CN113541825A - 一种相控阵地面系统试验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相控阵地面系统试验平台，属于信道模拟技术领域，包括超宽带射频接收单元、中频处理单元、超宽带射频发射单元、超宽带可变本振单元、仿真控制与人机交互单元，恒温槽、供电电源、模拟器。本发明对输入信号进行等间隔采样、存储，利用设定动态场景下的星地运动规律，通过高精度动态内插技术、距离分段拟合技术、高精密延时外放技术来实现宽带、任意波形输入信号的大范围、高精度、高速动态的时延模拟不关注信号体制、带宽、信号形式、信号参数等先验信息，可在任意工作模式、任意信号体制，且信号参数等先验信息未知情况下，模拟通信卫星系统信号在信道传输时引起的动态传输效应，值得被推广使用。

Description

一种相控阵地面系统试验平台

技术领域

本发明涉及信道模拟技术领域，具体涉及一种相控阵地面系统试验平台。

背景技术

相控阵即相位补偿(或延时补偿)基阵，它既可用以接收，也可用以发射。其工作原理是对按一定规律排列的基阵阵元的信号均加以适当的移相(或延时)以获得阵波束的偏转,在不同方位上同时进行相位(或延时)补偿,即可获得多波束。其优点是，不必用机械转动基阵就可在所要观察的空间范围内实现波束的电扫描，非常方便灵活。同时，基阵的尺寸便可做得大一些以提高空间增益。

为全面、充分地验证某相控阵设备的功能和动态性能，需研制相控阵地面系统试验平台，模拟各种体制、信号形式及多种数据传输速率下通信卫星系统信道的非理想特性。为此，提出一种相控阵地面系统试验平台。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：如何全面、充分地验证指定相控阵设备的功能和动态性能，提供了一种相控阵地面系统试验平台。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括超宽带射频接收单元、中频处理单元、超宽带射频发射单元、超宽带可变本振单元、仿真控制与人机交互单元，恒温槽、供电电源、模拟器；

所述超宽带射频接收单元，用于接收射频输入信号，对其进行处理得到幅度恒定、中心频率确定的中频信号输出至中频处理单元；

所述中频处理单元，用于接收所述超宽带射频接收单元输出的中频信号，对其进行信号调理及高速A/D采样后，转换为数字信号等待处理；对A/D采样数据进行大容量深度数据缓存；接收所述仿真控制与人机交互单元下发的模拟参数，进行大范围、高精度、高速动态的时延及多普勒频率模拟；根据实测模拟器幅度和群时延波动曲线以及用户设置的幅频和群时延特性曲线，实现模拟器自身非理想特性的矫正并进行幅度和群时延特性模拟；对经过多种模拟处理后的数字信号进行D/A转换及幅度调整，输出至超宽带射频发射单元；

所述超宽带射频发射单元，用于接收所述中频处理单元输出的中频信号，对其进行功率调整、滤波、衰减控制及多级变频后，产生射频信号输出；

所述超宽带可变本振单元，用于利用模拟器模拟本地或外部输入的参考时钟信号，生成超宽带接收、发射单元及中频处理单元所需的各级本振及时钟信号；

所述仿真控制与人机交互单元，用于提供方便、易操作的人机交互界面，接受用户对动态场景的想定；依想定场景生成控制参数；实时输出、显示模拟器当前的工作状态及模拟数据；

所述恒温槽，用于对超宽带射频接收单元、发射单元及可变本振单元进行恒温控制；

所述供电电源，用于为超宽带射频接收单元、超宽带发射单元、超宽带可变本振单元、中频处理单元及恒温槽提供工作时所需的电源；

所述模拟器，用于在所述仿真控制与人机交互单元的控制下完成中频处理单元中的各类模拟工作；模拟本地或外部输入的参考时钟信号；上电后使供电电源产生各单元及恒温槽工作时所需工作电源。

更进一步地，所述中频处理单元还用于接收仿真控制与人机交互单元下发的莱斯因子，实时产生符合Rayleigh或Rician概率密度分布的色噪声叠加至信号上，实现Rayleigh和Rician信道衰落的模拟；接收地面站纬度、平均海拔高度、信号频率、降雨率等参数，按ITU-R模型实时计算降雨衰减，并通过精确控制高精度数控衰减器来实现静态或动态雨衰的模拟；接收用户设置的空间电子层总量、信号频率等参数，模拟电离层色散效应对超宽带信号的影响；根据用户设置的SNR模拟参数，自行统计中频输入信号功率和噪声功率，按指定SNR产生高斯白噪声叠加至信号上；根据用户设置的杂散数量、幅度、频偏等参数进行杂散特性模拟。

