高動態衛星信道模擬器的製作方法
2023-07-09 22:34:16 2
專利名稱：高動態衛星信道模擬器的製作方法
技術領域：
本發明屬於衛星通信領域，具體涉及一種高動態衛星信道模擬器。
背景技術：
在衛星通信系統設計、規劃以及收發設備的預研階段，需要對衛星與地面之間的通信信道特性進行分析和模擬，特別是在衛星處在低軌道運行情況下，衛星和接收機之間的相對速度、相對加速度都特別大，衛星信道具有高動態都卜勒頻移變換特性。真實可靠的衛星信道特性需要通過衛星或者太空飛行器進行實測，但這種方式資金消耗巨大、測試系統複雜、費時費力，國內外只有少數例如NASA這樣的組織能夠承擔這樣的實測，在設備預研的初期，由於技術上的不成熟和設備的不穩定，通過衛星搭載來進行信道特性分析也是不可行的。 實驗室條件下科研人員可以通過對信道特性進行數學建模再用軟體進行仿真模擬，良好的數學模型可以模擬衛星通信信道特性，國內外已有不少關於信道模型的研究成果。有三類分析模型被用來描述衛星信道，分別是經驗模型、概率分布模型和幾何模型。經驗模型不能夠解釋傳播過程的物理本質，但可以描述出對重要參數的敏感度；概率分布模型建立了對傳播過程的理解，對實際情況做除了簡化的假設，幾何模型採用幾何分析的方法，能預測單個或多個散射源的作用、解釋衰落機制，但須將實際結果引申到實際的複雜情況。大多數經典模型都是將經驗模型和概率分布模型相結合，形成具有統計接近度的統計模型，經典的統計模型有c. Loo模型、Corazza模型和Lutz模型。信道仿真模型能夠精確的模擬信道特性，但由於計算機運算量過大和沒有通用的通信接口，致使單獨的計算機無法完成實時信道的模擬。若要完成信道特性的實時仿真，通常採用計算機配合信道模擬器來解決。信道模擬器能夠精確、實時、可重複地模擬衛星通信的信道特性，是一種相對成本可控、操作性強的信道模擬方式。目前國內外均有科研機構和公司進行信道模擬器的研發工作。
發明內容
本發明實現了一種高動態衛星信道模擬器，支持對瑞利信道、萊斯信道、C. Loo信道模型、Corazza信道模型和Lutz信道模型的實時模擬，支持高動態都卜勒頻偏，支持最大多徑數量為16徑，支持最大多徑延時為10ms、延時步進為10ns，並可完成中頻、L波段、X波段的自由切換。本發明具體技術方案如下本發明涉及一種高動態衛星信道模擬器，包括信道參數生成單元、信道模擬單元和射頻單元構成。所述信道參數生成單元由計算機和高動態衛星信道模擬軟體組成，衛星信道模擬軟體包括用戶界面、信道參數生成模塊、數據傳輸模塊組成。用戶界面用於配置衛星信道模型、通信頻點、軌道參數、終端參數、環境參數，其中衛星信道模型有以下選項瑞利信道、萊斯信道、c. Loo模型、Corazza模型和Lutz模型，通信頻點為L波段和X波段任意頻點，軌道參數包括軌道半長軸、軌道偏心率、軌道傾角、升交點赤經、近地點幅角、真近點角，終端參數包括經度、緯度、運行速度,環境參數包括城市密集區域、郊區較空曠區域、鄉村開闊區域。所述軌道半長軸，為橢圓軌道長軸的一半，它決定了衛星沿軌道飛行一周的時間；軌道偏心率，為軌道半焦距與半長軸之比；軌道傾角，描述了地球赤道平面與衛星運動平面的夾角；升交點赤經，為升交點與春分點相對地心的角距；近地點幅角，為近地點與升交點相對地心的角距；真近點角，為衛星位置與近地點相對地心的角距。