CN107566063B - 无线电信号雨衰特性的模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的一种无线电信号雨衰特性的模拟方法，旨在提供一种具有较强通用性，控制精度高的雨衰特性的模拟方法，本发明通过下述方案实现：模拟器监控处理计算机设置无线电信号雨衰特性数学模型的模拟器监控软件；下变频器把接收到的无线电射频信号下变频为中频信号，送FPGA芯片中设置的精确幅度调节器1进行精确幅度调节后送合成器的一个输入端；同时FPGA中设置的噪声发生器将产生的噪声信号通过精确幅度调节器2进行精确幅度调节后送合成器的另一个输入端，输入合成器的两路信号合成后经数模转换器D/A转换成模拟信号后，送数控衰减器进行幅度调节，幅度调节后的中频信号经上变频器上变频为幅度和信噪比按雨衰特性变化的射频信号输出。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线电信号雨衰特性的模拟方法。
背景技术
随着测控业务的不断拓展，对测控系统的要求也在不断的提高，甚至要求在恶劣环境下全天候工作，一套能够模拟无线电信号穿过雨区产生雨衰特性的模拟器就成为测控系统不可或缺的配置需求，用以事先了解无线电信号受雨衰的影响，以及由此对系统带来的影响。雨衰的产生在降雨区域里，当电波从中穿过时，雨不但会吸收电磁波的能量，同时也对电波产生散射。这种吸收与散射共同作用就会导致电波衰减，而散射还可以使附近的无线电受到干扰，对电波产生一种去极化效应，这种电波衰减或无线电干扰都称之为雨衰。大气中的气体分子、水汽凝结物雨、雾、云、雪、沙尘暴、烟雾等对地空路径卫星通信链路的电波传播均有影响，特别是在Ku、Ka及以上频段，雨衰是最主要的因素，随着频率的增加，衰减值急剧增大。当频率大于20GHz时，暴雨引起的信号衰减超过10dB以上，有些地区甚至高达25dB。高频段传播信道的动态特性是通信系统和抗衰落控制系统设计的关键因素，先前的研究表明引进实验的时间序列数据来对抗衰落操作系统的性能进行研究，能够使其性能优化。但是这些数据对系统设计者而言并不总是可用的，而且实验的传播时间序列数据只能在特定的地区、频率和仰角下得到，有很大的局限性且成本较高，局限性较大。随着高频段通信卫星的广泛应用，国际上对降雨衰减时间序列的研究愈来愈重视。地空路径降雨概率、降雨强度、降雨衰减值的长期特性统计及预测，历来是电波传播研究人员和通信系统设计人员长期关注的课题，对降雨强度的长期统计分析成为通信系统中优化设计、避免通信中断、提高通信质量必不可少的环节。
降雨对卫星通信地空链路中电波传播的影响较大，如果对降雨引起的衰减估计不准，参数设计不合理，就会影响通信质量及有效性，造成巨大的浪费。
雨衰是由于电波穿过降雨区时，雨滴会对电波产生吸收和散射引起，电波在传播过程中的衰减主要与以下因素有关：
(1)雨衰的大小和雨滴直径与电波波长的比值有关，雨滴直径越大、雨衰越大，降雨量越大，则雨滴直径越大，雨衰越大。
(2)雨衰的大小与信号频率有关，频率越高，雨滴直径与电波波长之比越大，故雨衰越大。
(3)地面天线对目标的仰角越低时，电波穿越雨区的路径越长，相对于高仰角造成的雨衰越大。
(4)夏季的雨衰大于冬季的雨衰。
(5)雨滴越密集，散射造成的雨衰也越大。
(6)非球形的雨滴会改变电波的极化方向。
(7)雨衰会引起接收噪声温度的增加。
在均匀降雨的条件下预测雨衰比较简单，但是在大多数实际情况下，由于降雨随地域和季度不同而不同，且在时间和空间上是不均匀的，因此要取得它们的系统特性，必须经过长期测量，而在各个站点往往不具备这种条件，因此通常采用比较容易得到的降雨量、降雨时间概率等气象数据来预测降雨衰减值。
目前，常用的预测计算方法有Lin法、SAM法、Crane法、Bothias法等。
传统的电波传播预测模型ITU-R P.370以及ITU-R P.1546比较适用于开阔和低起伏的丘陵地区，而对于多山地区，其预测误差相对较大。为此，国际电联在1978年制订了ITU-R P.526建议书—《PropagaTIon by diffracTIon》，主要描述了传播中的绕射影响及其场强的预测方法，在预测中除了考虑崎岖地形所造成的绕射外，还涉及地球球形表面对传播的绕射影响。但是该建议书只提供了单刃峰、双刃峰和单圆形峰情况下的绕射算法，并没有针对复杂地形提出一般的解决方法。
目前市面上尚无满足上述需求的货架产品，给测控系统的研制和应用带来诸多不便，因此需要开发一套满足上述要求的无线电信号雨衰特性的模拟方法，来验证测控系统遭遇降雨环境时功能指标所受的影响，以便事先准备应对措施。
