CN103957140A - 一种数据链半实物仿真测试系统 - Google Patents

Abstract

提供一种数据链半实物仿真测试系统，所述系统包括射频网络柜、射频示波器、矢量信号发生器、信号处理单元和网络仿真单元。所述数据链半实物仿真测试系统可以支持多种网络模型的仿真需求；具有通用性，能够适用于各种嵌入式软件测试；采用模块化的设计，不同模块之间的交联采用通用方式，具有较强的可替换性。

Description

一种数据链半实物仿真测试系统

技术领域

本发明涉及数据链技术领域，具体涉及一种数据链半实物仿真测试系统。

背景技术

数据链作为军队指挥、控制与情报系统传输信息的工具和手段，是信息化战争中的一种重要通信方式。在数字化战场中，指挥中心、各级指挥所、各参战部队和武器系统通过“数据链”链接在一起，构成陆、海、空、天一体化的数据通信网络。在该网络中，各种信息按照规定的信息格式，实时、自动、保密地进行传输和交换，从而实现信息资源共享，为指挥员迅速、正确地决策提供整个战区统一、及时和准确的作战态势。

与一般的通信系统不同，数据链系统传输的主要信息是实时的格式化作战数据，包括各种目标参数及各种指挥引导数据。因此，数据链具有以下几个主要特点：

●信息传输的实时性。数据链力求提高数据传输的速率，缩短各种机动目标信息的更新周期，以便及时显示目标的运动轨迹。

●信息传输的可靠性。数据链系统要在保证作战信息实时传输的前提下，保证信息传输的可靠性。因此，数据链系统采用了先进、高效和高性能的纠错编码技术，以降低数据传输的误码率。

●信息传输的安全性。为了不让敌方截获己方信息，数据链系统一般采用数据加密手段，以确保信息传输安全可靠。

●信息格式的一致性。为避免信息在网络间交换时因格式转换造成时延，保证信息的实时性，数据链系统规定了各种目标信息格式。指挥控制系统按格式编辑需要通过数据链系统传输的目标信息，以便于自动识别目标和对目标信息进行处理。

●通信协议的有效性。根据系统不同的体系结构，如点对点结构或网络结构，数据链系统采用相应的通信协议。

●系统的自动化运行。数据链设备在设定其相应的工作方式后，系统将按相应通信协议在网络通信控制器的控制下自动运行。

鉴于数据链系统以上的特点，开发针对数据链的半实物仿真测试系统就显得非常重要。数据链半实物仿真测试系统对数据链系统进行作战应用、通信、导航、定位、识别综合性能等方面进行仿真评估，其主要功能是模拟数据链系统端机的接口及数据关系，仿真系统通信网络协议，测试端机工作状态、显示并处理端机接收的数据，为端机提供各系统的业务数据，模拟端机工作环境并对端机工作情况给予有限测试及评估。

国内在数据链研究方面起步较晚，许多系统和设备还处于研制阶段，其相应的数据链半实物仿真测试系统更倾向于功能单一的纯软件协议仿真，或者针对硬件编解码性能和射频传输性能的模拟器仿真。电子科技大学在2008年研制了一套数据链仿真测试系统，其主要采用一台计算机作为端机模拟器，通过串口或以太网口与仿真机进行通讯，在仿真机上对端机模拟器发来的信息进行处理和统计，从而测试不同的数据链设置对组网和通讯带来的影响，进而调整组网策略。可见该半实物仿真测试系统并没有真正对端机的物理链路层进行仿真测试，同时受限于仿真机的运算能力和建模精度，并不支持较大规模的组网测试。由于是针对某种型号单独研制的设备，因此所研制的数据链仿真测试系统不具备通用性，并且不支持物理层的射频交联，因而不能满足需求。

发明内容

本发明提出一种数据链半实物仿真测试系统，能够支持多种网络模型的仿真，具备通用性。所述数据链半实物仿真测试系统包括：

网络仿真单元，用于建立网络设备、链路和通信协议模型，定义每个网络设备的网络层协议和业务流量特征，并模拟网络流量的传输；

信号处理单元，用于对射频示波器采集到的数据进行解调运算并发送到网络仿真单元，对从网络仿真单元接收到的数据进行调制，产生IQ矢量数字信号；

矢量信号发生器，用于根据信号处理单元发送来的IQ矢量数字信号，产生射频信号，并将所述射频信号传输到射频网络柜；

射频示波器，从射频网络柜接收射频信号，对射频信号进行数字混频下变频处理，降低信号的数据率，并发送至信号处理单元；

射频网络柜，用于将来自矢量信号发生器的射频信号发送至端机，将从端机接收的射频信号发送至射频示波器。

特别地，所述射频网络柜中集成有射频信号收发通道，所述射频信号收发通道包括环形器和衰减器，所述矢量信号发生器产生的射频信号通过环形器输出到端机，所述端机发出的射频信号通过环形器和衰减器输出到射频示波器。

