CN105099588B - 航空通信系统干扰传播信道模拟装置及方法 - Google Patents
航空通信系统干扰传播信道模拟装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种航空通信系统干扰传播信道模拟装置及方法，包括用户交互接口单元，干扰传播信道参数计算单元，干扰传播信道模拟单元，输入单元，输出单元，用户交互接口单元与干扰传播信道参数计算单元相连，干扰传播信道模拟单元与干扰传播信道参数计算单元、输入单元及输出单元相连，干扰传播信道模拟单元包括内部干扰源单元，第一下变频单元，第二下变频单元，第一高精度时延单元，第二高精度时延单元，第一信道衰落单元，第二信道衰落单元，高精度干扰叠加单元，高精度噪声叠加单元和上变频单元，输入单元包括第一下混频器单元，第二下混频器单元，第一模数转换单元和第二模数转换单元，输出单元包括数模转换单元和上混频器单元。
Description
技术领域：
本发明涉及一种航空通信系统干扰传播信道模拟装置及方法，特别针对干扰环境下的无线衰落信道模拟装置及方法，其属于无线信息传输领域。
背景技术：
随着我国航空事业的不断发展，航空通信在国民经济中的地位越来越突出。航空通信系统的方案设计及性能测试，甚至通信网络的规划部署，都要考虑无线传播信道及干扰因素的影响。
相比地面无线通信环境，航空通信环境复杂多变，由于地形、地物以及大气降雨等因素的影响，加上航空飞行器的高机动性以及自身飞行姿态的变换，使得到达接收端的信号是由许多路径来的众多反射波合成的。各路径来的反射波到达时间不同，相位也就不同，使得接收信号的幅度急剧变化，即产生多径衰落。同时，航空传播环境中还存在大量的干扰，如电视、广播及蜂窝移动通信信号等，这些干扰可能导致整个通信链路的性能下降。
为了有效地评估和测试航空通信系统在干扰传播环境下的通信性能，同时减少研发成本、缩短开发测试周期，有必要总结归纳出一种相对应用广泛的干扰传播信道模型，并据此在实验室环境下完成具备实时模拟航空通信干扰传播信道的硬件模拟器。
发明内容：
本发明提供一种航空通信系统干扰传播信道模拟装置及方法，该模拟方法可以模拟复现航空通信传播环境导致的信号时变衰落，同时还可以实时模拟产生其它干扰。该方法适用于干扰传播环境下航空通信系统性能的测试和验证领域。
本发明采用如下技术方案：一种航空通信系统干扰传播信道模拟装置，其包括用户交互接口单元，干扰传播信道参数计算单元，干扰传播信道模拟单元，输入单元，输出单元，所述用户交互接口单元与干扰传播信道参数计算单元相连，所述干扰传播信道模拟单元与干扰传播信道参数计算单元相连，所述输入单元与干扰传播信道模拟单元相连，所述输出单元与干扰传播信道模拟单元相连，所述干扰传播信道模拟单元包括内部干扰源单元，第一下变频单元，第二下变频单元，第一高精度时延单元，第二高精度时延单元，第一信道衰落单元，第二信道衰落单元，高精度干扰叠加单元，高精度噪声叠加单元和上变频单元，所述输入单元包括第一下混频器单元，第二下混频器单元，第一模数转换单元和第二模数转换单元，所述输出单元包括数模转换单元和上混频器单元。
所述干扰传播信道参数计算单元采用TI公司的TMS320C6455DSP芯片，所述干扰传播信道模拟单元采用Xilinx公司的XC7K325TFFG900-2FPGA芯片。
所述输入单元产生的信号和干扰，进入干扰传播信道模拟单元后，输出信号的模拟如下：
其中，Lx,Lj表示接收机可分辨的多径簇数目；分别指信号和干扰信道的各径复衰落，模拟如下
