CN102932072A - 高动态卫星信道模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高动态卫星信道模拟器，属于卫星通信领域。该卫星信道模拟器由信道参数生成单元、信道模拟单元和射频单元构成。整个系统的工作原理为：计算机运行卫星信道模拟软件，配置卫星信道模型、通信频点、轨道参数、终端参数、环境参数，配置完毕后启动仿真程序。仿真程序运行过程中，生成的信道参数通过以太网络传送到卫星信道模拟单元，模拟单元把卫星信道参数加载到卫星通信设备发射的信号中，完成信道模拟实现，最后由射频单元把信号调制到射频。本发明主要目标是，在实验室条件下能够对卫星信道进行准确、实时的仿真，给卫星通信设备的研制提供成本可控、操作性强的信道模拟器。

Description

高动态卫星信道模拟器

技术领域：

本发明属于卫星通信领域，具体涉及一种高动态卫星信道模拟器。

背景技术：

在卫星通信系统设计、规划以及收发设备的预研阶段，需要对卫星与地面之间的通信信道特性进行分析和模拟，特别是在卫星处在低轨道运行情况下，卫星和接收机之间的相对速度、相对加速度都特别大，卫星信道具有高动态多普勒频移变换特性。

真实可靠的卫星信道特性需要通过卫星或者航天器进行实测，但这种方式资金消耗巨大、测试系统复杂、费时费力，国内外只有少数例如NASA这样的组织能够承担这样的实测，在设备预研的初期，由于技术上的不成熟和设备的不稳定，通过卫星搭载来进行信道特性分析也是不可行的。

实验室条件下科研人员可以通过对信道特性进行数学建模再用软件进行仿真模拟，良好的数学模型可以模拟卫星通信信道特性，国内外已有不少关于信道模型的研究成果。有三类分析模型被用来描述卫星信道，分别是经验模型、概率分布模型和几何模型。经验模型不能够解释传播过程的物理本质，但可以描述出对重要参数的敏感度；概率分布模型建立了对传播过程的理解，对实际情况做除了简化的假设，几何模型采用几何分析的方法，能预测单个或多个散射源的作用、解释衰落机制，但须将实际结果引申到实际的复杂情况。大多数经典模型都是将经验模型和概率分布模型相结合，形成具有统计接近度的统计模型，经典的统计模型有C.Loo模型、Corazza模型和Lutz模型。

信道仿真模型能够精确的模拟信道特性，但由于计算机运算量过大和没有通用的通信接口，致使单独的计算机无法完成实时信道的模拟。若要完成信道特性的实时仿真，通常采用计算机配合信道模拟器来解决。信道模拟器能够精确、实时、可重复地模拟卫星通信的信道特性，是一种相对成本可控、操作性强的信道模拟方式。目前国内外均有科研机构和公司进行信道模拟器的研发工作。

发明内容：

本发明实现了一种高动态卫星信道模拟器，支持对瑞利信道、莱斯信道、C.Loo信道模型、Corazza信道模型和Lutz信道模型的实时模拟，支持高动态多普勒频偏，支持最大多径数量为16径，支持最大多径延时为10ms、延时步进为10ns，并可完成中频、L波段、X波段的自由切换。

本发明具体技术方案如下：

本发明涉及一种高动态卫星信道模拟器，包括信道参数生成单元、信道模拟单元和射频单元构成。

所述信道参数生成单元由计算机和高动态卫星信道模拟软件组成，卫星信道模拟软件包括用户界面、信道参数生成模块、数据传输模块组成。

用户界面用于配置卫星信道模型、通信频点、轨道参数、终端参数、环境参数，其中卫星信道模型有以下选项瑞利信道、莱斯信道、C.Loo模型、Corazza模型和Lutz模型，通信频点为L波段和X波段任意频点，轨道参数包括轨道半长轴、轨道偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角、真近点角，终端参数包括经度、纬度、运行速度，环境参数包括城市密集区域、郊区较空旷区域、乡村开阔区域。

所述轨道半长轴，为椭圆轨道长轴的一半，它决定了卫星沿轨道飞行一周的时间；轨道偏心率，为轨道半焦距与半长轴之比；轨道倾角，描述了地球赤道平面与卫星运动平面的夹角；升交点赤经，为升交点与春分点相对地心的角距；近地点幅角，为近地点与升交点相对地心的角距；真近点角，为卫星位置与近地点相对地心的角距。

