复杂电磁环境下通信装备模拟训练系统的实现

达新宇，张亚普，谢铁城

（空军工程大学电讯工程学院，陕西西安 710077）

复杂电磁环境下通信装备模拟训练系统的实现

达新宇，张亚普，谢铁城

（空军工程大学电讯工程学院，陕西西安 710077）

介绍了一种通信装备网络模拟训练系统的设计思想与系统组成，主要从模拟电台终端、主控计算机、程控语音交换机几方面介绍系统的具体设计与实现。同时重点讨论了复杂电磁环境的模拟。实践表明系统设计合理，电磁辐射小、训练效果好。

电台；模拟训练系统；复杂电磁环境；程控语音交换机

世界主要军事强国都高度重视武器装备训练系统的研究与开发，伴随着我军信息化训练条件建设的不断加快与创新，传统的训练模式正向基地化、模拟化和网络化方向发展。复杂电磁环境是现代高科技战争的突出特点，对装备的可靠性以及作战人员的操作水平提出了更高要求。因此，开发复杂电磁环境下的模拟训练系统，对参训人员在复杂电磁环境下的应变能力及操作技术进行锻炼和检验，成为部队信息化建设的当务之急［1－4］。

1 系统设计思想及组成

1．1 设计思想

某型短波电台作为部队的基础通信装备，具有装备量大，使用人员多等特点，其操作训练与维修受到部队和院校的普遍关注［5］。传统的实装施训模式由于训练效率低、维护成本高、信息资源保密性差、电磁污染强、训练考核手段单一等弊端，很难适应复杂电磁环境下电台操作人员的培训需求。

笔者以某短波自适应数字化电台通信系统为对象，设计开发了具有仿真复杂电磁环境的分布式网络模拟训练系统，该系统既能实施单电台终端的操作训练，又能完成多电台终端的一体化协同训练，系统的主要设计思想具有以下3点。

1）半实物仿真短波电台终端 模拟电台采用与实装电台完全一样的外形，并提供真实电台的所有操作，还通过语音芯片模拟电台背景噪声，使系统在不使用任何真实装备的条件下，全面、逼真地复现真实装备的外观界面、操作规程和功能任务。

2）采用无线系统有线化、射频系统基带化、单一电台网络化的仿真思想 各电台之间的通信是以空间电磁波形式相互传播信息的，该模拟仿真系统采用有线方式构成局域网来联通各个电台，把真实电台以射频系统形式传输变成基带系统方式传输，极大的降低了成本，有效节约了组训空间，并利用计算机网络和软件控制技术，实现操作技能考核的微机化、智能化，实现教学监控的实时化、远程化、全面化、细节化。系统能够在不产生任何电磁污染和信息泄露的情况下，实现短波电台的对讲、群呼和组呼功能等全部功能，而且具有实时考核与记录功能。

3）远程监控方便实用 系统各电台模拟终端虽然构成局域网，但可以方便的与远端计算机连接，实现远程监控、数据调用等远程操作功能。

1．2 系统组成

该通信装备网络模拟操作训练系统由主控计算机终端、电台模拟终端、语音传输与处理单元、语音交换系统、模拟复杂电磁环境和背景噪声产生器、数据传输与控制单元、以太网交换机等7部分组成。图1是系统原理组成原理方框图。

图1 电台模拟训练系统的组成原理

该系统从功能角度可将该系统划分为两个子系统：以网络交换机为中心节点的数据传输系统和以程控语音交换机为中心节点的音频信号传输系统，如图2所示。

图2 系统功能框图

数据传输系统中，主控计算机收集上传的状态信息，结合教学综合管理软件对模拟电台终端进行实时管理和监控，并根据需求进行记录，使主控计算机能够回放指定模拟电台终端操作过程，对操作的熟练程度，进行人工和自动打分。主控计算机还可通过局域网设置模拟电台终端故障，以考核操作者故障排除能力，通过人工打分，可将其成绩记录到数据库当中。由于整个系统是基于局域网进行管理和监控，并且形成了基于网络的数据库，因此，该系统便于进一步构建基于网络的远程教学管理信息系统。

音频信号传输系统中，主控计算机可以根据模拟电台终端的频点、工作模式，通过RS232接口控制程控语音交换机，对模拟电台终端之间话音通信链路的建立与释放进行控制，保证了模拟电台终端点对点、点对多点话音通信，同时通过设置话音处理模块和复杂电磁环境模拟器，完全模拟复杂电磁环境下的实战装备话音通信。