更进一步地，所述中频处理单元进行时延及多普勒频率模拟的具体过程如下：

S11：利用本振信号将宽带、任意波形输入信号解调到复基带；

S12：对复基带信号进行高速采样及深度存储；

S13：根据星地位置变化规律及存储的采样序列，采用高精度动态内插处理预生成复基带延时重构信号对应的离散序列；同时采用星地距离分段多项式拟合产生本振多普勒信号对应的离散序列；将两者在数字域进行合成；

S14：通过精确控制模拟的外放时刻、并经D/A转换及上变频等处理产生最终的模拟输出信号。

更进一步地，在所述S13中，高精度动态内插处理的过程具体如下：

S1311：先对复基带信号进行采样、缓存，并将需模拟的延时量分解为变化延时分量、初始小数周期延时分量及初始整数周期延时分量三部分；

S1312：利用变化延时分量及初始小数周期延时分量，通过对复基带采集信号按延时变化规律来构造经初始小数周期延时及变化周期延时后的离散序列；

S1313：然后叠加整数周期延时分量，经D/A转换产生延时重构信号。

更进一步地，在所述步骤S13中，星地距离分段多项式拟合的具体过程如下：

S1321：设星地距离R(t)在任意[t₀,t₀+3T₀]时间段内的变化规律可用3次动态运动模型高精度逼近，即：

其中，R(t₀)为段内初始距离，v为段内初始速度，a为段内初始加速度，

为段内加加速度；

S1322：将τ(t)＝R(t)/c代入S_D(t)，可得：

其中：

则按上式计算即可得到多普勒频率信号S_D(t)。

更进一步地，所述中频处理单元对A/D采样数据进行大容量深度数据缓存时采用高速SDRAM和FPGA来构建虚拟FIFO模块。

更进一步地，所述虚拟FIFO模块包括读写控制模块、SDRAM控制模块、外部SDRAM芯片、规格相同的第一FIFO模块、第二FIFO模块，所述第一FIFO模块、第二FIFO模块分别与所述读写控制模块连接，所述读写控制模块通过所述SDRAM控制模块与外部SDRAM芯片连接。

更进一步地，所述读写控制模块在第一FIFO模块的数据超过其存储深度的一半且当前未在从外部SDRAM芯片读数据时，从第一FIFO模块读取一帧数据，并产生写地址，交SDRAM控制模块写入外部SDRAM芯片，实现输入数据在外部SDRAM芯片中的循环存储；所述读写控制模块在第二FIFO模块的数据超过其存储深度的一半、外部SDRAM芯片中存有数据且当前未在向其写数据时，产生读地址，交SDRAM控制模块写入外部SDRAM芯片，取一帧数据写入第二FIFO模块，实现从外部SDRAM芯片的数据循环读取。

更进一步地，所述中频处理单元进行模拟器自身非理想特性矫正是先通过高精度标量网络分析仪预先测得模拟器增益不平坦的特性曲线后，将其取反后与所需模拟的平坦度特性曲线叠加。

本发明相比现有技术具有以下优点：该相控阵地面系统试验平台，对输入信号进行等间隔采样、存储，利用设定动态场景下的星地运动规律，通过高精度动态内插技术、距离分段拟合技术、高精密延时外放技术来实现宽带、任意波形输入信号的大范围、高精度、高速动态的时延模拟不关注信号体制、带宽、信号形式、信号参数等先验信息，可在任意工作模式、任意信号体制，且信号参数等先验信息未知情况下，模拟通信卫星系统信号在信道传输时引起的动态传输效应，值得被推广使用。

附图说明

图1是本发明实施例中相控阵地面系统试验平台的组成框图；

图2是本发明实施例中虚拟FIFO的工作原理图；

图3是本发明实施例中Rayleigh和Rician随机过程实现框图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

在本实施例中，根据功能及技术指标要求，相控阵地面系统试验平台包括超宽带射频接收单元、中频处理单元、超宽带射频发射单元、超宽带大范围高精度可变本振单元、仿真控制与人机交互单元，恒温槽、供电电源、模拟器等部分，其组成框图如图1所示。整体结构采用17U机柜。

其中，各单元功能如下：

超宽带射频接收单元：

接收频率为0.8～40GHz、幅度-10±2dBm的射频输入信号，对其进行低噪放、超宽带多级变频、预选滤波、接收增益控制等处理，得到幅度恒定、中心频率为1.2GHz中频信号输出至中频处理单元。

