PCM/FM遥测模拟训练系统设计

郑海昕 刘燕都 李小波

装备指挥技术学院 北京 101416

PCM/FM遥测模拟训练系统设计

郑海昕 刘燕都 李小波

装备指挥技术学院 北京 101416

根据我院多个专业对遥测遥控原理/技术课程的教学需要，以典型的PCM/FM遥测系统为背景，在LabWindows/CVI平台上开发了具有虚拟仪器特点的模拟训练软件，重点介绍系统的功能、结构和实现方法。

PCM/FM；LabWindows/CVI；教学

随着我国航天测控任务的迅速发展，航天测控任务的组织和管理都对测控技术人员的能力提出了越来越高的要求。遥测遥控系统是航天测控系统中的一个重要组成部分，我院开设遥测遥控原理课程已经有十几年。PCM/FM信号作为当前航天测控标准体制的一种，在国内外都具有广泛的应用。为满足测控基地的实际需求，提高我院航天测控工程和发射工程专业本科生以及相关专业任职培训人员遥测遥控方向的教学质量，在虚拟仪器开发平台LabWindows/CVI中针对PCM/FM体制，设计开发出了“PCM/FM遥测系统模拟训练系统”。

一、系统功能

PCM/FM遥测系统模拟训练软件是一套相对独立的应用软件，运行于标准PC机上，根据软件功能模块主要分为基础理论、性能分析和解调处理三大部分，如图1所示。

图1 系统功能组成

1.基础理论

主要从理论的角度使学员了解和掌握遥测遥控系统中所涉及的相关技术，充分利用现代信息化的手段在基础理论介绍的过程中加入各种多媒体素材，借助动画等方式使枯燥的理论变得更为生动，能够使学员留下更为深刻的印象。

2.性能分析

为了更好地将课本知识与实际操作使用相联系，结合在测控基地的调研结果，从操作实际遥测遥控设备的需求出发，根据实际设备情况设计不同的参数设置条件，学会对整个系统及各分系统的性能进行分析。

3.解调处理

以再入遥测系统中常用的PCM/FM体制为背景，设计一个完整的遥测系统，模拟整个系统的工作流程，开放系统中的关键参数，使学员通过自行设置系统参数，观测处理结果，能够定位问题，排除问题，从而对遥测系统的工作过程及相关注意事项有一个深入的了解。

系统中“基础理论”功能以帮助文件的形式来实现；性能分析部分的功能主要以操作使用说明的文本形式给出，指导学员在操作使用的过程中注意观察改变关键参数后对整个系统性能的影响；功能最为繁杂的部分是解调处理部分，本文对其进行详细介绍。

二、关键技术

对一个实际应用的遥测系统而言，信号是前提，解调是关键，同步是基础，同步技术中包括了码同步和帧同步，有必要对上述关键技术进行分析，选择满足教学训练软件实际需求的方法予以实现。

1.信号源

本质上可将PCM/FM看成是连续相位的频移键控，即CPFSK调制信号，数学表达式为：

其中：A为载波幅度；fc为载波频率；f(t)为数字基带信号，码速率Rb，码型为NRZ码；KFM为频偏常数，调制峰值频偏0.35Rb。

从信号的数学表达式中可以看出,PCM/FM信号用高移至f1频率的载波代表二进制“1”状态,用频率低移至f0频率的载波代表二进制“0”状态。考虑到充分利用各种软件的优势,由SystemView仿真软件完全根据理论知识产生信号,生成数据文件供后续模块使用。

2.解调技术

解调的最终目的是要判决每一个码元间隔内传送的码是“0”或是“1”，根据PCM/FM信号的基本特征，“0”码和“1”码对应着载波频率f0和f1，对于PCM/FM而言解调的核心就是快速计算一个码元内f0和f1两个频点的能量并进行判别。选用短时傅里叶(STFT)的方法，在时域中使用一个随着时间滑动的时间窗口，对每个窗口截取到信号再进行DFT运算，得到f0和f1两个频点的能量随时间的变化。短时傅里叶变换STFT的定义形式为：

其中，W(n)为时域窗函数。对PCM/FM信号进行STFT，随着窗函数沿信号的时间轴方向连续移动，可以得到PCM/FM信号的时频特性，如图2所示，此时，设定时域窗口长度为一个码元宽度。在PCM/FM信号的时频分布中提取出f0和f1两个频点对应的能量，在码同步信号的控制下，在一个码元间隔内进行判决，即可完成软件解调任务。PCM/FM软件解调流程如图3所示。

图2 PCM/FM信号时频图

图3 PCM/FM信号解调过程

3.同步技术

(1)码同步。PCM/FM信号在一个码元的主要区间内可以看作是一个单载频的正弦信号,通过两个不同频率载波的交替,实现数字信息的传输。通过对离散傅里叶变换(DFT)计算一个码元区间内频谱的方法实现PCM/FM信号的解调结果的特点分析，建立如图4所示的简易码同步方法。

图4 码同步判决原理图

解体的过程中蕴含着这样一个事实：考虑一个码元间隔内的DFT结果，当峰值出现在f1频附近时，说明当前的码元为“1”；当峰值出现在f0频附近时时,说明当前的码元为“0”；如果峰值出现在载频附近，即f0和f1中间位置 ,说明当前截取的数据处于两个码元的过渡区即DFT计算时间区间与实际信号没有同步，则需要进行码同步校正。这种简易的码同步方式结合了解调算法的特点，巧妙地回避了硬件解调过程中繁杂的锁相环等复杂运算，在解调的同时就可以直接进行码同步的调整，适于在教学辅助软件中使用，如果将此种方法应用在实际工程中，还应当注意进一步提高谱估计的精度和自适应调整等方面的问题。

