专利名称：1553b总线的频域失真预测信道建模方法
技术领域：
本发明属于通信技术领域，具体讲属于军用飞机综合航电系统、外挂物管理与集成系统，并逐步扩展到航空航天电子系统、军用舰船和装甲车辆等平台上，即1553B总线的频域失真预测信道建模方法。
背景技术：
在20世纪60年代，由导航、电平、武器瞄准系统等组成的综合火控系统，并配上远距离空射武器，使战斗机如虎添翼。但是 随着作战信息数据总量暴涨，由于系统中各个模块的接口各不相同，给连接各个模块的线缆带来了更多的挑战。随着机载电子系统的不断复杂化，通信电缆将会占用很大的空间和重量而且对传输线的定义和测试也较为复杂，费用较高。为了解决这一问题，美国SAE委员会在军方和各界支持下于1968年决定开发标准的信号多路传输系统。并于1973年公布了 MIL-STD-1553标准。我国也早在90年代就开始了 1553协议的研究和产品的研制工作，并且制定了军标GJB 289A《数字式时分制指令/响应型多路传输数据总线》。1553B多路传输数据总线成为了未来军机将采用的技术，它取代了传感器、计算机、指示器和其他飞机设备间传递数据的庞大设备，大大减少了飞机的重量，并且使用简单、灵活。1553B总线的信道由主电缆、耦合器以及短截线组成，系统的各个终端和短截线相连并通过耦合器接入主电缆。1553B主电缆采用70至85欧姆屏蔽双绞线，在IMHz信号作用下的功率损耗不超过0. 05dB/m,导致的损耗并不严重。但是耦合器与主线缆的连接处和终端都会导致信号的反射，如图I所示。信号反射回主电缆后和之前的信号叠加将导致频率选择性衰落，使信道性能大大恶化[I]。此外，信号的反射必然导致信道冲击响应的延长，再加上电缆固有的分布电容的影响，该信道会产生严重的码间串扰。因此信道模型不仅要能反映系统任意节点之间的传输特性，还应能重现信号畸变的现象。1553B总线系统应用广泛，在不同的应用中拓扑结构不同，其通用拓扑结构如图2所示，其中总线的长度、终端数量和短截线长度均可变，并且终端负载的特性各异。因此，各节点之间的信号畸变程度很难用闭合的形式来描述。在实际应用中，国外DDC公司在1553B总线系统上实现了 80 120Mbps速率的基础上，测试了 1553B总线的频域响应波形[2-3]。实测信道频率响应如图3所示。虽然不能反映完备的传输特性，但如出现如右图所示的深衰落现象，则表征所测的两个节点之间信道特性不可用，需在设计中需要避开此拓扑结构。但是，该方法是针对某种特定的拓扑结构，基于信道实测给出的信道时域或频域响应模型，却无法从指导总线拓扑结构的角度出发预测不同拓扑结构下节点之间的衰落和失真，使得该模型在使用中的灵活性受到了极大的影响。如能准确预测各种拓扑结构下任意节点间的信号畸变程度，并据此指导总线的拓扑结构设计，则能避免设计出不可用的终端节点，提高系统性能。因此，设计不同拓扑结构下总线失真预测模型意义重大。
在此基础上，如能更进一步建立完备的信道模型，用传输函数表征系统节点之间的传输特性，则能据此推测多径效应、传输延迟、码间串扰等信道特性，以此指导系统级的射频及基带的处理方法及参数取值，则能大大提高系统的整体性能。在ADSL技术中对双绞线的建模技术已经相对成熟，如RLCG模型和AB⑶模型[4]，(其中RLCG模型代表由双绞线的等效电阻、电感、电容、电导所表示的模型。ABCD模型表示双绞线的传输矩阵模型)。RLCG模型的建模方法有两种1)解析RLCG模型忽略电导效应，并假定电感和电容是不随频率变化的常数，将实际测量结果转换成模块的RLCG参数；2)数值RLCG模型基于电磁场理论进行数值计算，通过特定边界条件下的麦克斯韦方程组求解，计算出模块的RLCG参数。双绞线可等效为如图4所示的RLCG 模型。模型中的RLCG参数可分别由解析法(单频点测量法)和数值法(有限元分析+FDTD法、奇偶模分析法)求得，其中FDTD代表时域有限差分方法。耦合器的RLCG模型如图5所示。在实际应用中需测出模型中的各个参数，带入模型。分别得到双绞线的RLCG模型和耦合器的RLCG模型，再根据总线拓扑结构得到系统的RLCG模型。而AB⑶模型指的是用一个二端口网络来表征各模块的传输特性。把信道的各个模块看做为一个黑箱，用输入输出关系来表征信道特性。根据系统串联和并联的拓扑结构，推导系统传输模型。国内西安电子科技大学提出了基于ADS软件仿真信道的方法，将在某频点下得到的双绞线和耦合器参数带入模型，用于仿真1553总线的系统响应[5]。以上基于参数的建模方法中的参数都是在某个固定频点下通过测量或电磁计算得到的，而在不同频率下集总参数的值会有一定的偏差，因此也会带来模型的不准确性。[l]Michael G. Hegarty. MIL-STD-1553 Evolves with the Times[R]. 2010.http://www. ddc-web. com/FileLibrary/ffhitepapers. aspx#MIL_STD_1553[2]Michael G. Hegarty. High performance 1553 A feasibility study[C].Digital Avionics Systems Conference. 2004.[3]Mike Glass,Buses and Networks for Contemporary Avionics White Paper,Data Device Cooperation, November 2007.[4] John M.Cioffi，龙腾，刘峰，xDSL技术与应用，电子工业出版社，2002.ISBN7-5053-7493-1/TN[5]寻建晖，1553B总线系统的建模与仿真，西安电子科技大学硕士学位论文，2011. I.