中频处理单元：

接收超宽带射频接收单元输出的频率为1200MHz、瞬时带宽500MHz、幅度恒定的中频信号，对其信号调理及高速A/D采样后，转换为数字信号等待处理；

对A/D采样数据进行大容量深度数据缓存；

接收仿真控制与人机交互单元下发的模拟参数，进行大范围、高精度、高速动态的时延及多普勒频率模拟；

接收仿真控制与人机交互单元下发的莱斯因子，实时产生符合Rayleigh或Rician概率密度分布的色噪声叠加至信号上，实现Rayleigh和Rician信道衰落的模拟；

接收地面站纬度、平均海拔高度、信号频率、降雨率等参数，按ITU-R模型实时计算降雨衰减，并通过精确控制高精度数控衰减器来实现静态或动态雨衰的模拟；

接收用户设置的空间电子层总量、信号频率等参数，模拟电离层色散效应对超宽带信号的影响；

根据用户设置的SNR模拟参数，自行统计中频输入信号功率和噪声功率，按指定SNR产生高斯白噪声叠加至信号上；

根据用户设置的杂散数量、幅度、频偏等参数进行杂散特性模拟；

根据实测模拟器幅度和群时延波动曲线以及用户设置的幅频和群时延特性曲线，实现模拟器自身非理想特性的矫正并进行幅度和群时延特性模拟；

对中频处理单元处理后的数字信号进行D/A转换及幅度调整，输出至超宽带射频发射单元。

超宽带射频信号发射单元：

接收中频处理单元输出的中心频率为1.2GHz、瞬时带宽为500MHz的中频信号，对其进行功率调整、滤波、衰减控制及多级变频后，产生频率为0.8～40GHz的射频信号输出。

超宽带大范围高精度可变本振单元：

利用模拟器模拟本地或外部输入的参考时钟信号，生成超宽带接收、发射单元及中频处理单元所需的各级本振及时钟信号。

仿真控制与人机交互单元：

提供方便、易操作的人机交互界面，接受用户对动态场景的想定；包括卫星轨道参数、地面站位置、天地链路电离层电子总量、信号频率、输出信号功率、SNR、降雨率等参数；

依想定场景生成控制参数；控制模拟器进行时延、多普勒、电离层色散、信道衰落、雨衰、信噪比恶化、杂散、幅频及群延时特性的模拟；

实时输出、显示模拟器当前的工作状态及模拟数据等；包括信号频率、输入输出信号功率、当前模拟距离及多普勒频率等信息。

恒温槽：

对超宽带射频接收单元、发射单元及可变本振单元进行恒温控制，保证射频通道幅度和相位特性尽量不随温度变化。

供电电源：

为超宽带射频接收单元、发射单元、可变本振单元、中频处理单元及恒温槽提供工作时所需的电源。

模拟器：

用于在仿真控制与人机交互单元的控制下完成中频处理单元中的各类模拟工作，并用于模拟本地或外部输入的参考时钟信号。

本实施例中的相控阵地面系统试验平台的工作流程如下：

模拟器上电后，供电电源产生超宽带射频接收单元、中频处理单元、超宽带发射单元及超宽带大范围高精度可变本振单元所需工作电源。

运行仿真控制与人机交互单元主界面，用户根据想定动态场景设置参数，包括卫星轨道参数、地面站位置、电离层电子总量、SNR、降雨率、莱斯因子等。仿真控制与人机交互单元依想定场景计算参数并下传至中频处理单元，控制其按想定特性进行模拟。

在仿真控制与人机交互单元控制下，超宽带大范围高精度可变本振单元为射频接收、发射及中频处理单元提供工作时所需的各频率本振和时钟信号。超宽带射频接收模块接收频率为0.8～40GHz、瞬时带宽500MHz的射频输入信号，对其进行宽带多级变频、滤波、接收增益控制等处理，得到幅度恒定、中心频率为1.2GHz中频信号输出至中频处理单元。随后，中频处理单元对信号进行A/D采样及大容量数据缓存处理，并依照控制参数进行时延、多普勒、电离层色散、信道衰落、雨衰、信噪比恶化、杂散、幅频及群延时特性模拟后输出。超宽带射频发射单元接收该叠加模拟信息的中频信号，对其进行功率调整、滤波、衰减控制及多级变频后，最终产生频率为0.8～40GHz的射频模拟信号输出。

与此同时，仿真控制及人机交互单元主界面将模拟器当前的工作状态及模拟参数，以图形或数据的形式实时显示、输出给用户。

本实施例中应用到的关键技术如下：

一、高精度延时转发技术

时延及多普勒频率的模拟本质上需解决宽带、任意体制信号的大范围、高精度、高速变化的动态延迟模拟难题。目前，常用的微波数控延迟线、微波光纤延迟线、声表面波延迟线等传统技术均无法满足需求。

