CN103825662B - 电离层色散效应模拟器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的一种电离层色散效应模拟器，通过下述方案实现：FPGA中设有两级有限冲击响应数字滤波器FIR1和FIR2；经模数转换器A/D转换后的数字中频信号，通过第一级有限冲击响应数字滤波器FIR1完成对通道初始群延时的均衡，再到第二级有限冲击响应数字滤波器FIR2完成向目标函数确定的色散效应曲线逼近，DSP根据有限冲击响应数字滤波器群延时与频率响应函数中抽头系数的对应关系进行设计与控制，通过控制FPGA中滤波器FIR1的抽头系数和滤波器FIR2的抽头系数，控制滤波器的群延时影响信号通道群延时，实现对宽带无线电信号经过空中传输在电离层产生色散效应的模拟。本发明简单可靠、耗费硬件资源小，无需预知信号特征，适应多种体制的信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种电离层色散效应模拟器。
背景技术
电离层色散现象是无线电信号穿过电离层后在时间和空间上发生畸变与脉冲展宽的现象。电离层中的电离媒质会对无线电波产生电离作用，称之为背景电离作用，背景电离作用使得电离层的折射指数变得与频率有关；电离层区域内因为紫外线使部分气体分子电离化释放出自由电子，电离层中带电粒子的存在减缓了无线电信号的传播速度；电离层存在各种尺度的电子密度不规则体结构，使不同频率成分的无线电信号在电离层传播时，具有不同的相速度和相位关系；电离层闪烁引起信号的振幅、相位和到达角发生短周期的不规则变化；另外，地磁场的影响使电离层呈现各向异性,穿过电离层传播后的信号极化面发生法拉第极化旋转现象,造成信号延迟和折射角的变化。电离层是各向异性的色散介质，一个包含较宽频谱的无线电信号通过电离层传播时，不同频率成分的相速度、相位关系、折射率都各不同，穿过电离层的信号在时间和空间上都会发生畸变与失真,产生色散现象。研究表明，色散效应主要与信号频率、路径上的等效电子浓度和入射电波的倾斜角等因素有关，电离层色散效应随信号相对带宽的增加而增强。
色散效应对无线电信号特性和质量的影响需要事先进行评估，宽带无线电测控系统、新体制信号特别是宽带的跳扩信号在经过色散介质传播时，其性能指标是否受到影响，影响程度有多大，需要一套能够模拟色散效应的模拟器来进行验证，目前市面上尚无满足上述需求的货架产品，给测控技术的发展特别是测控新体制的建立和应用带来诸多不便，因此需要开发一套具有模拟色散效应功能的模拟器，模拟出一个高度逼真的空间环境，来验证系统功能指标，检验设备状态。
发明内容
本发明的任务是针对上述现有技术存在的问题以及测控技术发展的需求，提出一种简单可靠、耗费硬件资源小，能够适应多种体制，高度逼真地模拟宽带无线电信号通过电离层产生色散效应的方法。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种电离层色散效应模拟器，包括现场可编程门阵列FPGA、与FPGA相连的数字信号处理器DSP，以及通过CPCI总线与DSP相连的监控处理计算机，其特征在于，FPGA中设计有两级有限冲击响应数字滤波器FIR1和FIR2；经模数转换器A/D转换后的数字中频信号，通过第一级有限冲击响应数字滤波器FIR1，完成对通道初始群延时的均衡，再到第二级有限冲击响应数字滤波器FIR2，完成向目标函数确定的色散效应曲线逼近，DSP根据有限冲击响应数字滤波器群延时与频率响应函数中抽头系数的对应关系，通过控制FPGA中滤波器FIR1的抽头系数h1(n)和滤波器FIR2的抽头系数h2（n），从而控制滤波器的群延时，实现宽带无线电信号空中传输在电离层产生色散效应的模拟，在上述公式中，TEC为信号传播路径上的等效电子浓度，f为宽带无线电信号瞬时频率，β为入射电波倾斜角度。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