其中，αx/j,l(t)表示传播路径损耗且为常数，其与传播距离、通信频率、天线增益和障碍物吸收等因素有关；βx/j,l(t)表示阴影衰落；γx/j,l(t)为多径衰落；θx/j,l(t)表示复衰落的随机相位；J(t)表示干扰，用户通过接口直接输入任意干扰源，或者由模拟器内部产生特定形式的干扰源，包括单音、多音、梳状谱、GSM、CDMA、WLAN信号；τx,l,τj,l分别表示信号和干扰信道的各径时延，模拟如下，当系统的采样速率为fs时，理论时延分辨率为Ts＝1/fs，为了实现更高的时延分辨率T′s，输入信号先经过m个单位时延Ts，然后再经过p个单位时延Ts并与相应的系数μ0,μ1,…,μp相乘后相加实现kT′s的时延。
本发明还采用如下技术方案：一种航空通信系统干扰传播信道模拟方法，其包括如下步骤：
第一步，用户通过用户交互接口单元输入通信场景参数，通信场景参数直接送到干扰传播信道参数计算单元；
第二步，干扰传播信道参数计算单元根据用户输入参数，实时估计航空通信系统干扰传播信道建模所需的模型参数，并据此得到路径损耗、阴影衰落、多径衰落信道参数，以及时延、高精度干信比、高精度信噪比参数，然后对计算所得参数进行定点量化，再通过EMIF高速数据总线接口传送到干扰传播信道模拟单元；
第三步，射频信号和干扰分别经过第二下混频单元、第一下混频单元后得到中频信号，再分别通过第二模数变换单元、第一模数变换单元，将转化后的数字信号传输给干扰传播信道模拟单元；
第四步，干扰传播信道模拟单元中，数字信号和干扰分别经过第二下变频单元、第一下变频单元下变频后得到两路复基带信号，干扰由开关控制是选择内部干扰还是外部干扰；
第五步，干扰传播信道模拟单元中输出的单路信号，通过高速数模转换芯片后，经过上混频器输出射频模拟信号。
进一步地，所述第四步中：首先，数字信号和干扰分别经过第二高精度时延单元、第一高精度时延单元实现时延效果，高精度时延的产生及模拟方法如下：
(1)根据装置工作时钟为fs和用户要求时延kT′s，首先利用下式计算获得滤波器滤波系数下标，
m＝floor(kT′s/Ts),q＝mod(kT′s,Ts)/T′s (3)
式中，Ts＝1/fs表示采样间隔，floor(·)表示向下取整运算，mod(·)表示取余运算；
(2)根据式(3)得到的下标q查表获得第q组2阶滤波器的系数μ0,q,μ1,q；
(3)对于输入x(nTs)，根据m,μ0,q,μ1,q，代入下式可得经过kT′s时延后的信号
x(nTs-kT′s)＝x((n-m)Ts)·μ0,q+x((n-m-1)Ts)·μ1,q (4)
延时后的信号和干扰分别经过第二信道衰落单元、第一信道衰落单元，上述两个单元内部根据公式(2)方法模拟路径损耗、阴影衰落、多径衰落的影响；然后对衰落后的信号a和衰落后的干扰b进行功率自适应粗调整并进行功率统计，再根据干扰传播信道参数计算单元传下的干信比参数，得到系数k1,k2，分别乘以功率自适应粗调整后的信号和干扰后进行叠加；最后，实现高精度噪声功率的叠加，把衰落后的信号a进行自适应功率调整并乘以系数k1后进行功率统计，再对信道噪声进行功率统计并根据干扰传播信道参数计算单元估算出的信噪比参数，得到系数k3,k4，分别乘以高精度干扰叠加单元的输出c和噪声后再进行叠加，高精度噪声叠加单元的输出d经过上变频单元转为单路信号。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明中干扰传播信道模型综合考虑了复杂航空背景下路径损耗、阴影衰落、多径衰落、噪声以及干扰的影响；
(2)本发明提供了一种高精度时延的实现方法，特别适用系统要求时延分辨率高的场合，该方法易于硬件实现；
(3)本发明提供了一种大范围、高精度的干信比和信噪比叠加方法，可以实现叠加高精度的干扰和噪声；
(4)本发明有两个输入/输出口可供选择，既能输入/输出射频模拟信号，也能输入/输出中频模拟信号，给用户更多的选择，适用性更广。
附图说明：
图1为本发明航空通信系统干扰传播信道模拟装置系统框图。
图2为本发明高精度时延实现框图。
