基于SystemView的無人機數據鏈實驗系統構建

閆云斌，劉新海，王永川，李永科

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基于SystemView的無人機數據鏈實驗系統構建

閆云斌，劉新海，王永川，李永科

（軍械工程學院 無人機工程系，河北 石家莊 050003）

針對無人機數據鏈系統課程的教學，利用SystemView軟件構建了無人機數據鏈系統模型． 利用該模型仿真分析，可以得到無人機數據鏈上行遙控信號從信源擴頻、調制、加噪聲到解調和濾波等各個環節的時域波形圖．實踐結果表明，利用SystemView軟件構建的無人機數據鏈系統模型在教學實踐中把抽象復雜的知識點轉換成形象直觀的波形圖，充分調動了學生自主學習的積極性，提升了該課程的教學效果．

SystemView；無人機；數據鏈系統；實驗系統

無人機數據鏈系統課程是本科無人機工程專業和生長干部任職教育培訓的一門必修課，是學習無人機數據鏈系統結構原理、操作使用、參數測試、維護保養和故障分析等內容的一門專業課．在掌握數據鏈系統原理構造知識、使用與保障方法，奠定開展技術保障實踐所需的專業基礎，培養理論聯系實際的科學思維、養成復合型軍官良好的專業素養等方面具有重要作用[1]．

在課程學習過程中，教學采用的是實際裝備，實裝教學的特點是能夠實裝練習，培養學生的動手能力和實際操作能力．但是無人機裝備屬于復雜武器系統，也屬于航空飛行器，從學生素質要求出發，必須“先懂技術原理，才能操作使用”，傳統的裝備教學方法在復雜高技術武器系統前面會脫節、失效．因此，需要對無人機數據鏈系統的基礎理論知識做一定的了解．

而對于無人機數據鏈系統涉及到的基礎理論知識大多屬于通信原理的知識內容，主要特點是抽象概念多，理論性較強[2]．而學生們大多這方面基礎薄弱，尤其是生長干部任職教育的學生．因此，為了讓學生能夠更加直觀地理解無人機數據鏈系統理論方面的內容，需要在理論知識講解過程中，多一些感性認知，少一些理論推導．

SystemView是Elanix公司推出的一款動態系統仿真軟件，具有良好的交互界面，強大的信號分析窗口和計算功能，可提供多樣的庫文件及實現可視化仿真過程等．在信號分析、通信系統等領域受到教育、教學等研究者的青睞[3-5]．利用其強大的分析窗口，該軟件可以繪制時域和頻域圖，方便學生觀察通信系統各個節點的信號特征[6]．

本文應用SystemView仿真平臺對無人機數據鏈路的核心部分進行了建模和仿真．利用其實現簡單，分析功能強大的優點，把復雜的理論知識形象化，促進了理論知識和實踐應用的結合，充分調動了學生的積極性，激發了學習興趣，為后續的實際裝備操作教學打下了堅實的理論基礎．

1 無人機數據鏈系統模型

無人機數據鏈系統通常由地面測控設備和無人機組成[7]，其中地面測控設備通過無線傳輸對空中的無人機進行遙控、遙測、任務信息傳輸和跟蹤定位．無人機數據鏈基本組成框圖見圖1．由圖1可見，無人機數據鏈系統可分為上行遙控鏈路和下行遙測鏈路．上行鏈路主要功能是把地面測控設備的遙控指令傳送給無人機，而下行鏈路負責把任務設備偵察到的任務信息傳送回地面測控設備．為了保證無人機的安全，需要上行鏈路做到絕對可靠．一般上行鏈路采用抗干擾能力較強的直接序列擴頻通信技術，而下行鏈路一般需要把偵察到的情報數據發送給地面測控設備，通常采用的調制方式是2FSK調制．

圖1 無人機數據鏈系統基本組成框圖

相對于上行鏈路，下行鏈路相對比較簡單，本文主要在SystemView軟件構建無人機數據鏈的上行鏈路．采用擴頻和BPSK調制的上行鏈路組成的框圖見圖2．

圖2 數據鏈系統上行鏈路組成框圖

在發送端地面測控設備產生控制無人機的遙控指令，送到地面數據終端處理機進行編碼、加密和擴頻后形成遙控基帶信號．遙控基帶信號通過遙控發射機進行相位調制，產生遙控中頻信號，經上變頻后形成遙控射頻信號，再經功率放大后輸出到遙控發射天線，通過上行鏈路發射到無人機．

在接收端，無人機通過遙控接收天線和遙控接收機分別接收地面數據終端發射來的遙控射頻信號，經放大、解擴和解調等處理后，輸出遙控指令送到無人機的飛控計算機．

2 SystemView軟件介紹

SystemView軟件功能齊全，界面操作友好，能夠為用戶提供精密的嵌入式分析工具，具備以下幾個特點[8]．

2.1 強大的仿真設計功能

SystemView軟件能夠構造復雜的模擬、數字以及數/模混和系統．尤其是對濾波器的設計，用戶可以根據自己需求，設計多種濾波器，并完成濾波器的各種指標設計，還可以對各種系統的時頻域進行分析．

2.2 豐富的資源庫

在SystemView軟件的基本庫中包括多種信號源、接收窗、加法器、乘法器及各種函數運算器等．此外，它還可以添加如通信、邏輯及數字信號處理等專業庫．滿足現代信息傳輸系統的設計和仿真．