根據用戶界面所提供的軌道參數，信道參數生成模塊首先按照克卜勒定律計算出衛星在軌道中的運行軌跡，然後根據信道模型、衛星運行軌跡、終端參數和環境參數，計算出信道特性參數，所述信道特性參數包括都卜勒頻偏、多徑數量、多徑延時、多徑衰落和高斯白噪聲信噪比。根據不同的信道模型，都卜勒頻偏最大為-IOOkHz到100kHz，多徑數量 最多為16徑,最大多徑延時為IOms,最小延時步進為10ns。數據傳輸模塊，首先把信道特性參數按特定順序打包成幀，並對成幀後的數據進行CRC循環冗餘校驗編碼，最後通過乙太網驅動接口把編碼後的數據發送給信道模擬單
J Li ο所述信道模擬單元，由ARM控制板卡、實時信號處理板卡、DA轉換板卡和外部機箱構成。所述機箱面板上有液晶顯示屏、按鍵、USB接口、電源開關及插座、乙太網口、BNC中頻輸入接口與BNC中頻輸出接口。所述ARM控制卡，包括ARM控制晶片、液晶屏接口、乙太網接口、USB滑鼠接口、ROM、IIC接口和SPI接口。所述實時信號處理板卡包括FPGA主晶片EP4CE115、電源電路、SMA 時鐘輸入接口、IIC接口和 SPI 接口、SRAM 晶片 IS61WV102416BLL、AD晶片AD9254和LVDS數據接口。所述DA轉換板卡，包括FPGA晶片EP3C16E114C7、DA晶片AD9779A、時鐘電路、IIC接口、SMA時鐘輸出接口、LVDS數據接口和電源保護電路。所述時鐘電路，給DA轉換板卡和實時信號處理板卡提供準確穩定的時鐘信息。所述ARM控制板卡，功能是通過乙太網接收信道參數生成單元所傳的信道參數，對收到的參數進行CRC校驗，通過SPI接口把信道參數傳遞給信號處理板，並通過IIC接口完成對信號處理板和DA轉換板的中頻控制。傳送模式有兩種,實時模式和文件模式。實時模式是把信道參數即使傳遞給信號處理板，文件模式是先把參數存成文件形式，存儲到板上的ROM中，可以選擇存儲時間，最大為1000秒，然後反覆播放該文件。所述實時信號處理板，功能包括帶通採樣模塊、降採樣模塊、都卜勒頻移模塊、多徑衰落模塊功率檢測模塊、白噪聲模塊、SPI接收模塊、數據傳輸模塊，其中帶通採樣模塊用於通過AD晶片採集衛星中頻設備輸出的中頻信號，並把中頻信號下變頻到基帶信號，降採樣模塊用於降低基帶信號的數據率，都卜勒頻移模塊用於對基帶信號加載都卜勒頻移參數，多徑衰落模塊用於加載多徑參數，功率檢測模塊用於檢測基帶信號功率，白噪聲模塊根據信號功和信噪比生成限帶白噪聲，SPI模塊用於接收ARM控制板卡所傳遞的信道參數，數據傳輸模塊通過LVDS接口把基帶信號傳送給DA轉換板卡。所述DA轉換板卡，功能包括數據接收模塊、插值模塊、中頻調製模塊，其中數據接收模塊用於接收實時信號處理板發送的數據，插值模塊把加載過信道參數的基帶信號調整到適合DA晶片的數據率，中頻調製模塊用於配置DA晶片把基帶信號調製到原中頻。
所述射頻單元，其特徵在於，射頻單元包括外部機箱和內部射頻處理板卡；所述機箱面板上有BNC中頻輸入接口、BNC射頻輸出接口、控制面板以及電源接口 ；射頻處理板卡把輸入的中頻信號調節到L波段、X波段任意頻點。本發明的技術效果可在實驗室環境下，以較低成本實現衛星通信信道特性的實時仿真，並能支持多種經典信道模型，支持高動態都卜勒頻移，支持最大10毫秒多徑延時，支持最小多徑延時步進10納秒，為衛星通信設備的研發提供了良好的支持。
