解调以及二极管包络检波等。其中包络检波的方式只能适用于普通振幅调制, 而线性的同步相干解调的方法可以适用了DSB、SSB等所有的调幅信号的解调。同步相干解调的电路原理图以及波形图如图3所示。

3 信号输出的相关处理

经过解调输出的即为发送端的低频小信号, 但是通信的系统最终的接受者是人的眼睛或者耳朵, 所以对于解调输出的低频小信号还需要进行放大、滤波等方面的处理。文中主要讨论对低频信号的放大处理。实用的放大电路如图4所示。

放大电路中首先采用了差分放大电路来消除或者减小干扰带来的影响, 避免将干扰带入后级电路从而影响通信质量。然后采用符合管进行信号的电压的放大。最后电路采用了共集电极的输出方式来改善电路的输出特性, 从而提升整体的通信质量。

参考文献

[1]王斌, 钱松.电子线路板设计与制作[M].北京:北京出版社, 2011.

[2]张义芳, 冯建华.高频电子线路[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 1993.

[3]杜武林.高频电路原理与分析[M].成都:电子科技大学出版社, 1990.

[4]清华大学通信教研组.高频电路[M].北京:人民邮电出版社, 1979.

模拟通信系统 第2篇

【关键词】ZigBee；单兵激光模拟训练系统

1.引言

随着激光技术的发展，其在军事训练器材中的应用，发挥着越来越重要的作用。单兵激光模拟训练系统采用以光代弹的原理，结合声光效果，可逼真的模拟实际战场环境的实兵对抗，是和平时期部队训练和青少年展开野外拓展对抗游戏的有效器材之一。

单兵激光模拟训练系统主要由头盔、背带和激光发射机等3个部件组成。头盔具有激光接收和发烟控制功能；背带具有激光接收、毁伤模型计算以及与导控主台无线数据通信功能；发射机用于激光发射控制。3个部件之间实时可靠的数据通信是系统正常工作的基础。本文主要研究利用ZigBee无线通信技术实现单兵激光模拟训练系统各部件之间的数据交互。

2.硬件结构

背带与头盔、发射机之间采用点对多点的通信方式。背带、头盔和发射机均内嵌ZigBee通信单元（图1），通信单元由ARM主控芯片、ZigBee射频无线收发芯片和2.4GHz天线组成。

通信芯片选用TEXAS INSTRUMENTS公司的CC2420 ZigBee射频无线收发器。芯片的主要技术特点如下：

射频单片无线收发芯片，带有基带调制解调器，并对MAC（介质访问层）层提供支持；

直接序列扩频的基带调制解调器，其码片速率可到2MChips/s，有效数据传输率达250kb/s；

电流耗损非常低（RX：18.8mA，TX：17.4mA）；

输出功率可以通过编程来改变；

不需要额外的RF开关和滤波器；

两个（发送缓冲区和接收缓冲区）128Byte的数据缓冲区；

硬件实现MAC加密（AES-128）；

48脚的QLP封装，7*7mm。

CC2420芯片与ARM主控芯片之间采用SPI总线进行数据通信。FIFOP脚接ARM芯片的外部中断脚，当CC2420芯片接收到有效数据后，该引脚置高，ARM芯片产生中断，进行接收数据处理。RESTEn脚接ARM芯片的输出脚，用于对CC2420芯片的复位。

CC2420芯片的射频输入/输出是差分和高阻抗的，射频端口最适宜的差分负载值阻抗为115+j180Ω。单兵激光模拟训练系统中使用的天线为2.4GHz的单极天线，因此必须使用非平衡变压器来增强其性能。图2所示的射频输入/输出电路由一个半波传送天线、C3、L1、L2和L3构成，半波传送天线直接设计在印制板上，与电路匹配的天线阻抗为50Ω。

3.软件设计

单兵激光模拟训练系统中最多同时工作的单兵激光模拟器数量可达数千套；每套单兵激光模拟器的背带与头盔、发射机之间采用点对多点的通信方式，背带为中心节点，头盔和发射机为子节点；各单兵激光模拟器相互之间不能出现数据串扰。因此整个系统可以看作由几千个独立的微型通信系统构成。

由于ZigBee的IEEE地址有8个字节，因此有足够的容量可以满足单兵激光模拟训练系统对地址唯一性的要求。

3.1 数据帧格式

通信数据帧采用IEEE 802.15.4通用MAC帧格式，格式见图3。

1）帧控制域：帧控制域长度为16位，包括定义帧类型、加密、应答、目的地址模式和源地址模式等。

本应用中帧控制域的定义如下：帧类型为数据帧（001）；加密禁止（0）；应答允许（1）；目的地址模式为64位IEEE地址（11）；源地址为64位IEEE地址（11）。

2）序列号域：在每个帧中都包含序列号域，其长度为1个字节。每发送一个新的帧序列号，值加1。

3）目的PAN标识域：目的PAN标识域长度为2个字节。由于本应用中未使用个人局域网，该值固定为0x0001。

4）IEEE目的地址域：IEEE目的地址域长度为8个字节。该地址为数据帧的目标地址。

在单兵激光模拟训练系统中每个头盔、背带、发射机的IEEE地址均被设置唯一的。通过配置CC2420芯片的MDMCTRL0（0x11）寄存器的ADR_DECODE位，可以打开CC2420芯片的硬件地址解码功能，CC2420芯片可以只接收目的地址与本机地址相同的数据帧。

5）源PAN标识域：源PAN标识域长度为2个字节。由于本应用中未使用个人局域网，该值固定为0x0001。

6）IEEE源地址域：IEEE源地址域长度为8个字节。该地址为数据帧的源地址。

3.2 通信数据流程

单兵激光模拟器的背带、头盔和发射机的IEEE地址均分别预先写入各自的ARM主控芯片，在初始化时写入CC2420芯片的内部寄存器。CC2420芯片的初始化程序流程图见图4。

背带作为主节点，与其配套的头盔和发射机的地址预先保存至背带的ARM主控芯片中。单兵激光模拟器运行后，背带首先向头盔和发射机发射设置指令，头盔和发射机的ARM主控芯片接收到数据包后，首先将数据包中背带的64位IEEE地址保存至内存中，然后用该地址向背带回复应答数据包。

背带与头盔、发射机之间的数据通信采用应答方式，流程见图5。

4.结论

该通信技术已在单兵激光模拟训练系统中进行了实际应用，取得了很好的通信效果。经实测单兵激光模拟器3个部件之间的通信时延小于100ms；30m范围内200套单兵模拟器同时工作，相互之间不会出现通信串扰。

参考文献

[1]IEEE Std 802.15.4?-2003，IEEE Standard for Information technology-Telecommunications and information exchange between systemsLocal and metropolitan area networks-Specific requirements Part 15.4：Wireless Medium AccessControl（MAC）and Physical Layer（PHY）Specifications for Low-Rate WirelessPersonal Area Networks（LR-WPANs），IEEE Published by The Institute of Electrical and Electronics Engineers，Inc.3 Park Avenue，New York，NY 10016-5997，USA.