图3为本发明高精度干扰叠加实现框图。
图4为本发明高精度噪声叠加实现框图。
具体实施方式：
请参照图1所示，本发明航空通信系统干扰传播信道模拟装置包括用户交互接口单元1-1，干扰传播信道参数计算单元1-2，干扰传播信道模拟单元1-3，输入单元1-4，输出单元1-5。用户交互接口单元1-1与干扰传播信道参数计算单元1-2相连，用于用户输入通信场景参数，主要包括发射机轨迹、干扰机轨迹、接收机轨迹、环境参数等。
干扰传播信道参数计算单元1-2用于把用户交互接口单元1-1中的通信场景参数转化为干扰传播信道统计参数，主要参数包括时延，高精度信噪比，高精度干信比，路径损耗，阴影衰落，多径衰落等参数，并对其进行定点量化，通过EMIF总线传输给FPGA中的干扰传播信道模拟单元1-3。干扰传播信道参数计算单元1-2采用TI公司的TMS320C6455DSP芯片。
干扰传播信道模拟单元1-3用于接收输入单元1-4中经模数转换后的信号和干扰，并分别经过时延、信道衰落后再叠加，然后叠加噪声并将最终输出送给输出单元1-5，其包括内部干扰源单元1-12，第一下变频单元1-10，第二下变频单元1-11，第一高精度时延单元1-13，第二高精度时延单元1-14，第一信道衰落单元1-15，第二信道衰落单元1-16，高精度干扰叠加单元1-23，高精度噪声叠加单元1-24和上变频单元1-20，干扰传播信道模拟单元1-3采用Xilinx公司的XC7K325TFFG900-2FPGA芯片。
输入单元1-4用于将中频或者射频信号和干扰送入干扰传播信道模拟单元1-3，其包括第一下混频器单元1-6，第二下混频器单元1-7，第一模数转换单元1-8和第二模数转换单元1-9。
输出单元1-5用于将干扰传播信道模拟单元1-3送来的信号中频或者射频输出，其包括数模转换单元1-21和上混频器单元1-22。
本发明航空通信系统干扰传播信道模拟装置的原理如下：
本发明航空通信系统干扰传播信道模拟装置的输入包括射频模拟信号/干扰和中频模拟信号/干扰，若是输入射频信号/干扰需要先经过下混频器变换成中频，再经过模数转换(AD)后得到复基带信号/干扰，复基带信号和复基带干扰分别经过多径衰落信道的影响，根据用户输入干信比要求进行叠加，再根据用户输入信噪比要求叠加噪声，叠加后信号经过数模转换(DA)后输出模拟信号，该系统可以直接输出中频信号，也可以经过上混频器后输出射频信号。
假设复基带发射信号为干扰为本发明将经过干扰传播信道后的输出信号建模为
其中，Lx,Lj表示接收机可分辨的多径簇数目；
分别指信号和干扰信道的各径复衰落，本发明综合考虑无线信号在传播过程中的路径损耗、阴影衰落、多径衰落的影响，将建模为
其中，αx/j,l(t)表示传播路径损耗且为常数，其与传播距离、通信频率、天线增益和障碍物吸收等因素有关；βx/j,l(t)表示阴影衰落；γx/j,l(t)为多径衰落；θx/j,l(t)表示复衰落的随机相位。
J(t)表示干扰，本发明提供两种输入方式，一种是用户通过接口直接输入任意干扰源，一种是模拟器内部产生的特定形式的干扰源，包括单音、多音、梳状谱、GSM、CDMA、WLAN等信号。本发明还提供了一种大范围、高精度的干信比叠加方法如图3所示。该方法首先对衰落后的信号和干扰进行功率自适应粗调整并统计平均功率，然后根据输入的干信比参数，计算出相应的系数，从而实现高精度干扰叠加。τx,l,τj,l分别表示信号和干扰信道的各径时延。鉴于通信系统数据速率越来越快，对时延的分辨率要求越来越高，本发明提供了一种高精度时延的实现方法如图2所示。当系统的采样速率为fs时，理论时延分辨率为Ts＝1/fs，为了实现更高的时延分辨率(记为T′s)，本发明输入信号先经过m个单位时延Ts，然后再经过p个单位时延Ts并与相应的系数μ0,μ1,…,μp相乘后相加实现kTs'的时延。
