CN112468222B - 一种环境信道模拟系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种环境信道模拟系统，包括接口通信模块，数字信号处理模块以及模拟信号处理模块，其中，接口通信模块用于接收运行模拟子系统发送的数字中频信号和控制信号，数字信号处理模块与接口通信模块可通信地连接，用于数字中频信号的预失真处理，模拟信号处理模块与数字信号处理模块可通信地连接，用于生成模拟射频信号并对耦合后的射频信号进行处理。

Description

一种环境信道模拟系统及方法

技术领域

本发明涉及通信卫星技术领域，特别涉及一种自适应通信信道模拟装系统及其GPU实现方法。

背景技术

大型的卫星星座在建设前，需要建设地面试验验证系统进行关键技术验证、体制验证、接口验证等多层次、多层面的验证，为卫星星座的建设提供前期技术支撑。卫星星座建成后，需要地面试验验证系统作为在轨卫星故障的地面排查平台和在轨软件或体制更新的地面验证平台。

通信卫星星座地面试验验证系统由用户接入模拟分系统、环境信道模拟分系统、通信卫星模拟分系统、运行模拟分系统、效能评估分系统、地面运控模拟分系统、地面测控模拟分系统等组成，其中环境信道模拟分系统主要是模拟通信卫星信道特性的功能，是通信卫星星座地面试验验证系统的重要组成部分之一。

传统的环境信道模拟方法是进行固定特性的信道的仿真，无法根据实际的信道特性进行自适应的仿真，而且传统的滤波器设计多基于FPGA 等生成，灵活差、开发成本高。

发明内容

针对现有技术中的部分或全部问题，本发明一方面提供一种环境信道模拟系统，包括：

接口通信模块，用于接收外部控制信号以及数字中频信号；

数字信号处理模块，其与所述接口通信模块可通信地连接，所述数字信号处理模块包括：

滤波器组件，其用于接收所述数字中频信号，并根据参数控制组件发送的参数生成滤波器，对所述数字中频信号进行预失真处理；

特征提取组件，其用于对模拟信号处理模块发送的信号进行特征提取，并将提取到的特征参数发送给参数控制组件；以及

参数控制组件，其用于根据所述特征参数与目标函数比较，进而优化参数，并将所述参数发送给所述滤波器组件；以及

模拟信号处理模块，其与所述数字信号处理模块可通信地连接，所述模拟信号处理模块包括：

数模转换组件，其与所述滤波器组件可通信地连接，所述数模转换组件用于接收所述滤波器组件发送的预失真数字信号，并将其转换为模拟信号；

上变频组件，其与所述数模转换组件可通信地连接，所述上变频组件用于实现所述模拟信号的上变频，生成射频信号；

耦合组件，其与所述上变频组件可通信地连接，所述耦合组件包括耦合器，用于实现所述射频信号的耦合输出；

衰减控制组件，其与所述耦合组件可通信地连接，所述衰减控制组件将所述耦合器输出的一路射频信号进行衰减后输出；

下变频组件，其与所述耦合组件可通信地连接，所述下变频组件将所述耦合器输出的另一路射频信号进行下变频；

模数转换组件，其与所述下变频组件可通信地连接，所述模数转换组件将所述经过下变频的射频信号转换成数字中频信号，发送给所述特征提取组件。

进一步地，所述模拟信号处理模块与所述数字信号处理模块通过光纤连接。

进一步地，所述参数控制软件通过粒子群算法实现参数优化。

进一步地，所述数字信号处理模块采用GPU的流技术实现信号的特征提取、参数优化以及预失真处理。

进一步地，所述模拟信号处理模块包括主板，所述主板包括卡槽，所述数模转换组件、上变频组件、下变频组件以及模数转换组件通过卡槽与所述主板连接。

基于所述环境信道模拟系统，本发明还提供一种环境信道模拟方法，包括：

首先，通过滤波器组件接收外部数字中频信号，并进行预失真处理，得到预失真数字信号；

接下来，通过数模转换组件将所述预失真数字信号转换为模拟信号；

接下来，通过上变频组件对所述模拟信号进行上变频，得到射频信号；

接下来，通过耦合组件将所述射频限号耦合为两路射频信号，其中一路发送至衰减控制组件进行衰减后，发送至指定系统，另一路则发送至下变频组件进行下变频处理；

接下来，通过所述模数转换组件将经过下变频处理的射频信号进行模数转换，得到数字中频信号，并发送至特征提取组件；以及

最后，所述特征提取组件对所述数字中频信号进行特征提取，并将提取到的特征参数发送给参数控制组件，所述参数控制组件将所述特征参数与目标函数进行对比，进而优化参数，发送给所述滤波器组件，更新滤波器，实现闭环控制。

本发明提供的一种环境信道模拟系统及方法，通过对模拟信号处理单元生成的射频信号进行耦合，然后通过数字信号处理单元并对其群时延等信号特征进行提取，然后利用粒子群算法进行预失真滤波器设计，实现了信号质量的闭环控制，所述预失真滤波器能够根据目标函数进行全局最优求解，可自适应地根据真实信道的特征调整地面试验验证环境所需的模拟信号。此外，所述环境信道模拟系统采用GPU进行信号的滤波和特征提取等处理，可以实时接收目标函数并根据目标函数特征进行实时模拟，保证了信号处理的实时性。