2.3 開發友好的用戶界面

在仿真系統建模過程中，不需要編寫代碼．采用圖形化的設計，操作簡單，具有和其它外部文件接口，可直接讀入真實數據進行處理，也可以將處理結果輸出到外部數據文件．

2.4 開發友好的用戶界面

提供與Xilinx公司和TI公司生產的硬件進行配套的接口，能夠把系統級仿真和電路級仿真結合起來．

2.5 智能化輔助設計

在仿真時，當連接信息發生錯誤時，自動提示出錯，并給出錯誤圖標的位置．

2.6 具備動態探針功能

動態的分析和后處理，提供了動態探針功能，可以實時對示波器或頻譜儀進行仿真．利用其“接收計算器”能夠實現對仿真中時域波形圖和頻譜圖的監測，還可以對觀察運算結果進行各種運算、譜分析和濾波等．

3 基于SystemView的無人機數據鏈上行鏈路模型

利用SystemView完成系統設計通常包括２個步驟：一是建立系統模型，二是仿真分析，同時根據仿真結果對所設計的系統進行論證分析和修改[9]．首先介紹PSK調制和直接序列擴頻通信的基本原理，然后利用SystemView軟件實現無人機數據鏈的上行鏈路．

3.1 BPSK擴頻調制基本原理

BPSK是擴頻系統中最為常用的一種調制方式．如果假設擴頻碼為，載波頻率為，調相波可表示為[10]

BPSK擴頻調制器見圖3．對于BPSK擴頻調制的解調，可以是圖3的逆過程，接收端得到的信號首先經過下變頻，得到中頻信號，然后經過解擴、解調得到相應的信息碼．

圖3 BPSK調制器

3.2 無人機數據鏈上行鏈路的SystemView實現

通過理論分析，結合無人機數據鏈上行鏈路的發送和接收框圖可以創建仿真分析系統．SystemView軟件下無人機數據鏈上行鏈路的發送和接收仿真框圖見圖4、圖5．

圖4　無人機數據鏈上行鏈路發射端SystemView仿真框圖

圖5 無人機數據鏈上行鏈路接收端SystemView仿真框圖

在圖5中，接收端接收到的信號包括射頻信號以及在信道傳輸中疊加的高斯白噪聲．接收到的信號首先經過解擴，解擴的核心是同步．在仿真中，可以采用和發射端一樣的擴頻碼序列，解擴以后再經過BPSK解調就可以得到基帶信號，這里BPSK解調采用的是相干解調．

在SystemView窗口中，在“時間窗”參數中設置仿真的起始時間和終止時間，點擊運行按鈕，運算結束后按“分析窗”按鈕，進入分析窗口，點擊繪圖可以得到相關的仿真結果圖．

4 實驗調試、仿真結果分析

在SystemView環境下，啟動仿真系統，利用分析窗口和接收計算器功能進行觀察和運算，觀察到無人機數據鏈上行鏈路在發送端和接收端的部分仿真結果圖．

無人機數據鏈上行鏈路在發射端各個節點的仿真結果見圖6．其中，從上到下分別是基帶信號、擴頻以后的信號和經過調制的BPSK擴頻信號．

圖 6 發射端各節點時域波形圖

無人機數據鏈上行鏈路在接收端各個節點的仿真結果見圖7．其中，從上到下分別是疊加了高斯白噪聲的接收信號，經過解擴以后的接收信號，經過BPSK解調后的信號和最終經過抽樣判決恢復的基帶碼元．

圖 7 接收端各節點時域波形圖

在實際的裝備教學中，好多模塊都集成在一起，不方便測量．通過SystemView軟件把無人機數據鏈上行鏈路和下行鏈路各個節點的時域波形圖仿真出來，便于學生直觀形象地理解無人機數據鏈系統．

5 結束語

本文利用SystemView仿真軟件，構建了無人機數據鏈上行鏈路的仿真模型．通過該模型，可以直觀地觀察無人機上行鏈路在不同節點的時域和頻域波形圖，把復雜的理論知識、抽象的數學表達式轉變成適合大家理解的波形圖．實現了感性認知和理性認知的結合，加深了課程知識點的理解，取得了非常顯著的教學效果．

[1] 王永川，田慶民，胡永江．“無人機數據鏈系統”課程教學改革的幾點思考[J]．軍械教育研究，2014（2）：18-21

[2] 李莉，趙蓉，項東．通信原理綜合實驗教學改革的實踐[J]．實驗室研究與探索，2015，34（8）：179-181

[3] 龐姣，王虹，趙璞．SystemView在通信原理實驗教學中的應用[J]．實驗技術與管理，2011，28（8）：267-271

[4] 任峻，張紅燕．運用虛擬仿真實驗改革通信原理實驗教學[J]．實驗技術與管理，2014（3）：95- 97，104

[5] 鄒丹．SystemView在現代通信原理課程中的應用[J]．華東交通大學學報，2007（24）：51-53

[6] 李東生．SystemView系統設計及仿真入門與應用[M]．北京：電了工業出版社，2002

[7] 宋飛飛．無人機數據鏈信道編碼方法研究[J]．計算機測量與控制，2012，20（6）：1602-1605

[8] 戴志平，梅進杰，羅菁，等．SystemView數字通信系統仿真設計[M]．北京：北京郵電大學出版社，2011

[9] 陳軍．SystemView在通信原理課程教學中的應用研究[J]．實驗技術與管理，2015，32（1）：153-155

[10] 趙剛．擴頻通信系統實用仿真技術[M]．北京：國防工業出版社，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

閆云斌（1984-），男，山西朔州人，講師，博士，主要從事無人機數據鏈方面的研究．E-mail：zkjysyyb@163.com