CN113726461B - 一种Ka频段宽带链路建模仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Ka频段宽带链路建模仿真系统，包括用户端、卫星端、地面端以及群时延及幅频特性模块。由发射端产生数据并经过发射端数传模块、Ka频段发射天线模块以及无线信道模块；然后到达卫星端，经过Ka频段卫星天线接收模块、多级变频相位噪声级联模块、Ka频段TWTA非线性模拟模块，经过卫星天线卫星发射模块发送到无线信道；最后到达接收端，经过天线接收模块以及接收端数传模块，将发射端数据和接收端数据输入到计算BER模块，计算出误码率和误帧率；而群时延及幅频特性模块贯穿整个链路，其中群时延由滤波器模块添加，幅频特性模块方便观察链路各处的幅频特性。本发明在链路各处使用多处元器件非线性模拟仿真，可以有效提高链路仿真的真实性。

Description

一种Ka频段宽带链路建模仿真系统

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，具体涉及一种Ka频段宽带链路建模仿真系统。

背景技术

近年来，随着大量联网设备的增加，以及部分地区地面无线网络难以有效覆盖，由于卫星通信覆盖区域大，可与各种多址连接技术结合构成通信网，以及通信频带宽、容量大等特点，卫星通信可以作为地面网络的有效补充。因此对于卫星通信在各个频段不同编码调制方式下的系统仿真可以在卫星发射前对系统通信容量和通信有效性进行验证和仿真。

在卫星通信系统中，对于特定的载波频率，不同的扩频、编码、调制方式等要达到通信的误码率标准有不同的信噪比要求。因此对于不同的扩频、编码、调制方式，在Ka频段单址的条件下，进行卫星物理层建模仿真是一个亟待解决的技术难题。为此，提出一种Ka频段宽带链路建模仿真系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：如何在Ka频段单址的条件下，对于不同的扩频、编码、调制方式进行卫星物理层建模仿真的问题，提供了一种Ka频段宽带链路建模仿真系统。该系统可以在不同的扩频、编码、调制方式下，对卫星链路的物理层进行仿真，通过不同的编码、调制方式验证该卫星通信系统的系统容量和到达特定误码率所需的信噪比。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括前向链路地面端和返向链路用户端、卫星端、前向链路用户端及返向链路地面端；

所述前向链路地面端及返向链路用户端包括发送端数传仿真模块、Ka频段天线发射模块、Ka频段无线链路信道传输模块；所述发送端数传仿真模块用于对原始数据进行编码、数字调制、成型滤波、空闲数据添加工作；所述Ka频段天线发射模块用于将调制及成型滤波后的信号输出到无线信道中，并对天线增益进行模拟；所述Ka频段无线链路信道传输模块用于接收所述Ka频段天线发射模块发射的信号；

所述卫星端包括Ka频段卫星天线接收模块、多级变频相位噪声级联模块、Ka频段TWTA非线性模拟模块；所述Ka频段卫星天线接收模块用于从信道中接收传输信号，按照天线增益进行放大，再经过低噪声放大器将微弱信号放大并输出至所述多级变频相位噪声级联模块；所述多级变频相位噪声级联模块用于在连接卫星有效载荷混频器的频率源模型中加入相位噪声的影响，使频率源振荡器直接输出带相位噪声的波形进行混频；所述Ka频段TWTA非线性模拟模块用于根据SystemVue中的放大器模块模拟生成，同时根据输入的相关参数，计算TWTA模块的仿真参数；

所述前向链路用户端及返向链路地面端包括接收端数传仿真模块、Ka频段天线接收模块；所述接收端数传仿真模块用于进行对接收数据的匹配滤波、帧同步、下采样、解调与解码以及误码率统计工作，所述Ka频段天线接收模块用于从无线信道中接收传输信号，按照天线增益进行放大；再经过低噪声放大器将微弱信号放大并输出。

更进一步地，所述Ka频段无线链路信道传输模块接收发射的信号后，利用星地距离d和载波中心频率f_c计算自由空间传播损耗PL：

PL(dB)＝92.44+20lgd(m)+20lgf_c(GHz)

