CN112087268A - 面向台风探测应用的临空无线信道模拟机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种面向台风探测应用的临空无线信道模拟机，基于CPU+FPGA架构实现，属于无线通信领域。本发明的模拟机包括初始化配置部分、参数计算部分、数据通信部分和信道生成部分；参数计算部分包括系统初始化模块、发射机状态模块、接收机状态模块、信道参数计算模块和通道参数生成模块；数据通信部分包括数据下发模块、中断控制模块、数据接收模块和数据解析存储模块；信道生成部分包括信道生成模块、芯片管理模块和中断产生模块。本发明的模拟器可实现台风环境下，探空仪上发射机与机载接收机的多种运动模式的模拟，并提供尽可能接近于真实的信道环境，基于模块化开发，具有良好的升级和扩展空间，适用范围广。

Description

面向台风探测应用的临空无线信道模拟机

技术领域

本发明涉及一种面向台风探测应用的临空无线信道模拟机，此模拟机基于CPU(Central Processing Unit,中央处理器)+FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)架构，通过PCIE(Peripheral Component Interface Express，总线和接口标准)完成数据交互，具体涉及临空无线信道模拟机各关键参数的计算、数据传输和中断响应以及信道衰落模型的硬件模拟方法，属于无线通信领域。

背景技术

我国地处西北太平洋西岸，台风(西北太平洋范围内的一种热带气旋)登陆十分频繁，年均有7～9次台风登陆我国大陆，造成人员伤亡与直接经济损失，因此防台减灾是一项十分重要的工作。影响台风运动路径和强度变化的主要因素有大尺度环境场、下垫面和台风自身结构等。近年来，天气尺度数值预报和资料同化技术的进步已有效降低了我国台风运动路径的预报误差，而台风强度变化的预报精度的提高，尚还需要足够的台风内部精细结构的观测资料。事实上，台风内部不同时刻不同区域的温度、湿度、气压、风速等基本气象参数直接观测资料的匮乏，已成为制约台风数值模式(路径和强度变化)预报能力进一步提高的主要因素。

为精确获取台风内部结构的直接观测资料，如台风内部不同时刻不同区域的温度、湿度、气压、风速等基本气象参数，目前国内外多采用飞机下投探空方式。飞机下投探测系统包括下投式探空仪、释放机构、机载信号转发装置和地面接收装置。飞机携带下投式探空系统飞行至目标上空，根据控制命令释放探空仪，探空仪主要受重力和风力作用。探空仪探测温度、湿度、气压、风速和位置等数据，并通过无线发射机将探测资料传送至机载信号转发装置。机载信号转发装置接收探空仪发送的探测数据，并转发至地面接收装置。其中，对于探空仪上无线发射机与机载信号转发装置间的点对点通信链路，即临空无线信道，需要进行模拟，实现各关键参数的计算、数据传输和中断响应以及信道衰落模型的模拟，实现对机载接收机接收信号准确性和有效性的评估，进而推动台风探测系统的建设和发展。

现有的无线信道模拟系统架构包括软件、硬件以及软硬结合三种形式，其中软件架构主要通过软件仿真模拟信道或数字信道，硬件架构主要使用DSP(Digital SignalProcessing，数字信号处理)和FPGA实现数字信道，软硬结合架构分为软硬件两部分，其中软件部分计算信号收发机运动状态信息和信道相关参数，硬件部分在软件部分的控制下产生数字信道。

软件架构模拟机是开发者根据用户需求，使用专业开发软件开发的能够仿真某种特定参数信道效果的软件系统，这种模拟机并不能产生实际信道，仅将信道对发射信号的理论影响作用于接收信号，因此并不能模拟实际的信号传输过程，并且程序运算量随着仿真数据增大而增大，无法保证仿真的实时性。硬件架构模拟机是以DSP集成电路、ARM、单片机等为核心，基于软硬协同的设计思想，将软件与硬件作为整体进行并行开发，最终能够实时产生数字信道。这种设计架构能够最大程度地实现模拟机的性能优势，但软硬件的功能模块不能分离，模拟机的功能相对固定，模拟机的维护、更新与升级受硬件设备的影响较大。软硬结合架构模拟机是以CPU和FPGA为核心，软硬件功能模块分别进行开发。此种架构的信道模拟机可充分利用CPU强大的数据处理能力以及简洁明快的用户界面开发环境，将各信道参数通过PCIE传输至板卡，之后利用FPGA的高速计算能力实时产生数字信道。这种架构的模拟机虽大多针对特定的应用与平台开发，价格相对昂贵且易受到平台限制，但可以摆脱硬件的诸多限制，系统移植成本低，模拟机的维护、更新与升级更为方便。

目前已有采用软硬结合架构的卫星移动信道模拟器，其中软件控制平台进行星座计算、链路参数计算，并提供友好的GUI(Graphical User Interface)图形界面与用户交互，而硬件实时仿真平台则根据软件控制平台的仿真参数进行卫星通信链路的仿真。上下位机程序分别运行在配置不同操作系统的不同机器上，两者通过以太网口进行数据交换。如此虽可在较大仿真运算量的基础上保证仿真信号的实时性，但整个卫星信道模拟器对上下位机程序运行环境的适配性要求较高，对后续的维护与升级工作造成一定困难。此外，还有针对低轨中频卫星信道的模拟器同样采用软硬结合架构，软件部分主要包括卫星实时参数的计算、乘性衰落因子的产生、数据传输预处理和数据统计、绘图显示等，而硬件设计则包括中频信号的数模转换、模数转换、带通采样、噪声迭加和电路控制等，软件和硬件之间的数据传输通过打印机并行接口进行连接和通信。此种软硬结合架构同样保证了信道的实时性，通信方式采用并行接口虽可大大提高数据传输速度，但并行传送的线路长度受到限制，长度增加，干扰增加，数据传输较容易出错。在台风探测应用场景中，对数据传输的要求高，而目前已有的软硬结合架构的无线信道模拟器并不适用，因此，需要寻找一种面向台风探测应用的临空无线信道模拟器，以为台风探测相关的各种研究提供支持。

发明内容

针对目前的软硬结合架构的无线信道模拟器不适用于台风探测应用场景，本发明采用软硬结合架构实现了一种面向台风探测应用的临空无线信道模拟机，适用于台风信道环境下信号接收准确性和有效性的评估，探空仪上无线发射机及机载接收机的功能测试和精度鉴定。同时，本发明适用于通用PC平台，具有良好的兼容性，价格低廉且便于维护和系统升级。

本发明提供的面向台风探测应用的临空无线信道模拟机，基于CPU+FPGA开发，通过PCIE接口进行数据传输。本发明的模拟器包括初始化配置部分、参数计算部分、数据通信部分和信道生成部分。其中，数据通信部分包括数据下发模块、中断控制模块、数据接收模块和数据解析存储模块；初始化配置部分、参数计算部分和数据通信部分中的数据下发模块、中断控制模块位于CPU，数据通信部分中的数据接收模块和数据解析存储模块以及信道生成部分位于FPGA。