[2]王晓海.国外空间激光通信系统技术最新进展[J].电信快报，2006（7）：16-21.

[3]陈富强.单兵综合战术对抗训练激光模拟系统研究[D].国防科学技术大学硕士学位论文，2007.

模拟通信系统 第3篇

模拟通信是通信电子线路和通信原理课程的重要内容, 也是继续学习其他通信系统的基础。其特点是原理多, 概念多, 系统性强, 理解起来很抽象[1]。开展实验教学, 是加深学生对理论知识的理解, 贯通各知识点的有效途径。在传统的实验教学中, 因为存在着如电子元器件老化、显示设备精度受限等问题, 导致硬件实验箱中产生的结果和理论教学中展示的结果有差距, 使得学生对相关知识点和概念的理解不够直观、记忆不牢靠。虚拟的软件实验系统可以很好的弥补这个差距, 起到了连接二者的桥梁作用, 帮助学生更好的理解、加深和提高了对相关知识概念的学习;实验箱中的硬件电路固定, 无法通过更换不同模块满足更多的实验要求, 资源利用效率较低。可以通过软件编程的方法, 使得不同功能模块相互组合, 实现更多的实验项目, 补充和支持了硬件实验教学。

Lab VIEW是目前最具有影响力的虚拟仪器开发平台之一, 其中的G语言是一种容易辨识和理解的图形化编程语言, 适用于概念多, 理解困难的课程教学[2,3]。基于虚拟仪器“软件就是仪器”的理念, 发挥Lab VIEW在构建仪器上的灵活性和创造性的特点[3], 使用软件程序替代传统硬件电路, 设计和实现了本文介绍的虚拟的模拟通信, 系统摆脱了时间和空间对实验的束缚, 去除了实验中不可控的因素, 可以根据实验需要更换功能模块。文献[4-7]介绍了利用Lab VIEW对模拟通信系统中相关知识点的仿真设计。文献[8-9]对将Lab VIEW应用在实验教学中进行了研究, 每一个子VI都是一个小的实验项目, 可以对相关知识点进行仿真验证。本文介绍的模拟通信实验系统, 在上述文献取得的成果的基础上, 将不同的功能模块整合进一个程序中, 形成了统一的实验平台;在设计上采用了模块化设计, 使得调制与解调模块可以相互组合, 形成不同的通信系统;操作界面友好, 可调参数多, 数值范围大, 波形显示界面直观清晰。可将本实验系统安装在任意一台计算机上, 随时进行实验。本系统中的调制模块可选AM, DSB, SSB, FM。解调模块包括同步解调和非同步解调。

1 实验系统设计

1.1 功能模块的设计

模拟通信系统由信号源 (调制信号, 载波信号) , 调制, 信道噪声, 解调等部分组成, 如图1所示。

依据图1设计的实验系统程序框图如图2所示。从左至右依次为信号发生、调制、解调、和波形显示模块。使用While程序结构来保证整个系统的循环运行。在调制和解调模块中, 均采用Case结构来实现不同功能的切换。利用Build Waveform函数解决了不同调制方式, 因为实现方式不同, 导致数据类型不一致的问题, 使得调制模块与解调模块进行任意的组合。在波形显示模块中, 同样通过Build Waveform函数实现Waveform Graph接收的数据类型保持一致。为了更好地展示不同的噪声对信号的影响, 对图1的结构做出适当修改, 在程序框图中, 将信道噪声直接加在了形式相对简单的调制信号上。

系统中, AM, DSB, FM, PM均根据数学原理实现。SSB选取的是下边带调制, 信号产生方法采用的是选择性滤波器法, 如图3所示。滤波器可选切比雪夫、巴特沃兹或椭圆滤波器[10]。

通信系统中, 解调方式包括同步解调和非同步解调。同步解调原理如图4所示。

在实现同步解调的程序中, 利用局部变量将载波的相关信息传递至解调模块, 替代了利用锁相环实现载波同步的功能。

非同步解调采用的是峰值包络解调法, 包络提取方法为希尔伯特变换[11]。

一个实信号x (t) 的希尔伯特变换定义为:

于是得到x (t) 解析信号:

x+ (t) 的幅值:

便是原始实信号的包络。

FM信号的包络是恒定的, 等于载波幅度。为了使用包络检波法解调出FM信号, 可先将FM信号经过微分变成调幅-调频波, 其幅度与FM信号的瞬时频率成正比。再用包络检波的方法就可解调出调制信号, 如图5所示。

1.2 用户操作界面的设计

一个简洁友好的用户交互界面可以提高学生进行实验的效率。通过参数控制与显示模块, 程序如图6所示, 使得在一个用户界面上就可以完成不同的实验项目, 将模块化设计带来的优势很好地展现出来。依据调制和解调组合方式不同, 进行逻辑判断, 显示与目前调制解调方式相关的参数选项控件, 隐藏无关的前面板控件。

用户可以在前面板的左侧顶部的调制方式下拉菜单选项中选择一种调制方式, 包括幅度调制AM、双边带调制DSB、单边带调制SSB、频率调制FM。当用户选择AM时, 调制方式下拉菜单旁边会出现调幅灵敏度, 调制百分比, 以及过调制指示器控件。当选择FM时, 其他调制方式的对应的参数选择则会隐藏, 只出现频率灵敏度, 频偏控件。

解调方式选项卡中, 可以选择与调制方式相对应的解调方式。当调制方式选择AM时, 可以选择同步解调或者非同步解调。选择非同步解调时, 则会出现相位差设置框。当调制方式为DSB和SSB时, 因为调制信号并不直接表现为调幅信号的包络, 故只能采用同步解调方法才能获得无失真的解调, 此时非同步解调方式被禁用。调制方式为FM时, 同步解调选项被禁用, 只能选择非同步解调。

调制信号和载波信号包括正弦波, 方波, 三角波, 锯齿波, 频率可在0~100 k Hz间调整。用户可以选择是否给通信系统添加信道噪声, 包括正太分布的白噪声, 高斯分布白噪声, 泊松分布噪声, 伯努利噪声, 周期随机噪声, 每个噪声选项都有相对应的参数可供调整。一般的信号发生器实验时是无法产生叠加了上述噪声的信号。