附图说明

为进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出本发明一个实施例的一种环境信道模拟系统的组成示意图；

图2示出本发明一个实施例的一种环境信道模拟方法的流程示意图；以及

图3示出本发明一个实施例的一种利用粒子群算法生成滤波器参数的流程示意图。

具体实施方式

以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免模糊本发明的发明点。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明并不限于这些特定细节。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按正确比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了阐述该具体实施例，而不是限定各步骤的先后顺序。相反，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。

为实现通信卫星信道的仿真，本发明提供一种环境信道模拟系统及方法，所述环境信道模拟系统与地面试验验证系统的其他子系统可通信地连接，一方面接收并处理其他子系统发送的控制信号和/或数字中频信号，生成射频信号发送给指定部件或子系统，另一方面将自身的健康状态信息以及信号处理状态信息发送给效能评估子系统进行性能评估。在本发明的实施例中，所述地面试验验证系统的其他子系统包括但不限于用户接入模拟分系统、通信卫星模拟分系统、运行模拟分系统、效能评估分系统、地面运控模拟分系统以及地面测控模拟分系统。下面结合实施例附图对本发明的方案做进一步描述。

图1示出本发明一个实施例的一种环境信道模拟系统的组成示意图。如图1所示，一种环境信道模拟系统，包括接口通信模块101，数字信号处理模块102以及模拟信号处理模块103，其中，所述数字信号处理模块102与所述接口通信模块101以及模拟信号处理模块103可通信地连接。在本发明的一个实施例中，所述数字信号处理模块102通过光纤与所述接口通信模块101以及模拟信号处理模块103连接。

所述接口通信模块101用于接收地面试验验证系统其他子系统发送的数字中频信号以及控制信号，并将所述环境信道模拟系统的健康状态信息以及信号处理状态信息发送给效能评估子系统。

所述数字信号处理模块102用于完成外部数字中频信号的预失真处理，并根据耦合回来的数字中频信号进行特征提取和滤波器参数的闭环控制，所述数字信号处理模块102包括滤波器组件1021、特征提取组件 1022以及参数控制组件1023。

所述滤波器组件1021包括滤波器，所述滤波器用于从所述接口通信模块101接收所述数字中频信号，并对所述数字中频信号进行预失真处理；其中，所述滤波器根据所述参数控制组件1023发送的参数生成；为了保证信号处理的实时性，在本发明的一个实施例中，采用了GPU构建滤波器，进行数字中频信号的滤波处理。

所述特征提取组件1022与所述模拟信号处理模块103可通信地连接，所述特征提取组件1022接收所述模拟信号处理模块103发送的数字中频信号，并对所述数字中频信号进行特征提取，然后将提取到的特征参数发送给参数控制组件，在本发明的一个实施例中，所述特征参数包括但不限于群时延特征。为了保证滤波器参数更新的实时性，在本发明的又一个实施例中，采用了GPU构建特征提取组件，进行数字中频信号的特征提取。

所述参数控制组件1023接收所述特征提取组件1022发送的特征参数，并将所述特征参数与目标函数的参数进行比较，根据比较得到的差异重新生成优化后的滤波器参数，并将所述滤波器参数发送给所述滤波器组件1021以更新滤波器，实现信号质量的闭环控制。在本发明的一个实施例中，所述参数控制组件1023通过粒子群算法实现参数优化。为了保证滤波器参数更新的实时性，在本发明的又一个实施例中，采用了GPU构建参数控制组件，进行滤波器参数的优化。

所述模拟信号处理模块103用于生成模拟射频信号并对耦合后的射频信号进行处理，所述模拟信号处理模块包括数模转换组件1031、上变频组件1032、耦合组件1033、衰减控制组件1034、下变频组件1035 以及模数转换组件1036。为了在后续信号频点、系统状态需要变更升级时，可进行组件的快速更换，以避免整个模拟信号处理模块的资源浪费，在本发明的一个实施例中，所述模拟信号处理模块103采用子母板的模块化设计，其中，所述数模转换组件1031、上变频组件1032、耦合组件1033、衰减控制组件1034、下变频组件1035以及模数转换组件1036 均通过卡槽插卡的形式与模拟信号处理模块的主板进行连接。

所述模拟信号处理模块103首先通过所述数模转换组件1031接收经所述滤波器组件1021预失真处理后得到的数字信号，并将所述数字信号转换为模拟信号，所述模拟信号经过所述上变频组件1032进行上变频处理后，得到射频信号，所述射频信号经由所述耦合组件1033成为两路射频信号，其中一路经过所述衰减控制组件1034衰减后发送给指定的地面实验验证系统的其他分系统或组件，另一路则经过所述下变频组件1035进行下变频处理后，在经过所述模数转换组件1036转换为数字中频信号，所述数字中频信号发送至所述特征提取组件1022，实现闭环控制。