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，提供一种实现简单、使用方便，具有较强的通用性，控制精度高的无线电信号雨衰特性的模拟方法。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种无线电信号雨衰特性的模拟方法，具有如下技术特征：模拟器监控处理计算机设置无线电信号雨衰特性数学模型的模拟器监控软件，模拟器监控软件预置不同的算法模型、控制不同的参数，并通过CPCI总线连接模拟器信号处理单元，模拟器信号处理单元相连下变频器及上变频器；下变频器把接收到的无线电射频信号下变频为中频信号，通过模数转换器A/D转换成数字信号，送现场可编程逻辑门阵列芯片FPGA中设置的精确幅度调节器1进行精确幅度调节后送合成器的一个输入端；同时FPGA中设置的噪声发生器将产生的噪声信号通过精确幅度调节器2进行精确幅度调节后送合成器的另一个输入端，输入合成器的两路信号合成后经数模转换器D/A转换成模拟信号，送数控衰减器进行幅度调节，幅度调节后的中频信号经上变频器上变频为射频信号，其信号幅度和信噪比按雨衰特性变化。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
实现简单、使用方便。本发明采用模拟器监控处理计算机设置的无线电信号雨衰特性数学模型的模拟器监控软件和通过CPCI总线连接模拟器信号处理单元、下变频器及上变频器，软硬件结合，采用的主要硬件为信号处理单元，其接口为中频信号且与信号体制无关，与其相连的上、下变频器可以配置为不同频段的变频器，通过模拟器监控软件管理雨衰特性模型模拟无线电信号雨衰特性，显示界面控制功能参数，实现简单、使用方便。
具有较强的通用性。本发明采用的模拟器监控软件，通过监控处理计算机创建雨衰特性的数学模型，可以通过模拟器监控软件预置不同的算法模型或者控制不同的参数，重构不同的模拟场景，无线电信号雨衰特性模拟算法可重构、能够适应多种体制及不同频段，具有较强的通用性。
控制精度高。本发明采用控制模拟器信号处理单元的FPGA中的精确幅度调节器对信号或者噪声进行小于0.5dB的模拟雨衰特性的幅度衰减，其精度达到0.01dB；控制模拟器信号处理单元的数控衰减器，对信号进行大于0.5dB的模拟雨衰特性的幅度衰减，其可控衰减范围达到60dB，通过粗细幅度组合调节，可以使雨衰特性模拟的幅度范围达60dB，精度达到0.01dB。
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是本发明无线电信号雨衰特性的模拟方法原理图。
图2是无线电信号雨衰特性的模拟方法相关参数关系示意图。
具体实施方式
下面通过实施例进一步说明本发明。参阅图1。根据本发明，模拟器设置模拟器监控处理计算机、模拟器信号处理单元、下变频器及上变频器，模拟器监控处理计算机内置无线电信号雨衰特性数学模型的监控软件，模拟器监控处理计算机通过CPCI总线连接模拟器信号处理单元，下变频器把射频无线电信号变为中频信号，通过模拟器信号处理单元设置的模数转换器A/D转换成数字信号，送现场可编程逻辑门阵列芯片FPGA中的精确幅度调节器1进行精确幅度调节后送合成器的一个输入端；FPGA中设置噪声发生器产生噪声信号，噪声信号通过精确幅度调节器2进行精确幅度调节后送合成器的另一个输入端，输入合成器的两路信号合成后经数模转换器D/A转换成模拟信号，送模拟器信号处理单元设置的数控衰减器进行幅度调节；幅度调节后的中频信号经上变频器变成射频信号，其幅度和信噪比按雨衰特性变化。
现场可编程逻辑门阵列芯片FPGA中精确幅度调节器1调节后的信号与精确幅度调节器2调节后的噪声在合成器中合成，模拟信噪比随雨衰的变化而变化。
参阅图2。在模拟器监控处理计算机内置无线电信号雨衰特性数学模型中，模拟器监控软件在监控界面上设置降雨强度Rp、电波穿过雨区的有效路径长度Le、天线所处的海拔高度h0、雨层海拔高度hR、与频率和温度有关的系数a、b和天线仰角θ，运用
计算出雨衰AP。模拟器监控处理计算机通过CPCI总线把雨衰信息AP送给信号处理单元的数字信号处理芯片DSP,DSP把雨衰信息AP解析为AP1、AP2两部分，且AP＝AP1+AP2，其中AP1为小于0.5dB的衰减值，AP2为大于0.5dB的衰减值。AP1用于控制FPGA中的精确幅度调节器1对信号进行小于0.5dB的模拟雨衰特性的幅度衰减，AP2用于控制数控衰减器对信号进行大于0.5dB的模拟雨衰特性的幅度衰减。
控制FPGA中的精确幅度调节器1对信号进行小于0.5dB的模拟雨衰特性的幅度衰减，控制数控衰减器对信号进行大于0.5dB的模拟雨衰特性的幅度衰减。
