基于SystemView的无人机数据链实验系统构建

闫云斌，刘新海，王永川，李永科



基于SystemView的无人机数据链实验系统构建

闫云斌，刘新海，王永川，李永科

（军械工程学院 无人机工程系，河北 石家庄 050003）

针对无人机数据链系统课程的教学，利用SystemView软件构建了无人机数据链系统模型． 利用该模型仿真分析，可以得到无人机数据链上行遥控信号从信源扩频、调制、加噪声到解调和滤波等各个环节的时域波形图．实践结果表明，利用SystemView软件构建的无人机数据链系统模型在教学实践中把抽象复杂的知识点转换成形象直观的波形图，充分调动了学生自主学习的积极性，提升了该课程的教学效果．

SystemView；无人机；数据链系统；实验系统

无人机数据链系统课程是本科无人机工程专业和生长干部任职教育培训的一门必修课，是学习无人机数据链系统结构原理、操作使用、参数测试、维护保养和故障分析等内容的一门专业课．在掌握数据链系统原理构造知识、使用与保障方法，奠定开展技术保障实践所需的专业基础，培养理论联系实际的科学思维、养成复合型军官良好的专业素养等方面具有重要作用[1]．

在课程学习过程中，教学采用的是实际装备，实装教学的特点是能够实装练习，培养学生的动手能力和实际操作能力．但是无人机装备属于复杂武器系统，也属于航空飞行器，从学生素质要求出发，必须“先懂技术原理，才能操作使用”，传统的装备教学方法在复杂高技术武器系统前面会脱节、失效．因此，需要对无人机数据链系统的基础理论知识做一定的了解．

而对于无人机数据链系统涉及到的基础理论知识大多属于通信原理的知识内容，主要特点是抽象概念多，理论性较强[2]．而学生们大多这方面基础薄弱，尤其是生长干部任职教育的学生．因此，为了让学生能够更加直观地理解无人机数据链系统理论方面的内容，需要在理论知识讲解过程中，多一些感性认知，少一些理论推导．

SystemView是Elanix公司推出的一款动态系统仿真软件，具有良好的交互界面，强大的信号分析窗口和计算功能，可提供多样的库文件及实现可视化仿真过程等．在信号分析、通信系统等领域受到教育、教学等研究者的青睐[3-5]．利用其强大的分析窗口，该软件可以绘制时域和频域图，方便学生观察通信系统各个节点的信号特征[6]．

本文应用SystemView仿真平台对无人机数据链路的核心部分进行了建模和仿真．利用其实现简单，分析功能强大的优点，把复杂的理论知识形象化，促进了理论知识和实践应用的结合，充分调动了学生的积极性，激发了学习兴趣，为后续的实际装备操作教学打下了坚实的理论基础．

1 无人机数据链系统模型

无人机数据链系统通常由地面测控设备和无人机组成[7]，其中地面测控设备通过无线传输对空中的无人机进行遥控、遥测、任务信息传输和跟踪定位．无人机数据链基本组成框图见图1．由图1可见，无人机数据链系统可分为上行遥控链路和下行遥测链路．上行链路主要功能是把地面测控设备的遥控指令传送给无人机，而下行链路负责把任务设备侦察到的任务信息传送回地面测控设备．为了保证无人机的安全，需要上行链路做到绝对可靠．一般上行链路采用抗干扰能力较强的直接序列扩频通信技术，而下行链路一般需要把侦察到的情报数据发送给地面测控设备，通常采用的调制方式是2FSK调制．

图1 无人机数据链系统基本组成框图

相对于上行链路，下行链路相对比较简单，本文主要在SystemView软件构建无人机数据链的上行链路．采用扩频和BPSK调制的上行链路组成的框图见图2．

图2 数据链系统上行链路组成框图

在发送端地面测控设备产生控制无人机的遥控指令，送到地面数据终端处理机进行编码、加密和扩频后形成遥控基带信号．遥控基带信号通过遥控发射机进行相位调制，产生遥控中频信号，经上变频后形成遥控射频信号，再经功率放大后输出到遥控发射天线，通过上行链路发射到无人机．

在接收端，无人机通过遥控接收天线和遥控接收机分别接收地面数据终端发射来的遥控射频信号，经放大、解扩和解调等处理后，输出遥控指令送到无人机的飞控计算机．

2 SystemView软件介绍

SystemView软件功能齐全，界面操作友好，能够为用户提供精密的嵌入式分析工具，具备以下几个特点[8]．

2.1 强大的仿真设计功能

SystemView软件能够构造复杂的模拟、数字以及数/模混和系统．尤其是对滤波器的设计，用户可以根据自己需求，设计多种滤波器，并完成滤波器的各种指标设计，还可以对各种系统的时频域进行分析．

2.2 丰富的资源库

在SystemView软件的基本库中包括多种信号源、接收窗、加法器、乘法器及各种函数运算器等．此外，它还可以添加如通信、逻辑及数字信号处理等专业库．满足现代信息传输系统的设计和仿真．

2.3 开发友好的用户界面

在仿真系统建模过程中，不需要编写代码．采用图形化的设计，操作简单，具有和其它外部文件接口，可直接读入真实数据进行处理，也可以将处理结果输出到外部数据文件．

2.4 开发友好的用户界面

提供与Xilinx公司和TI公司生产的硬件进行配套的接口，能够把系统级仿真和电路级仿真结合起来．

2.5 智能化辅助设计

在仿真时，当连接信息发生错误时，自动提示出错，并给出错误图标的位置．

2.6 具备动态探针功能

动态的分析和后处理，提供了动态探针功能，可以实时对示波器或频谱仪进行仿真．利用其“接收计算器”能够实现对仿真中时域波形图和频谱图的监测，还可以对观察运算结果进行各种运算、谱分析和滤波等．