特别地，所述射频信号收发通道具有多组，且彼此之间相互独立。

特别地，所述网络仿真单元为一台服务器级计算机，其上能够运行网络仿真软件OPNET，利用所述网络仿真软件OPNET建立网络设备、链路和通信协议模型，定义每个网络设备的网络层协议和业务流量特征，并模拟网络流量的传输。

特别地，所述网络仿真单元通过以太网交换机与信号处理单元进行通信。

特别地，所述矢量信号发生器和射频示波器通过以太网与所述信号处理单元进行通信。

特别地，所述矢量信号发生器和射频示波器通过射频线缆与所述射频网络柜进行通信，所述射频网络柜通过射频线缆与端机进行通信。

本发明提出的数据链半实物仿真测试系统具备以下几个优点：

●先进性：通过采用目前最流行的网络仿真软件，可以支持多种网络模型的仿真需求；

●通用性，能够适用于各种嵌入式软件测试，无论以后软件升级或更新换代，配套测试设备都可以重用，大部分测试用例可以直接回归测试；

●可升级性，由于采用了模块化的设计，不同模块之间的交联采用通用方式，如TCP/IP、直接线缆连接等，具有较强的可替换性。因此只需要更换为性能更好的模块，即可实现系统的升级，以满足未来更高的仿真测试需求，大大节约了更新换代的成本，缩短了新产品研发时间。

附图说明

附图1为本发明提出的一种数据链半实物仿真测试系统的结构图；

附图2为本发明提出的射频网络柜中射频信号收发通道结构图。

具体实施方式

下面参照附图，对本发明的具体实施方式进行描述。

参见附图1，其示出本发明提出的数据链半实物仿真测试系统的结构图，其中包括射频网络柜、射频示波器、矢量信号发生器、信号处理单元和网络仿真单元。

网络仿真单元，用于建立网络设备、链路和协议模型，并模拟网络流量的传输，定义每个节点的网络层协议和业务流量特征，实现网络仿真；网络仿真单元和信号处理单元之间由以太网交换机互联，以实现可扩展能力；

信号处理单元，利用matlab工具，对射频示波器采集到的数据进行解调运算，并将解调后的数据发送到网络仿真单元，对网络仿真单元发送来的数据进行调制，产生IQ矢量数字信号；

矢量信号发生器，能够根据信号处理单元发送来的IQ矢量数字信号，产生射频信号，并将产生的射频信号发送到射频网络柜；

射频示波器，用于从射频网络柜接收射频信号，利用示波器上内置的matlab运算模块对射频信号进行数字混频下变频处理，降低信号的数据率，并通过以太网发送至信号处理单元。

射频网络柜，内置不同频段的环形器和多种规格的衰减器，通过射频线缆连接端机射频接口，环形器输出端分别连接高速示波器和矢量信号源，衰减器用于调整环形器至示波器的信号功率。

上述各个设备详细说明如下：

●射频信号柜

由于系统需要接收端机发出的射频信号，并向端机发送射频信号，因此需要使用环形器和功率衰减器，构成射频信号收发通道。本发明采用射频网络柜的形式将多个独立的射频信号收发通道集合到柜中，保证了系统的电磁兼容性和可靠性，又具有可扩展和便于维护的特点。一个典型的射频信号收发通道的结构如附图2所示。环形器和衰减器的工作频段需要匹配端机射频工作频段，故提供若干不同频段范围的环形器和衰减器，可覆盖30MHz～6GHz的频率范围。在测试不同的端机时，选用相应频段的环形器和衰减器即可。并且采用便于拆卸安装的射频模块，固定于射频网络柜中，拓宽了本仿真测试系统的适用范围。

●矢量信号发生器

要产生多种调制方式的波形，需要使用任意波形发生器，该任意波形发生器可通过设置，产生任意调制的IQ矢量数字信号，存储点数要足够多，采样率要足够高，并且最好是可以直接将该矢量波形通过混频，上变频到需要的频段上去。因此，需要选用一款功能强大的矢量信号发生器。本发明提出的方案中采用安捷伦出品的E8267D作为矢量信号发生器，其具有以下几个主要特点：

1.CW连续波输出：250kHz到最高工作频率，最高工作频率取决于选项

2.频率分辨率：0.001Hz

3.列表和步进扫描频率和幅度：拥有多个触发源

4.用户平坦度校正：外部二极管检波器置平

5.自动置平控制(ALC)开关模式；即使没有功率搜索，在ALC关模式下仍提供了功率校准功能

6.10MHz参考频率振荡器，支持外部输出

7.RS-232,GPIB和10Base-T LAN I/O接口

在本发明的方案主要用到的是它的内部基带发生器的任意波形发生功能。该功能主要参数如表1所示：

表1矢量信号源8267D任意波形发生功能主要指标

●射频示波器

对端机发射的信号进行采集，需要使用射频示波器。为适应端机30MHz～6GHz的工作频率范围，拟采用泰克生产的DPO73304高速示波器。该示波器具有以下功能特点：