在本实施例中，针对高精度延时转发需求，利用本振信号将宽带、任意波形输入信号解调到复基带；对复基带信号进行高速采样及深度存储，并根据星地位置变化规律及存储的采样序列，采用“高精度动态内插”技术预生成复基带延时重构信号对应的离散序列；同时采用“星地距离分段多项式拟合”技术产生本振多普勒信号对应的离散序列，并将两者在数字域进行合成；最终，通过精确控制模拟的外放时刻、并经D/A转换及上变频等处理产生最终的模拟输出信号。

1)、高精度动态内插技术

根据时延及分析可知，根据前向链路的时间延迟τ(t)由复基带信号S_B(t)高精度产生S′_B(t)是实现通用化通信卫星通讯系统信道模拟的关键之一(S′_B(t)为加模拟信道参数后的信号)。考虑到复基带信号S_B(t)的有限带宽特性，本实施例中采用高精度动态内插技术结合高精度整周期外放技术来进行实现。该方法先对复基带信号进行采样、缓存，并将需模拟的延时量分解为变化延时分量、初始小数周期延时分量及初始整数周期延时分量三部分。实现时，可先利用变化延时分量及初始小数周期延时分量，通过对复基带采集信号按延时变化规律采用“高精度动态内插”技术来构造经初始小数周期延时及变化周期延时后的离散序列；之后，叠加整数周期延时分量，经D/A转换产生延时重构信号。下面对高精度动态内插技术进行介绍。

对复基带信号S_B(t)以T_s为间隔进行高速采样，得到采样序列{S_B(n)}。对前向链路的时间延时τ(t)以同样的间隔进行离散化处理得到{τ(n)}，并将其按下式分解：

τ(n)＝τ(0)+τ_v(n)

其中，τ(0)为初始延时，τ_v(n)为变化的延时。将τ(n)用采样间隔T_s来表示，可得：

τ(n)＝[α_in+α_d+α_v(n)]×T_s

＝[α_in+α_vd(n)]×T_s

其中，α_in为初始延时的整周期个数，α_d为初始延时的小数周期个数，α_v(n)为变化的延时所对应的周期数，α_vd(n)为初始小数延时的周期个数与变化延时所占的周期个数之和，且α_vd(0)＝α_d；

则复基带信号S_B(t)的S′_B(t)对应的离散形式为：

S′_B(n)＝S_B[n-α_in-α_vd(n)] (0.1)

因此，为产生信号延时重构信号S_rB(t)，只需先利用数字技术产生S′_B(n)，再进行相应的数模转换即可得到延时重构信号S_rB(t)。

2)、距离分段多项式拟合及多普勒模拟

由系统原理可知，如何根据延时信息精确产生时变的多普勒频率信号S_D(t)，是通用化通信卫星通讯系统信道模拟的另一关键。这需要解决如下问题：1)、如何根据离散的弹道及轨道数据，产生对应每一个时钟周期的高精度、高密度延时信息；2)、如何根据高精度、高密度的延时信息精确产生时变的多普勒频率信号。针对上述问题，本实施例中采用星地距离分段多项式拟合法来对轨道数据进行拟合，并根据拟合的轨道数据递推产生多普勒频率重构信号。

下面，介绍星地距离分段多项式拟合及多普勒重构技术。

设星地距离R(t)在任意[t₀,t₀+3T₀]时间段内的变化规律可用3次动态运动模型高精度逼近，即：

其中，R(t₀)为段内初始距离，v为段内初始速度，a为段内初始加速度，

为段内加加速度；

将τ(t)＝R(t)/c代入S_D(t)，可得：

其中：

则按上式实现即可得到多普勒频率信号S_D(t)。

二、深度延时存储技术

对应220000km的最大星地距离，星地最大时间延迟为0.73s。考虑基带信号采样频率取1600MHz，A/D采样分辨率取12bit，则每个数字延迟转发单元(即实现图1中中频处理单元的大容量数据存取控制及存储器功能)的数据缓存容量应不低于0.73s×1600MHz×12bit＝14.016Gbit，存储速度需达到19.2Gbit/s。

按数字延迟转发单元的工作原理，其数据缓存功能采用FIFO或DPSRAM是最合适的。然而，目前单片FIFO的最大容量为5Mbit(IDT7220128)，单片DPSRAM的最大容量为36Mbit(CYD36S18V18)，要满足数字延迟转发单元数据缓存容量的要求则需要数百上千片这样的器件，不仅成本极高，技术风险也很大。

针对该问题，采用高速SDRAM和FPGA来构建虚拟FIFO，以满足数字延迟转发单元的延时存储深度要求。SDRAM单片容量大，访问速度快，工业级温度的SDRAM芯片，如MICRON公司的DDR3 SDRAM芯片MT8JSF25664HZ-1G4，单片容量也已达到2GBYTE，访问速度达到533MBYTE。