在前面板的波形显示窗口区域, 从上至下分别对应调制信号, 已调信号, 解调信号的时域和频域波形图。

在完成实验系统的程序和前面板设计后, 通过LabVIEW的项目管理器将代码打包成安装程序, 之后就可以安装到任何一台计算机上操作该实验系统了, 很好地摆脱了硬件实验室在时间和空间上的限制, 如图7所示。

2 仿真与结果分析

2.1 AM调制解调

假设调制信号m (t) , 调制频率fm, 已调信号s (t) , 解调信号v0 (t) , 载波幅度A0, 载波频率fc。

在AM系统中:

s (t) 的傅里叶变换为:

式中:ka称为调幅灵敏度。kam (t) 取绝对值后, 将其最大值乘以100, 乘积称为调制百分比, 记为m。

当 时, 已调信号s (t) 的幅度随调制信号m (t) 而变化, 如图8 (a) 和 (b) 所示。

当m>1时, 载波变成了过调幅, 导致当因子1+kam (t) 过零时, 载波相位发生反转, 已调信号出现包络失真, 如图8 (c) 所示, 此时过调制指示器亮起, 在已调信号的时域波形图中可以清晰的看到载波相位反转。

当出现过调幅, 产生了包络失真的时候, 包络检波器不能正确解调出调制信号, 如图9 (a) 所示。但是同步解调依然可以正常解调出调制信号, 如图9 (b) 所示。

2.2 SSB中滤波器性能的比较

依次选择不同的滤波器, 观察SSB已调信号频域波形图中上边带的大小, 原理如图10所示。可以看出, 当椭圆滤波器作为低通滤波器时, 已调信号的上边带分量最小, 频率选择性最好。当巴特沃兹滤波器为低通滤波器时, 上边带剩余最多, 频率选择性最差。

2.3 检波器的门限效应

包络检波器是非线性检测器, 存在门限效应。当载噪比低于门限值的时候, 检波器的噪声性能迅速恶化。在相干检测器中, 不存在门限效应。

FM系统中, 在载波幅度一定的情况下, 噪声幅度较小时, 检波器可以解调出调制信号, 如图11 (a) 所示。当噪声幅度增大, 使得载噪比超过门限值的时候, 检波器性能开始急剧下降, 无法解调出调制信号, 如图11 (b) 所示。

AM系统中, 在相关参数不变的情况下, 只改变解调方式, 如图12所示, 相干解调能比检波器更好地解调出调制信号, 验证了相干解调不存在门限效应。

从以上仿真中可以看出, 所得结果与理论知识一致, 证明了设计的正确性。

3 结语

本虚拟实验系统操作界面友好, 交互性强。覆盖了模拟通信系统理论教学中的大部分知识点, 做到了将抽象的内容具体化, 复杂的概念简单化。与传统的硬件实验设备相比较, 由于本系统应用了模块化设计的思想, 使得系统具有良好的扩展功能, 能够很好地满足模拟通信系统验证性实验的需求, 是一套很好的辅助教学工具。

参考文献

[1]杨辉, 刘毓, 孙爱晶.通信原理教学方法的探索和实践[C]//Proceedings of 2010 Asia-Pacific Conference on Information Network and Digital Content Security (2010APCID) .2010.

[2]BO R, HUAN L.The design of communication platform for teaching by virtual instrument[C]//2010 International Conference on Computer Design and Applications (ICCDA) .[S.l.]:IEEE, 2010, 5:519-522.

[3]尹念东.虚拟仪器技术及其应用前景[J].计量与测试技术, 2002, 29 (6) :34-36.

[4]于波, 刘祥楼, 韩建.基于LabVIEW的模拟调制实验仪的设计[J].微计算机信息, 2007, 23 (5) :185-186.

[5]张松华, 何怡刚.基于LabVIEW的通信电子线路实验仿真[J].仪表技术, 2009 (4) :19-20.

[6]李环, 任波.虚拟仪器通信原理教学平台的设计与开发[J].现代教育技术, 2011, 19 (6) :107-110.

[7]练峰海, 石启亮.基于LabVIEW的调制器设计与实现[J].科学技术与工程, 2012, 12 (25) :89-91.

[8]刘翠响, 王宝珠, 贾志成.LabVIEW在“高频电子线路”实验教学中的应用[J].电气电子教学学报, 2006, 28 (6) :89-91.

[9]王莉, 陈虹.基于LabVIEW的通信原理试验研究与实现[J].仪表技术, 2007 (10) :10-12.

[10]周蓉, 马胜前.高阶开关电容滤波器的设计和仿真[J].电子测量技术, 2010, 33 (2) :22-25.

模拟通信系统 第4篇

近年来, 随着我国铁路的快速发展, 铁路通信调度主系统已由早期的模拟调度通信发展至今天的数字调度通信, 但是针对一些特定用户, 因地域、投资等多方面的原因, 在数字调度系统中开设模拟用户仍然是必不可少, 如何提高模拟用户的通话质量, 尤其是电气化区段模拟用户的通话质量, 是铁路调度通信中亟待解决的问题。

二、系统概述

1. 铁路电话系统的构成

铁路通信调度电话系统 (dispatching telephone system) 是铁路各级业务指挥系统使用的专用电话系统。它包括铁道部到各铁路局之间设立的干线调度电话, 铁路局至站、段、所、亭及工区的区域调度电话二级组成。干线调度电话是在铁道部调度中心设立调度电话主系统, 通过各铁路局设立的汇聚调度主系统连接实现干线调度;区域调度电话由调度所调度电话主系统 (FAS) 、车站调度电话分系统和网管系统3部分组成。调度电话主系统 (FAS) 设在铁路局调度指挥中心或局调度所。车站调度电话分系统设在各车站, 它们之间通过2 mb/s光数字传输通道组成区段调度电话指挥系统。在调度工区设置网管终端, 接入相应的调度电话主系统 (FAS) , 对调度电话系统内设备进行管理和维护, 其网路拓扑图如下:

2. 模拟用户在调度电话系统中的应用

数字调度系统中的模拟用户是指在数字调度系统中模拟语音信号通过电缆传输实现调度电话业务的用户, 其具有投资小, 方便灵活等特点, 在现有的数字调度电话系统中, 仍然被应用于一些特殊的用户以实现电话调度业务, 如地处偏远分区所、变电所、线路所、局调度中心的话务平台等均采用模拟电缆实现调度电话的通话。

三、问题的现象与原因

1. 问题现象

在上海调度所调度主系统搬迁过程中, 调度主系统的模拟用户电话所电话出现无法启动或者通话质量差的现象。

2. 原因分析

通过现场的排查分析, 排除设备或者是板件故障, 然后对电缆各项性能的测试, 发现电缆环阻过大, 电磁感应电压过高, 因此确定是因模拟信号在电缆传输中出现了干扰和信号减弱的原因引起。