根据用户界面所提供的轨道参数，信道参数生成模块首先按照开普勒定律计算出卫星在轨道中的运行轨迹，然后根据信道模型、卫星运行轨迹、终端参数和环境参数，计算出信道特性参数，所述信道特性参数包括多普勒频偏、多径数量、多径延时、多径衰落和高斯白噪声信噪比。根据不同的信道模型，多普勒频偏最大为-100kHz到100kHz，多径数量最多为16径，最大多径延时为10ms，最小延时步进为10ns。

数据传输模块，首先把信道特性参数按特定顺序打包成帧，并对成帧后的数据进行CRC循环冗余校验编码，最后通过以太网驱动接口把编码后的数据发送给信道模拟单元。

所述信道模拟单元，由ARM控制板卡、实时信号处理板卡、DA转换板卡和外部机箱构成。所述机箱面板上有液晶显示屏、按键、USB接口、电源开关及插座、以太网口、BNC中频输入接口与BNC中频输出接口。所述ARM控制卡，包括ARM控制芯片、液晶屏接口、以太网接口、USB鼠标接口、ROM、IIC接口和SPI接口。所述实时信号处理板卡包括FPGA主芯片EP4CE115、电源电路、SMA时钟输入接口、IIC接口和SPI接口、SRAM芯片IS61WV102416BLL、AD芯片AD9254和LVDS数据接口。所述DA转换板卡，包括FPGA芯片EP3C16E114C7、DA芯片AD9779A、时钟电路、IIC接口、SMA时钟输出接口、LVDS数据接口和电源保护电路。所述时钟电路，给DA转换板卡和实时信号处理板卡提供准确稳定的时钟信息。

所述ARM控制板卡，功能是通过以太网接收信道参数生成单元所传的信道参数，对收到的参数进行CRC校验，通过SPI接口把信道参数传递给信号处理板，并通过IIC接口完成对信号处理板和DA转换板的中频控制。传送模式有两种，实时模式和文件模式。实时模式是把信道参数即使传递给信号处理板，文件模式是先把参数存成文件形式，存储到板上的ROM中，可以选择存储时间，最大为1000秒，然后反复播放该文件。

所述实时信号处理板，功能包括带通采样模块、降采样模块、多普勒频移模块、多径衰落模块功率检测模块、白噪声模块、SPI接收模块、数据传输模块，其中：带通采样模块用于通过AD芯片采集卫星中频设备输出的中频信号，并把中频信号下变频到基带信号，降采样模块用于降低基带信号的数据率，多普勒频移模块用于对基带信号加载多普勒频移参数，多径衰落模块用于加载多径参数，功率检测模块用于检测基带信号功率，白噪声模块根据信号功和信噪比生成限带白噪声，SPI模块用于接收ARM控制板卡所传递的信道参数，数据传输模块通过LVDS接口把基带信号传送给DA转换板卡。

所述DA转换板卡，功能包括数据接收模块、插值模块、中频调制模块，其中数据接收模块用于接收实时信号处理板发送的数据，插值模块把加载过信道参数的基带信号调整到适合DA芯片的数据率，中频调制模块用于配置DA芯片把基带信号调制到原中频。

所述射频单元，其特征在于，射频单元包括外部机箱和内部射频处理板卡；所述机箱面板上有BNC中频输入接口、BNC射频输出接口、控制面板以及电源接口；射频处理板卡把输入的中频信号调节到L波段、X波段任意频点。

本发明的技术效果：

可在实验室环境下，以较低成本实现卫星通信信道特性的实时仿真，并能支持多种经典信道模型，支持高动态多普勒频移，支持最大10毫秒多径延时，支持最小多径延时步进10纳秒，为卫星通信设备的研发提供了良好的支持。

附图说明：

图1是本发明系统总体结构图。

图2是卫星信道模拟软件结构图。

图3是本发明实时信号处理板硬件结构及DA转换板便件结构图。

图4是本发明信号处理板和DA转换板软件结构图。

图5是本发明多径延迟调整流程图。

图6是本发明信道参数帧结构图。

具体实施方式：

下面，结合附图详细说明本发明的实施方式。

图1为本发明系统总体结构图。由图可见，本发明由信道参数生成单元、信道模拟单元、射频单元组成。整个系统的工作原理为：使用者通过计算机运行卫星信道模拟软件，配置卫星信道模型、通信频点、轨道参数、终端参数、环境参数，配置完毕后启动仿真程序。仿真程序运行过程中，生成的信道参数通过以太网络传送到卫星信道模拟单元，由模拟单元完成信道模拟实现，最后由射频单元把信号调制到射频。