虚拟FIFO的工作原理如图2所示，它由FPGA片内的两个小容量的FIFO模块、读写控制模块、SDRAM控制模块和片外大容量SDRAM芯片组成。读写控制模块实现两方面的功能：

(1)监测FIFO-1的数据半满标志HFF1，在FIFO-1中的数据超过其存储深度的一半且当前未在从SDRAM读数据时，从FIFO-1读取一帧数据，并产生写地址，交SDRAM控制模块写入SDRAM，实现输入数据在SDRAM中的循环存储；

(2)监测FIFO-2的数据半满标志HFF2，在FIFO-2中的数据少于其存储深度的一半、SDRAM中存有数据且当前未在向其写数据时，产生读地址，交SDRAM控制模块从SDRAM中读取一帧数据写入FIFO-2，实现从SDRAM中的数据循环读取。

这种虚拟FIFO的存储深度取决于外部SDRAM的存储容量；访问速度主要取决于SDRAM的访问速度，但通过增加访问SDRAM的数据宽度可以成倍提高；最小数据传输延迟主要由FIFO-1的存储深度和WCLK1的频率决定，但如将监测HFF1改成监测FIFO-1中是否已存有一帧数据，则最小数据传输延迟主要由数据帧的大小和WCLK1的频率决定。

三、幅相均衡技术

为逼真模拟中继信道对信号传输的影响，模拟器需具备对通信卫星转发器群时延特性、幅频特性模拟的功能，且要求模拟的群延时、幅频特性可根据用户需要在上位机任意设定。

真实测试时，模拟器插入地面站和用户飞行器终端之间，因此，模拟时，由模拟器设备自身也会引入不希望的群时延特性、幅频特性，为逼真模拟群延时、幅频特性。需采取措施事先对模拟器自身的群延时特性、幅度不平坦特性进行消除。具体实现时，通过高精度矢量网络分析仪预先测得信道模拟器的群延时特性曲线、幅频特性，通过数字相位均衡技术预先校掉模拟器群延时对系统联测的影响。

数字化宽带相位均衡、增益均衡技术。其基本思想：采用频域设计法，设计复系数滤波器设法逼近需均衡通道的逆函数，使得信号经系统后产生所需的输出。

本实施例中采用改进的频域加权最小二乘法设计复系数滤波器来进行模拟器自身幅相均衡。

本实施例考虑到模拟器前/返向工作原理相同，本报告仅以前向模拟为例，说明相控阵地面系统试验平台的主要工作原理。

1)、时延及多普勒模拟

设地面站前向发射信号为S_up(t)，t时刻地面站与通信卫星时间延迟为τ(t)，若暂不考虑信道对信号的衰减，则t时刻到达通信卫星的前向信号可表示为：

S_upr(t)＝S_up[t-τ(t)]

超宽带高速传输信道模拟器(即上述的模拟器)对前向信道的模拟就是要接收地面站的发射信号S_up(t)，根据星地时间延时τ(t)生成到达通信卫星的前向信号S_upr(t)。具体原理如下：

设地面站发射信号S_up(t)可表示为：

S_up(t)＝Re[S_upB(t)×exp{j2πf_upct}]

其中，S_upB(t)为S_up(t)的复包络，f_upc为地面站发射信号载波频率。

利用稳定本振信号：

对地面站上行发射信号S_up(t)进行混频，得到：

对上式进行带通滤波，滤除无用的差频分量，得到中频上行信号：

S_upIF(t)＝Re[S_upB(t)×exp{j2π(f_upc-f_upLo)t}]

＝Re[S_upB(t)×exp{j2πf_IFt}]

其中，f_IF为中频频率。

随后，设法产生信号：

S_uprIF(t)＝S_upIF[t-τ(t)]＝Re[S_upB[t-τ(t)]×exp{j2πf_IF[t-τ(t)]}]

和

利用S_uprLo(t)对S_uprIF(t)混频，可得：

经带通滤波，滤除无用的差频分量，即：

S_upr(t)＝S_uprIF(t)×S_uprLo(t)|_带通滤波＝S_up[t-τ(t)]

可得最终模拟输出信号。

2)、信道衰落特性

根据要求模拟器需具备模拟通信卫星信道衰落特性的能力，模拟的主要衰落特性有瑞利(Rayleigh)衰落信道、莱斯(Rician)衰落信道特性。其中瑞利衰落和莱斯衰落特性按标准的衰落模型设计，提供典型模型供选，并可由用户交互输入、存储参数。