圖I是本發明系統總體結構圖。圖2是衛星信道模擬軟體結構圖。 圖3是本發明實時信號處理板硬體結構及DA轉換板便件結構圖。圖4是本發明信號處理板和DA轉換板軟體結構圖。圖5是本發明多徑延遲調整流程圖。圖6是本發明信道參數幀結構圖。
具體實施例方式下面，結合附圖詳細說明本發明的實施方式。圖I為本發明系統總體結構圖。由圖可見，本發明由信道參數生成單元、信道模擬單元、射頻單元組成。整個系統的工作原理為使用者通過計算機運行衛星信道模擬軟體，配置衛星信道模型、通信頻點、軌道參數、終端參數、環境參數，配置完畢後啟動仿真程序。仿真程序運行過程中，生成的信道參數通過乙太網絡傳送到衛星信道模擬單元，由模擬單元完成信道模擬實現，最後由射頻單元把信號調製到射頻。圖2為本發明衛星信道模擬軟體結構圖。操作人員通過用戶界面配置衛星信道模型、通信頻點、軌道參數、終端參數、環境參數，其中衛星信道模型有以下選項瑞利信道、萊斯信道、C. Loo模型、Corazza模型和Lutz模型，通信頻點為L波段和X波段任意頻點，軌道參數包括軌道半長軸、軌道偏心率、軌道傾角、升交點赤經、近地點幅角、真近點角，終端參數包括經度、緯度、運行速度，環境參數包括城市密集區域、郊區較空曠區域、鄉村開闊區域。軌道參數不斷更新，並在人機界面上繪製出衛星運行的軌道和具體位置。根據用戶界面所提供的軌道參數，信道參數生成模塊首先按照克卜勒定律計算出衛星在軌道中的運行軌跡，然後根據信道模型、衛星運行軌跡、終端參數和環境參數，計算出信道特性參數，並對參數進行幀結構調整，最後把成幀的參數通過乙太網傳輸模塊發送到信道模擬單元。圖3為本發明信號處理板及DA轉換硬體結構圖。所述實時信號處理板包括FPGA主晶片EP4CE115、電源電路、SMA時鐘輸入接口、SPI 接口、SRAM 晶片 IS61WV102416BLL、AD 晶片 AD9254 和 LVDS 數據接口。其中 SPI 接口用於與ARM控制板卡連接傳遞信道參數，AD9254晶片用於採集前端衛星設備輸出的中頻信號，FPGA用於進行信號處理，SRAM晶片主要是用於存儲基帶信號完成延時調整，電源電路為整個電路提供供電，LVDS接口把處理後的基帶信號發送到DA轉換板。所述DA轉換板卡，包括FPGA晶片EP3C16E114C7、DA晶片AD9779A、高精度時鐘電路、SMA時鐘輸出接口、LVDS數據接口和電源電路。FPGA主要完成插值、濾波、DA控制等功能，DA晶片是把數位訊號轉化成模擬信號，高精度時鐘電路為DA板提供時鐘源並通過SMA接口為信號處理板提供時鐘，電源電路為DA轉換板卡提供所需電源。圖4為本發明信號處理板和DA轉換板軟體結構。所述實時信號處理板，功能包括帶通採樣模塊、降採樣模塊、都卜勒頻移模塊、多徑衰落模塊功率檢測模塊、白噪聲模塊、SPI接收模塊、數據傳輸模塊，其中帶通採樣模塊用於通過AD晶片採集衛星中頻設備輸出的中頻信號，並把中頻信號下變頻到基帶信號，降採樣模塊用於降低基帶信號的數據率，都卜勒頻移模塊用於對基帶信號加載都卜勒頻移參數，多徑衰落模塊用於加載多徑參數，功率檢測模塊用於檢測基帶信號功率，白噪聲模塊根據信號功和信噪比生成限帶白噪聲，SPI模塊用於接收ARM控制板卡所傳遞的信道參數，數據傳輸模塊通過LVDS接口把基帶信號傳送給DA轉換板卡。 