并将输入的衰减值加入空间传播损耗的计算当中。

更进一步地，所述Ka频段TWTA非线性模拟模块依据Taylor级数模型进行放大器的非线性建模，对放大器的非线性特性进行多项式逼近：

其中，下标k表示谐波阶次，N表示谐波项数，偶次幂项中不包含信号的基波分量，只剩下奇次幂项带来的非线性效应：

更进一步地，所述Ka频段TWTA非线性模拟模块依据双参数Saleh模型进行放大器的非线性建模，双参数Saleh模型为：

更进一步地，所述Ka多址链路建模仿真系统还包括群时延及幅频特性模块，所述群时延及幅频特性模块包括群时延模块、幅频特性模块；所述群时延模块用于利用中心频率、通带宽度、通带衰减、阻带宽度、阻带衰减和输入信号的采样频率，计算得到预设的滤波器的阶数，计算滤波器的群时延，所述幅频特性模块用于在链路的任意处插入幅频特性分析仪对该处的幅频特性进行分析。

更进一步地，根据所述群时延模块所利用的参数，采用频率转换关系

将数字滤波器的技术指标转换成模拟滤波器的技术指标，得到模拟滤波器的零点和极点，据此得到相应模拟滤波器的系统函数，假设无重复的极点，有：

利用双线性变换法，将系统函数从模拟域s平面转换到数字域z平面，得到数字滤波器的系统函数：

得到数字滤波器的系统函数后，利用z＝e^jw将H(z)转化为H(e^jw)，计算出群时延：

本发明相比现有技术具有以下优点：该Ka频段宽带链路建模仿真系统，采用Ka频段TWTA非线性模拟模块，在多级变频相位噪声级联模块加入相位噪声，自定义滤波器设置，通过上述非理性元器件仿真模块，本仿真系统可以获得更为真实的仿真结果，值得被推广使用。

附图说明

图1为本发明实施例中发送端数传仿真模块流程图；

图2为本发明实施例中Ka频段卫星天线接收模块流程图；

图3为本发明实施例中多级变频的相位噪声级联模块流程图；

图4为本发明实施例中Ka频段TWTA非线性模拟模块流程图；

图5为本发明实施例中用户端、地面站天线接收模块流程图；

图6为本发明实施例中接收端数传仿真模块流程图；

图7为本发明实施例中Ka频段宽带链路建模仿真系统流程图(返向)。

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。

本实施例提供一种技术方案：一种Ka频段宽带链路建模仿真系统，包括以下部分：

前向链路地面端和返向链路用户端：

包括发送端数传仿真模块、Ka频段无线链路信道传输模块、Ka频段天线发射模块。

所述发送端数传仿真模块，用于对原始数据进行编码、数字调制、成型滤波、空闲数据添加工作。

所述Ka频段无线链路信道传输模块，用于接收天线发射信号，利用星地距离d和载波中心频率f_c计算自由空间传播损耗PL：

PL(dB)＝92.44+20lgd(m)+20lgf_c(GHz)

并将雨衰、电离层衰减等输入的衰减值加入路径损失(自由空间传播损耗)的计算当中。

所述Ka频段天线发射模块，用于实现将调制及成型滤波后的信号输出到无线信道中，采用理想放大器对天线增益进行模拟，其中天线增益根据全向天线发射功率及天线方向图等影响因素综合提供。

建模过程不仅要考虑调制编码的方式，还要考虑帧长度等参数，其中数传仿真模块以及星上滤波器模块根据需求自行设计，Ka频段无线链路信道传输模块则要考虑雨衰，大气层色散等因素

卫星端：

包括Ka频段卫星天线接收模块、多级变频相位噪声级联模块、Ka频段TWTA非线性模拟模块。

所述Ka频段卫星天线接收模块，用于从信道中接收传输信号，按照天线增益进行放大，再经过自身的低噪声放大器将微弱信号放大，输出到多级变频相位噪声级联模块中。

所述多级变频相位噪声级联模块，用于在连接卫星有效载荷混频器的频率源模型中加入相位噪声的影响，使频率源振荡器直接输出带相位噪声的波形进行混频。

所述Ka频段TWTA非线性模拟模块，放大器非线性仿真可以依据Taylor级数模型(幂级数模型)，对放大器的非线性特性进行多项式逼近：

其中，偶次幂项中不包含信号的基波分量，由于卫星载波频率远大于转发器带宽，通过滤波器时只有落在带内交调成分才能输出。因此，上式中只剩下奇次幂项带来非线性效应：

用Taylor级数描述功率放大器的非线性物理含义比较明确，下标k指明了谐波阶次，增加谐波项数N可有效提高模型的数度。但Taylor级数模型仅描述了功率放大器的幅度失真特性，不能体现出相位失真的特性。