图2为本发明卫星信道模拟软件结构图。操作人员通过用户界面配置卫星信道模型、通信频点、轨道参数、终端参数、环境参数，其中卫星信道模型有以下选项瑞利信道、莱斯信道、C.Loo模型、Corazza模型和Lutz模型，通信频点为L波段和X波段任意频点，轨道参数包括轨道半长轴、轨道偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角、真近点角，终端参数包括经度、纬度、运行速度，环境参数包括城市密集区域、郊区较空旷区域、乡村开阔区域。轨道参数不断更新，并在人机界面上绘制出卫星运行的轨道和具体位置。根据用户界面所提供的轨道参数，信道参数生成模块首先按照开普勒定律计算出卫星在轨道中的运行轨迹，然后根据信道模型、卫星运行轨迹、终端参数和环境参数，计算出信道特性参数，并对参数进行帧结构调整，最后把成帧的参数通过以太网传输模块发送到信道模拟单元。

图3为本发明信号处理板及DA转换硬件结构图。

所述实时信号处理板包括FPGA主芯片EP4CE115、电源电路、SMA时钟输入接口、SPI接口、SRAM芯片IS61WV102416BLL、AD芯片AD9254和LVDS数据接口。其中SPI接口用于与ARM控制板卡连接传递信道参数，AD9254芯片用于采集前端卫星设备输出的中频信号，FPGA用于进行信号处理，SRAM芯片主要是用于存储基带信号完成延时调整，电源电路为整个电路提供供电，LVDS接口把处理后的基带信号发送到DA转换板。

所述DA转换板卡，包括FPGA芯片EP3C16E114C7、DA芯片AD9779A、高精度时钟电路、SMA时钟输出接口、LVDS数据接口和电源电路。FPGA主要完成插值、滤波、DA控制等功能，DA芯片是把数字信号转化成模拟信号，高精度时钟电路为DA板提供时钟源并通过SMA接口为信号处理板提供时钟，电源电路为DA转换板卡提供所需电源。

图4为本发明信号处理板和DA转换板软件结构。

所述实时信号处理板，功能包括带通采样模块、降采样模块、多普勒频移模块、多径衰落模块功率检测模块、白噪声模块、SPI接收模块、数据传输模块，其中：带通采样模块用于通过AD芯片采集卫星中频设备输出的中频信号，并把中频信号下变频到基带信号，降采样模块用于降低基带信号的数据率，多普勒频移模块用于对基带信号加载多普勒频移参数，多径衰落模块用于加载多径参数，功率检测模块用于检测基带信号功率，白噪声模块根据信号功和信噪比生成限带白噪声，SPI模块用于接收ARM控制板卡所传递的信道参数，数据传输模块通过LVDS接口把基带信号传送给DA转换板卡。

所述DA转换板卡，功能包括数据接收模块、插值模块、中频调制模块，其中数据接收模块用于接收实时信号处理板发送的数据，插值模块把加载过信道参数的基带信号调整到适合DA芯片的数据率，中频调制模块用于配置DA芯片把基带信号调制到原中频。

图5为本发明多径延迟调整流程图。多径模块首先把混频后的基带数据循环存储到SRAM里面。延时参数解析把参数分为粗调整参数和细调整参数两部分，可以整除基带数据率的用粗延时参数表示，不能整除的就是细延时参数。粗延时调整，用控制读取SRAM地址来完成；细延时调整用多相滤波来调整，这样就可以达到精细延时的效果。本发明中，基带数据率为1.5625MHz，那么一个采样周期是640ns，SRAM需要至少地址为15625的存储空间，才能完成10ms的延时，为了寻址方便，采用0——16383个地址。本发明中，由于一个采样周期是640ns，但是延迟步进要10ns，就需要一个可以64相位调整的多相滤波器来完成精细延时调整，就有64组滤波器系数来选择。