通信卫星通讯系统信道衰落特性需模拟多径衰落效应。考虑移动通讯信道是一种多径衰落信道，发射的信号要经过直射、反射、散射等多条传播途径才能到达接收端。而且随着移动台的移动，各条传播路径上的信号幅度、时延及相位随时间发生变化，所以接收到得信号的电平是起伏、不稳定的。为模拟真实信道的衰落特性需从统计模型出发模拟多径衰落。对于通信卫星通讯系统而言，多径传输带来的信号幅度分布主要是：瑞利(Rayleigh)分布、莱斯(Rician)分布。

为有效模拟信道的Rayleigh及Rician衰落特性，本节先以未调制载波信号为例，按其传输机理，对未调制载波信号在动态信道的传输特性进行分析，推导其输出信号的幅度概率密度函数，之后根据推导的过程，给出适用于Rician衰落、Rayleigh衰落的实现架构。

11)、Rician衰落信道

按经典理论，当接收到的信号是由多径信号分量与直射波信号分量合成时，其包络服从Rician分布，其幅度的概率密度函数为：

其中，r是接收信号的幅度，z是直射波信号的幅度，σ²平均多径功率，I₀()是第一类零阶修正的Bessel函数。其推导原理如下：

设s(t)为未调制的载波信号：

对移动用户终端则有多普勒频移Δf_n(针对第n条信号路径)，即：

其中，α为入射电波与移动用户终端运动方向的夹角，v是运动速率，λ是波长。若接收信号为直射分量与多径分量的迭加，那么其幅度r(t)可表示为：

其中，前项为直射分量，后项为多径分量的迭加，Δω_n＝2πΔf_n，φ_n为第n条路径相对直射分量的相位偏差。令

则上式变为：

又令

有：

r(t)＝I(t)cosω_ct-Q(t)sinω_ct

如果令

由中心极限定理可知T_c(t)与T_s(t)为高斯随机过程。对某一特定的时间t_o，有：

I＝I(t_o)＝c_ocosθ₁+T_c(t_o)＝c_ocosθ₁+T_c

Q＝Q(t_o)＝c_osinθ₁+T_s(t_o)＝c_osinθ₁+T_s

且随机变量T_c与T_s的概率密度函数分别为：

T_c与T_s的均值满足E[T_c]＝E[T_s]＝0，方差

由于θ_n在[0,2π]内是均匀分布的，即θ_n～U(0,2π)，所以随机变量T_c与T_s的协方差为：

而I与Q的概率密度函数分别为：

由上式可知，I和Q的均值分别为：

E[I]＝c_ocosθ₁

E[Q]＝c_osinθ₁

则I和Q的协方差为：

Cov[I,Q]＝E[(I-E[I])(Q-E[Q])]＝E[T_sT_c]＝0

因此，I和Q是相互独立的，则I与Q的联合概率密度函数为：

由复数公式可知：

r²＝i²+q²

再令

有：

i＝rcosθ

q＝rsinθ

于是可以得到雅克比(Jacobian)行列式：

因此，接收信号的包络r与其相位θ的联合概率密度函数为：

由此可得到信号包络r的概率密度函数：

结合第一类零阶修正Bessel函数，上式变为：

因此，有直射分量和多径分量合成的接收信号包络r的概率密度函数服从Rician分布。

由上述推导可知，对于Rician衰落的模拟，可根据公式先对发射信号进行正交解调，变频至复基带信号；之后利用两路正交的均值为c_o cosθ₁、c_osinθ₁，方差为σ²的复信号对输入信号进行调制；最后经正交调制，产生输出信号。

12)、Rayleigh衰落特性

由纯多径信号分量组成的接收信号包络r服从Rayleigh分布，这是Rician衰落中直射分量为零时的一种特殊情况，其概率密度函数为：

具体实现时，可按Rician信道衰落特性进行模拟，只需令两路正交信号的均值为0，方差为σ²即可。

13)、信道衰落实现方法

由上述分析可知，对衰落信道的模拟，关键是如何产生两路相互正交的均值为确定值，方差为σ²的复信号的高斯随机过程。对于高斯随机过程来说，可采用正弦叠加法及成型滤波法，本实施例中采用成型滤波法。

Rayleigh衰落过程实现方法如下：对输入信号进行正交解调，使输入信号变换至复基带；生成两路相互正交的均值为0，方差为1的高斯随机过程，利用高斯随机过程产生带限的高斯色噪声，然后将得到的带限高斯色噪声再乘以多径分量的标准偏差σ₀；将复基带信号与经幅度处理后的高斯色噪声按式r(t)＝I(t)cosω_ct-Q(t)sinω_ct进行处理，可得到所需的复信号。