1.模拟带宽高达33GHz；

2.4通道采样率高达50GS/s～100GS/s；

3.存储深度最大为1Gpts；

4.具备LAN远程测量接口，便于将采样数据输出以供后期处理。

为降低示波器网络端口传输数据压力，可利用示波器选配的控制工具，对采集数据进行预处理。通过使用快速嵌入式总线，波形数据可以在桌面上直接从采集系统传入分析应用程序，其速度要比传统GPIB传送快得多。

●信号处理单元

射频示波器采集的数据需要进行解调，要发射出去的基带数据也需要进行一系列的调制，生成IQ矢量数字信号，发送给矢量信号发生器。因此，需要一台高性能的计算机，以实现大量的复杂数据运算。在该计算机上配置以太网Hub，以接收射频示波器预处理后的数据，并向矢量信号发生器发送矢量调制IQ数据。同时，对射频示波器和矢量信号发生器的控制命令也由该高性能计算机发送。

●网络仿真单元

网络仿真单元必须满足以下几个方面的要求：

1.支持大规模网络；

2.仿真速度快；

3.必须能够连接MatLab、HLA等其它不同类型的仿真系统；

4.易于建模；

5.同时配置无线网络和有线网络(IP网络、ATM网络)的协议；

6.能够支持实物仿真。

为了满足上述要求，我们选择在高性能的计算机上搭载网络仿真单元。网络仿真单元与外部的通讯是通过计算机上的以太网网卡来实现的。为保证仿真运算速度和稳定性，采用可靠性和处理能力都比较强的服务器级计算机。

分析数据链半实物仿真测试系统的研究需求，发现需要多个组件进行联合协同仿真，包括网络建模仿真控制、信号处理单元控制、仿真结果分析等。必须依靠多个仿真系统进行联合协同仿真，构建分布仿真系统，与传统的单个系统仿真相比，分布仿真的关键问题是多个仿真系统间的互操作问题，为此，美国国防领域的相关组织通过大量的研究，提出建模与仿真的高层体系架构(HLA)，HLA通过运行时间支撑环境(Run time Infrastructure，RTI)，将仿真应用同底层的支撑环境分开，解决了仿真系统的灵活性和可扩充性问题，减少了网络冗余数据，并且可以将真实仿真、虚拟仿真和构造仿真集成到一个综合的仿真环境中，满足复杂大系统的仿真需要。目前，HLA已正式成为IEEE建模与仿真标准。

目前应用最为广泛的网络仿真软件为OPNET，在OPNET中，半实物仿真支持的工作模式包括：真实网络-虚拟网络(Real-Sim)、真实网络-虚拟网络-真实网络(Real-Sim-Real)和虚拟网络-真实网络-虚拟网络(Sim-Real-Sim)，可以满足半实物仿真的各种应用需求。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种数据链半实物仿真测试系统，其特征在于包括：

网络仿真单元，用于建立网络设备、链路和通信协议模型，定义每个网络设备的网络层协议和业务流量特征，并模拟网络流量的传输；

信号处理单元，用于对射频示波器采集到的数据进行解调运算并发送到网络仿真单元，对从网络仿真单元接收到的数据进行调制，产生IQ矢量数字信号；

矢量信号发生器，用于根据信号处理单元发送来的IQ矢量数字信号，产生射频信号，并将所述射频信号传输到射频网络柜；

射频示波器，用于从射频网络柜接收射频信号，对射频信号进行数字混频下变频处理，降低信号的数据率，并发送至信号处理单元；

射频网络柜，用于将来自矢量信号发生器的射频信号发送至端机，将从端机接收的射频信号发送至射频示波器。

2.如权利要求1所述系统，其特征在于：所述射频网络柜中集成有射频信号收发通道，所述射频信号收发通道包括环形器和衰减器，所述矢量信号发生器产生的射频信号通过环形器输出到端机，所述端机发出的射频信号通过环形器和衰减器输出到射频示波器。

3.如权利要求2所述系统，其特征在于：所述射频信号收发通道具有多组，且彼此之间相互独立。

4.如权利要求1或2所述系统，其特征在于：所述网络仿真单元为一台服务器级计算机，其上能够运行网络仿真软件OPNET，利用所述网络仿真软件OPNET建立网络设备、链路和通信协议模型，定义每个网络设备的网络层协议和业务流量特征，并模拟网络流量的传输。

5.如权利要求1所述系统，其特征在于：所述网络仿真单元通过以太网交换机与信号处理单元进行通信。

6.如权利要求1所述系统，其特征在于：所述矢量信号发生器和射频示波器通过以太网与所述信号处理单元进行通信。

7.如权利要求1所述系统，其特征在于：所述矢量信号发生器和射频示波器通过射频线缆与所述射频网络柜进行通信，所述射频网络柜通过射频线缆与端机进行通信。