初始化配置部分用于配置初始化参数并输入参数计算部分；初始化的参数包括系统信号、发射机、接收机和信道的相关参数。

参数计算部分包括系统初始化模块、发射机状态模块、接收机状态模块、信道参数计算模块和通道参数生成模块。系统初始化模块根据接收到的系统信号相关参数配置系统信号；发射机状态模块根据所选发射机载体运动轨迹文件实时更新发射机的运动状态；接收机状态模块根据接收到的接收机相关参数，根据动态模型实时更新接收机的运动状态。信道参数计算模块根据系统信号参数、发射机实时的运动状态以及接收机实时的运动状态，计算发射机与接收机的实时相对运动状态、路径损耗、阴影衰落、多径时延控制字和幅度控制字、以及各路径的多普勒NCO(Numerically Controlled Oscillator，数字控制振荡器)参数。通道参数生成模块将信道参数计算模块计算的信道参数以及初始化配置部分设置的信道相关参数进行整合，传输给数据通信部分。

数据通信部分包括数据下发模块、中断控制模块、数据接收模块和数据解析存储模块；数据下发模块对参数计算部分发送来的通道信息数据按照通信协议进行装帧，并控制数据下发给数据接收模块；数据接收模块通过PCIE接口和DMA(直接存储器访问)内存机制完成数据的接收，并发送给数据解析存储模块；数据解析存储模块根据通信协议将数据帧进行解析，获得系统参数和通道参数传输到信道生成部分；中断控制模块接收从信道生成部分的中断产生模块生成的中断控制信号，以及从数据解析存储模块发来的FIFO(FirstInput First Output，先入先出队列)数据空信号，调控参数计算部分进行发射机状态和接收机状态的实时更新以及相对运动的模拟，以及多普勒NCO参数的更新。

信道生成部分包括信道生成模块、芯片管理模块和中断产生模块；信道生成模块根据接收到的系统参数和通道参数生成能添加大尺度衰落、小尺度衰落和高斯白噪声的数字信道。芯片管理模块控制模数转换芯片对输入的模拟中频信号进行模数转换，转换后的数字中频信号输入信道生成模块处理，芯片管理模块控制数模转换芯片对信道生成模块输出的数字中频信号进行数模转换后输出。中断产生模块根据接收到的信道参数更新频率产生中断控制信号，输出给数据通信部分的中断控制模块。

其中，信道生成模块包括大尺度衰落计算模块、小尺度衰落计算模块、希尔伯特变换模块和高斯白噪声模块；大尺度衰落计算模块根据路径损耗和阴影衰落两个信道参数将大尺度衰落添加至输入的信号；希尔伯特变换模块对大尺度衰落计算模块输出的信号进行希尔伯特变换后，产生一路同相信号和一路正交信号作为小尺度衰落计算模块的输入；小尺度衰落计算模块生成小尺度衰落分量添加至希尔伯特变换模块输出的信号；高斯白噪声模块根据高斯白噪声平均功率调整高斯白噪声的幅度并添加至小尺度衰落计算模块输出的信号。

小尺度衰落计算模块包含16个通道模块，每个通道模块对应多径信道系统的一条路径，每个通道模块包括多普勒频移模块、多径时延模块和小尺度分量产生模块；多普勒频移模块在多普勒NCO参数的控制下输出频率为当前时间、当前路径的多普勒正弦分量和多普勒余弦分量；多径时延模块在多径时延控制字的控制下输出对应相位时延的余弦时延分量和正弦时延分量；小尺度分量产生模块接收多普勒频移模块和多径时延模块的输出，首先将多普勒余弦分量、多普勒正弦分量与余弦时延分量、正弦时延分量分别相乘，之后将两个余弦的乘积与两个正弦的乘积相减，得到同相小尺度衰落分量，将两个余弦的乘积与两个正弦的乘积相加，得到正交小尺度衰落分量，最后将同相、正交两路小尺度衰落分量乘以幅度控制字后输出对应通道产生的小尺度分量；小尺度衰落计算模块将各通道输出的小尺度分量合成生成信道的小尺度衰落分量。

本发明与现有技术相比，具有以下优势：

(1)本发明的模拟器基于CPU+FPGA开发，并通过PCIE接口完成数据传输，适用于具备PCIE接口的通用PC设备，具备便携、便于升级和价格低廉等优势。

(2)本发明的模拟器中各部分基于模块化开发，各模块之间相互独立，在保证接口一致的情况下，可对各模块内容进行修改而不影响整体运行，具有良好的升级和扩展空间，系统升级速度快。

(3)本发明的模拟器具备多模功能，适用范围广，不仅可以用于单一信道环境的测试，而且适用于多种信道环境的组合测试和信号收发机可靠性和灵敏性的研究。

(4)本发明采用的临空无线信道模拟机模拟的是探空仪上无线发射机与机载信号转发装置间的点对点通信链路，可实现台风环境下，探空仪上发射机与机载接收机的多种运动模式的模拟，并提供尽可能接近于真实的信道环境，具有灵活、可重复、可定制等特点，为台风探测相关的各种研究提供了极大的便利。

(5)本发明提供的面向台风探测应用的临空无线信道模拟机，一方面，模拟机为机载接收机或监测设备的研究提供了可定制的信道支持，既可以摆脱收发机测试环境的诸多限制又可以通过已有的台风探测数据校正调整接收机及其它设备的开发与研制；另一方面，随着台风内部结构探测精度要求的提高，模拟机可通过对各类复杂信道环境的模拟实现对机载接收机接收信号准确性和有效性的评估，进而推动台风探测系统的建设和发展。同时，支持多种信号收发机相对运动模式与信道环境的临空无线信道模拟机还具有测试不同环境、不同信号的接收效果的能力。

(6)本发明采用软硬结合架构实现的信道具有实时性和持续性，且能实现很快的系统升级更新。对比现有的软硬件结合架构，本发明采用的软硬结合架构，上下位机程序可运行在同一机器的相同操作系统上，上位机程序和下位机程序可分别进行维护、更新与升级，整个系统的维护、更新与升级便摆脱了硬件限制。此外，上下位机的数据传输采用PCIE，高速且摆脱线路长度的限制，数据传输可靠性高。上下位机程序可整合至同一机器后，便于携带与场外测试。

附图说明

图1是本发明面向台风探测应用的临空无线信道模拟机的结构示意图；

图2是本发明模拟机的参数计算部分的结构流程图；

图3是本发明模拟机的数据通信部分的结构流程图；

图4是本发明模拟机的信道生成部分的结构流程图；

图5是采用本发明模拟机进行具体实施步骤流程图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细和深入描述。