模拟器监控处理计算机通过CPCI总线把雨衰信息AP送给信号处理单元的数字信号处理芯片DSP，DSP把雨衰信息AP解析为AP1、AP2两部分模拟雨衰引起信号幅度变化的同时,数字信号处理芯片DSP控制现场可编程逻辑门阵列芯片FPGA中设置的精确幅度调节器2，按照噪声功率的改变量
计算系统噪声温度增加引起的噪声功率的改变量ΔN，其中：k为波尔兹曼常数k＝1.3803×10-23，单位为J/K；B为信号带宽，单位为Hz；Tr为雨滴的开氏温度，取为273K；把雨衰AP的dB数转换为倍数参与计算。
现场可编程逻辑门阵列芯片FPGA中精确幅度调节器1调节后的信号与精确幅度调节器2调节后的噪声在合成器中合成，模拟信噪比随雨衰的变化而变化。雨衰AP近似表示为：
式中RP：为降雨强度；Le：为电波穿过雨区的有效路径长度；a、b为与频率和温度有关的系数。模拟器在进行无线电信号雨衰特性模拟时，模拟监控软件可以预置雨衰算法函数，根据监控界面设置的与雨衰相关的参数由雨衰的函数表达式
计算出对应的衰减值，控制精确幅度调节器1、精确幅度调节器2和数控衰减器的衰减量，使输出信号的幅度和信噪比随雨衰函数变化实现雨衰模拟。
Claims (7)
1.一种无线电信号雨衰特性的模拟方法，具有如下技术特征：模拟器监控处理计算机通过内置模拟器监控软件创建无线电信号雨衰特性数学模型，利用设置的降雨强度RP、电波穿过雨区的有效路径长度Le、天线所处的海拔高度h0、雨层海拔高度hR与频率和温度有关的系数a、b和天线仰角θ，运用
公式计算出雨衰AP，控制不同的参数重构不同的模拟场景，并通过CPCI总线把雨衰AP信息送给与模拟器信号处理单元相连的数字信号处理芯片DSP，控制现场可编程逻辑门阵列芯片FPGA中设置的精确幅度调节器1，利用波尔兹曼常数k，信号带宽B,雨滴的开氏温度Tr，把雨衰AP的dB数转换为倍数参与计算，按照噪声功率改变量ΔN＝kBTr(1-1/Ap)计算系统噪声温度增加引起的噪声功率的改变量ΔN，把雨衰AP信息解析为AP1、AP2两部分分别送入FPGA和数控衰减器；模拟器信号处理单元相连下变频器及上变频器，下变频器把接收到的无线电射频信号下变频为中频信号，通过模数转换器A/D转换成数字信号，送现场可编程逻辑门阵列芯片FPGA中设置的精确幅度调节器1进行精确幅度调节后送合成器的一个输入端；同时FPGA中设置的噪声发生器将产生的噪声信号通过精确幅度调节器2进行精确幅度调节后送合成器的另一个输入端，输入合成器的两路信号合成后经数模转换器D/A转换成模拟信号，送数控衰减器进行幅度调节，幅度调节后输出的中频信号，经上变频器变为射频信号，其信号幅度和信噪比按雨衰特性变化。
2.如权利要求1所述的无线电信号雨衰特性的模拟方法，其特征在于：AP1用于控制FPGA中的精确幅度调节器1对信号进行小于0.5dB的模拟雨衰特性的幅度衰减，AP2用于控制数控衰减器对信号进行大于0.5dB的模拟雨衰特性的幅度衰减。
3.如权利要求1所述的无线电信号雨衰特性的模拟方法，其特征在于：雨衰AP＝AP1+AP2，其中，AP1为小于0.5dB的衰减值，AP2为大于0.5dB的衰减值。
4.如权利要求1所述的无线电信号雨衰特性的模拟方法，其特征在于：波尔兹曼常数k＝1.3803×10-23，单位为J/K；信号带宽B的单位为Hz；雨滴的开氏温度Tr取为273K。
5.如权利要求1所述的无线电信号雨衰特性的模拟方法，其特征在于：FPGA中的精确幅度调节器1接受AP1控制对信号进行小于0.5dB的模拟雨衰特性的幅度衰减，精确幅度调节器2接受噪声功率的改变量ΔN，对噪声信号进行调节，精确幅度调节后的信号与噪声在合成器中合成，合成信号通过数控衰减器接受AP2控制对信号进行大于0.5dB的模拟雨衰特性的幅度衰减，模拟信号幅度和信噪比随雨衰的变化而变化。
6.如权利要求1所述的无线电信号雨衰特性的模拟方法，其特征在于：FPGA中的精确幅度调节器对信号或者噪声进行小于0.5dB的模拟雨衰特性的幅度衰减，其精度达到0.01dB；控制模拟器信号处理单元的数控衰减器对信号进行大于0.5dB的模拟雨衰特性的幅度衰减，其可控衰减范围达到60dB，通过粗细幅度组合调节，使雨衰特性模拟的幅度范围达60dB，精度达到0.01dB。
7.如权利要求1所述的无线电信号雨衰特性的模拟方法，其特征在于：模拟器监控软件预置雨衰算法函数根据监控界面设置的与雨衰相关的参数由雨衰的函数表达式
计算出对应的衰减值，控制精确幅度调节器1、精确幅度调节器2和数控衰减器的衰减量，使输出信号的幅度和信噪比随雨衰函数变化实现雨衰模拟。
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