表示复信道噪声，服从高斯分布，本发明提供了一种大范围、高精度的信噪比叠加方法如图4所示。该方法首先对衰落后信号进行功率自适应粗调整并统计平均功率，然后统计噪声功率并根据用户输入的信噪比参数，计算出相应的系数，从而实现高精度噪声叠加。
本发明航空通信系统干扰传播信道模拟方法，包括如下步骤：
第一步，用户通过用户交互接口单元1-1输入通信场景等参数，主要包括发射机轨迹、干扰机轨迹、接收机轨迹、传播环境参数、背景噪声参数等，这些参数直接送到干扰传播信道参数计算单元1-2。
第二步，干扰传播信道参数计算单元1-2根据用户输入参数，实时估计航空通信系统干扰传播信道建模所需的模型参数，主要包括地球坐标系、导航坐标系(东北天)和载体坐标系之间的相互转换，瞬时速度及加速度等飞行参数估计，并据此得到路径损耗、阴影衰落、多径衰落等信道参数，以及时延、高精度干信比、高精度信噪比等参数，然后对计算所得参数进行定点量化，再通过EMIF高速数据总线接口传送到干扰传播信道模拟单元1-3。
第三步，射频信号和干扰分别经过第二下混频单元1-7、第一下混频单元1-6后得到中频信号，再分别通过第二模数变换单元1-9、第一模数变换单元1-8，将转化后的数字信号传输给干扰传播信道模拟单元1-3。
第四步，干扰传播信道模拟单元1-3中，数字信号和干扰分别经过第二下变频单元1-11、第一下变频单元1-10下变频后得到两路复基带信号，干扰由开关控制是选择内部干扰还是外部干扰。首先，复基带信号和干扰分别通过第二高精度时延单元1-14、第一高精度时延单元1-13，本装置工作时钟为fs＝100MHz，时延范围0-2ms，最小分辨率为T′s＝0.1ns，图2实现框图中的滤波器采用2阶滤波器，滤波系数记为μ0,μ1，当用户要求信号时延为kT′s时，首先利用下式计算
m＝floor(kT′s/Ts),q＝mod(kT′s,Ts)/T′s (3)
其中Ts＝1/fs表示采样间隔，floor(·)表示向下取整运算，mod(·)表示取余运算；时延后的输出信号可表示为
x(nTs-kT′s)＝x((n-m)Ts)·μ0,q+x((n-m-1)Ts)·μ1,q (4)
其中，μ0,q,μ1,q表示第q组2阶滤波器的系数。延时后的信号和干扰分别经过第二信道衰落单元1-16、第一信道衰落单元1-15，上述两个单元内部根据公式(2)方法模拟路径损耗、阴影衰落、多径衰落的影响；然后，利用图3方法实现高精度干扰的叠加，本装置系统支持干信比范围-20-20dB，分辨率0.1dB，先对衰落后的信号a和衰落后的干扰b进行功率自适应粗调整并进行功率统计，再根据干扰传播信道参数计算单元1-2传下的干信比参数，得到系数k1,k2，分别乘以功率自适应粗调整后的信号和干扰后进行叠加；最后，利用图4方法实现高精度噪声功率的叠加，本装置系统支持信噪比范围-20-40dB，分辨率0.1dB，把衰落后的信号a进行自适应功率调整并乘以系数k1后进行功率统计，再对信道噪声进行功率统计并根据干扰传播信道参数计算单元1-2估算出的信噪比参数，得到系数k3,k4，分别乘以高精度干扰叠加单元1-23的输出c和噪声后再进行叠加，高精度噪声叠加单元1-24的输出d经过上变频单元1-20转为单路信号。
第五步，所述干扰传播信道模拟单元1-3中输出的单路信号，通过高速数模转换芯片1-21后，经过上混频器1-22输出射频模拟信号。