Rician过程的仿真实现只需要在产生的经幅度处理后的高斯色噪声后再叠加一个直射分量的幅度ρ，之后再与复基带信号按上式进行处理即可。

Rayleigh衰落过程和Rician衰落过程的实现框图如图3所示。

图中Rician随机过程的标准偏差和直射分量可由Rician因子K来获得。Rician因子K的定义为：接收信号的直射分量功率与多径分量功率的比值，即

在乘加标准偏差和直射的时候需对接收信号功率进行归一化处理，即令

则标准偏差和直射分量可表示为：

而对于Rayleigh随机过程，衰落因子K没有任何意义，此时σ_o直接由平均多径散射功率b₀(即接收信号功率δ²)的平方根

来表示。

综上所述，上述实施例的相控阵地面系统试验平台，具备以下特点：

通用化

与传统的基于再生延时转发技术的信道模拟技术不同，相控阵地面系统试验平台采用直接延时转发技术。该技术对输入信号进行等间隔采样、存储，利用设定动态场景下的星地运动规律，通过高精度动态内插技术、距离分段拟合技术、高精密延时外放技术来实现宽带、任意波形输入信号的大范围、高精度、高速动态的时延模拟；

基于上述采用的技术路线，相控阵地面系统试验平台可以做到真正意义的通用化。其不关注信号体制、带宽、信号形式、信号参数等先验信息，可在任意工作模式、任意信号体制，且信号参数等先验信息未知情况下，模拟通信卫星系统信号在信道传输时引起的动态传输效应。

逼真性

相控阵地面系统试验平台从原理上采用直接延时转发技术，通过对输入信号进行处理，产生与星地距离延时变化规律严格一致的连续变化的输出信号。模拟机理与真实信道传输特性一致，具有更大的真实性。

输入、输出动态范围大

考虑被测设备输入、输出功率的动态范围，相控阵地面系统试验平台在设计初，在整机结构、模块化设计上都进行了精心考虑，最终产品的输入功率范围可达-10dBm～±2dBm，输出信号功率范围可达-10dBm～-80dBm。上述设计使得相控阵地面系统试验平台在系统联测时具有更大的适应性。

多种动态场景的模拟

为充分验证系统的动态性能、确保系统联测时具有更大的适应性，相控阵地面系统试验平台可模拟多种动态场景，包括真实轨道模型，以及各种理想运动模型(例如，固定距离、径向匀速直线运动、径向匀加速直线运动、径向正弦曲线运动等)。

模拟功能多

通过突破通信卫星非理想转发特性建模与仿真的关键技术，相控阵地面系统试验平台共涵盖了9大项模拟功能，分别为时延、多普勒、信道衰落、噪声、杂散、幅频、群延时、电离层色散及雨衰特性模拟。相控阵地面系统试验平台强大的模拟功能可在地面全面地、逼真地复现出通信卫星信道的非理想特性，为用户终端的入网验证测试、用户终端与通信卫星系统信道的匹配性测试以及通信卫星系统的双向通信性能测试提供有力手段。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种相控阵地面系统试验平台，其特征在于，包括：超宽带射频接收单元、中频处理单元、超宽带射频发射单元、超宽带可变本振单元、仿真控制与人机交互单元，恒温槽、供电电源、模拟器；

所述超宽带射频接收单元，用于接收射频输入信号，对其进行处理得到幅度恒定、中心频率确定的中频信号输出至中频处理单元；

所述中频处理单元，用于接收所述超宽带射频接收单元输出的中频信号，对其进行信号调理及高速A/D采样后，转换为数字信号等待处理；对A/D采样数据进行大容量深度数据缓存；接收所述仿真控制与人机交互单元下发的模拟参数，进行大范围、高精度、高速动态的时延及多普勒频率模拟；根据实测模拟器幅度和群时延波动曲线以及用户设置的幅频和群时延特性曲线，实现模拟器自身非理想特性的矫正并进行幅度和群时延特性模拟；对经过多种模拟处理后的数字信号进行D/A转换及幅度调整，输出至超宽带射频发射单元；

所述超宽带射频发射单元，用于接收所述中频处理单元输出的中频信号，对其进行功率调整、滤波、衰减控制及多级变频后，产生射频信号输出；

所述超宽带可变本振单元，用于利用模拟器模拟本地或外部输入的参考时钟信号，生成超宽带接收、发射单元及中频处理单元所需的各级本振及时钟信号；

所述仿真控制与人机交互单元，用于提供方便、易操作的人机交互界面，接受用户对动态场景的想定；依想定场景生成控制参数；实时输出、显示模拟器当前的工作状态及模拟数据；

所述恒温槽，用于对超宽带射频接收单元、发射单元及可变本振单元进行恒温控制；

所述供电电源，用于为超宽带射频接收单元、超宽带发射单元、超宽带可变本振单元、中频处理单元及恒温槽提供工作时所需的电源；

所述模拟器，用于在所述仿真控制与人机交互单元的控制下完成中频处理单元中的各类模拟工作；模拟本地或外部输入的参考时钟信号；上电后使供电电源产生各单元及恒温槽工作时所需工作电源。

