CN107864023B - 一种短波超短波信道模拟装置和模拟方法 - Google Patents

一种短波超短波信道模拟装置和模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种短波超短波信道模拟装置和模拟方法,采用分段处理实现1.5MHz~70MHz频率范围的短波超短波信道模拟,模拟装置模拟带宽最大为10MHz,用户通过上位机软件设置各种参数,并对参数进行运算处理,将设置参数转换为定点化值,通过PCI接口将定点化参数配置到现场可编程门阵列中。输入信号经过200MHz采样进入现场可编程门阵列,在现场可编程门阵列中根据用户设置输入参数经信号输入单元和信道模拟单元,在信道模拟单元进行信道衰落模拟,最后,根据用户设置输出信号参数选择相应的处理方法对衰落模拟信号进行内插,提高采样率到100MHz,并进行上变频处理,最终输出衰落模拟信号。本发明具有节省硬件资源、适应范围广、操作简单、成本低等优点。

Description

一种短波超短波信道模拟装置和模拟方法
技术领域
本发明涉及短波超短波信道模拟领域,具体涉及一种短波超短波信道模拟装置和模拟方法。
背景技术
短波超短波通信设备的研制过程中,需要对短波超短波通信系统的性能进行测试。短波超短波通信的外场实际测试需要花费大量的人力、物力和财力,且不能保证相同的测试条件进行反复多次试验。因此,需要短波超短波信道模拟装置在实验室中实现模拟仿真实际复杂通信场景对短波超短波信号传播的影响。随着科学技术的高速发展,人们对无线通信的可靠性和实时性要求越来越高,短波超短波信道模拟装置的需求日趋强烈。由于无线通信设备之间的相对运动产生多普勒效应;同时无线信号传输过程中受周围传播环境的反射、散射等影响产生多径效应;由于周围障碍物的遮挡使得接收信号平均功率随机起伏变化,即产生阴影效应。短波超短波信道模拟装置可以提供输入接口直接与信号发生设备相连,在实验室内通过修改信道参数,模拟多种通信场景,也可以通过控制短波超短波信道模拟装置重现通信场景,进行多次反复试验,以获取最佳的设计方案。这样可以节省大量的人力和物力,降低研发成本,缩短通信设备的研制周期。
现有的短波超短波信道模拟装置多在固定频点进行信道模拟,模拟频率、带宽单一,不能适用于多种通信场景,多种信号频率,而且在固定采样时钟处理过程中,需要消耗大量的硬件资源。
发明内容
针对现有的短波超短波信道模拟装置多在固定频点进行信道模拟,模拟频率、带宽单一,不能适用于多种通信场景的问题,本发明的第一目的是提供了一种短波超短波信道模拟装置。
本发明采用以下的技术方案:
一种短波超短波信道模拟装置,包括上位机和现场可编程门阵列,上位机内有参数设置单元,参数设置单元连接有参数配置单元;
现场可编程门阵列内有参数寄存器、信号输入单元、信道模拟单元、信号输出单元和时钟管理单元,参数寄存器分别与信号输入单元、信道模拟单元和信号输出单元连接,信号输入单元与信道模拟单元连接,信道模拟单元与信号输出单元连接,所述时钟管理单元分别与信号输入单元、信道模拟单元和信号输出单元连接;
所述参数配置单元通过PCI接口与参数寄存器电连接。
优选地,所述信号输入单元包括模数转换器,模数转换器连接有下变频器,下变频器输出分为两路,一路连接有第一滤波器,另一路连接有第二滤波器。
优选地,所述信道模拟单元包括输入FIFO、输出FIFO和DDR3控制器,DDR3控制器控制输入FIFO和输出FIFO,输出FIFO连接有延时模块,延时模块连接有损耗模块,损耗模块连接有多径衰落模块,多径衰落模块连接有阴影衰落模块,阴影衰落模块连接有噪声模块。
优选地,所述信号输出单元包括内插模块,内插模块连接有上变频器,上变频器连接有数模转换器。
本发明的第二目的是提供了以上所述的一种短波超短波信道模拟装置的模拟方法。
一种短波超短波信道模拟装置的模拟方法,包括以下步骤:
步骤1:用户通过上位机内的参数设置单元设置输入输出信号参数和信道模型参数,输入输出信号参数包括频率和宽带等,信道模型参数包括衰落路径数量,各衰落路径的相对延时、相对路径损耗、相对运动速度和夹角、衰落类型等;
参数设置单元设置好的参数送参数配置单元进行运算处理;
步骤2:参数配置单元根据用户设置的信号输入输出频率,计算求得DDS频率控制字;根据用户设置的信道模型参数计算相应的硬件参数,硬件参数包括各路径的开关状态标志、频移控制字和时延地址差等,通过PCI接口将参数传递到参数寄存器;
步骤3:模数转换器采集外部输入模拟信号,采样率为200MHz,根据用户设置中心频率参数,下变频器进行下变频得到基带信号,对于中心频率为1.5MHz~20MHz的信号,先对基带信号进行抽取,降低采样率到50MHz,然后修正相应带宽的滤波因子进行低通滤波;
对于中心频率为20MHz~70MHz的信号,先修正相应带宽的滤波因子,对基带信号进行滤波,然后再进行抽取,降低采样率到50MHz;输出IQ基带信号传递给信道模拟单元;
步骤4:DDR3控制器根据输入FIFO和输出FIFO的空状态、满状态以及半满状态的输出标志进行控制,在延时模块,通过控制输出端口的地址差实现ms级大范围群时延模拟,利用FPGA内部存储资源实现us级小范围路径时延模拟,并基于多相滤波结构实现ns级高精度延时模拟;
经过延时处理的数据送损耗模块;
步骤5:损耗模块根据上位机传递的损耗因子,对数据进行路径损耗模拟,之后数据送多径衰落模块;
多径衰落模块根据上位机传递多径衰落参数,产生多径衰落因子,多径衰落因子处理数据后,送阴影衰落模块;
阴影衰落模块根据上位机传递阴影衰落参数,产生阴影衰落因子,阴影衰落因子处理数据后,送噪声模块;
噪声模块据上位机传递信噪比参数、噪声带宽参数以及实时计算的输入信号功率,产生满足要求的高斯白噪声,高斯白噪声处理数据后,输出衰落模拟信号;
步骤6:信号输出单元对衰落模拟信号进行内插,提高采样率到100MHz,然后通过上变频器进行上变频,上变频后对于输出中心频率为1.5MHz~30MHz的信号,直接通过数模转换器进行输出;
对于输出中心频率为30MHz~70MHz的信号,利用数模转换器的内插混频功能,混频到相应的中心频率进行输出。
本发明具有的有益效果是:
本发明提供了一种短波超短波信道模拟装置和模拟方法,采用分段处理实现1.5MHz~70MHz频率范围的短波超短波信道模拟,模拟装置模拟带宽最大为10MHz,用户通过上位机软件设置输入输出信号参数、信道模型参数,并对信道模型参数进行运算处理,将设置参数转换为定点化值,通过PCI接口将定点化参数配置到现场可编程门阵列中;输入信号经过200MHz采样进入现场可编程门阵列,在现场可编程门阵列中根据用户设置输入参数选择相应的处理方法对模数转换器采集到的数字信号进行下变频到基带,然后对基带信号进行抽取滤波,实现50MHz的处理速率,并在50MHz时钟速率下进行信道衰落模拟,最后,根据用户设置输出信号参数选择相应的处理方法对衰落模拟信号进行内插,提高采样率到100MHz,并进行上变频处理,最终输出衰落模拟信号。
本发明通过降低时钟速率,节约硬件实现资源,并提高装置稳定性;通过滤波因子实时修正方法实现多种信号带宽的衰落模拟,带宽包括250KHz、1MHz与10MHz。该信道模拟装置具有节省硬件资源、适应范围广、操作简单、成本低等优点。
附图说明
图1为短波超短波信道模拟装置原理框图。
图2为信道模拟单元实现框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明:
实施例1
结合图1和图2,一种短波超短波信道模拟装置,包括上位机和现场可编程门阵列,上位机内有参数设置单元,参数设置单元连接有参数配置单元。