(2)帧同步。遥测系统是一个典型的多路时分复用系统，在码同步的基础上，为了能够正确提取各路数据，必须先寻找到一个数据帧的开始位置，建立帧同步。典型的帧同步检出过程可分为搜索、校核、锁定三种状态，建立如图5所示三种状态之间的逻辑关系，在帧同步过程中采用本地帧同步码组同输入信号序列的进行异或运算即进行数字相关运算，通过相关后的结果进行判决。这样的帧同步方法充分利用帧同步码组在一个数据帧中的出现是具有周期性的特点，使用这种周期性对相关检出的帧同步信号进行真假判决，真正的帧同步码组的检出也应该是具有相同的周期性，而其他检出的不具有周期性的帧同步均为假同步。

图5 帧同步保护三态逻辑图

三、功能实现

确立了软件系统中所应当采用的关键技术后，就可以充分利用LabWindows/CVI自带的函数库中的相关功能函数，合理设计系统的总体结构，逐个实现各功能模块的设计。

1.线程结构

遥测信号的处理具有一些数据量大、数据成流的形式进行处理等特点，在整个软件运行中，可以理解为系统处理消息，传递数据流的过程。当系统采用多线程技术时，线程之间的数据保护非常关键，LabWindows/CVI提供的线程安全队列允许在两个线程之间安全地传递数据。当一个线程采集数据，另一个线程处理这些数据，所以使用线程安全队列完成软件中的数据保护。

2.软件流程

通过合理分配线程处理任务，将系统中的各项关键技术实现于LabWindows/CVI程序中，并保证其中数据结构的正确性，软件运行的通畅性和可执行性，整个软件的流程图如图6所示。

图6 软件总体流程图

3.运行结果

(1)系统主功能。系统软件启动后首先展示主界面，如图7所示，按照功能划分为若干功能区域便于学员进行选择以及系统运行状态的监视。主要有如下几个区域:

图7 软件运行主界面

①系统状态显示功能控件。状态显示有运行显示，码同步显示、帧同步显示，主要通过指示灯(LED)完成，当系统正常运行，码同步正常，帧同步正常时，运行灯亮、码同步等亮、帧同步灯亮；当系统暂停时，运行灯灭，暂停灯亮；码同步失锁、帧同步失锁时，相应的灯变成红色。

②参数设置功能。参数设置主要指系统执行解调过程的相关参数的预置，包括解调参数、码同步参数和帧同步参数等。参数设置主要通过数值型控件(Numeric Control)和循环控件(Ring Control)实现，输入相关参数，返回至程序定义的相关变量中。

③数据读取和存储功能控件。数据的读取与存储操作主要在面板的“数据文件选择”区域或文件菜单中完成，点击“打开”或“保存”按钮选择文件路路径，或点击相应的菜单项，即可执行相应的操作。

④扩展功能。依据软件工程对于一个完整软件设计的思想，软件设计完成后的设计维护是必不可少的。将方案中涉及的相关功能作为扩展，在程序中设置接口，以在后续的工作中不断完善软件的功能。扩展功能包括：解调体制选择、数据来源选择、硬盘选择、帧码选择、谱估计方式选择以及硬件接口单元和TCP/IP单元等。

(2)解调处理结果。系统解调处理结果显示界面如图8所示，主要包括三个选项卡：频谱分析、帧同步分析和分路显示。

图8 解调处理界面

在频域分析窗口(左侧)中，数据以一帧为单位截取至开辟的内存，将这一帧数据一次在时域波形图上绘出，再对这数据的频谱，显示在频谱窗口，最后在解调过程中，依次将每个窗内的频谱绘至瀑布图。

在帧同步分析窗口(中间)中，数据绘制由帧处理线程完成，读取线程安全队列中的解调数据，对解调出的数据以帧码的长度为单位截取，并做相关运算，遇到帧码组EB90(H)，则有类似三角的相关波形出现，根据码同步计时产生帧同步脉冲，绘制在帧码波形窗口中。

分路显示是遥测操作人员所能接触到的最终对象，显示的直观性和灵活性直接影响了操作人员的工作质量。在数据解调、码同步和帧同步都完成之后，进入到分路显示的功能面板中，主要有条图显示和数值显示两种方式。

四、结束语

PCM/FM遥测模拟训练系统的开发丰富了现有课堂教学手段,在开发的工程中笔者们注重了对问题实质分析,依据软件解调的实际过程和本系统的应用目不同,采用虚拟无线电的思想优化了遥测系统的工作流程；通过发挥不同软件的优势采用了SystemView软件开发信号源；利用LabWindows/CVI所提供的强大界面设计功能,高级信号处理库函数以及实用函数库中多线程函数,在LabWindows/CVI虚拟仪器开发平台上设计完成解调处理和显示等功能,大大地简化了编程实现的复杂度,提高了工作效率。实践教学中的应用表明该系统有助于加深学员对遥测系统工作过程的理解。

[1]章兰英, 侯孝民, 郑海昕.短时傅里叶变换软件解调中窗函数影响分析[J].装备指挥技术学院学报, 2005,16(6):98～101

[2]李秋娜, 袁嗣杰, 章兰英.基于虚拟无线电的PCM/FM信号解调方法[J].系统仿真学报, 2007,19(7): 1617～1623

[3]程佩青.数字信号处理教程(第三版)[M].北京:清华大学出版社,2007

[4]袁嗣杰.飞行器遥测遥控原理[M].北京:装备指挥技术学院, 2006

[5]孙晓云,郭立炜,孙会琴.基于LabWindows/CVI的虚拟仪器设计与应用[M].北京:电子工业出版社,2005

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

郑海昕，硕士，讲师。刘燕都，学士。李小波,硕士,副教授。