本发明公开了一种面向台风探测应用的临空无线信道模拟机，此模拟机基于CPU+FPGA架构，通过PCIE完成数据交互，分为初始化配置、参数计算、数据通信和信道生成四部分。其中，初始化配置部分完成初始化参数的配置；参数计算部分根据初始化配置的参数完成信号收发机运动状态的模拟以及信道参数的计算并将参数传递给数据通信部分；数据通信部分首先在CPU中将数据装帧并发送，然后在FPGA中进行数据解析后将数据送至信道生成部分，同时进行中断响应的处理，保证信道参数的实时性与连续性；信道生成部分分别从大尺度衰落、小尺度衰落和高斯白噪声三个方面生成无线信道，对模数转换后的数字中频信号进行相关信号处理后，通过数模转换输出模拟中频信号。

本发明在已有软硬结合架构的基础上进一步优化，令上下位机程序可兼容于相同的机器与操作系统，且摆脱通信线路长度的干扰。本发明通过PCIE接口完成数据的传输及CPU部分与FPGA部分间的通信，其中CPU部分负责用户交互、信号收发机运动模型的建模和关键信道参数的计算并将这些数据装帧、下发至FPGA部分，FPGA部分对数据进行解析并生成数字信道。信号通过ADC(Analog-to-Digital Converter，模/数转换器)进行模数转换后进入数字信道，完成信号处理后通过DAC(Digital-to-Analog Converter，数/模转换器)进行数模转换，实现台风信道环境下模拟接收信号的实时产生。同时，FPGA与CPU之间通过一种中断响应机制实现了数据的持续更新。

如图1所示，本发明的面向台风探测应用的临空无线信道模拟机，包括初始化配置部分、参数计算部分、数据通信部分和信道生成部分，其中初始化配置部分指参数配置模块1；参数计算部分包括系统初始化模块2、发射机状态模块3、接收机状态模块4、信道参数计算模块5和通道参数生成模块6；数据通信部分包括数据下发模块7、中断控制模块8、数据接收模块9和数据解析存储模块10；信道生成部分包括信道生成模块11、芯片管理模块12和中断产生模块13；信道生成模块11包括大尺度衰落计算模块14、小尺度衰落计算模块15、希尔伯特变换模块16和高斯白噪声模块17；小尺度衰落计算模块15包含16个通道模块18；每个通道模块18包括多普勒频移模块19、多径时延模块20和小尺度分量产生模块21。其中模块1-8组成软件部分，基于PC端的CPU完成；模块9-21组成硬件部分，基于FPGA完成。

初始化配置部分中的参数配置模块1完成初始化参数的配置，输入参数计算部分。初始化配置部分是临空无线信道模拟机的入口，通过可视化参数配置界面来进行初始化参数的配置。主要包括四个方面的参数的初始化：(1)系统信号相关参数，包括信号的发射频率、中频频率和采样率；(2)发射机相关参数，指发射机运动轨迹文件中包含的发射机轨迹数据和发射机初始状态数据，即位置、速度、加速度；(3)接收机相关参数，包括接收机载体的运动模型，及初始状态参数，如接收机位置、速度、加速度、方位角；(4)信道相关参数，包括多径数、直射径选择、阴影衰落选择及阴影标准差设置、高斯白噪声选择及平均功率设置。在初始化参数配置完成之后，模拟机就已经获取了生成信道的基本信息，参数计算部分将会根据这些初始化参数完成路径损耗、阴影衰落、各通道的多径时延和多普勒频移等关键参数的计算。

参数计算部分接收初始化配置部分获得的初始化参数，根据配置的初始化参数完成无线信道系统的建模、信号收发机运动状态的模拟以及关键参数的计算，包括信号收发机运动状态的计算及更新、自由空间路径损耗的计算、阴影衰落的计算、多径时延控制字和幅度控制字的产生、多普勒NCO参数的计算和通道参数的产生等任务。参数计算部分将计算或更新的关键参数通过数据通信部分传输到信道生成部分，最终由信道生成部分产生实际信道。

参数计算部分的实现主要涉及功能模块和数据结构两个方面的内容，功能模块指参数计算部分各模块的调用安排及功能实现，数据结构指各模块间参数的传递机制。

功能模块方面，参数计算部分的各模块：系统初始化模块2、发射机状态模块3、接收机状态模块4、信道参数计算模块5和通道参数生成模块6，通过全局变量完成数据传递，但功能各自独立。如图2所示，系统初始化模块2接收参数配置模块1配置的与系统信号有关的参数，根据参数对信号进行配置；发射机状态模块3接收参数配置模块1配置的发射机相关参数，根据轨迹文件实时更新发射机的运动状态，包括发射机的位置坐标；接收机状态模块4接收参数配置模块1配置的与接收机有关的参数，根据动态模型实时更新接收机的运动状态，包括接收机的位置坐标；信道参数计算模块5根据系统信号参数、发射机状态模块3更新的发射机的实时运动状态、以及接收机状态模块4更新的接收机的实时运动状态，计算发射机与接收机的实时相对运动状态，进而计算自由空间路径损耗、阴影衰落、多径时延、多径幅度控制字和各路径多普勒频移等信道参数；最后，在通道参数生成模块6将信道生成部分所需参数，包括信道参数计算模块5计算的信道参数以及初始化配置部分设置的信道相关参数，进行整合，进行控制字的转换后，传输到数据通信部分。此后，在模拟机的运行过程中，会以一定的时间间隔重复调用参数计算部分的各模块，完成发射机状态和接收机状态的实时更新以及收发机相对运动的模拟。

数据结构方面，设计了一个全局变量SimChannel，如表1所示，该全局变量包括了信道仿真所需的全部数据：系统信息、发射机状态数据、接收机状态数据、信道数据及通道信息数据等。全局变量是参数计算部分的数据中枢，参数计算部分通过该变量完成各模块之间的数据传递与交互。

表1全局变量SimChannel

表1中的系统信息ChanFormats包括系统初始化模块2根据参数配置模块1配置的信号的射频频率、中频频率和采样率等信号信息，所设置的数据结构如表2所示，这些参数通过全局变量SimChannel传至信道参数计算模块5。

表2系统信息ChanFormats

发射机状态模块3的主要功能是根据参数配置模块1选择输入的发射机载体运动轨迹文件，实时更新发射机的运动状态，生成发射机的运动轨迹。发射机的运动轨迹和发射机初始状态数据构成了发射机状态的数据结构Trans，如表3所示。

表3发射机状态数据Trans

本发明中的信号发射机载体为探空仪，探空仪进入台风内后，主要受到风力和重力的作用，因此探空仪的运动状态能够反映台风的运动状态。在参数配置界面选择输入一定时间段内特定格式的发射机载体运动轨迹文件后，发射机状态模块3读取各个时刻点发射机载体的运动状态。

接收机状态模块4的主要功能是根据参数配置模块1设置的接收机载体的类型及状态模型，实时更新接收机的运动状态，生成接收机的运动轨迹。接收机的运动轨迹和接收机初始状态数据构成接收机状态的数据结构Rec，如表4所示。