本发明采用在FPGA内设计两级有限冲击响应数字滤波器FIR1和FIR2的方法，用DSP分别控制两级数字滤波器FIR1和FIR2的抽头系数，使其群延时特性按要求变化，通过有限冲击响应数字滤波器FIR1，对信号通道的初始群延时特性进行均衡，达到均衡后整个通道群延时特性趋于水平，经过群延时均衡后的信号到第二级数字滤波器FIR2，对整个通道的群延时特性向目标函数确定的群延时曲线逼近。由于目标函数所确定的群延时特性反映了无线电信号通过电离层产生色散效应特性，通过以上技术措施就可以模拟无线电信号通过电离层产生色散效应特性。
本发明利用FPGA和DSP等数字器件作为实现无线电信号色散效应模拟的平台，软硬件结合处理、算法可重构、实现简捷。随着人类对外层空间认识的不断加深，只需通过电离层色散效应模拟器软件升级，目标函数的算法就能更加完善，模拟的效果也就会更接近外层空间的真实环境。
本发明具有通用性,适应多种体制的信号，无需预知信号特征，尤其适合新体制和新研系统的宽带信号通过外层空间时，需要事先评估其信号特征、性能指标是否受到影响，影响因素有哪些，影响程度有多大等，电离层色散效应模拟器为其提供了有效的手段和必要的环境。
附图说明
下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。
图1是本发明电离层色散效应模拟器的原理图。
图2是图1中数字滤波器FIR1群延时特性曲线变化示意图。
图3是图1中数字滤波器FIR2群延时逼近目标函数曲线变化示意图。
具体实施方式
参阅图1。下面通过实施例进一步说明本发明。在以下实施例中，电离层色散效应模拟器，主要包括，现场可编程门阵列FPGA，与FPGA相连的数字信号处理器DSP，以及通过CPCI总线与DSP相连的监控处理计算机。测控系统发出的无线电信号一般以射频接口，电离层色散效应模拟器的算法处理一般在中频上进行，测控系统发出的射频信号经下变频、滤波后得到中频信号经模数转换器A/D转换后成为数字信号进入FPGA，FPGA内部设计有两级有限冲击响应数字滤波器FIR1和FIR2，用数字信号处理芯片DSP分别控制两级有限冲击响应数字滤波器的抽头系数使其群延时特性按要求变化，已经模拟了色散效应参数的中频数字信号经数模转换器D/A后在信道中与本振混频，滤波后以射频接口输出。图1中的本振、混频、A/D、D/A、FPGA等的钟都与时钟产生器产生的钟同源。
参阅图2。经模数转换器A/D转换后的数字中频信号，在FPGA内的第一级有限冲击响应数字滤波器FIR1中进行通道初始群延时均衡，FIR1的频率响应函数表示为式中ω为归一化角频率，n为滤波器阶数，N为自然数，h1（n）为FIR1的抽头系数，h1（n）可在复数域内取值。DSP通过控制FIR1的抽头系数h1（n），使其群延时特性t1按通道初始群延时特性t0关于平行于横轴的直线t2对称的曲线变化，则均衡后整个通道的群延时曲线t3趋于水平直线。
参阅图3。经初始群延时均衡的数字中频信号到第二级有限冲击响应数字滤波器FIR2，FIR2滤波器的频率响应函数表示为其中ω为归一化角频率，n为滤波器阶数，N为自然数，h2（n）为FIR2的抽头系数，h2（n）可在复数域内取值。DSP控制FIR2的抽头系数h2（n），使其群延时特性按目标函数确定的色散效应曲线变化，实现对无线电信号通过电离层等色散介质时产生色散效应的模拟，其中TEC为信号传播路径上的等效电子浓度（单位为电子个数/平米），f为宽带无线电信号瞬时频率(单位Hz)，β为入射电波倾斜角度（单位为度）。