(1) 电缆过长

数字调度系统中的模拟用户就是指我们常说的共用户, 其原理是由数字调度主系统侧供电, 因此当电缆过长, 电阻相应地就增大, 根据电压、电流的数学关系, 电压的压降就增大, 从而无法启动用户侧的电话机或者声音信号微弱。

在本次调度所搬迁过程中, 由于新调度大楼与既有调度大楼相距500米, 实际电缆长度为800米, 再加上电话所设置在距既有调度所1200米外, 因此搬迁后该模拟用户实际电缆传输距离为2000米, 已经接近数字调度系统的模拟用户传输的最大距离。

(2) 电磁干扰

电磁干扰对通信音频范围可以通过计算通信电缆金属线阻和电缆线路中音频回路的杂音电压来确认其影响大小。其杂音电压Ue由下式计算:

Ue=107MeIeλeSeηeLp/4 (mV)

Me:800Hz时, 接触网与通信线路互感系数

ηe:双线电话回路杂音敏感系数

Lp:与平行接近段长度 (km)

Ie:接触网中800H:时等效干扰电流

λe:800Hz时钢轨屏蔽系数

Se:800H:时金属护套及周围其它芯线屏蔽系数之积, 电气化区段与专用通信光、电缆c为6.0090刁防护措施

由上面杂音电压计算公式可以得出, 在其他变量不变的情况下, 只要平行接近的长度Lp越大, 所产生的杂音电压就越高, 对通话的质量影响也就越大。

四、解决方案

针对上述原因分析, 要提高模拟用户的通话质量可以通过以下2个方面解决提供通话质量。第一是提高电缆的传输质量;第二是通过模拟传输改数字传输。

1. 提高电缆传输质量

(1) 减少传输损耗

模拟信号传输因传输距离的增加信号传输损耗随之增加, 为了减少传输损耗, 可以通过降低传输电缆的环阻, 以提高传输的距离, 例如选择线径更粗的电缆, 或者选择将多对电缆合并使用, 以降低电缆环阻, 减少因传输距离的增加带来的信号损耗。

(2) 增加接地点

电磁干扰是因电缆周围的电磁环境引起电缆的外皮 (金属层) 产生电磁感应, 干扰了在电缆芯线中传输的模拟电信号, 其解决电磁干扰的最好办法就是增加电缆的外皮 (金属层) 的接地点, 将长距离的电磁感应产生的感应电压、电流完全地倒入大地, 从而减少了电磁感应对信号传输质量的影响。

2. 模拟传输改数字传输

模拟传输改数字传输就是将长距离的传输通过光电转换设备将模拟信号改为光信号传输, 因光传输基本没有传输距离和电磁干扰的限制, 因此能完全解决距离的增加和电磁干扰的问题, 具体方法如下:

(1) 增加数字调度分系统

在模拟用户侧 (本例中的电话所) 增加数字调度分系统, 通过光传输设备 (如SDH传输、PDH传输等) 将数字调度分系统与主系统组成数字调度环, 用户信号通过光传输至数字调度分系统, 然后由分析系统接至用户终端, 彻底解决模拟用户长距离传输引起的电磁干扰和信号减弱的问题。

(2) 增加综合业务传输设备

由于数字调度系统中的模拟用户是共电用户, 其原理与自动电话相似, 因此可以使用华为公司生产的综合业务接入设备 (ONU) , 增加CDI和ASL板件实现自动电话用户延长功能, 俗称半永久连接, 即将共电用户通过局端的CDI用户板接入综合业务接入设备, 然后在用户端通过用户板ASL接出实现共电用户传输距离的延长。

五、两种方法的优缺点

提高电缆传输质量与模拟传输改光传输2种方法各有优缺点, 提高电缆传输质量的优点是投资少, 实现简单, 但是不能彻底解决电磁环境下模拟用户的长距离传输产生的问题, 一旦距离增加、接地不好等就会影响通话质量。模拟传输改光传输的优点是传输距离远, 能彻底解决电磁干扰问题, 但是需要增加光设备、光缆等设备, 投资造价较高。

六、结束语

通过分析, 解决模拟用户通话质量问题是一个复杂过程, 各种方法都有其优缺点, 因此在解决问题时, 应根据现场情况, 结合现有资源和投资造价具体分析进行选择, 以取得更好的效果。

参考文献

[1]铁道第二勘察设计院主编.铁路运输通信设计规范:中国铁道出版社, 2005.

模拟通信系统 第5篇

在组织竞赛过程中,普遍存在方案制定繁琐复杂、前期预演效率低下、人员组织协调难度大等诸多问题。因此,竞赛组织者迫切需要一种能够辅助其进行竞赛组织的工具。为解决以上问题,以通信类专业竞赛为切入点,该文提出“基于Unity3D的通信专业竞赛流程模拟演练系统”。Unity3D是一款专业3D引攀,具备跨平台发布、高效能优化、高性价比、AAA级画面渲染效果等特点。该引擎最大的优势是性价比高,并且可以发布成网页浏览的方式,不用下载客户端,就能直接体验[1]。该文所提出的通信专业竞赛流程模拟演练系统即基于该引擎开发。

1 系统的目标功能

1.1 可视化竞赛现场布置功能

改变以往“现场看、脑子想、纸上画”的场地布置方式,为竞赛组织者呈现三维可视化的竞赛现场,将竞赛所需器材设备用品等分门别类作为竞赛现场布置基本模块单元,使组织者可采用拖拽的形式进行竞赛场地可视化布置。同时,组织者可对布置的基本模块进行属性信息编辑,明确人员分工、对外协调和时间节点等信息,存入后台数据库,待实时查看最终效果且满意后,可将完整的场地布置信息报表输出。

1.2 竞赛流程模拟演练功能

改变以往大规模人员调动困难、组织协调复杂等竞赛前期模拟演练存在的问题,以竞赛时间轴为主线,在可视化竞赛现场的基础上,根据竞赛方案设定各时间节点人员位置编排、任务分工、行进路线、行进速率、到达时间等信息,先期在计算机上进行整个竞赛流程模拟演练,及时发现存在的问题,为进一步修改完善方案提供依据。待模拟演练效果满意后,可召集竞赛组人员在竞赛前期准备协调会期间进行流程展示宣讲[2]。

2 总体方案设计

2.1 系统总体构成

“通信专业竞赛流程模拟演练系统”由可视化场地布置和流程模拟演练两大模块构成,总体构成见图1。其中,可视化场地布置模块由三维场景生成、竞赛场地布置、场地方案报表生成等子模块组成。流程模拟演练模块由节点设定、模拟演练和流程方案报表生成等子模块组成。