表4接收机状态数据Rec

本发明中主要模拟两类接收机载体的运动状态，包括飞机运动载体和飞艇运动载体。

(1)飞机运动载体的模拟中，有三个基本假设：假设飞机是刚体，且在飞行过程中质量保持不变；忽略地面的曲率和自转，将地面看作平面以及假设地面坐标为惯性坐标系。在这三个假设条件下，可以将飞机运动载体的运动分解为三个基本运动——直线运动、爬升(俯冲)运动和转弯运动，然后对这三个基本运动进行处理。

(2)飞艇运动载体的模拟，主要涉及匀速直线运动、匀加速直线运动、匀速圆周运动等运动模式，处于以上三种运动模式的接收机载体，在仿真时间内的任意时刻的状态，如接收机载体位置、速度和加速度都可以由初始设定参数根据物理学上的运动学公式计算出来。但是它无法模拟变加速、变向等无法用数学公式来描述的运动形式。本发明模拟飞艇载体处于某种简单运动模式下，将飞艇运动载体综合为简单运动模式组合一起，以满足飞艇实际运动情况的需求。

以匀加速直线运动为例，设获得初始时刻接收机载体在地心地固直角坐标系中的位置，建立以此位置为坐标原点的东北天坐标系，根据初始方位角、初始速度和加速度，在东北天坐标系中计算接收机载体在间隔时刻之后的东北天坐标系位置，然后进行坐标转换，转换到地心地固坐标系中的位置即可完成接收机状态的更新。

信道数据结构ChanPara如表5所示。

表5信道数据ChanPara

信道参数计算模块5首先根据信号射频频率和收发机载体初始相对距离计算路径损耗，同时进行单位转换；其次，根据参数配置界面设置的阴影标准差和既定面积均值计算阴影衰落；之后，根据参数配置界面输入的多径数产生相应个数的多径时延控制字和幅度控制字；其中，幅度控制字与时延控制字成反比关系，即信号时延越大，幅度衰减越大；最后，根据收发状态模块产生的发射机与接收机实时运动状态数据更新每一开启路径的多普勒NCO参数，其中计算每一开启路径的多普勒频移大小，主要计算方法是依据多普勒频移计算公式求出最大多普勒频移，将最大多普勒频移数值乘以随机产生的每一路径信号的到达角，则得到各个开启路径的多普勒频移值；多普勒频移方向是依据每个更新间隔内发射机和接收机相对距离的增减情况判断。

通道参数生成模块6整理的通道信息的数据结构，即通道信息数据ChannelData，如表6所示。

表6通道信息数据ChannelData

每个通道结构体中包含一条开启路径的与信道生成相关的所有数据，包括：多径数、路径损耗、阴影衰落、高斯白噪声平均功率、多径参数(时延控制字、幅度控制字)、多普勒NCO参数(相位、频率、频率变化率)等。其中多径数、路径损耗、阴影衰落、高斯白噪声平均功率、多径参数等在模拟机开始运行时给定，运行过程中保持不变，多普勒NCO参数随着信号收发机相对运动状态的变化不断更新。

对于任意一条路径，所设计的通道应该能实现如下的功能：

(1)路径开启；若开启路径数为n，那么第1条至第n条路径是开启状态，通道信息数据依次装载相应路径的信道数据；此处n≤16；

(2)路径关闭；若开启路径数为n，那么第(n+1)条至第16条路径是关闭状态，通道信息数据全部置0。

数据通信部分完成数据的下发与接收、装帧与解析，同时进行中断响应的处理，是CPU和FPGA之间通信的枢纽，在模拟机的运行中起着十分关键的作用。如图3所示，数据下发模块7接收参数计算部分发送来的通道信息数据ChannelData，根据通信协议对接收到的数据进行装帧，并控制数据下发给数据接收模块9；中断控制模块8接收信道生成部分的中断产生模块13生成的控制信号，令上位机程序—参数计算部分运行更新多组信道参数，以保证下位机实时产生数字信道；数据接收模块9接收和读取信道生成部分所需参数发送给数据解析存储模块10；数据解析存储模块10根据通信协议将数据进行解析，获得系统参数和通道参数传输到信道生成部分。

数据下发模块7与数据解析存储模块10之间的通信协议，如表7所示。

表7数据传输通信协议

其中，数据传输以帧为单位，每帧128比特数据，低16比特为帧头部分，共有0、1、2、3这四种不同的帧头，对应不同的数据类型。帧头为0的帧传输的是与通道号对应的信道生成的关键参数，包括两类参数：多径参数和多普勒NCO参数。多径参数包括多径时延控制字和幅度控制字。帧头为1的帧传输的是数据更新标志，表示已经进行了通道数据的更新。帧头为2的帧传输的是信道的系统初始化参数，包括多径数、路径损耗和阴影衰落等大尺度衰落参数及高斯白噪声平均功率。帧头为3的帧为系统启动标志，在该帧的控制下，模拟机开始生成信道。

数据下发模块7在将下发的参数根据通信协议进行装帧的同时，还需要控制数据的下发过程，其中系统初始化参数和系统启动标志只下发一次，传输完成后不需再次更新；通道更新数据的更新频率会因为参数类型的不同而不同，多径参数在路径开启时下发，多普勒NCO参数每个更新间隔都需要下发，每当有通道更新参数下发时，都需要同步下发数据更新标志，控制信道生成部分的小尺度衰落计算模块15进行信道参数的更新。最后，数据下发模块7需要调用驱动程序通知数据接收模块9进行数据的接收。

数据接收模块9通过PCIE接口和DMA内存机制完成数据的接收，本发明按照一种内存操作方案，通过内存指针控制数据的接收过程。在系统开始阶段，内存指针停留在头地址处，数据下发模块7在将数据写入内存之后会下发内存读取信号，在这个信号的控制下，内存指针以每次128比特的速度进行读取，直到其移动到内存空间的尾部，到达尾部后，指针将一直停留在尾部，等待下次内存读取信号到来。最后，数据接收模块9得到装帧好的128比特数据，速率为25Msps。

数据解析存储模块10接收来自数据接收模块9的数据，对数据进行解帧，然后根据不同的数据类型进行不同的处理。对于系统初始化数据，直接使用寄存器存储，使其在模拟机运行期间一直保持原值不变。对于通道更新数据，则需要使用FIFO存储，并结合数据更新标志进行数据的保存与读取，除了帧头之外，对通道更新数据的处理还包括通道号和数据类型的解帧，并将不同通道的数据保存在不同的FIFO存储器中，每个通道都分配了一个FIFO存储器用以保存数据。除多组通道更新数据外，还会单独下发一个通道数据更新标志，用来提示下位机程序此时通道数据已更新，对于通道数据更新标志，本发明也使用FIFO存储器进行存储，并在中断信号的控制下进行读取，若数据解析后获得高电平的通道数据更新标志，将会控制通道更新数据的FIFO存储器进行数据的读取，同时此FIFO存储器还会对其内保存的数据量进行监测，如果监测到内部的数据量少于阈值，将会产生一个FIFO数据空信号，并将此信号传递给中断控制模块8。