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种航空通信系统干扰传播信道模拟装置，其特征在于：包括用户交互接口单元(1-1)，干扰传播信道参数计算单元(1-2)，干扰传播信道模拟单元(1-3)，输入单元(1-4)，输出单元(1-5)，所述用户交互接口单元(1-1)与干扰传播信道参数计算单元(1-2)相连，所述干扰传播信道模拟单元(1-3)与干扰传播信道参数计算单元(1-2)相连，所述输入单元(1-4)与干扰传播信道模拟单元(1-3)相连，所述输出单元(1-5)与干扰传播信道模拟单元(1-3)相连，所述干扰传播信道模拟单元(1-3)包括内部干扰源单元(1-12)，第一下变频单元(1-10)，第二下变频单元(1-11)，第一高精度时延单元(1-13)，第二高精度时延单元(1-14)，第一信道衰落单元(1-15)，第二信道衰落单元(1-16)，高精度干扰叠加单元(1-23)，高精度噪声叠加单元(1-24)和上变频单元(1-20)，所述高精度干扰叠加单元(1-23)包括干信比控制单元(1-17)，信号衰落与干扰衰落相加模块；所述高精度噪声叠加单元(1-24)包括信噪比控制单元(1-18)，信道噪声单元(1-19)，衰落与噪声相加模块；所述第一下变频单元(1-10)和内部干扰源单元(1-12)通过一个二选一开关与第一高精度时延单元(1-13)相连，第一高精度时延单元(1-13)与第一信道衰落单元(1-15)相连，第二下变频单元(1-11)与第二高精度时延单元(1-14)相连，第二高精度时延单元(1-14)与第二信道衰落单元(1-16)相连，第二信道衰落单元(1-16)与干信比控制单元(1-17)相连，第二信道衰落单元(1-16)与信噪比控制单元(1-18)相连，信噪比控制单元(1-18)与信道噪声单元(1-19)相连，第一信道衰落(1-15)经过干信比控制单元(1-17)控制输出功率与第二信道衰落单元(1-16)相加，再与信道噪声单元(1-19)相加之后与上变频单元(1-20)相连；所述输入单元(1-4)包括第一下混频器单元(1-6)，第二下混频器单元(1-7)，第一模数转换单元(1-8)和第二模数转换单元(1-9)，所述第一下混频器单元(1-6)与第一模数转换单元(1-8)相连，第二下混频器单元(1-7)与第二模数转换单元(1-9)相连；所述输出单元(1-5)包括数模转换单元(1-21)和上混频器单元(1-22)，所述数模转换单元(1-21)与上混频器单元(1-22)相连；
所述高精度干扰叠加单元(1-23)中第二信道衰落单元(1-16)输出的衰落后信号a和第一信道衰落单元(1-15)输出的衰落后干扰b进行功率自适应粗调整并进行功率统计，再根据干扰传播信道参数计算单元(1-2)传下的干信比参数，得到系数k1,k2，分别乘以功率自适应粗调整后的信号和干扰后进行叠加；所述高精度噪声叠加单元(1-24)中第二信道衰落单元(1-16)输出的衰落后信号a进行自适应功率调整并乘以系数k1后进行功率统计，再对信道噪声进行功率统计并根据干扰传播信道参数计算单元(1-2)估算出的信噪比参数，得到系数k3,k4，分别乘以高精度干扰叠加单元(1-23)的输出c和噪声后再进行叠加，高精度噪声叠加单元(1-24)的输出d经过上变频单元(1-20)转为单路信号；
所述输入单元(1-4)产生的信号和干扰，进入干扰传播信道模拟单元(1-3)后，输出信号的模拟如下：
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其中，表示复基带发射信号，表示复干扰信号，τx,l(t),τj,l(t)分别表示信号和干扰信道的各径时延，Lx,Lj表示接收机可分辨的多径簇数目，表示复噪声，分别指信号和干扰信道的各径复衰落，模拟如下