所述DA轉換板卡，功能包括數據接收模塊、插值模塊、中頻調製模塊,其中數據接收模塊用於接收實時信號處理板發送的數據，插值模塊把加載過信道參數的基帶信號調整到適合DA晶片的數據率，中頻調製模塊用於配置DA晶片把基帶信號調製到原中頻。圖5為本發明多徑延遲調整流程圖。多徑模塊首先把混頻後的基帶數據循環存儲到SRAM裡面。延時參數解析把參數分為粗調整參數和細調整參數兩部分，可以整除基帶數據率的用粗延時參數表示，不能整除的就是細延時參數。粗延時調整，用控制讀取SRAM地址來完成；細延時調整用多相濾波來調整，這樣就可以達到精細延時的效果。本發明中，基帶數據率為I. 5625MHz，那麼一個採樣周期是640ns，SRAM需要至少地址為15625的存儲空間，才能完成IOms的延時，為了尋址方便，採用O——16383個地址。本發明中，由於一個採樣周期是640ns，但是延遲步進要10ns，就需要一個可以64相位調整的多相濾波器來完成精細延時調整，就有64組濾波器係數來選擇。圖6為本發明信道參數幀結構。第一欄位表示信噪比，範圍為-10——IOdB,步進為O. IdB,分別用0000_0000——1100_1001表示，所需長度為8比特。第二欄位表示都卜勒頻移，給出當前時刻的都卜勒頻偏，可選範圍為-ΙΟΟΚΗζ——ΙΟΟΚΗζ，步進為
IHz，用 00_0000_0000_0000_0000-11_0000_0110_1010_0000 表示，每個欄位需要 18
比特。第三欄位延時範圍為O——10ms，步進為10ns，用0_0000_0000_0000_0000——1_1000_0110_1010_0000表示，每個欄位需要17比特。第四欄位表示第一徑衰落，支持相對
功率衰減O-40dB，步進O. ldB，用0_0000_0000-1_1001_0000表示，需要9比特。後
面幾個欄位，依次表示第2-16徑的延時和衰減。最後一個欄位，表示CRC校驗，共32比特。綜上所述一幀共需要474比特。高動態衛星信道擬器一個具體實施案例如下該實施場景是包含一顆地軌道衛星、地面移動接收機所組成的通信系統，衛星設備中頻為30MHz，射頻為8GHz。為了在實驗室完成對衛星通信設備的測試，可按照以下步驟進行評估I、將衛星通信設備、計算機、信道模擬單元、射頻單元按照圖I的方式連接，並把射頻單元的射頻頻點調整到8GHz上。信道模擬單元要在USB接口上插入滑鼠。2、通過PC界面，設置衛星信道模型為Lutz，通信頻點為8GHz，根據地軌道衛星來計算軌道參數(半軸長為6600KM/軌道偏心率為0/軌道傾角為60度/右升節點經度為90度/近地點幅角為O度/真近角點為60度)，終端參數為經度緯度分別為東經40度、北緯110度終和速度40KM每小時、環境參數為郊區較空曠區域。選定好上述參數後，運行程序。3、用滑鼠配置信道模擬單元，在液晶屏上選擇中頻30MHz和存儲文件模式。這樣ARM控制板就通過IIC接口對信號處理板和DA轉換板進行中頻配置。4、根據ARM板發送的配置信息，信號處理板首先進行25MHz帶通採樣，把30MHz中頻信號搬移到5MHz中頻上來，然後進行頻譜搬移把5MHz中頻搬移到基帶信號上來，接著是對基帶數據進行16倍抽取把25M採樣率的數據轉換成I. 5625M數據率的基帶信號。