由数据解析存储模块10获取的参数包括系统参数和通道参数两种类型，如表8所示，这些参数将传递给信道生成部分。

表8数据解析存储模块的输入输出数据

中断控制模块8在来自信道生成部分的中断信号的控制下，调控参数计算部分完成数据的实时更新。在系统初始化阶段，参数计算部分将会产生100组参数，并将这100组数据保存在数据解析存储模块10中，然后进入运行阶段。在运行阶段，为了保证数据的实时性，需要响应来自硬件的中断信号，并在中断信号的控制下进行数据的更新，为此，本发明的中断控制模块8采用一种中断响应与处理机制，实现了数据的实时更新与传输。在中断响应机制中，设计了两个不同级别的中断控制信号，其中来自信道生成部分的中断控制信号级别较低，在这个信号的控制下，中断控制模块8将会调用参数计算部分的各模块完成一次数据的更新并将更新的数据通过数据下发链路保存在数据解析存储模块10的FIFO存储器中；而来自数据解析存储模块10的FIFO数据空信号的级别较高，如果检测到此信号，中断控制模块8将会控制参数计算部分进行多次数据更新，及时地完成数据的补充，本发明设置为50次数据更新。中断处理响应机制是保证上下位机程序实时连续运行的关键。

信道生成部分接收数据通信部分传递过来的参数，经信号处理后可等效为输入信号依序通过各个特性的无线信道，根据参数生成数字信道，并控制数据采集卡上的AD芯片(模数转换芯片)对输入信号进行模数转换和DA芯片(数模转换芯片)对输出信号进行数模转换。如图4所示，信道生成模块11根据接收到的参数生成数字信道；芯片管理模块12控制AD芯片和DA芯片进行输入输出信号的模数转换和数模转换；中断产生模块13按照信道参数更新频率产生中断控制信号，发送给中断控制模块8。信道生成模块11的大尺度衰落计算模块14根据数据通信部分传递的路径损耗和阴影衰落两个大尺度衰落信道参数将大尺度衰落添加至信号；小尺度衰落计算模块15由16个通道模块18组成并将小尺度衰落添加至信号；希尔伯特变换模块16对大尺度衰落计算模块14输出的信号进行希尔伯特变换后，产生一路同相信号和一路正交信号作为小尺度衰落计算模块15的输入；高斯白噪声模块17根据数据通信部分传递的噪声平均功率参数，对高斯白噪声进行幅度控制，并将噪声添加至信号。每个通道模块18对应当前多径信道系统的一条路径，16个通道模块18的输出将在小尺度衰落计算模块15中完成合成。通道模块18中的多普勒频移模块19在多普勒频移参数的控制下输出频率为当前时间、当前路径的多普勒频移值的正弦波，多径时延模块20在多径时延参数的控制下输出对应相位时延的正弦幅值，小尺度分量产生模块21整合多普勒频移模块19和多径时延模块20的输出，乘以幅度控制字后将此通道产生的小尺度分量输出至小尺度衰落计算模块15，合成信道的小尺度衰落分量以添加至信号。

信道生成模块11的输入输出接口数据如表9所示，包括系统参数和通道参数两部分。

表9信道生成模块的输入输出接口数据

信道生成模块11接收来自数据通信部分解析完成的参数，将系统参数传递给大尺度衰落计算模块14和高斯白噪声模块17，将通道参数传递给小尺度衰落计算模块15中的各个通道。输入信号依次经过大尺度衰落计算模块14、希尔伯特变换模块16、小尺度衰落计算模块15、高斯白噪声模块17，即完成信号的大尺度衰落和小尺度衰落并向信号中添加噪声后输出。输出的信号乘以幅度控制字，进行数模转换。

大尺度衰落计算模块14根据数据通信部分传递的路径损耗和阴影衰落两个参数运行下位机程序生成大尺度衰落添加至信号。大尺度衰落计算模块14的输入输出接口数据如表10所示。

表10大尺度衰落计算模块的输入输出接口数据

大尺度衰落计算模块14接收路径损耗和阴影衰落两个参数，输入信号与这两个参数分别相乘后，完成信号的乘性衰落并输出大尺度衰落信号，若路径损耗和阴影衰落全为0，即此信道中不存在大尺度衰落，则输出原输入信号。

希尔伯特变换模块16的输入输出接口数据如表11所示，大尺度衰落计算模块14的输出信号作为希尔伯特变换模块16的输入信号，经过希尔伯特滤波器后，输出一路同相信号和一路正交信号。

表11希尔伯特变换模块输入输出接口数据

小尺度衰落计算模块15的输入输出接口数据如表12所示，本发明设计小尺度衰落计算模块15中的多通道信号分别经历多径时延和多普勒频移两个信道特性后的合成信号，即等效于信号经历小尺度衰落的实现。小尺度衰落计算模块15包含16个与多径多普勒信道相关的通道模块18。

表12小尺度衰落计算模块的输入输出接口数据

在小尺度衰落计算模块15中，因为通道参数是与通道模块18直接相关，所以需要进行通道编号的配置并将不同通道的数据进行区分并传输到不同的通道模块18中。在通道模块18完成多径多普勒等小尺度分量的产生后，在小尺度衰落计算模块15将各通道输出的小尺度分量合成，即采用加法器对各通道分量累加，合成信道的小尺度衰落分量添加至信号。

通道模块18的输入输出接口数据如表13所示，在一个通道模块18中完成对多径信道的一条开启路径的生成工作。

表13通道模块的输入输出接口数据

通道模块18根据参数i_CH_status进行通道状态的控制，分为开启和关闭两种情况，不同情况的通道状态将采取不同的处理方式。开启状态需根据通道更新数据进行通道参数的更新，关闭状态需要将输出的通道分量置为0。

通道模块18中的多普勒频移模块19根据数字控制振荡器NCO控制字产生I、Q两路16比特多普勒分量。多普勒频移模块19的输入输出接口数据如表14所示。

表14多普勒频移模块输入输出接口数据

多普勒频移模块19接收多普勒NCO参数，利用直接数字式频率合成器DDS(DirectDigital Synthesizer)进行多普勒分量相位的控制，最后输出16比特的多普勒正弦分量和16比特的多普勒余弦分量。多普勒频移模块19内使用ROM(Read Only Memory，只读存储器)存储14比特量化的多普勒分量幅值查找表，将DDS输出的相位控制字进行截取作为查找表的地址，根据此地址的变化得到对应的多普勒分量。多普勒频移模块19输出正弦和余弦两路多普勒分量，其中余弦波从0地址处开始读取，正弦波从3π/4所对应的地址处开始进行读取。

多径时延模块20根据时延控制字产生I、Q两路14比特多径时延分量。多径时延模块20的输入输出接口数据如表15所示。

表15多径时延模块输入输出接口数据

多径时延模块20接收多径时延控制字，利用DDS获取多径时延分量的延迟相位值，最后输出14比特的余弦时延分量和14比特的正弦时延分量。多径时延模块20内使用ROM存储14比特量化的多径时延分量幅值查找表，将接收的多径时延控制字作为查找表的地址，根据此地址得到对应的相位延迟值。其中余弦值从0地址处开始读取，正弦值从3π/4所对应的地址处开始进行读取。