图6为本发明信道参数帧结构。第一字段表示信噪比，范围为-10——10dB，步进为0.1dB，分别用0000_0000——1100_1001表示，所需长度为8比特。第二字段表示多普勒频移，给出当前时刻的多普勒频偏，可选范围为-100KHz——100KHz，步进为1Hz，用00_0000_0000_0000_0000——11_0000_0110_1010_0000表示，每个字段需要18比特。第三字段延时范围为0——10ms，步进为10ns，用0_0000_0000_0000_0000——1_1000_0110_1010_0000表示，每个字段需要17比特。第四字段表示第一径衰落，支持相对功率衰减0——40dB，步进0.1dB，用0_0000_0000——1_1001_0000表示，需要9比特。后面几个字段，依次表示第2-16径的延时和衰减。最后一个字段，表示CRC校验，共32比特。综上所述一帧共需要474比特。

高动态卫星信道拟器一个具体实施案例如下：

该实施场景是包含一颗地轨道卫星、地面移动接收机所组成的通信系统，卫星设备中频为30MHz，射频为8GHz。为了在实验室完成对卫星通信设备的测试，可按照以下步骤进行评估：

1、将卫星通信设备、计算机、信道模拟单元、射频单元按照图1的方式连接，并把射频单元的射频频点调整到8GHz上。信道模拟单元要在USB接口上插入鼠标。

2、通过PC界面，设置卫星信道模型为Lutz，通信频点为8GHz，根据地轨道卫星来计算轨道参数(半轴长为6600KM/轨道偏心率为0/轨道倾角为60度/右升节点经度为90度/近地点幅角为0度/真近角点为60度)，终端参数为经度纬度分别为东经40度、北纬110度终和速度40KM每小时、环境参数为郊区较空旷区域。选定好上述参数后，运行程序。

3、用鼠标配置信道模拟单元，在液晶屏上选择中频30MHz和存储文件模式。这样ARM控制板就通过IIC接口对信号处理板和DA转换板进行中频配置。

4、根据ARM板发送的配置信息，信号处理板首先进行25MHz带通采样，把30MHz中频信号搬移到5MHz中频上来，然后进行频谱搬移把5MHz中频搬移到基带信号上来，接着是对基带数据进行16倍抽取把25M采样率的数据转换成1.5625M数据率的基带信号。多普勒频移模块根据当前参数产生正弦波，然后与基带信号进行混频，例如当前参数为15KHz，那么用一个15KHz的正弦波与基带信号进行混频，得到带有频偏的基带信号后传给后面的多径模块。

多径模块首先把混频后的基带数据循环存储到SRAM里面，SRAM地址为0～16383。假设第二径延时参数为192150ns，把参数分为粗延时和细延时两部分，由于基带信号数据率是1.5625MHz，对应每个样点是640ns，192150除以640得300余数是150，300就是粗延时参数，150就是细延时参数。假设当前写SRAM地址为1000，那么第二径读地址就是1000-300得700。由于细延时参数为150，那么经过粗延时得到的数据就进行第15个相位的滤波，这样就可以达到精细延时的效果。以此类推，其他多径也是相同的过程。

功率检测模块对16倍抽取后的基带数据进行功率估计，然后根据当前信噪比参数，算出白噪声的功率，生成白噪声与多径后的信号叠加。然后把信号通过LVDS模块传送到DA转换板上。

DA转换板接收基带处理板收到的数据后，首先对数据进行64倍插值，这样数据率变为100MHz，然后数据进行30MHz的中频处理，再通过DA芯片输出。

5、中频输出通过射频单元，就能把信号调制到8GHz的频率上。

通过上述步骤，就能完成一个地轨道、高动态卫星信道的实时模拟。

Claims (7)

1.一种高动态卫星信道模拟器，其特征在于，它由信道参数生成单元、信道模拟单元和射频单元构成；

所述信道参数生成单元，由计算机和高动态卫星信道仿真软件组成，所述卫星信道仿真软件，包括用户界面、信道参数生成模块和数据传输模块构成，其中：用户界面用于配置卫星信道模型、通信频点、轨道参数、终端参数和环境参数，信道参数生成模块根据上述配置进行仿真，生成卫星在轨道运行中与地面接收终端之间的信道参数，数据传输模块把通过以太网口把信道参数传给信道模拟单元；