都卜勒頻移模塊根據當前參數產生正弦波，然後與基帶信號進行混頻，例如當前參數為15KHz，那麼用一個15KHz的正弦波與基帶信號進行混頻，得到帶有頻偏的基帶信號後傳給後面的多徑模塊。多徑模塊首先把混頻後的基帶數據循環存儲到SRAM裡面，SRAM地址為O 16383。假設第二徑延時參數為192150ns，把參數分為粗延時和細延時兩部分，由於基帶信號數據率是I. 5625MHz，對應每個樣點是640ns，192150除以640得300餘數是150，300就是粗延時參數，150就是細延時參數。假設當前寫SRAM地址為1000，那麼第二徑讀地址就是1000-300得700。由於細延時參數為150，那麼經過粗延時得到的數據就進行第15個相位的濾波，這樣就可以達到精細延時的效果。以此類推，其他多徑也是相同的過程。功率檢測模塊對16倍抽取後的基帶數據進行功率估計，然後根據當前信噪比參數，算出白噪聲的功率，生成白噪聲與多徑後的信號疊加。然後把信號通過LVDS模塊傳送到DA轉換板上。DA轉換板接收基帶處理板收到的數據後，首先對數據進行64倍插值，這樣數據率變為100MHz，然後數據進行30MHz的中頻處理，再通過DA晶片輸出。5、中頻輸出通過射頻單元，就能把信號調製到8GHz的頻率上。通過上述步驟，就能完成一個地軌道、高動態衛星信道的實時模擬。
權利要求
1.一種高動態衛星信道模擬器，其特徵在於，它由信道參數生成單元、信道模擬單元和射頻單元構成； 所述信道參數生成單元，由計算機和高動態衛星信道仿真軟體組成，所述衛星信道仿真軟體，包括用戶界面、信道參數生成模塊和數據傳輸模塊構成，其中用戶界面用於配置衛星信道模型、通信頻點、軌道參數、終端參數和環境參數，信道參數生成模塊根據上述配置進行仿真，生成衛星在軌道運行中與地面接收終端之間的信道參數，數據傳輸模塊把通過乙太網口把信道參數傳給信道模擬單元； 所述衛星信道模型為瑞利信道、萊斯信道、C. Loo模型、Corazza模型和Lutz模型的一種，所述通信頻點為L波段和X波段內的任意一個頻點，所述軌道參數包括軌道半長軸、軌道偏心率、軌道傾角、升交點赤經、近地點幅角、真近點角,所述終端參數包括經度、緯度、運行速度，所述環境參數包括城市密集區域、郊區較空曠區域、鄉村開闊區域；所述信道參數包括衛星在高速運動狀態下產生的都卜勒頻移、由於反射或折射產生的多徑衰落和高斯白噪聲信噪比，其中多徑衰落包括多徑數量、每路多徑延時和每路多徑衰落； 所述信道模擬單元，包括帶通採樣模塊、降採樣模塊、都卜勒頻移模塊、多徑衰落模塊、功率檢測模塊、白噪聲模塊、乙太網接收模塊、插值模塊、中頻調製模塊，其中帶通採樣模塊用於採集衛星中頻設備輸出的中頻信號，把中頻信號下變頻到基帶信號，降採樣模塊用於降低基帶信號的數據率，都卜勒頻移模塊用於對基帶信號加載都卜勒頻移參數，多徑衰落模塊用於加載多徑參數，功率檢測模塊用於檢測基帶信號功率，白噪聲模塊根據信號功和高斯白噪聲信噪比生成限帶白噪聲，乙太網模塊用於接收信道參數生成單元所傳遞的信道參數，插值模塊把加載過信道參數的基帶信號調整到高的數據率，中頻調製模塊用於把基帶信號調製到原中頻； 所述射頻單元，用於把中頻信號調製到L波段或X波段的任意頻點。