发明内容
已有的频域响应模型只是某种特定拓扑结构下的实测结果，而已有的参数模型则是在某个特定频率下取值并假设参数不随频率变化。本发明旨在克服现有技术的不足，提出能体现参数随频域变化且拓扑结构可灵活组合的频域失真预测模型，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，1553B总线的频域失真预测信道建模方法，包括如下步骤先将典型的作为输入信号的曼彻斯特码分解为一组正弦信号，并以每个正弦信号作为输入，输入到1553B总线系统，解得任意节点间的传输函数后得出各个输出的正弦信号，叠加该组信号以预测信号畸变程度，从而可以排除信号畸变程度大的节点，也就是不可用节点。所述步骤进一步细化为①将典型输入信号S即20bit的曼彻斯特码加同步头作周期扩展，求得其傅里叶级数；②选取足够多的频点，使叠加的信号Si(fi)逼近原始信号S，其中Si(fi)表示在频点fi下的第i个正弦谐波输入信号；③测得总线上各部分在上述各 频点下的RLCG参数，将总线系统各部分等效为集总参数电路，解得节点间的传输函数；④依次解得Si (fi)中各频率分量的输出；⑤叠加各频率分量的输出得到S0(fi)，与Si进行比较，预测畸变程度，其中SO (fi)表示在频点fi下的输出信号；在每个独立的频点下用RLCG模型或AB⑶模型得到该频点下的系统模型，在通过不同频率的叠加来预测端到端的失真。测得总线上各部分在上述各频点下的RLCG参数具体为(I)采用以下方法来得到双绞屏蔽线的RLCG参数将双绞屏蔽线的屏蔽层看作为另一个传输导线，并把它视为基准线，供参考作用；整个双绞线看作由两个电压和两个电流共同表征的形式，通过在不同频率下对双绞线两端的电压、电流参数值的测量测量得出双绞线的RLCG矩阵参数，在具体的拓扑结构中，dz根据实际情况来设定，此处设置为单位长度；(2)耦合器的测试方法是用阻抗分析仪，根据1553B专用的耦合器的RLCG模型测试出以下参数磁化电感LI，初级漏感Lld，次级漏感L2d，初级分布电容Cld，次级分布电容C2d，绕组间电容C12，绕组电阻R，铁芯损耗等效电阻RC ;具体测试方法如下a.磁化电感LI。阻抗分析仪用电感档位，耦合器次级开路，测得各个频率fi下的电感值；b.漏电感Lid、L2d，忽略分布电容的影响，耦合器次级短路，根据等效原理初级绕组也被短路，磁化电流很小，磁化电感和铁芯损耗远小于次级开路时，测试各个频率fi下的漏感值；c.变压器绕组间电容C12，选择电容档，将初级和次级绕组分别短路，阻抗分析仪的两臂分别接在初级和次级绕组的相对端，这样两臂之间测量的就是两绕组间的分布电容；d.初次级绕组的分布电容Cld、C2d。此电容无法直接测量，可以采用并联谐振点的方法测量，在次级开路的情况下，在初级对耦合器的阻抗进行扫频，得到阻抗曲线，曲线的峰值点就是磁化电感和初级分布电容共同作用的谐振点，利用公式计算出此时的初级分布电容，次级同理；e.铁芯损耗测量同磁化电感Re，用电阻档，绕组电阻的测量原理同漏电感，区别也是调到电阻档。本发明的技术特点及效果
在实际应用中得到总线系统的失真预测模型意义重大。首先，可以在设计前预测各种拓扑结构下任意节点间的信号畸变程度，并据此指导总线的拓扑结构设计，可以避免设计出不可用的终端节点，减少了产品设计、上市时间。其次，准确的信道模型可指导物理层方案设计及参数选择，有效提高系统传输的有效性及可靠性。
图I信号畸变和损耗。图2 1553b系统结构。图3实测的信道频率响应。图4双绞 线的RLCG模型。图5耦合器的RLCG模型。图6输入信号分解。图I输入信号逼近。图8失真预测模型示意图。图9双绞线的RLCG参数模型。图10耦合器的测试方法原理图。