2.2 主要模块

“通信专业竞赛流程模拟演练系统”主要用于通信专业竞赛场地可视化布置,辅助竞赛组织者进行前期方案制定,并根据方案要求进行前期竞赛流程的模拟演练,以便于即时发现方案制定中存在的问题,从而有效提高竞赛组织效率。

1)可视化场地布置

该功能模块主要包含“三维场景生成”、“竞赛场地布置”、“场地方案报表生成”三个子模块。“三维场景生成”模块可实现通信专业竞赛场地的三维场景生成,为后续功能模块提供基础平台,这是整个系统可视化的基础;“竞赛场地布置”模块通过前期分析, 将装设备、电脑、打印机、桌椅、标牌、横幅、指示牌等竞赛过程中所需器材设备用品等分别归类,生成竞赛用品布置基本模块单元库,基于前期生成的可视化三维竞赛场景,组织者可采用拖拽的形式进行竞赛场地可视化布置,实时查看最终效果。同时,组织者可对布置的基本模块进行属性信息编辑,明确人员分工、对外协调和时间节点等信息,存入后台数据库。在与竞赛组人员进行沟通交流的过程中,若发现不适宜之处,可及时修改相应属性信息,使方案更进一步趋于完善;在“场地方案报表生成”模块中组织者在竞赛场地布置完成查看最终效果且满意后,可将完整的场地布置信息报表按预定需求输出打印,方便查看。

2)流程模拟演练

该功能模块主要包含“节点设定”、“模拟演练”和“流程方案报表生成”三个子模块。“节点设定”模块以竞赛总体方案为依据, 以竞赛时间轴为主线,在可视化三维竞赛场景的基础上,竞赛组织者可设定各时间节点人员的位置编排、任务分工、行进路线、速率等信息,并存入后台数据库;“模拟演练”模块在节点设定的基础上,竞赛组织者先期在计算机上进行整个竞赛流程的模拟演练, 及时发现存在的问题并修改节点设定,使方案更进一步趋于完善;“流程方案报表生成”模块在流程模拟演练顺利结束后,竞赛组织者可将存于后台数据库中的竞赛流程方案报表输出打印。

3 系统实现

3.1 可视化竞赛现场三维场景生成

可视化竞赛现场通过对先期获得的竞赛现场建筑的CAD图纸进行相应整理,之后导入3dsMax软件实现场景建模。对三维模型的建立,主要依据实际场景本身的物理状态,即具体的大小尺寸,其原则就是在尽量减小面数的同时提高逼真度[3]。

3.2 竞赛场地布置和流程模拟演练

将3dsMax软件生成的可视化竞赛现场三维场景导入Unity3D引擎,在其中进行竞赛场地布置和流程模拟演练功能开发[4]。竞赛场地布置和流程模拟演练所需的大量人机交互功能均在该引擎中设计实现,具体如下:

1)利用刚体碰撞器物理引擎实现场景布置时的定位;

2)利用角色控制器进行视角转换以实现第一人称视角场景检视和第三人称视角流程模拟演练功能;

3)利用键盘鼠标自定义按键等输入控制事件实现人机交互;

4)利用路点功能设置人员行进路径以实现流程模拟演练;

5)利用MySQL实现场景布置信息和节点设定信息的后台数据库存储并报表输出。

3.3 方案报表生成

由于Unity3D本身提供的持久化数据仅能存取少量数据,故本系统采用第三方MySQL数据库存储场地布置方案和流程设定方案信息。MySQL是一个关系型数据库管理系统,相较于SQLServer数据库,其体积小、速度快、总体拥有成本低[5]。

为生成相应方案报表,系统采用MySQL数据库中自带的MySQL For Excel插件实现,该插件作为加载项嵌入Excel软件中,可将MySQL数据库中存储的信息导出至Excel表格中,方便后期打印输出,辅助竞赛组织者进行前期方案生成。

3.4 关键技术实现

1)竞赛场地布置

在真3D环境下进行竞赛场地布置,具有较好的沉浸式真实感。如何实现真3D环境下物品摆放的三维坐标精确控制,是竞赛场地布置功能需要着重解决的问题。为使组织者可采用拖拽的方式进行竞赛场地可视化布置,需要相应的拖拽算法,主要解决如何将鼠标的二维坐标移动转换成三维世界的移动向量,该算法流程如下图2所示。

2)模拟演练

流程模拟演练可鉴定通用塔防游戏的设计思路[6],通过创建二维数组保存场景信息,摄像机始终由上至下俯视整个场景,自定义路径节点引导人员按规定速率行动,并实时记录行动耗时信息。为使路径节点人员能够按设定程序依次有序行进演练,自定义路径节点信息设定完毕后,需要对设定信息进行冲突检测,防止逻辑混乱,出现一人在同一时间分处不同两地的情形。设置人员寻路的流程如图3所示。

4 结束语

本系统初期可满足院校通信类专业竞赛流程模拟演练,使竞赛组织者可进行竞赛场地可视化布置,有效辅助其进行前期方案制定。同时,可依照组织者的需求进行竞赛前期的整体流程模拟演练,以便于即时发现方案制定中存在的问题,从而有效提高竞赛组织效率。此外,该系统具有较好的推广性,结合各院校其它专业竞赛具体要求进行二次开发,即可满足其专业竞赛的模拟演练功能。后期若构建全校的三维模型,可将该系统推广到全校大型活动时的流程模拟演练。

摘要：针对院校各类型专业竞赛逐年增多但竞赛组织效率偏低的现状,基于Unity3D开发了通信专业竞赛流程模拟演练系统。该系统具有三维场景生成、可视化竞赛现场布置、竞赛流程模拟演练和方案报表生成等功能,有效提高了竞赛组织效率,具有广泛的应用前景和较高的推广价值。

模拟通信系统 第6篇

自动化生产线是现代工业的生命线。它具有很高的自动化强度，通过自动化输送系统及其他辅助装置，按照特定的生产流程，将各种自动化装置连接成一体，并通过气动、液压、电机、传感器和电气控制系统使各部分联合动作，使整个系统按照规定的程序自动地工作、连接，稳定地生产出符合技术要求的特定产品。现代的自动生产线大部分是以PLC作为主控制器，研究PLC和各种智能设备间的通信显得尤为重要。本模拟自动生产线分为5个生产单元(供料、加工、装配、分拣、搬运)，根据生产工艺流程，模仿各个工作单元的动作过程，各个单元由一台西门子PLC控制，遵照Profibus-DP的总线标准来实现各个工作站中数据的通讯。