2 系统设计与实现

2．1 主控计算机

主控计算机是系统网络管理与系统控制的中心。系统主控软件采用基于Windows操作系统的VB6语言开发，具有界面友好，操作简单的特点。主控计算机实时监控模拟电台终端面板及显示单元的状态，并进行显示和存储，同时根据状态通过RS232接口向交换控制单片机发出交换矩阵的控制命令。完成的主要工作包括以下几项。

1）操作训练中的实时查看、显示、打印等教学管理功能；

2）基于TCP／IP协议，完成对整个系统各个模拟电台终端设备的监测和管理；

3）实时显示和存储32台仿真设备状态，并分析任务需要，并发出与控制音频交换命令；

4）通过局域网实现对整个系统的连接；

5）通过RS232接口来管理控制音频交换机，实现单对单，单对多，通播等语音通话功能；

6）管理控制模拟复杂电磁环境发生器，构建复杂电磁环境等。

2．2 模拟电台终端

模拟电台终端利用TCP／IP网络通信协议实现与主控计算机之间的控制和状态信息传输，利用按键和显示模块实现电台的各种操作和显示功能，并且在外形上与实装高度逼真，因此，模拟电台终端硬件模块包括：主控模块、网络通信模块、键盘扫描及显示驱动模块、话音信号处理模块以及背景噪声模拟模块等部分。具体结构关系图见图3所示。

主控模块采用PHILIPS公司推出的ARM7系列芯片LPC2132，包括11．0592 MHz时钟电路，CAT1025复位芯片、JTAG等外围电路及与其他模块的接口电路［6］；网络接口单元（NIU）采用广州周立功公司的10M以太网控制器ZNE－10T，通过串口与主控制器通信，将按键等操作信息通过网口打包发送给主控计算机，同时接收主控计算机发来的指令。

实装电台的操作与显示主要集中在前面面板部分，经过分析，前面面板主要包括：28个为开关量的按键、1个能进行双向旋转的准连调旋钮、1个由8位5×7LED点阵和16个LED指示二极管。因此，键盘扫描模块系统采用两线制串口（准I2C）芯片SD7218A作为键盘扫描驱动芯片，通过I／O口模拟总线技术与主控制器通信［7］。显示模块分为功能指示、LED表和点阵LED显示器三部分，其中功能指示部分使用SD7218A驱动，LED表用LM3915指示信号强度，点阵LED显示器采用模拟总线技术实现对其中移位寄存器的写入，实现操作显示信息。

图3 模拟电台终端硬件结构

模拟训练系统利用有线局域网络模拟无线话音通信，因此，可采用话音信号直接传输的方式，即将话音信号传输在基带上，其组成如图4所示。同时，在发射端和接收端采取音频自动增益控制（AGC）、音频滤波、放大、音频静噪等措施对话音进行处理，以增大通信距离提高话音清晰度。

2．3 程控语音交换机

系统所模拟的实装电台具有定频呼叫、单台地址自适应呼叫、网络地址自适应呼叫以及跳频通信等功能，因此，点对点、点对多点话音通信的实现是系统功能模拟的关键。程控语音交换器由2片MT8816构成，其工作原理为主控计算机通过RS232时刻监视并判断电台的工作状态，当系统中某些电台双方符合建立通信的条件之后，主控计算机经过RS232向交换机发送连接命令，命令经交换机中AT89C15识别之后向相应MT8816写控制命令，实现对应模拟终端的各种呼叫功能。

3 复杂电磁环境模拟

通过对复杂电磁环境的模拟实现，增强了该模拟训练系统在训练时的针对性、真实性与实战效果。该系统主要对电台的内部和外部电磁环境进行了模拟，其中，内部电磁环境主要是指通信装备自身的电磁辐射，可通过背景噪声模拟器产生，外部电磁环境主要是指战场环境中敌我双方用频装备产生的电磁辐射，可由战场电磁环境模拟器实现。

3．1 背景噪声模拟器

在综合分析模拟噪声源、数字噪声源、样本噪声源3种噪声产生方法后，该系统采用样本噪声源法设计背景噪声模拟器。

内部电磁环境主要模拟的是通信装备自身电磁辐射，因此，在保持电台外部电磁环境纯净情况下，对装备上边带、下边带、调幅兼容话及边带报或等幅报等工作状态下的电台背景噪声进行采样、存储。