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其中，αx/j,l(t)表示传播路径损耗且为常数，其与传播距离、通信频率、天线增益和障碍物吸收等因素有关；βx/j,l(t)表示阴影衰落；γx/j,l(t)为多径衰落；θx/j,l(t)表示复衰落的随机相位；复干扰信号可由用户通过接口直接输入任意干扰源，或者由模拟器内部产生特定形式的干扰源，包括单音、多音、梳状谱、GSM、CDMA、WLAN信号；τx,l,τj,l模拟如下，当系统的采样速率为fs时，理论时延分辨率为Ts＝1/fs，为了实现更高的时延分辨率T′s，输入信号先经过m个单位时延Ts，然后再经过p个单位时延Ts并与相应的系数μ0,μ1,…,μp相乘后相加实现kT′s的时延。
2.如权利要求1所述的航空通信系统干扰传播信道模拟装置，其特征在于：所述干扰传播信道参数计算单元(1-2)采用TI公司的TMS320C6455 DSP芯片，所述干扰传播信道模拟单元(1-3)采用Xilinx公司的XC7K325TFFG900-2 FPGA芯片。
3.一种航空通信系统干扰传播信道模拟方法，其特征在于：包括如下步骤
第一步，用户通过用户交互接口单元(1-1)输入通信场景参数，通信场景参数直接送到干扰传播信道参数计算单元(1-2)；
第二步，干扰传播信道参数计算单元(1-2)根据用户输入参数，实时估计航空通信系统干扰传播信道建模所需的模型参数，并据此得到路径损耗、阴影衰落、多径衰落信道参数，以及时延、高精度干信比、高精度信噪比参数，然后对计算所得参数进行定点量化，再通过EMIF高速数据总线接口传送到干扰传播信道模拟单元(1-3)；
第三步，射频信号和干扰分别经过第二下混频单元(1-7)、第一下混频单元(1-6)后得到中频信号，再分别通过第二模数变换单元(1-9)、第一模数变换单元(1-8)，将转化后的数字信号传输给干扰传播信道模拟单元(1-3)；
第四步，干扰传播信道模拟单元(1-3)中，数字信号和干扰分别经过第二下变频单元(1-11)、第一下变频单元(1-10)下变频后得到两路复基带信号，干扰由开关控制是选择内部干扰还是外部干扰；
第五步，数字信号和干扰分别经过第二高精度时延单元(1-14)、第一高精度时延单元(1-13)实现时延效果，高精度时延的产生及模拟方法如下：
(1)根据装置工作时钟为fs和用户要求时延kT′s，首先利用下式计算获得滤波器滤波系数下标，
m＝floor(kT′s/Ts),q＝mod(kT′s,Ts)/T′s (3)
式中，Ts＝1/fs表示采样间隔，T′s＝1/f′s,T′s＜Ts表示更高的时延分辨率，kT′s表示以T′s为基准需要延迟k次，floor(·)表示向下取整运算，mod(·)表示取余运算；
(2)根据式(3)得到的下标q查表获得第q组2阶滤波器的系数μ0,q,μ1,q；
(3)对于输入x(nTs)，根据m,μ0,q,μ1,q，代入下式可得经过kT′s时延后的信号
x(nTs-kT′s)＝x((n-m)Ts)·μ0,q+x((n-m-1)Ts)·μ1,q (4)
延时后的信号和干扰分别经过第二信道衰落单元(1-16)、第一信道衰落单元(1-15)，上述两个单元内部根据公式(2)方法模拟路径损耗、阴影衰落、多径衰落的影响；然后对衰落后的信号a和衰落后的干扰b进行功率自适应粗调整并进行功率统计，再根据干扰传播信道参数计算单元(1-2)传下的干信比参数，得到系数k1,k2，分别乘以功率自适应粗调整后的信号和干扰后进行叠加；最后，实现高精度噪声功率的叠加，把衰落后的信号a进行自适应功率调整并乘以系数k1后进行功率统计，再对信道噪声进行功率统计并根据干扰传播信道参数计算单元(1-2)估算出的信噪比参数，得到系数k3,k4，分别乘以高精度干扰叠加单元(1-23)的输出c和噪声后再进行叠加，高精度噪声叠加单元(1-24)的输出d经过上变频单元(1-20)转为单路信号；干扰传播信道模拟单元(1-3)中输出的单路信号，通过高速数模转换芯片(1-21)后，经过上混频器(1-22)输出射频模拟信号。
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