图2示出本发明一个实施例的一种环境信道模拟方法的流程示意图。如图2所示，一种环境信道模拟方法，其基于所述环境信道模拟系统实现，包括步骤：

首先，在步骤201，滤波处理。通过滤波器组件接收外部数字中频信号，并进行预失真处理，得到预失真数字信号；

接下来，在步骤202，数模转换。通过数模转换组件将所述预失真数字信号转换为模拟信号；

接下来，在步骤203，模拟信号处理。首先，通过上变频组件对所述模拟信号进行上变频，得到射频信号，并通过耦合组件将所述射频限号耦合为两路射频信号，其中一路发送至衰减控制组件进行衰减后，发送至指定系统，另一路则发送至下变频组件进行下变频处理；

接下来，在步骤204，模数转换。通过所述模数转换组件将经过下变频处理的射频信号进行模数转换，得到数字中频信号，并发送至特征提取组件；以及

最后，在步骤205，更新滤波器。所述特征提取组件对所述数字中频信号进行特征提取，并将提取到的特征参数发送给参数控制组件，所述参数控制组件将所述特征参数与目标函数进行对比，进而优化参数，发送给所述滤波器组件，更新滤波器，实现闭环控制。

在本发明的一个实施例中，所述参数控制组件通过粒子群算法实现参数优化。图3示出本发明一个实施例的一种利用粒子群算法生成滤波器参数的流程示意图，如图3所示，利用粒子群算法生成滤波器参数，包括：

首先，在步骤301，参数初始化。随机生成一组滤波器参数，作为初始参数，各参数视为初始粒子的位置，并设置各粒子的初始速度；

接下来，在步骤302，评价适应度值。对粒子，即滤波器参数的适应度值进行评价；

接下来，在步骤303，更新个体极值及全局极值。根据所述适应度值更新个体极值及全局极值；以及

最后，在步骤304，更新粒子的速度和位置。更新各粒子的速度和位置，返回步骤302，进行迭代，直至误差满足要求或达到预设迭代次数，将此时的参数作为滤波器参数。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (3)

1.一种环境信道模拟系统，其特征在于，包括：

接口通信模块，其被配置为接收外部控制信号以及外部数字中频信号；

数字信号处理模块，其与所述接口通信模块可通信地连接，所述数字信号处理模块包括：

滤波器组件，包括滤波器，所述滤波器采用GPU根据参数控制组件发送的参数生成，所述滤波器被配置为接收所述外部数字中频信号，并对所述数字中频信号进行预失真处理；

特征提取组件，其采用GPU的流技术对模拟信号处理模块发送的数字中频信号进行特征提取，并将提取到的特征参数发送给参数控制组件；以及

参数控制组件，其被配置为根据所述特征参数与目标函数的差异，采用GPU的流技术通过粒子群算法优化滤波器的参数，并将所述参数发送给所述滤波器组件，其中，所述特征参数包括群时延特征参数；以及

模拟信号处理模块，其与所述数字信号处理模块可通信地连接，所述模拟信号处理模块采用子母板设计，包括主板以及通过卡槽插卡的形式与所述主板连接的组件，其中，所述组件包括：

数模转换组件，其与所述滤波器组件可通信地连接，所述数模转换组件被配置为接收经所述滤波器预失真处理后的数字信号，并将所述数字信号转换为模拟信号；

上变频组件，其与所述数模转换组件可通信地连接，所述上变频组件被配置为对所述模拟信号进行上变频处理，生成射频信号；

耦合组件，其与所述上变频组件可通信地连接，所述耦合组件包括耦合器，所述耦合器被配置为将所述射频信号耦合成两路信号；

衰减控制组件，其与所述耦合组件可通信地连接，所述衰减控制组件被配置为将所述耦合器输出的一路信号进行衰减后输出；

下变频组件，其与所述耦合组件可通信地连接，所述下变频组件被配置为将所述耦合器输出的另一路信号进行下变频处理；以及

模数转换组件，其与所述下变频组件可通信地连接，所述模数转换组件被配置为将经过下变频处理的信号转换成数字中频信号，并发送给所述特征提取组件。

2.如权利要求1所述的环境信道模拟系统，其特征在于，所述模拟信号处理模块与所述数字信号处理模块通过光纤连接。

3.一种基于如权利要求1至2任一所述的环境信道模拟系统的环境信道模拟方法，其特征在于，包括步骤：

首先，通过滤波器组件接收外部数字中频信号，并进行预失真处理，得到预失真数字信号；

接下来，通过数模转换组件将所述预失真数字信号转换为模拟信号；

接下来，通过上变频组件对所述模拟信号进行上变频，得到射频信号；

接下来，通过耦合组件将所述射频限号耦合为两路信号，其中一路发送至衰减控制组件进行衰减后，发送至指定系统，另一路则发送至下变频组件进行下变频处理；

接下来，通过所述模数转换组件将经过下变频处理的信号进行模数转换，得到数字中频信号，并发送至特征提取组件；以及

最后，所述特征提取组件对所述数字中频信号进行特征提取，并将提取到的特征参数发送给参数控制组件，所述参数控制组件将所述特征参数与目标函数进行对比，进而优化参数，发送给所述滤波器组件，更新滤波器，实现闭环控制。

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