现场可编程门阵列内有参数寄存器、信号输入单元、信道模拟单元、信号输出单元和时钟管理单元,参数寄存器分别与信号输入单元、信道模拟单元和信号输出单元连接,信号输入单元与信道模拟单元连接,信道模拟单元与信号输出单元连接,所述时钟管理单元分别与信号输入单元、信道模拟单元和信号输出单元连接。
参数配置单元通过PCI接口与参数寄存器电连接。
信号输入单元包括模数转换器,模数转换器连接有下变频器,下变频器输出分为两路,一路连接有第一滤波器,另一路连接有第二滤波器。
信道模拟单元包括输入FIFO、输出FIFO和DDR3控制器,DDR3控制器控制输入FIFO和输出FIFO,输出FIFO连接有延时模块,延时模块连接有损耗模块,损耗模块连接有多径衰落模块,多径衰落模块连接有阴影衰落模块,阴影衰落模块连接有噪声模块。
信号输出单元包括内插模块,内插模块连接有上变频器,上变频器连接有数模转换器。
用户通过参数设置单元能设置输入输出信号参数和信道模型参数,参数配置单元能对设置的参数进行处理。
时钟管理单元为其他各个单元提供包括200MHz,100MHz,50MHz等时钟信号。
实施例2
上述实施例1的一种短波超短波信道模拟装置的模拟方法,包括以下步骤:
步骤1:用户通过上位机内的参数设置单元设置输入输出信号参数和信道模型参数,输入输出信号参数包括频率和宽带等,信道模型参数包括衰落路径数量,各衰落路径的相对延时、相对路径损耗、相对运动速度和夹角、衰落类型等。
参数设置单元设置好的参数送参数配置单元进行运算处理。
步骤2:参数配置单元根据用户设置的信号输入输出频率,计算求得DDS频率控制字;
计算公式为:
Figure GDA0002584588230000041
其中,f为用户设置频率,fclk为系统采样率,对于输入端fclk=200MHz,输出端fclk=100MHz,N为32。
根据用户设置的信道模型参数计算相应的硬件参数,硬件参数包括各路径的开关状态标志、频移控制字和时延地址差,通过PCI接口将参数传递到参数寄存器。
步骤3:模数转换器采集外部输入模拟信号,采样率为200MHz,根据用户设置中心频率参数,下变频器进行下变频得到基带信号,对于中心频率为1.5MHz~20MHz的信号,第一滤波器先对基带信号进行抽取,降低采样率到50MHz,然后修正相应带宽的滤波因子进行低通滤波。
对于中心频率为20MHz~70MHz的信号,第二滤波器先修正相应带宽的滤波因子,对基带信号进行滤波,然后再进行抽取,降低采样率到50MHz;输出IQ基带信号传递给信道模拟单元。
步骤4:DDR3控制器根据输入FIFO和输出FIFO的空状态、满状态以及半满状态的输出标志进行控制,在延时模块,通过控制输出端口的地址差实现ms级大范围群时延模拟,利用FPGA内部存储资源实现us级小范围路径时延模拟,并基于多相滤波结构实现ns级高精度延时模拟;
经过延时处理的数据送损耗模块。
步骤5:损耗模块根据上位机传递的损耗因子,对数据进行路径损耗模拟,之后数据送多径衰落模块;
多径衰落模块根据上位机传递多径衰落参数,产生多径衰落因子,多径衰落因子处理数据后,送阴影衰落模块;
阴影衰落模块根据上位机传递阴影衰落参数,产生阴影衰落因子,阴影衰落因子处理数据后,送噪声模块;
噪声模块据上位机传递信噪比参数、噪声带宽参数以及实时计算的输入信号功率,产生满足要求的高斯白噪声,高斯白噪声处理数据后,输出衰落模拟信号。如图2所示。
步骤6:信号输出单元对衰落模拟信号进行内插,提高采样率到100MHz,然后通过上变频器进行上变频,对于输出中心频率为1.5MHz~30MHz的信号,直接通过正交上变频到相应的频率;对于输出中心频率为30MHz~70MHz的信号,上变频的频率为:
fc=|fo-50|
其中,fo为输出中心频率,单位为MHz。
上变频后对于输出中心频率为1.5MHz~30MHz的信号,直接通过数模转换器进行输出;
对于输出中心频率为30MHz~70MHz的信号,利用数模转换器的内插混频功能,混频到相应的中心频率进行输出。