从监控处理计算机操作界面输入不同的等效电子浓度TEC、信号瞬时频率f、入射电波倾斜角β等参数，监控处理计算机根据计算出对应的目标函数t4，得到不同的群延时特性。监控处理计算机通过CPCI总线与DSP通讯，DSP控制FIR2的抽头系数h2(n)改变滤波器FIR2的群延时特性，使滤波器FIR2的群延时特性按图3中所示的目标函数t4确定的色散效应特性变化。由于目标函数所确定的群延时特性反映了无线电信号通过电离层产生色散效应特性，经过两级有限冲击响应数字滤波器对群延时特性的干预，电离层色散效应模拟器整个信号通道群延时特性t5包含了均衡后的通道延时，图3中曲线t5无限逼近目标函数曲线t4。通过以上技术措施，电离层色散效应模拟器就实现了对宽带无线电信号经过不同空域传输，产生不同的色散效应的模拟。本发明等效电子浓度TEC在1016～1019之间取值，入射电波倾斜角度β在1°～90°之间取值，瞬时频率f可以在S频段或X频段取值，电离层色散效应模拟器可以模拟的群延时变化在几纳秒到几百纳秒之间。
Claims (6)
1.一种电离层色散效应模拟器，包括现场可编程门阵列FPGA、与FPGA相连的数字信号处理器DSP，以及通过CPCI总线与DSP相连的监控处理计算机，其特征在于，FPGA中设计有两级有限冲击响应数字滤波器FIR1和FIR2；经模数转换器A/D转换后的数字中频信号，通过第一级有限冲击响应数字滤波器FIR1，完成对通道初始群延时的均衡，再到第二级有限冲击响应数字滤波器FIR2，完成向目标函数确定的色散效应曲线逼近，DSP根据有限冲击响应数字滤波器群延时与频率响应函数中抽头系数的对应关系，通过控制FPGA中滤波器FIR1的抽头系数h1(n)和滤波器FIR2的抽头系数h2(n)，从而控制滤波器的群延时，实现宽带无线电信号空中传输在电离层产生色散效应的模拟，在上述公式中，TEC为信号传播路径上的等效电子浓度，f为宽带无线电信号瞬时频率，β为入射电波倾斜角度。
2.按权利要求1所述的电离层色散效应模拟器，其特征在于，在FPGA中设计第一级有限冲击响应数字滤波器FIR1，对信号通道初始群延时特性t0进行均衡,FIR1的频率响应函数为DSP控制FIR1的抽头系数h1(n)，使群延时特性t1按信号通道初始群延时特性t0关于平行于横轴的直线t2对称的曲线变化，均衡后整个通道的群延时曲线t3趋于水平直线，在上述频率响应函数公式中，ω为归一化角频率，n为滤波器阶数，N为自然数。
3.按权利要求1所述的电离层色散效应模拟器，其特征在于，在FPGA中设计第二级有限冲击响应数字滤波器FIR2，FIR2的频率响应函数为监控处理计算机通过CPCI总线与DSP通讯，DSP控制FIR2的抽头系数h2(n)改变滤波器FIR2的群延时特性，使群延时特性满足目标函数t4确定的色散效应特性。
4.按权利要求1所述的电离层色散效应模拟器，其特征在于，经过两级有限冲击响应数字滤波器对群延时特性的干预，电离层色散效应模拟器整个信号通道群延时t5特性包含了均衡后的通道延时，通道群延时t5曲线无限逼近目标函数曲线t4。
5.按权利要求1所述的电离层色散效应模拟器，其特征在于，从监控处理计算机操作界面输入无线电信号传播路径上等效电子浓度TEC在1016～1019之间取值，宽带无线电信号瞬时频率f在S频段或X频段取值，入射电波倾斜角度β在1°～90°之间取值，监控处理计算机按计算出对应的延时值t4，模拟出不同的色散效应特性曲线。
6.按权利要求1所述的电离层色散效应模拟器，其特征在于，已经模拟了色散效应参数的中频数字信号，经数模转换器D/A后在信道中与本振混频，滤波后从射频接口输出。
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