1 Profibus-DP概述

PROFIBUS(Process Field Bus)是一种开放的且不依赖于设备生产商的现场总线标准，适用于现场设备层的数据通信与控制和工厂自动化车间级监控，可以实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信，广泛应用于过程控制、加工制造自动化、流水线生产自动化和楼宇、交通电力等其他自动化领域。Profibus-DP是一种经过优化的高速通信连接，其传输速率最高可达12Mbit/S，适用于对时间要求较为严格的高速数据传输，主要用于外围设备与自动控制系统之间进行通信的场合，可以取代价格昂贵的24V和420mA并行信号线，一般构成单主站系统，主从站之间采用循环数据传送的方式进行工作，是目前工厂自动化中广泛采用的一种传输方式。

2 Profibus-DP网络构建

由Profibus-DP网络构建的模拟自动生产线，分为供料站、加工站、装配站、分拣站、搬运站5个单独的工作单元，主站的控制器选用CPU313C-2DP，其余4站选用S7-200中的CPU226。在构建Profibus-DP网络时，我们必须在西门子200挂接EM277通信模块(DP模块)，才能完成各站之间的通信。网络构建示意图如图一所示。

标准PROFIBUS电缆为屏蔽双绞电缆，其中数据线有两根：A绿色和B红色，分别连接DP接口的管脚3(B)和8(A);电缆的外部包裹着编织网和铝箔两层屏蔽;最外面是紫色的外皮。如图二所示。在PROFIBUS插头上，有一个进线孔(In)和一个出线孔(Out)，分别连接至前一个站和后一个站。在每个物理网段两个终端站点上的插头，需要将网线连接在进线口“In”，同时将终端电阻设置为“On”，而位于网段中间的站点，需要依次将网线连接在进线口“In”和出线口“Out”，同时将终端电阻设置为“Off”。如图三所示。

3 Profibus-DP网络配置

S7-300与S7-200通过EM277进行ProfibusDP通讯，需要在STEP7中进行S7-300站组态，在S7-200系统中不需要对通讯进行组态和编程，只需将要进行通讯的数据整理存放在V存储区与S7-300组态EM277从站时的硬件I/O地址相对应就可以了。

3.1 硬件组态

首先在STEP7软件中，选择插入一个S7-300站点，按照主站(搬运站)要求配置机架(rail)、电源(PS-307 5A)、CPU313-2DP，在插入CPU时会弹出组态Profibus-DP通信属性，包括Profibus站地址、通信速率、行规等。在主站配置完成之后，选中STEP7的硬件组态窗口中的菜单Option/Install new GSD，导入SIEM089D.GSD文件，安装EM277从站配置文件，并设置从站地址、数据交换区属性等，根据通信需要设置通信的字节数，选择1字节入/1字节出的方式，在S7-200中不需要对通信组成组态和编程，只需将要进行通信的数据存放在V存储区，将硬件下载进PLC即可。如图四所示。

当下载完成后，必须将西门子200左上角的地址拨码盘拨到和系统组态中所设的地址一致，并且要断电后重新上电才为有效。

3.2 Profibus-DP网络通信数据规划

在编写主站的网络读写程序前，应预先规划好下面数据：

(1)主站向各从站发送数据的长度(字节数)。

(2)发送的数据位于主站何处。

(3)数据发送到从站的何处。

(4)主站从各从站接收数据的长度(字节数)。

(5)主站从从站的何处读取数据。

(6)接收到的数据放在主站何处。

以上数据，应根据系统工作要求、信息交换量等统一筹划。考虑到YL-335B中各工作站PLC所需交换的信息量不大，主站向各从站发送的数据只是主令信号，从站读取的也只是各从站状态信息，发送和接收的数据均为1个字(2个字节)已经足够。作为例子，所规划的数据如表一所示。

4 S7-300和S7-200之间的通信控制

S7-300与S7-200之间进行通讯时，S7-200需通过EM277从站模块连接到Profibus-DP网络中。EM277模块只能作为从站，S7-300PLC通信区域与相应的S7-200PLC通信区域的对应关系(以2入/2出为例)如图五所示。

5 结束语

采用Profibus-DP现场总线技术和PLC相结合的方式，实现了一对电缆上多个信号的传输。通过现场总线网络，主站和从站之间可以实现信息共享，来按照系统要求完成各项动作，提高了系统可靠性和抗干扰能力，并且可以挂接扩展模块对各站的PLC进行合并，节约成本，可根据系统要求更换主站，实现系统的可重构，达到比较好的控制效果。

摘要：本文针对模拟自动生产线的工作特点,提出了一种基于Profibus-DP现场总线的控制模式,着重讲述了Profibus-DP网络控制特点、构建以及技术实现的过程。整个控制系统采用Simens的S7-300作为主站,其余4个S7-200通过EM277模块挂靠在总线上,来实现整个模拟自动生产线的数据传输。这种做法大大提高了系统的可靠性和抗干扰能力。

关键词：Profibus-DP总线,自动线,PLC

参考文献

[1]亚龙.YL335B实训手册[Z].2009.

[2]吕景泉.自动化生产线安装与调试(第二版)[M].北京:中国铁道出版社,2009.

[3]西门子自动化有限公司.Profibus总线安装指导[Z].2010.

[4]徐国林.PLC应用技术[M].北京:机械工业出版社,2009.

战术通信模拟训练无线信道建模研究 第7篇

1 战术通信模拟训练无线信道建模与仿真框架

1.1 战术通信无线信道建模与仿真要点分析

对战术通信无线信道进行建模与仿真, 主要应该考虑以下几个方面: (1) 通信装备的战技术性能指标; (2) 影响无线信号传输的环境因素; (3) 通信保障的业务执行流程; (4) 敌可能对我通信干扰。

1.2 基于“网在回路”的建模与仿真框架

“网在回路”是指为适应基于网络的体系对抗训练模拟或联合训练模拟的客观需要, 以及“分布式网络化作战”对训练模拟领域创新发展的要求, 将由实际装备组成的实际通信网或“模拟战场通讯”[2]的虚拟通信网置于模拟回路之中的一种训练模拟方式, 而无线信道建模与仿真是体现“网在回路”理念的主体部分, 在模拟过程中, 无线信道建模与仿真作为一个回路参与到其中, 构成了如图1所示的仿真结构。

无线信道建模与仿真作为一个回路接入到系统中, 接收各个训练席位的操作命令, 从而动态调整网络运行参数, 并反馈信息, 以响应受训者与导调人员的行为。另外, 无线信道建模与仿真还对网管命令和指挥文电等数据包, 进行传输成功率与时延模拟, 使受训者感受到数据包在无线子网等网络中的传输特性, 其传输模拟示意图如图2所示。