当然,上述说明并非是对本发明的限制,本发明也并不仅限于上述举例,本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换,也应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种短波超短波信道模拟装置的模拟方法,其特征在于,应用于短波超短波信道模拟装置,装置包括上位机和现场可编程门阵列,上位机内有参数设置单元,参数设置单元连接有参数配置单元;
现场可编程门阵列内有参数寄存器、信号输入单元、信道模拟单元、信号输出单元和时钟管理单元,参数寄存器分别与信号输入单元、信道模拟单元和信号输出单元连接,信号输入单元与信道模拟单元连接,信道模拟单元与信号输出单元连接,所述时钟管理单元分别与信号输入单元、信道模拟单元和信号输出单元连接;
所述参数配置单元通过PCI接口与参数寄存器电连接;
所述信号输入单元包括模数转换器,模数转换器连接有下变频器,下变频器输出分为两路,一路连接有第一滤波器,另一路连接有第二滤波器;
所述信道模拟单元包括输入FIFO、输出FIFO和DDR3控制器,DDR3控制器控制输入FIFO和输出FIFO,输出FIFO连接有延时模块,延时模块连接有损耗模块,损耗模块连接有多径衰落模块,多径衰落模块连接有阴影衰落模块,阴影衰落模块连接有噪声模块;
所述信号输出单元包括内插模块,内插模块连接有上变频器,上变频器连接有数模转换器;
模拟方法包括以下步骤:
步骤1:用户通过上位机内的参数设置单元设置输入输出信号参数和信道模型参数,输入输出信号参数包括频率和宽带,信道模型参数包括衰落路径数量,各衰落路径的相对延时、相对路径损耗、相对运动速度和夹角、衰落类型;
参数设置单元设置好的参数送参数配置单元进行运算处理;
步骤2:参数配置单元根据用户设置的信号输入输出频率,计算求得DDS频率控制字;根据用户设置的信道模型参数计算相应的硬件参数,硬件参数包括各路径的开关状态标志、频移控制字和时延地址差,通过PCI接口将参数传递到参数寄存器;
步骤3:模数转换器采集外部输入模拟信号,采样率为200MHz,根据用户设置中心频率参数,下变频器进行下变频得到基带信号,对于中心频率为1.5MHz~20MHz的信号,先对基带信号进行抽取,降低采样率到50MHz,然后修正相应带宽的滤波因子进行低通滤波;
对于中心频率为20MHz~70MHz的信号,先修正相应带宽的滤波因子,对基带信号进行滤波,然后再进行抽取,降低采样率到50MHz;输出IQ基带信号传递给信道模拟单元;
步骤4:DDR3控制器根据输入FIFO和输出FIFO的空状态、满状态以及半满状态的输出标志进行控制,在延时模块,通过控制输出端口的地址差实现ms级大范围群时延模拟,利用FPGA内部存储资源实现us级小范围路径时延模拟,并基于多相滤波结构实现ns级高精度延时模拟;
经过延时处理的数据送损耗模块;
步骤5:损耗模块根据上位机传递的损耗因子,对数据进行路径损耗模拟,之后数据送多径衰落模块;
多径衰落模块根据上位机传递多径衰落参数,产生多径衰落因子,多径衰落因子处理数据后,送阴影衰落模块;
阴影衰落模块根据上位机传递阴影衰落参数,产生阴影衰落因子,阴影衰落因子处理数据后,送噪声模块;
噪声模块据上位机传递信噪比参数、噪声带宽参数以及实时计算的输入信号功率,产生满足要求的高斯白噪声,高斯白噪声处理数据后,输出衰落模拟信号;
步骤6:信号输出单元对衰落模拟信号进行内插,提高采样率到100MHz,然后通过上变频器进行上变频,上变频后对于输出中心频率为1.5MHz~30MHz的信号,直接通过数模转换器进行输出;
对于输出中心频率为30MHz~70MHz的信号,利用数模转换器的内插混频功能,混频到相应的中心频率进行输出。
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