3 基于SystemView的无人机数据链上行链路模型

利用SystemView完成系统设计通常包括２个步骤：一是建立系统模型，二是仿真分析，同时根据仿真结果对所设计的系统进行论证分析和修改[9]．首先介绍PSK调制和直接序列扩频通信的基本原理，然后利用SystemView软件实现无人机数据链的上行链路．

3.1 BPSK扩频调制基本原理

BPSK是扩频系统中最为常用的一种调制方式．如果假设扩频码为，载波频率为，调相波可表示为[10]

BPSK扩频调制器见图3．对于BPSK扩频调制的解调，可以是图3的逆过程，接收端得到的信号首先经过下变频，得到中频信号，然后经过解扩、解调得到相应的信息码．

图3 BPSK调制器

3.2 无人机数据链上行链路的SystemView实现

通过理论分析，结合无人机数据链上行链路的发送和接收框图可以创建仿真分析系统．SystemView软件下无人机数据链上行链路的发送和接收仿真框图见图4、图5．

图4　无人机数据链上行链路发射端SystemView仿真框图

图5 无人机数据链上行链路接收端SystemView仿真框图

在图5中，接收端接收到的信号包括射频信号以及在信道传输中叠加的高斯白噪声．接收到的信号首先经过解扩，解扩的核心是同步．在仿真中，可以采用和发射端一样的扩频码序列，解扩以后再经过BPSK解调就可以得到基带信号，这里BPSK解调采用的是相干解调．

在SystemView窗口中，在“时间窗”参数中设置仿真的起始时间和终止时间，点击运行按钮，运算结束后按“分析窗”按钮，进入分析窗口，点击绘图可以得到相关的仿真结果图．

4 实验调试、仿真结果分析

在SystemView环境下，启动仿真系统，利用分析窗口和接收计算器功能进行观察和运算，观察到无人机数据链上行链路在发送端和接收端的部分仿真结果图．

无人机数据链上行链路在发射端各个节点的仿真结果见图6．其中，从上到下分别是基带信号、扩频以后的信号和经过调制的BPSK扩频信号．

图 6 发射端各节点时域波形图

无人机数据链上行链路在接收端各个节点的仿真结果见图7．其中，从上到下分别是叠加了高斯白噪声的接收信号，经过解扩以后的接收信号，经过BPSK解调后的信号和最终经过抽样判决恢复的基带码元．

图 7 接收端各节点时域波形图

在实际的装备教学中，好多模块都集成在一起，不方便测量．通过SystemView软件把无人机数据链上行链路和下行链路各个节点的时域波形图仿真出来，便于学生直观形象地理解无人机数据链系统．

5 结束语

本文利用SystemView仿真软件，构建了无人机数据链上行链路的仿真模型．通过该模型，可以直观地观察无人机上行链路在不同节点的时域和频域波形图，把复杂的理论知识、抽象的数学表达式转变成适合大家理解的波形图．实现了感性认知和理性认知的结合，加深了课程知识点的理解，取得了非常显著的教学效果．

[1] 王永川，田庆民，胡永江．“无人机数据链系统”课程教学改革的几点思考[J]．军械教育研究，2014（2）：18-21

[2] 李莉，赵蓉，项东．通信原理综合实验教学改革的实践[J]．实验室研究与探索，2015，34（8）：179-181

[3] 庞姣，王虹，赵璞．SystemView在通信原理实验教学中的应用[J]．实验技术与管理，2011，28（8）：267-271

[4] 任峻，张红燕．运用虚拟仿真实验改革通信原理实验教学[J]．实验技术与管理，2014（3）：95- 97，104

[5] 邹丹．SystemView在现代通信原理课程中的应用[J]．华东交通大学学报，2007（24）：51-53

[6] 李东生．SystemView系统设计及仿真入门与应用[M]．北京：电了工业出版社，2002

[7] 宋飞飞．无人机数据链信道编码方法研究[J]．计算机测量与控制，2012，20（6）：1602-1605

[8] 戴志平，梅进杰，罗菁，等．SystemView数字通信系统仿真设计[M]．北京：北京邮电大学出版社，2011

[9] 陈军．SystemView在通信原理课程教学中的应用研究[J]．实验技术与管理，2015，32（1）：153-155

[10] 赵刚．扩频通信系统实用仿真技术[M]．北京：国防工业出版社，2009

UAV data link experimental system constructed based on SystemView

YAN Yun-bin，LIU Xin-hai，WANG Yong-chuan，LI Yong-ke

（Department of UAV Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

In the course of the data link system of unmanned aerial vehicles（UAV）， the UAV data link system model is constructed by using SystemView software，which can be obtained the time domain waveform and frequency spectrum of the UAV data up link from the source spreading，modulation，plus noise，demodulation and filtering. The practice results show that the UAV data link system model based on SystemView is used to transform the abstract complex knowledge into the waveform，which can mobilize the initiative and enthusiasm of students and improve the teaching effect of the course.

SystemView；unmanned aerial vehicles；data link system；experimental system

1007-9831（2016）07-0083-05

TN919.2∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.07.022

2016-05-12

闫云斌（1984-），男，山西朔州人，讲师，博士，主要从事无人机数据链方面的研究．E-mail：zkjysyyb@163.com