1.3 基于HLA的仿真体系结构

考虑到现实中的信息处理中心并非指挥控制中心, 而且要为以后更进一步分析军事通信网络的拓扑结构提供支撑, 本文采用分离式的仿真方法[3], 采用HLA体系结构, 将需要通信的各个指挥所及保障分队作为多个独立的联邦成员进行仿真, 无线信道也作为一个独立的联邦成员进行仿真, 当系统需要通信时, 通过RTI进行交互, 启动通信模型, 通信模型对通信的情况进行仿真, 并以仿真结果影响系统和驱动其它模型运行, 如图3所示。

1.4 通信邦员运行流程

无线信道仿真邦员随仿真系统一起启动。首先根据想定初始化网络, 生成网络拓扑结构图并存入数据库, 而后随着仿真步长的推进, 实时对节点信息和通信干扰信息进行维护更新, 同时检测是否有待发信息, 如果有则进行无线信道仿真, 然后输出仿真结果。当仿真结束时退出联邦, 否则返回检测是否有待发信息。通信邦员的运行流程如图4所示。

2 无线信道及干扰模型

通过分析整个数据传输通信过程及各模型之间的关系, 建立无线信道及干扰的仿真模型如图5所示。

由于关心的重点是连通和时延的问题, 因此模型重点考虑传输天线、无线信号的传输损耗、接收信号强度、干扰信号强度、灵敏度及信噪比的建模。

2.1 天线模型

天线的三个重要参数是:响应频率、方向性和阻抗特性。响应频率决定天线可以发射有效信号的带宽;方向性体现天线在特定方向上对能量的聚焦能力;阻抗特性的重要性在于, 当负载与源之间的阻抗共轭匹配时, 可以保证从源向包括天线在内的负载传输功率最大。其中, 最值得关注的是天线的方向性参数, 因为它在特定方向上的增益影响着无线信号的传输强度。

2.2 连通判断模型

这一模型主要判断无线信道是否可以通视, 主要包括两个方面的影响, 一是地形有没有阻隔, 二是信号传输距离能否达到。

收发信机之间通视情况可通过调用收发信机之间经过采样距离计算而得到的地形高度, 然后再与收发信机所处位置的高度相比较, 从而判断出两点之间能否通视。

对于战术互联网的发射机来说, 其发射功率有一定的有效距离范围, 可以设置一个阈值, 超过该阈值收发信机之间链路将不再连通。比如假定某电台, 其发射功率分为两档:小功率 (P小W) 与中功率 (P中W) , 设其作用距离分别为D小、D中 (具体数据可从装备基础数据库中查询获得) , 收发信机间的距离为d (x, y) , 则在下列情况下链路为连通, 否则为不连通:

根据以上两个条件的判断结果, 如果可以连通, 则继续进行后面的结算, 否则, 信道不连通。

2.3 时延计算模型

时延主要包括发送时延和传播时延。

发送时延tsnd_pkt是数据包第一个比特开始发送的时刻与最后一个比特发送时刻的之差。其计算公式为:

当数据包开始发送后, 在这个传输时延时间段内, 信道处于忙碌状态, 这时发射机的后续数据包要在队列中等候, 直到信道空闲后才可发送下一个数据包。

传播延时tprpgt_pkt用于计算数据包信号从发射机传播到接收机所需的时间, 它跟收发机之间距离d (x, y) 与电磁波传播速率v有关, 其计算公式是:

因此总的时延t为发送时延和传播时延的和:

2.4 传输损耗与接收功率模型

无线信号的损耗与传播的方式、路径、经历的介质、天气等情况都有密切关系, 因此无线信号传输损耗模型有许多, 我们可根据研究的需要选择相应模型进行开发。由于低VHF频段是地面移动部队通信使用最频繁的频段, 因此主要考虑该频段无线电波传输方式, 选取Rn模型来计算。与发射机相距R处的平均路径损失由式 (5) 计算:

其中, R0是参考距离, 室外传播条件下经常选1km, 室内传播条件下选1m;表示信号波长, 距离R处的接收功率为:

n为衰减指数, 由发射机到接收机路径上的地形、地面建筑和植被等对电磁波的影响决定, 可基于测量统计的方法得到。

2.5 干扰功率模型

一般认为当清晰度小于50%时, 则通信被阻断。对于模拟FM, 通常认为-6d B或者更高的干信比便足以阻断通信传输, 对于AM, 产生同样效果则需要大约-15d B的干信比[4]。不论是数字信号还是模拟信号, 干扰效果都是有接收机端的干扰信号强度决定的。敌各种干扰源干扰信号到达接收机的功率:

其中Pti为第i个干扰源的发射功率;Gti第i个干扰源的天线增益;L±i为第i个干扰源的传播路径损耗;Gri为第i个干扰源方向上的接收天线增益。接收机收到的干扰总功率为:

2.6 信噪比模型

设链路噪声功率包括有背景噪声功率以及人工干预设置的干扰功率等, 背景噪声功率由导调在训练想定编辑阶段时视具体电磁环境给出, 人工干预设置的干扰功率由导调在训练实施阶段时通过情况设置给出, 它们之和此处用Pbkgd表示, 则根据接收功率Prcv, 可得信噪比SNR为:

3 结语

本文从军事通信网无线信道建模与仿真的需要出发, 基于高层体系结构, 给出了无线信道建模与仿真的系统框架, 并设计了一个无线通信信道的模型, 为军事通信无线信道的性能评估以及建模与仿真提供了有益的指导, 也为设计和开发基于“网在回路”的军事通信网模拟训练系统提供一定的参考。

摘要：针对战术通信模拟训练无线信道建模与仿真的需要, 设计了基于HLA的无线信道模型与仿真框架及其仿真流程。研究分析了由天线模型、连通判断模型、时延计算模型、传输模型、接收功率模型、干扰功率模型、信噪比模型组成的无线信道及其干扰模块, 此模型较好地对战术通信无线信道情况进行描述, 并拥有良好的扩展性和可移植性。

关键词：无线信道,通信干扰,传输损耗,信噪比

参考文献

[1]甘志春, 沈建军.基于"网在回路"的训练模拟框架研究[C].北京:中国电子学会电子系统工程分会, 2009

[2]马亚平等.作战模拟系统[M].北京:国防大学出版社, 2005

[3]李志强, 胡晓峰, 司亚光等.作战模拟中通信系统连通性仿真算法研究[J].计算机仿真, 2006, 23 (4) :124-127

模拟通信系统 第8篇

卫星光通信与微波通信相比具有通信容量大、终端体积小和保密性好等特点,是未来卫星通信技术的一个很有潜力的发展方向。随着卫星光通信技术研究的不断深入,卫星平台随机振动的影响得到广泛的重视。有研究表明,随机振动会增大光通信的误码率[1,2],影响通信质量。