小尺度分量产生模块21的输入输出接口数据如表16所示。

表16小尺度分量产生模块的输入输出接口数据

小尺度分量产生模块21接收多普勒分量、时延分量和幅度控制字，首先将多普勒余弦分量、多普勒正弦分量与余弦时延分量、正弦时延分量分别相乘，之后将两个余弦的乘积与两个正弦的乘积相减，得到同相小尺度衰落分量；将余弦与正弦的两个乘积相加，得到正交小尺度衰落分量。I、Q两路衰落分量分别通过一个乘法器实现幅度控制，取高16位作为模块输出信号。将当前通道产生的I、Q两路16比特小尺度分量输出至小尺度衰落计算模块15。

高斯白噪声模块17的输入输出接口数据如表17所示。

表17高斯白噪声模块输入输出接口数据

高斯白噪声模块17接收高斯白噪声平均功率，经过大尺度衰落和小尺度衰落的信号与给定平均功率的高斯白噪声相乘后，完成向信号中添加噪声的过程并输出信号，若平均功率为0，即此信道中不存在噪声，则输出原模块输入信号。高斯白噪声模块17根据数据通信部分传递的平均功率参数，对高斯白噪声数字序列进行幅度控制。

芯片管理模块12的输入输出接口数据如表18所示。

表18芯片管理模块输入输出接口数据

芯片管理模块12通过对芯片内部寄存器的操作实现对AD芯片和DA芯片的控制，输入的模拟中频信号由数据采集卡采集后，通过AD芯片进行模数转换变为数字中频信号进入信道生成部分进行信号处理，信号处理完成后，输出信号通过DA芯片进行数模转换变为模拟中频信号后输出。芯片管理模块12通过对DA芯片中寄存器的读写实现对DA芯片的控制和管理，包括DA芯片输入信号的格式和内部滤波器的使用情况等。

中断产生模块13的输入输出接口如表19所示。

表19中断产生模块输入输出接口数据

中断产生模块13按照信道参数更新频率，以固定的间隔时间产生中断信号，送入数据通信部分控制参数的更新，即控制整个信道模拟机的更新。初始化完毕后，在中断计数开始标志的控制下，中断产生模块13开始计数，在满足更新周期的条件时，产生中断信号并控制模拟机的更新，然后计数重新开始并重复此过程。因为中断产生模块13使用硬件实现中断，可以实现较为准确的中断控制，保证了信道模拟机的实时性和连续性。如，若中断产生的时间间隔选择为20ms，在系统时钟为250M的情况下，当计数达到4999999(250*20ms-1)时产生中断信号并使计数复位。

如图5所示，采用本发明面向台风探测应用的临空无线信道模拟机进行信号模拟的过程分以下8个步骤来说明。

步骤1：初始化参数配置。在参数配置模块1中根据用户的选择进行参数的初始化配置，包括：信号射频、中频频率和采样率；发射机载体运动轨迹文件；接收机载体的运动模型与初始状态参数，如位置、速度、加速度、方位角；以及多径数、直射径、阴影衰落标准差、高斯白噪声平均功率等信道参数。

步骤2：发射机状态计算。发射机状态模块3根据初始化参数中与发射机有关的参数，实时计算并更新发射机载体的运动状态，生成发射机载体的运动轨迹。

步骤3：接收机状态计算。接收机状态模块4根据初始化参数中与接收机有关的参数，实时计算并更新接收机载体的运动状态，生成接收机载体的运动轨迹。

步骤4：信道参数计算。信道参数计算模块5根据初始化参数中的信号参数、发射机和接收机载体实时运动状态数据计算收发机的相对距离、相对速度和相对加速度等实时相对运动状态数据，进而计算路径损耗、阴影衰落、多径时延和多普勒频移等信道参数。

根据信号射频频率和相对距离计算路径损耗。根据参数配置界面设置的阴影标准差和既定面积均值计算阴影衰落。根据参数配置界面输入的多径数产生相应个数的多径时延控制字和幅度控制字。其中，幅度控制字与时延控制字成反比关系，即信号时延越大，幅度衰减越大。根据发射机状态模块3、接收机状态模块4产生的发射机与接收机实时运动状态数据计算每一开启路径的多普勒频移大小。

步骤5：通道参数生成。通道参数生成模块6首先进行路径状态的判断，如果路径开启，则对应的路径数据将进行更新，否则路径数据全部置0。

步骤6：数据下发与中断控制。信道参数在计算完成后需要进行整合和下发，同时响应来自硬件的中断信号进行及时的更新和计算。在数据下发模块7中，将通道中的数据根据软硬件之间的通信协议进行装帧，并依据不同数据的类型以不同的更新频率调用硬件设备的驱动程序进行数据的下发控制。中断控制模块8为了保证数据的实时性，需要利用中断响应与处理机制对底层硬件的中断信号进行响应，并控制步骤2～5进行数据的更新和下发。

步骤7：数据接收与解析。首先，需要对软件部分传输的数据进行接收，然后进行解析并存储。同时，还需要产生中断信号控制数据的更新过程。具体步骤如下：

步骤7.1，数据接收。数据接收模块9通过PCIE接口和DMA内存读取机制进行数据的接收，以内存指针的形式进行控制，最终得到软件部分下发的数据。

步骤7.2，数据解析。数据解析存储模块10根据软硬件之间的通信协议对数据进行解析，并对不同类型的数据进行不同的处理。对于需要实时更新的数据，利用FIFO存储技术进行存储。同时，对FIFO中的数据量进行监测，如果监测到数据量小于阈值，产生FIFO数据空信号，控制软件部分进行数据更新。

步骤7.3，中断信号产生。中断产生模块13以固定的时间间隔产生中断控制信号，在中断信号的控制下，数据将会按此间隔进行实时的更新。

模拟机的数据传输与通信是参数计算部分与信道生成部分的桥梁，也是保证模拟机连续实时产生信道的关键所在，本发明采用一种中断处理响应机制以保证数据的实时传输。中断处理响应机制基于以下三个基本条件：1)在FPGA的时钟控制下产生准确的中断信号；2)数据参数以组为单位进行计算和存储；3)数据的接收和存储使用FIFO实现。在模拟机开启后，首先下发100组数据并保存在FIFO存储器之中，完成传输和存贮之后，在系统启动信号的控制下开始产生中断信号，中断信号一方面控制信道生成部分以固定的时间间隔从FIFO存储器中读取数据，另一方面控制参数生成部分以固定间隔完成数据的更新和下发，下发的数据继续保存在FIFO存储器中。同时，考虑到软件可能存在的延时等问题，本发明还利用了ISE中FIFO类IP核的可编程空信号产生一个更高级别的中断信号，在这个信号的控制下，将会计算并下发50组数据以保证FIFO中始终存储足够的数据。通过这样的中断处理响应机制，本发明保证了信道的实时性和连续性。