具体实施例方式考虑到系统的集总参数是随频率变化的，而1553B拓扑结构复杂，建立完备的信道模型难度较大。根据实际应用的需要，可以提供预测基带信号畸变程度的方法，而非建立完备的信道模型。先将典型的作为输入信号的曼彻斯特码分解为一组正弦信号，并以每个正弦信号作为输入，解得任意节点间的传输函数后得出各个输出的正弦信号，叠加该组信号以预测信号畸变程度，从而可以排除信号畸变程度大的节点，也就是不可用节点。建模步骤如下①将典型输入信号S(20bit的曼彻斯特码加同步头)作周期扩展，求得其傅里叶级数；②选取足够多的频点，使叠加的信号Si (fi)逼近原始信号S ；③测得总线上各部分在上述各频点下的RLCG参数，将总线系统各部分等效为集总参数电路，解得节点间的传输函数；④依次解得Si中各频率分量的输出；⑤叠加各频率分量的输出得到S0，与Si进行比较，预测畸变程度。将输入信号循环扩展，利用傅立叶级数求得特征频点。特征频点的选取如图6所
/Jn o将输入信号在所有特征频点上叠加后与原始信号对比，如图7所示，失真并不明显，可见用频域离散分析的方法去逼近连续的频率响应是可行的。在每个独立的频点下用RLCG模型或AB⑶模型得到该频点下的系统模型，在通过不同频率的叠加来预测端到端的失真。系统失真预测模型的总体结构如图8所示。①将典型输入信号S(20bit的曼彻斯特码加同步头)按照T = 20做周期扩展，并求得其傅里叶级数的表达式。如图6所示为输入信号的特征频率点；②选取足够多的频点fi，用多个正弦信号Si逼近原始信号S。输入信号看作是由这些个频点处的一系列带有傅里叶系数的正弦波所叠加而成的；③测得总线上各元件在上述各频点下的RLCG参数，将总线系统各部分等效为集总参数电路，解得节点间的传输函数；(I)双绞线的测试步骤比较复杂，测试时的外界干扰也比较大，我们可以采用以下方法来得到双绞屏蔽线的RLCG参数将双绞屏蔽线的屏蔽层看 作为另一个传输导线，并把它视为基准线，供参考作用。整个双绞线就可以看作由两个电压和两个电流共同表征的形式，通过在不同频率下对双绞线两端的电压、电流等参数值的测量测量就可以得出双绞线的RLCG矩阵参数，在具体的拓扑结构中，dz可以跟具实际情况来设定，此处设置为单位长度。(2)耦合器的测试方法是用阻抗分析仪，根据1553B专用的耦合器的RLCG模型测试出以下参数磁化电感LI，初级漏感Lld，次级漏感L2d，初级分布电容Cld，次级分布电容C2d，绕组间电容C12，绕组电阻R，铁芯损耗等效电阻RC。具体测试方法如下a.磁化电感LI。阻抗分析仪用电感档位，耦合器次级开路，测得各个频率fi下的电感值；b.漏电感Lld、L2d。忽略分布电容的影响，耦合器次级短路，根据等效原理初级绕组也被短路，磁化电流很小，磁化电感和铁芯损耗远小于次级开路时，测试各个频率fi下的漏感值；c.变压器绕组间电容C12。选择电容档，将初级和次级绕组分别短路，阻抗分析仪的两臂分别接在初级和次级绕组的相对端，这样两臂之间测量的就是两绕组间的分布电容；d.初次级绕组的分布电容Cld、C2d。此电容无法直接测量，可以采用并联谐振点的方法测量，在次级开路的情况下，在初级对耦合器的阻抗进行扫频，得到阻抗曲线，曲线的峰值点就是磁化电感和初级分布电容共同作用的谐振点，利用公式计算出此时的初级分布电容。次级同理。e.铁芯损耗测量同磁化电感Re，用电阻档。绕组电阻的测量原理同漏电感，区别也是调到电阻档。至此，总线系统拓扑结构中节点之间的每一部分都可以用RLC电路来表示了，如图5所示。选取任意两个节点分别作为输入端和输出端，计算端端间的传输函数。④依次解得Si中各频率分量的输出；⑤叠加各频率分量的输出得到S0，与Si进行比较，预测畸变程度。
权利要求