2.根據權利要求I所述信道模擬單元，其特徵在於，包括外部機箱和內部的ARM控制板卡、實時信號處理板卡和DA轉換板卡；所述機箱前面板上有電源開關及插座、乙太網口、BNC中頻輸入接口和BNC中頻輸出接口；所述ARM控制板卡，包括ARM晶片、液晶屏接口、乙太網接口、USB滑鼠接口、ROM、IIC接口和SPI接口 ；所述實時信號處理板卡包括FPGA主晶片EP4CE115、電源電路、SMA時鐘輸入接口、IIC接口和SPI接口、SRAM晶片IS61WV102416BLL、AD晶片AD9254和LVDS數據接口 ；所述DA轉換板卡，包括FPGA晶片EP3C16E114C7、DA晶片AD9779A、時鐘電路、IIC接口、SMA時鐘輸出接口、LVDS數據接口和電源保護電路。
3.根據權利要求I和2所述信道模擬單元，其特徵在於，所述中頻信號下變頻到基帶信號的過程，通過帶通採樣可完成30兆中頻或者70兆中頻的下變頻，實時信號板處理卡通過AD採集晶片，把模擬中頻信號採集到FPGA晶片中。
4.根據權利要求I和2所述的信道模擬單元，其特徵在於，信道參數生成單元通過乙太網口，把多徑衰落下載到ARM控制板卡上，再由ARM控制板通過SPI接口把多徑衰落下載到實時信號處理板卡；FPGA主晶片根據多徑衰落中的每路多徑延時，對多信號進行延時處理，每路多徑延時可分為粗延時和細延時兩部分，其中粗延時是把基帶信號存入SRAM中，通過控制數據的讀寫地址來完成對基帶信號的時延控制，細延時是為了滿足更精確的時延步進，通過多相濾波器來滿足一個時鐘周期內的延時調整。
5.根據權利要求I和2所述信道模擬單元，信道參數生成單元通過乙太網口，把都卜勒頻移和高斯白噪聲信噪比下載到ARM控制板上，再由ARM控制板通過SPI接口把都卜勒頻移和高斯白噪聲信噪比下載到實時信號處理板卡；根據都卜勒頻移，對信號進行頻移處理；根據基帶信號的功率和高斯白噪聲信噪比計算出白噪聲功率，再根據白噪聲功率生成限帶白噪聲與多徑衰落模塊處理後的信號疊加，完成白噪聲處理。
6.根據權利要求I和2所述信道模擬單元，其特徵在於，實時信號處理板把加載過信道參數的基帶信號，通過LVDS數據接口，傳遞給DA轉換板卡，DA轉換板卡首先對基帶信號進行插值處理，然後把插值後的數據通過DA晶片調製到原30兆或者70兆中頻上。
7.根據權利要求I所述射頻單元，其特徵在於，射頻單元包括外部機箱和內部射頻處理板卡；所述機箱面板上有BNC中頻輸入接口和BNC射頻輸出接口以及電源接口 ；射頻處理板卡把輸入的中頻信號調節到L波段、X波段任意頻點。
全文摘要
本發明公開了一種高動態衛星信道模擬器，屬於衛星通信領域。該衛星信道模擬器由信道參數生成單元、信道模擬單元和射頻單元構成。整個系統的工作原理為計算機運行衛星信道模擬軟體，配置衛星信道模型、通信頻點、軌道參數、終端參數、環境參數，配置完畢後啟動仿真程序。仿真程序運行過程中，生成的信道參數通過乙太網絡傳送到衛星信道模擬單元，模擬單元把衛星信道參數加載到衛星通信設備發射的信號中，完成信道模擬實現，最後由射頻單元把信號調製到射頻。本發明主要目標是，在實驗室條件下能夠對衛星信道進行準確、實時的仿真，給衛星通信設備的研製提供成本可控、操作性強的信道模擬器。
文檔編號H04B17/00GK102932072SQ20121027944
公開日2013年2月13日 申請日期2012年8月8日 優先權日2012年8月8日
發明者陳超, 楊佔昕, 徐偉掌, 李正祥, 盧起斌, 鄧綸暉 申請人:中國傳媒大學