为抵偿卫星平台微振动造成的影响,振动补偿技术的研究显得尤为重要。有研究者经过深入调研后指出,导致卫星平台振动的原因繁多,机理复杂,但是对光通信影响较大的主要是频率低于100 Hz、振幅100µrad以内的振动[3]。为抵消振动给通信终端带来的种种不良影响,有研究者提出了采用面阵CCD作为探测器件测量振动,采用快速偏转镜作为执行器件的振动补偿方案,实验取得了显著的效果[3,4]。

但是,在以往的研究工作中,将卫星平台的振动简化为正弦振动进行理论分析和实验研究,还不能真实地模拟星上复杂的振动环境,也不能充分地检验振动补偿系统的性能。本文采用国外实测卫星平台的振动数据模拟星上随机振动,并根据随机振动的特点定义了补偿效率因子ηR以描述补偿效果。搭建平台并开展了验证实验,取得了良好的效果。

1 卫星平台随机振动仿真

最早的星上在轨振动测试在1984年由美国的NASA对Landsat-4测试完成[5],这是人们首次通过实验测得卫星在轨时的功率谱密度(Power Spectral Density,PSD)曲线。1990年,ESA对半导体激光星间通信实验卫星(Emiconductor Intersatellite Laser Experiment,SILEX)进行了在轨微振动测试实验[6],并模拟了一条可以模拟该卫星平台微振动的功率谱密度曲线。

上述两条曲线有很多共同点,如微振动的振幅随着频率的增加而减小,这使得对光通信影响较大的振动主要集中在低频。

有研究者根据上述两次实验测得的功率谱,设计了相应的滤波器,采用对高斯白噪声进行滤波的方法,将频域的功率谱密度转化为时域信号,并以此作为模拟卫星平台微振动的控制信号[7]。该方法得到的信号可以更加真实、有效地模拟星上随机振动,本文中将采用该方法模拟卫星平台上的随机振动。SILEX平台的模拟振动信号如图1(a)所示,其功率谱估计与ESA实测功率谱的对比如图1(b)所示,证明该信号能够模拟SILEX平台的振动。图1(a)中看似连续的振动信号实际由多个离散的点连接而成,点间的时间间隔为0.10s,这组信号可以模拟频率在10 Hz以内的随机振动。实验中制作了多组不同频率的振动信号以研究补偿系统的性能。

2 随机振动补偿原理

补偿系统的控制信号流图如图2所示,图中GDriver(s)、GPZT(s)、GAngle(s)、HFeed Back(s)等参数代表和快速偏转镜相关的传递函数,GDetect(s)是探测环节的传递函数,GComp(s)是补偿环节传递函数,U(t)、α(t)分别是系统的输入与输出,θ(t)是外界扰动,即卫星平台的微振动。

图中与快速偏转镜闭环控制环节的传递函数:

整个系统的传递关系:

本实验中为简化起见,将输入U置零,则在理想情况下,振动完全得到补偿,则输出α也应为零,则补偿环节的传递函数:

其中快速偏转镜的传递函数可以通过实验测量[8,9],CCD探测振动的传递函数则需通过实验标定测得。

3 模拟实验结果及分析

在搭建模拟实验平台的过程中,选用快速偏转镜(Fast Steering Mirror,FSM)作为模拟卫星平台振动、补偿振动的器件,该器件采用压电陶瓷驱动,精度可达µrad量级,响应频率接近1 k Hz[10],被广泛应用于自适应光学等领域[11]。目前,面阵CCD已被用于动态目标跟踪[12,13],本实验平台采用高帧频面阵CCD探测振动,其最高帧频可达200 Hz以上,能够探测低频振动。

振动补偿模拟实验平台的原理框图如图3所示,实验装置实物图如图4所示,由计算机1控制快速偏转镜FSM1模拟卫星平台微振动引起的光束抖动,CCD通过探测光斑的位置移动,实时将角度数据传输至计算机2计算振动引起的光束偏角,并控制快速偏转镜FSM2补偿振动引起的光束抖动。

以往的振动补偿仿真实验中,定义振动补偿因子η评价补偿效果[3]:

振动补偿因子可以有效地评价补偿系统对正弦振动的补偿效果,但是对于随机振动补偿效率的评价则显得不够客观。考虑到随机振动的特点,补偿效率评价应从统计的角度出发,并能够体现补偿系统所抵消的振动能量,本文提出采用随机振动补偿效率因子ηR作为评价手段。

式中:iC、iA分别为补偿前后的光斑偏移量。

当时,补偿效率ηR=100%,振动完全被补偿,光斑位置保持在平衡位置固定不动。这是一种理想情况,对于随机振动,不可能做到完全补偿;

当时,补偿效率ηR=%0,表明补偿系统对所探测到的振动信号无动于衷,振动没有得到任何补偿;

当时,补偿效率ηR<%0,表明补偿系统虽然探测到了振动信号,但是做出了不恰当的补偿,不但没有补偿原有振动的影响,反而推波助澜,恶化了不良影响。这是在构建补偿系统时最不希望看到的结果。

随机振动补偿实验的结果如图5所示,FSM1模拟SILEX平台上的随机振动,将CCD的采样频率设置为100 Hz,理论上该系统能补偿50 Hz以内的振动。图中可见,随着振动频率的增加,补偿效率呈下降趋势。当CCD采样频率高于振动频率三倍以上时,补偿效率高于50%,效果较好。而当CCD采样频率仅为振动频率二倍至三倍时,补偿效果不够理想。可见,提高探测器件的采样频率,可以有效地提高补偿效率,增大补偿带宽。

4 结论

卫星平台的随机振动是影响星间链路通信质量的重要因素,有必要构建振动补偿系统。补偿系统补偿的对象是卫星平台振动中的低频分量。针对随机振动补偿的特殊性,应采用补偿效率因子ηR描述补偿效果。实验结果表明,当探测器的采样频率高于振动频率三倍时,补偿系统能够取得较好的效果。下一步可通过提高探测器件采样频率来提高补偿效率。

摘要：卫星平台随机振动对星间激光链路通信质量产生增大误码率等不良影响。为了有效地补偿随机振动,提高通信质量,本文设计并搭建了一套用于模拟卫星平台振动与补偿的实验系统。该系统通过面阵CCD探测光束偏转角度,采用压电陶瓷致动的快速偏转镜模拟、补偿卫星平台的随机振动。针对随机振动补偿实验的特殊性,文中定义了补偿效率因子ηR以描述补偿效果。实验结果表明,该系统对卫星平台振动中的低频分量具有一定的补偿能力,当CCD采样频率高于振动频率三倍以上时,该系统对低频随机振动的补偿效果显著。