所述卫星信道模型为瑞利信道、莱斯信道、C.Loo模型、Corazza模型和Lutz模型的一种，所述通信频点为L波段和X波段内的任意一个频点，所述轨道参数包括轨道半长轴、轨道偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角、真近点角，所述终端参数包括经度、纬度、运行速度，所述环境参数包括城市密集区域、郊区较空旷区域、乡村开阔区域；所述信道参数包括卫星在高速运动状态下产生的多普勒频移、由于反射或折射产生的多径衰落和高斯白噪声信噪比，其中多径衰落包括多径数量、每路多径延时和每路多径衰落；

所述信道模拟单元，包括带通采样模块、降采样模块、多普勒频移模块、多径衰落模块、功率检测模块、白噪声模块、以太网接收模块、插值模块、中频调制模块，其中：带通采样模块用于采集卫星中频设备输出的中频信号，把中频信号下变频到基带信号，降采样模块用于降低基带信号的数据率，多普勒频移模块用于对基带信号加载多普勒频移参数，多径衰落模块用于加载多径参数，功率检测模块用于检测基带信号功率，白噪声模块根据信号功和高斯白噪声信噪比生成限带白噪声，以太网模块用于接收信道参数生成单元所传递的信道参数，插值模块把加载过信道参数的基带信号调整到高的数据率，中频调制模块用于把基带信号调制到原中频；

所述射频单元，用于把中频信号调制到L波段或X波段的任意频点。

2.根据权利要求1所述信道模拟单元，其特征在于，包括外部机箱和内部的ARM控制板卡、实时信号处理板卡和DA转换板卡；所述机箱前面板上有电源开关及插座、以太网口、BNC中频输入接口和BNC中频输出接口；所述ARM控制板卡，包括ARM芯片、液晶屏接口、以太网接口、USB鼠标接口、ROM、IIC接口和SPI接口；所述实时信号处理板卡包括FPGA主芯片EP4CE115、电源电路、SMA时钟输入接口、IIC接口和SPI接口、SRAM芯片IS61WV102416BLL、AD芯片AD9254和LVDS数据接口；所述DA转换板卡，包括FPGA芯片EP3C16E114C7、DA芯片AD9779A、时钟电路、IIC接口、SMA时钟输出接口、LVDS数据接口和电源保护电路。

3.根据权利要求1和2所述信道模拟单元，其特征在于，所述中频信号下变频到基带信号的过程，通过带通采样可完成30兆中频或者70兆中频的下变频，实时信号板处理卡通过AD采集芯片，把模拟中频信号采集到FPGA芯片中。

4.根据权利要求1和2所述的信道模拟单元，其特征在于，信道参数生成单元通过以太网口，把多径衰落下载到ARM控制板卡上，再由ARM控制板通过SPI接口把多径衰落下载到实时信号处理板卡；FPGA主芯片根据多径衰落中的每路多径延时，对多信号进行延时处理，每路多径延时可分为粗延时和细延时两部分，其中：粗延时是把基带信号存入SRAM中，通过控制数据的读写地址来完成对基带信号的时延控制，细延时是为了满足更精确的时延步进，通过多相滤波器来满足一个时钟周期内的延时调整。

5.根据权利要求1和2所述信道模拟单元，信道参数生成单元通过以太网口，把多普勒频移和高斯白噪声信噪比下载到ARM控制板上，再由ARM控制板通过SPI接口把多普勒频移和高斯白噪声信噪比下载到实时信号处理板卡；根据多普勒频移，对信号进行频移处理；根据基带信号的功率和高斯白噪声信噪比计算出白噪声功率，再根据白噪声功率生成限带白噪声与多径衰落模块处理后的信号叠加，完成白噪声处理。

6.根据权利要求1和2所述信道模拟单元，其特征在于，实时信号处理板把加载过信道参数的基带信号，通过LVDS数据接口，传递给DA转换板卡，DA转换板卡首先对基带信号进行插值处理，然后把插值后的数据通过DA芯片调制到原30兆或者70兆中频上。

7.根据权利要求1所述射频单元，其特征在于，射频单元包括外部机箱和内部射频处理板卡；所述机箱面板上有BNC中频输入接口和BNC射频输出接口以及电源接口；射频处理板卡把输入的中频信号调节到L波段、X波段任意频点。

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