1.一种1553B总线的频域失真预测信道建模方法，其特征是，包括如下步骤1553B总线的频域失真预测信道建模方法，包括如下步骤先将典型的作为输入信号的曼彻斯特码分解为一组正弦信号，并以每个正弦信号作为输入，输入到1553B总线系统，解得任意节点间的传输函数后得出各个输出的正弦信号，叠加该组信号以预测信号畸变程度，从而可以排除信号畸变程度大的节点，也就是不可用节点。
2.如权利要求I所述的1553B总线的频域失真预测信道建模方法，其特征是，所述步骤进一步细化为 ①将典型输入信号S即20bit的曼彻斯特码加同步头作周期扩展，求得其傅里叶级数； ②选取足够多的频点，使叠加的信号Si(fi)逼近原始信号S，其中Si(fi)表示在频点fi下的第i个正弦谐波输入信号； ③测得总线上各部分在上述各频点下的RLCG参数，将总线系统各部分等效为集总参数电路，解得节点间的传输函数； ④依次解得Si(fi)中各频率分量的输出； ⑤叠加各频率分量的输出得到SO(fi)，与Si进行比较，预测畸变程度，其中SO(fi)表示在频点fi下的输出信号； 在每个独立的频点下用RLCG模型或ABCD模型得到该频点下的系统模型，在通过不同频率的叠加来预测端到端的失真。
3.如权利要求I所述的1553B总线的频域失真预测信道建模方法，其特征是，测得总线上各部分在上述各频点下的RLCG参数具体为 (1)采用以下方法来得到双绞屏蔽线的RLCG参数 将双绞屏蔽线的屏蔽层看作为另一个传输导线，并把它视为基准线，供参考作用；整个双绞线看作由两个电压和两个电流共同表征的形式，通过在不同频率下对双绞线两端的电压、电流参数值的测量测量得出双绞线的RLCG矩阵参数，在具体的拓扑结构中，dz根据实际情况来设定，此处设置为单位长度； (2)耦合器的测试方法是用阻抗分析仪，根据1553B专用的耦合器的RLCG模型测试出以下参数磁化电感LI，初级漏感Lld，次级漏感L2d，初级分布电容Cld，次级分布电容C2d，绕组间电容C12，绕组电阻R，铁芯损耗等效电阻RC ;具体测试方法如下 a.磁化电感LI。阻抗分析仪用电感档位，耦合器次级开路，测得各个频率fi下的电感值； b.漏电感Lid、L2d，忽略分布电容的影响，耦合器次级短路，根据等效原理初级绕组也被短路，磁化电流很小，磁化电感和铁芯损耗远小于次级开路时，测试各个频率fi下的漏感值； c.变压器绕组间电容C12，选择电容档，将初级和次级绕组分别短路，阻抗分析仪的两臂分别接在初级和次级绕组的相对端，这样两臂之间测量的就是两绕组间的分布电容； d.初次级绕组的分布电容Cld、C2d。此电容无法直接测量，可以采用并联谐振点的方法测量，在次级开路的情况下，在初级对耦合器的阻抗进行扫频，得到阻抗曲线，曲线的峰值点就是磁化电感和初级分布电容共同作用的谐振点，利用公式ω=1/^ζ；计算出此时的初级分布电容，次级同理； e.铁芯损耗测量同磁化电感Re，用电阻档，绕组电阻的测量原理同漏电感，区别也是调到电阻档。
全文摘要
本发明属于通信技术领域。为提出能体现参数随频域变化且拓扑结构可灵活组合的频域失真预测模型，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，1553B总线的频域失真预测信道建模方法，包括如下步骤先将典型的作为输入信号的曼彻斯特码分解为一组正弦信号，并以每个正弦信号作为输入，输入到1553B总线系统，解得任意节点间的传输函数后得出各个输出的正弦信号，叠加该组信号以预测信号畸变程度，从而可以排除信号畸变程度大的节点，也就是不可用节点。本发明主要应用于得到1553B总线系统的失真预测模型。
文档编号H04L12/26GK102857389SQ20121027977
公开日2013年1月2日 申请日期2012年8月7日 优先权日2012年8月7日
发明者汪清, 侯永宏, 陈立刚, 高广杰, 王刚 申请人:天津大学