第8步：信道生成。中频模拟信号经模数转换后变成中频数字信号进入信道，在信道内依次经过大尺度衰落、小尺度衰落和高斯白噪声等信道特性，其中为了实现任意信号的小尺度衰落，信号经大尺度衰落后，需先经过希尔伯特变换，再经小尺度衰落。小尺度衰落包含多普勒频移、多径时延和幅度衰减三个方面，采用本发明设计的多通道信号分别经历多径时延和多普勒频移两个信道特性后的合成信号即等效于信号经历小尺度衰落的实现方式进行程序设计与计算，信号通过信道后经数模转换再转换为中频模拟信号输出。具体步骤如下：

步骤8.1，大尺度衰落。大尺度衰落包括路径损耗和阴影衰落，经数据通信部分输入的信号与路径损耗和阴影衰落这两个参数分别相乘后，完成信号的乘性衰落并输出大尺度衰落信号，若路径损耗和阴影衰落全为0，即此信道中不存在大尺度衰落，则输出原输入信号。

步骤8.2，希尔伯特变换。大尺度衰落计算模块14的输出信号作为希尔伯特变换模块16的输入信号，经过希尔伯特滤波器后，输出一路同相信号和一路正交信号，其中同相信号是输入信号的延时输出，正交信号与同相信号时序对齐，相位相差90°。依据多普勒频移数学原理，同相信号与正交信号分别经小尺度衰落后相加，即可实现输入信号的多普勒频移与多径时延。使用MATLAB产生一组希尔伯特滤波器系数，这组系数经过推导与实际验证能够令输出的同相信号和正交信号最优，之后将其应用于希尔伯特变换模块的FPGA设计。通过这样的信号正交变换后进行信号处理的设计，本发明保证了输入信号的随机性与信道的普适性。

步骤8.3，小尺度衰落。小尺度衰落包括多普勒频移和多径效应，其中多径效应包含时延与幅度衰减两个方面。小尺度衰落计算模块15共有16个通道，每个通道根据接收到的多普勒NCO参数、时延控制字分别产生多普勒正弦分量、多普勒余弦分量、多径时延正弦分量、多径时延、余弦分量，以上分量在小尺度分量产生模块21中组合相乘后与幅度控制字相乘即产生各通道的小尺度衰落分量，在小尺度衰落计算模块15中多个通道的正余弦小尺度衰落分量分别相加后与输入的同相信号和正交信号相乘。具体步骤如下：

步骤8.3.1，多普勒频移。多普勒频移模块19根据接收的多普勒NCO参数，利用DDS进行多普勒分量相位的控制，最后输出16比特的多普勒正弦分量和16比特的多普勒余弦分量。

在台风探测信道生成过程中，因收发机相对运动状态变化频率较高，信号多普勒频移的计算与处理是关键。本发明使用DDS相关技术解决并实现了输入信号的实时多普勒频移，通过相位的变化体现信号收发机间的相对运动。参数计算部分计算信号收发机间的距离、速度、加速度和加加速度并转换为DDS的NCO参数，多普勒频移模块19通过DDS来控制对应部分的相位变化，在相位控制字的控制下，多普勒频移分量的相位便会随之以一定的速度变化，多普勒频移分量与输入信号相乘后，信号产生对应的频率变化。同时，为了应用于台风环境和提高频移精度，本发明采用三阶DDS，分别实时控制相对速度、相对加速度和相对加加速度的变化。多径时延的实现同样使用DDS技术，通过相位的固定变化体现传输时延。

进行希尔伯特变换后的同相与正交两路信号分别乘以相应的多普勒频移分量后，叠加后的合成信号即可实现多普勒频移。

步骤8.3.2，多径时延。多径时延模块20根据接收的多径时延控制字，利用DDS获取多径时延分量的延迟相位值，最后输出14比特的余弦时延分量和14比特的正弦相位分量。

步骤8.3.3，幅度衰减。小尺度分量产生模块21接收多普勒分量、多径时延分量和幅度控制字，并将以上三个分别相乘后产生一个通道的小尺度衰落分量，多个小尺度衰落分量在小尺度衰落计算模块15中叠加并分别与输入的同相信号与正交信号相乘后得到两路信号，两路信号相叠加后的信号即为经历过幅度衰减、多径时延与多普勒频移的小尺度衰落信号。

本发明的信号小尺度衰落的实现方式为自主设计，将多通道信号分别经历多径时延和多普勒频移两个信道特性后的合成信号即等效于信号经历小尺度衰落。因小尺度衰落包括多径效应与多普勒频移，多径效应包含多径时延与幅度衰减两方面，本发明中以多通道等效多径，每一通道的信号都会经历时延和幅度衰减，由此可实现多径效应，与此同时，每一路径的信号经历多普勒频移，多路径合成信号可实现多普勒频移与扩展，整体输出信号即实现小尺度衰落。

步骤8.4，高斯白噪声。高斯白噪声模块17接收高斯白噪声平均功率，经过大尺度衰落和小尺度衰落的信号与给定平均功率的高斯白噪声相乘后，完成向信号中添加噪声的过程并输出信号。

Claims (10)

1.一种面向台风探测应用的临空无线信道模拟机，基于CPU+FPGA开发，通过PCIE接口进行数据传输；所述的模拟机包括初始化配置部分、参数计算部分、数据通信部分和信道生成部分；其中：

初始化配置部分用于配置初始化参数并输入参数计算部分；初始化的参数包括系统信号、发射机、接收机和信道的相关参数；

参数计算部分包括系统初始化模块、发射机状态模块、接收机状态模块、信道参数计算模块和通道参数生成模块；其中，系统初始化模块根据接收到的系统信号相关参数配置系统信号；发射机状态模块根据所选发射机载体运动轨迹文件实时更新发射机的运动状态；接收机状态模块根据接收到的接收机相关参数，根据动态模型实时更新接收机的运动状态；信道参数计算模块根据系统信号参数、发射机实时的运动状态以及接收机实时的运动状态，计算发射机与接收机的实时相对运动状态、路径损耗、阴影衰落、多径时延控制字和幅度控制字、以及各路径的多普勒NCO参数；通道参数生成模块将信道参数计算模块计算的信道参数以及初始化配置部分设置的信道相关参数进行整合，传输给数据通信部分；NCO表示数字控制振荡器；

数据通信部分包括数据下发模块、中断控制模块、数据接收模块和数据解析存储模块；数据下发模块对参数计算部分发送来的通道信息数据按照通信协议进行装帧，并控制数据下发给数据接收模块；数据接收模块通过PCIE接口和DMA内存机制完成数据的接收，并发送给数据解析存储模块；数据解析存储模块根据通信协议将数据帧进行解析，获得系统参数和通道参数传输到信道生成部分；中断控制模块接收从信道生成部分的中断产生模块生成的中断控制信号，以及从数据解析存储模块发来的FIFO数据空信号，调控参数计算部分进行发射机状态和接收机状态的实时更新以及相对运动的模拟，以及多普勒NCO参数的更新；DMA表示直接存储器访问，FIFO表示先入先出队列；