该系统通过ISD 1730芯片实现背景环境的模拟，芯片工作在同步、全双工的串行接口（Serial Peripheral Interface，SPI）模式。在SPI模式下，主控芯片可通过SPI总线写入相应的命令字对ISD 1730的任意地址进行操作，包括播放，停止，音量控制等。

背景噪声模拟器的设计，如图5所示。其工作过程描述：主控计算机通过网卡将噪音环境策略以邮箱的形式通知LPC2132主控芯片，芯片在收到邮件后从邮箱中提取出该信息，然后经SPI总线发送设置播放指令和相应的起始和结束地址，控制语音芯片ISD1730播放出相应的噪音样本。

3．2 战场电磁环境模拟

为了提高模拟训练系统的战场逼真程度，该系统在设计电台背景噪音模拟模块的同时，还重点开发了战场电磁环境模拟模块，再现了真实战场电磁环境，使模拟训练更具实战意义。电磁辐射是通过“前门耦合”和“后门耦合”对通信电台造成影响的，作用过程的复杂性极大增加了建模的难度，因此，本系统通过采集电台在不同电磁环境下的耦合信号（通信链路建立但通信内容为空时的信号），完成电磁环境记录，用于电磁环境模拟。如图6所示。

图5 背景噪声模拟器

上图前半部分为电磁样本采集过程，由真实电台、电磁环境、A／D转换器、电磁数据库四个要素构成。电台正常工作，对不同电磁环境下的电磁耦合信号进行A／D转换，所得数据作为电磁环境样本存储在电磁数据库中。

战场电磁环境模拟器主要由电磁数据库、D／A转换器、信号合成器3部分构成。主控计算机通过RS232向电磁数据库下达指令，调用电磁环境样本，经D／A转换和信号合成后输出战场电磁环境信号。

该训练系统主要对雷雨气象、雷达信号、电子战、导航信号、民用无线电五类电磁环境下的电磁耦合信号进行采样，形成五种独立的电磁环境模式。主控计算机可任意对这五种电磁模式进行组合，模拟战场电磁环境。语音交换系统根据主控计算机指令将战场电磁环境模拟器生成信号与特定电台信道中语音信号进行加性叠加，以此模拟电台终端在战场电磁环境下的通信过程。如图7所示。

图6 战场电磁环境模拟器设计原理

4 结 语

图7 战场电磁环境模拟器工作示意

该通信装备网络模拟系统经过2年的研制，于2010年通过鉴定与验收，并在空军工程大学建立了一个具有40个模拟电台终端的实习室。通过2年来实际应用，实践证明本系统设计合理、效果逼真、可靠性高、训练效果好，由于相比实装更加经济，功能也更加强大，装备使用后大大减少了使用实战装备训练的次数，降低了训练费用，提高了训练效率。具有很好的推广应用前景。由于采用TCP／IP构建的网络，通过更改或增加通信协议还能对系统的功能进行扩展，进行更高一个层面上的通信训练与指挥，同时，本系统采用的成熟技术对于其他类似通信系统的模拟训练具有借鉴意义。

［1］ JUNG H K，JOONG G R．Simulation and analysis of electromagnetic environment for the mobile receiver［A］．17th International Zurich Symposium on Electromagnetic Compatibility［C］．EMC－Zurich：IEEE，2006：77－80．

［2］ 张 翔，张茂军，谭树人．复杂电磁环境下虚拟现实模拟训练系统的开发［J］．系统仿真学报，2008，20（增）：113－116．

［3］ 陈 杰，程良平，袁秀丽，等．一种新型复杂电磁环境模拟器的设计与实现［J］．信息化研究，2009，（35）：22－25．

［4］ 吴迎年，张 霖，张利芳，等．电磁环境仿真与可视化研究综述［J］．系统仿真学报，2009，21（20）：6 332－6 338．

［5］ 潘丽君，董保良，王国军，等．作战仿真中基于DSP的电台及通信系统仿真研究［J］．系统仿真学报，2001（增）：479－482．

［6］ 周立功，张 华．深入浅出ARM7［M］．北京：北京航空航天大学出版社，2005．

TP368

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1008－1542（2011）07－0122－05

2011－06－20；责任编辑：张 军

达新宇（1961－），男，陕西眉县人，教授，博士生导师，博士，主要从事通信系统与电磁防护方面的研究。