2.根据权利要求1所述的一种相控阵地面系统试验平台，其特征在于：所述中频处理单元还用于接收仿真控制与人机交互单元下发的莱斯因子，实时产生符合Rayleigh或Rician概率密度分布的色噪声叠加至信号上，实现Rayleigh和Rician信道衰落的模拟；接收地面站纬度、平均海拔高度、信号频率、降雨率等参数，按ITU-R模型实时计算降雨衰减，并通过精确控制高精度数控衰减器来实现静态或动态雨衰的模拟；接收用户设置的空间电子层总量、信号频率等参数，模拟电离层色散效应对超宽带信号的影响；根据用户设置的SNR模拟参数，自行统计中频输入信号功率和噪声功率，按指定SNR产生高斯白噪声叠加至信号上；根据用户设置的杂散数量、幅度、频偏等参数进行杂散特性模拟。

3.根据权利要求1所述的一种相控阵地面系统试验平台，其特征在于：所述中频处理单元进行时延及多普勒频率模拟的具体过程如下：

S11：利用本振信号将宽带、任意波形输入信号解调到复基带；

S12：对复基带信号进行高速采样及深度存储；

S13：根据星地位置变化规律及存储的采样序列，采用高精度动态内插处理预生成复基带延时重构信号对应的离散序列；同时采用星地距离分段多项式拟合产生本振多普勒信号对应的离散序列；将两者在数字域进行合成；

S14：通过精确控制模拟的外放时刻、并经D/A转换及上变频等处理产生最终的模拟输出信号。

4.根据权利要求3所述的一种相控阵地面系统试验平台，其特征在于：在所述S13中，高精度动态内插处理的过程具体如下：

S1311：先对复基带信号进行采样、缓存，并将需模拟的延时量分解为变化延时分量、初始小数周期延时分量及初始整数周期延时分量三部分；

S1312：利用变化延时分量及初始小数周期延时分量，通过对复基带采集信号按延时变化规律来构造经初始小数周期延时及变化周期延时后的离散序列；

S1313：然后叠加整数周期延时分量，经D/A转换产生延时重构信号。

5.根据权利要求4所述的一种相控阵地面系统试验平台，其特征在于：在所述步骤S13中，星地距离分段多项式拟合的具体过程如下：

S1321：设星地距离R(t)在任意[t₀,t₀+3T₀]时间段内的变化规律可用3次动态运动模型高精度逼近，即：

其中，R(t₀)为段内初始距离，v为段内初始速度，a为段内初始加速度，

为段内加加速度；

S1322：将τ(t)＝R(t)/c代入S_D(t)，可得：

其中：

则按上式计算即可得到多普勒频率信号S_D(t)。

6.根据权利要求1所述的一种相控阵地面系统试验平台，其特征在于：所述中频处理单元对A/D采样数据进行大容量深度数据缓存时采用高速SDRAM和FPGA来构建虚拟FIFO模块。

7.根据权利要求6所述的一种相控阵地面系统试验平台，其特征在于：所述虚拟FIFO模块包括读写控制模块、SDRAM控制模块、外部SDRAM芯片、规格相同的第一FIFO模块、第二FIFO模块，所述第一FIFO模块、第二FIFO模块分别与所述读写控制模块连接，所述读写控制模块通过所述SDRAM控制模块与外部SDRAM芯片连接。

8.根据权利要求7所述的一种相控阵地面系统试验平台，其特征在于：所述读写控制模块在第一FIFO模块的数据超过其存储深度的一半且当前未在从外部SDRAM芯片读数据时，从第一FIFO模块读取一帧数据，并产生写地址，交SDRAM控制模块写入外部SDRAM芯片，实现输入数据在外部SDRAM芯片中的循环存储；所述读写控制模块在第二FIFO模块的数据超过其存储深度的一半、外部SDRAM芯片中存有数据且当前未在向其写数据时，产生读地址，交SDRAM控制模块写入外部SDRAM芯片，取一帧数据写入第二FIFO模块，实现从外部SDRAM芯片的数据循环读取。

9.根据权利要求1所述的一种相控阵地面系统试验平台，其特征在于：所述中频处理单元进行模拟器自身非理想特性矫正时先通过高精度标量网络分析仪预先测得模拟器增益不平坦的特性曲线后，将其取反后与所需模拟的平坦度特性曲线叠加。

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