信道生成部分包括信道生成模块、芯片管理模块和中断产生模块；信道生成模块根据接收到的系统参数和通道参数生成能添加大尺度衰落、小尺度衰落和高斯白噪声的数字信道；芯片管理模块控制模数转换芯片对输入的模拟中频信号进行模数转换，转换后的数字中频信号输入信道生成模块处理，芯片管理模块控制数模转换芯片对信道生成模块输出的数字中频信号进行数模转换后输出；中断产生模块根据接收到的信道参数更新频率产生中断控制信号，输出给数据通信部分的中断控制模块；

其中，信道生成模块包括大尺度衰落计算模块、小尺度衰落计算模块、希尔伯特变换模块和高斯白噪声模块；大尺度衰落计算模块根据路径损耗和阴影衰落两个信道参数将大尺度衰落添加至输入的信号；希尔伯特变换模块对大尺度衰落计算模块输出的信号进行希尔伯特变换后，产生一路同相信号和一路正交信号作为小尺度衰落计算模块的输入；小尺度衰落计算模块生成小尺度衰落分量添加至希尔伯特变换模块输出的信号；高斯白噪声模块根据高斯白噪声平均功率调整高斯白噪声的幅度并添加至小尺度衰落计算模块输出的信号。

其中，小尺度衰落计算模块包含16个通道模块，每个通道模块对应多径信道系统的一条路径，每个通道模块包括多普勒频移模块、多径时延模块和小尺度分量产生模块；多普勒频移模块在多普勒NCO参数的控制下输出频率为当前时间、当前路径的多普勒正弦分量和多普勒余弦分量；多径时延模块在多径时延控制字的控制下输出对应相位时延的余弦时延分量和正弦时延分量；小尺度分量产生模块接收多普勒频移模块和多径时延模块的输出，首先将多普勒余弦分量、多普勒正弦分量与余弦时延分量、正弦时延分量分别相乘，之后将两个余弦的乘积与两个正弦的乘积相减，得到同相小尺度衰落分量，将两个余弦的乘积与两个正弦的乘积相加，得到正交小尺度衰落分量，最后将同相、正交两路小尺度衰落分量乘以幅度控制字后输出对应通道产生的小尺度分量；小尺度衰落计算模块将各通道输出的小尺度分量合成生成信道的小尺度衰落分量。

2.根据权利要求1所述的临空无线信道模拟机，其特征在于，所述的初始化配置部分、参数计算部分、数据下发模块和中断控制模块位于CPU端，所述的数据接收模块、数据解析存储模块和信道生成部分位于FPGA端。

3.根据权利要求1所述的临空无线信道模拟机，其特征在于，所述的参数计算部分中的各模块通过全局变量完成数据传递，所述的全局变量包括系统信息、发射机状态数据、接收机状态数据、信道数据及通道信息数据；其中，系统信息包括信号的射频频率、中频频率和采样率；发射机状态数据包括发射机初始状态和运动轨迹；接收机状态数据包括接收机初始状态和运动轨迹；信道数据包括路径损耗、阴影衰落、高斯白噪声平均功率、多径数以及收发机的相对距离、相对速度、相对加速度和相对加加速度；通道信息数据包括路径开启标志、路径损耗、阴影衰落、高斯白噪声平均功率、多径数以及多普勒NCO参数。

4.根据权利要求1所述的临空无线信道模拟机，其特征在于，所述的接收机状态模块，实现功能包括模拟飞机和飞艇两类接收机载体的运动状态，其中，对飞机的运动用直线运动、爬升运动和转弯运动的组合来模拟，对飞艇的运动用匀速直线运动、匀加速直线运动、匀速圆周运动的组合来模拟。

5.根据权利要求1所述的临空无线信道模拟机，其特征在于，所述的信道参数计算模块，首先根据信号射频频率和收发机载体初始相对距离计算路径损耗；其次，根据初始化配置部分设置的阴影标准差和既定面积均值计算阴影衰落；之后，根据初始化配置部分输入的多径数产生相应个数的多径时延控制字和幅度控制字；最后，根据发射机实时的运动状态以及接收机实时的运动状态，更新每一开启路径的多普勒NCO参数；其中，计算每一开启路径的多普勒频移的计算方法是：依据多普勒频移计算公式求出最大多普勒频移，对每个开启路径，将最大多普勒频移数值乘以随机产生的路径信号的到达角，得到开启路径的多普勒频移值；多普勒频移方向依据每个更新间隔内发射机和接收机相对距离的增减情况来判断。

6.根据权利要求1所述的临空无线信道模拟机，其特征在于，所述的数据通信部分中，数据下发模块传输数据的通信协议包括：数据传输的数据帧的帧头有0、1、2、3四种；其中，帧头为0的帧传输的是通道更新数据，为对应通道号的信道生成参数，包括多径参数和多普勒NCO参数；帧头为1的帧传输的是数据更新标志，表示已经进行了通道数据的更新；帧头为2的帧传输的是系统初始化参数，包括多径数、路径损耗、阴影衰落及高斯白噪声平均功率；帧头为3的帧为系统启动标志，在该帧的控制下，模拟机开始生成信道；

每当有通道更新参数下发时，都同步下发数据更新标志，控制信道生成部分的小尺度衰落计算模块进行信道参数的更新。

7.根据权利要求1或6所述的临空无线信道模拟机，其特征在于，所述的数据解析存储模块，对解析得到的通道更新数据根据不同的通道存入不同的FIFO存储器；对解析得到的通道数据更新标志使用FIFO存储器存储，并在中断信号的控制下进行读取，若数据解析后获得通道数据更新标志，则控制通道更新数据的FIFO存储器进行数据的读取，同时该FIFO存储器还对其内保存的数据量进行监测，如果监测到内部的数据量少于阈值，产生一个FIFO数据空信号传递给中断控制模块。

8.根据权利要求1或6所述的临空无线信道模拟机，其特征在于，所述的中断控制模块采用的中断响应机制中，设计有两个级别的中断控制信号，其中FIFO数据空信号的级别高于来自信道生成部分的中断控制信号；在来自信道生成部分的中断控制信号下，中断控制模块调用参数计算部分的各模块完成一次数据更新；在FIFO数据空信号下，中断控制模块调用参数计算部分的各模块完成多次数据更新。

9.根据权利要求1所述的临空无线信道模拟机，其特征在于，所述的信道参数计算模块计算收发机的相对距离、相对速度、相对加速度和相对加加速度，并转换为多普勒NCO参数，所述的多普勒频移模块利用直接数字式频率合成器DDS，根据多普勒NCO参数进行多普勒分量相位的控制。

10.根据权利要求1所述的临空无线信道模拟机，其特征在于，所述的通道模块根据信道生成模块传输来的通道状态参数控制通道的开启和关闭，开启状态下首先根据数据通信部分传输来的通道参数进行通道参数的更新，关闭状态下将输出的通道分量置为0。

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