对TWTA的非线性建模，还可以利用双参数Saleh模型：

其中a_r,β_r是测量功放的AM/AM特性的拟合参数，a_i,β_i是测量功放的AM/PM特性的拟合参数。

Saleh模型不仅形式简单，能较好的逼近原始性能曲线，而且可以实现相位的非线性建模，在TWTA中有着最广泛的使用。改进的Saleh模型还可以模拟正交带通的Q、I两路：

其中a_r,β_r是测量功放的AM/AM特性的拟合参数，a_i,β_i是测量功放的AM/PM特性的拟合参数。

利用MATLAB软件，基于Taylor级数模型对给定的放大器输入-输出曲线进行多项式逼近，得到线性拟合曲线即为放大器的增益，同时得到1dB增益压缩点、三阶交调点、饱和功率点、饱和功率点压缩值等重要参数，将参数输入到SystemVue中功率放大器模块，用于模拟真实放大器。

SystemVue放大器模块亦可仿真AM-AM、AM-PM模型，通过输入相关参数，即AM-AM曲线与AM-PM曲线的对应数值来进行仿真。

建模过程不仅要考虑相位噪声的添加，其中的TWTA模块也要根据相应的模型模拟生成，可根据输入的相关饱和点等参数，计算TWTA模块的仿真参数。

前向链路用户端和返向链路地面端：

包含接收端数传仿真模块，Ka频段天线接收模块。其中接收端仿真数传模块不仅包含发射端数传仿真模块的逆过程，也包括了对误码率的计算，最终可以输出误码率的计算结果。

所述接收端数传仿真模块，用于对接收数据进行匹配滤波、帧同步、下采样、解调与解码和误码率统计工作。

所述Ka频段天线接收模块，用于从信道中接收传输信号，按照天线增益进行放大，再经过自身的低噪声放大器将微弱信号放大，输出到变频模块中。

群时延和幅频特性模块

利用中心频率、通带宽度(通带截止频率)、通带衰减、阻带宽度(阻带截止频率)、阻带衰减和输入信号的采样频率，通过理论计算得到预设的滤波器的阶数，以便于我们计算滤波器的群时延特性。

根据以上输入参数，采用频率转换关系

将数字滤波器的技术指标转换成模拟滤波器的技术指标，得到模拟滤波器的零点和极点，据此得到相应模拟滤波器的系统函数，假设无重复的极点，有：

其中s_pk为模拟滤波器的第k个极点，A_k为第k个极点对应增益，H(s)为滤波器的拉普拉斯域函数。

利用双线性变换法，将系统函数从模拟域s平面转换到数字域z平面，得到数字滤波器的系统函数：

得到数字滤波器的系统函数后，利用z＝e^jw将H(z)转化为H(e^jw)，计算出群时延

对于幅频特性模块，利用systemvue中的频谱分析仪器件(可输出对应节点的幅频特性图)可以在链路任意位置插入，全链路的幅频特性，由频谱分析仪在射频末端(解码前)给出。

工作原理：

首先，如图1所示，经过systemvue的数据产生，通过MATLAB进行编码和数字调制，在经过成帧、上采样、成型滤波等操作，在插入空闲数据，经过载波调制发送到Ka频段天线发射模块。Ka频段天线发射模块接收到经过载波调制的信号，给予一定的天线增益发送到无线信道中。Ka频段卫星天线接收模块接收到经过无线信道的信号，如图2所示，按照天线增益将传输信号进行放大，在经过自身(Ka频段卫星天线接收模块)的低噪声放大器将微弱信号放大，输出到多级变频相位噪声级联模块中。如图3所示，通过对多级变频相位噪声级联模块添加相位噪声来模拟振荡器频率的不稳定。信号经过多级变频相位噪声级联模块，输入到Ka频段TWTA非线性模拟模块，Ka频段TWTA非线性模拟模块的计算方法见上述描述，实现的流程图如图4。卫星天线发射模块(Ka频段卫星天线发射模块)将信号从卫星发射到无线信道，如图5所示，用户端或地面站接收到星上传输的信号，添加一定的天线增益，传输到如图6所示的接收端数传仿真模块中，经过一系列的相对于发送端数传仿真模块的反操作，输出接收到的数据，并与发送端的数据进行对比，计算得出BER。

综上所述，上述实施例的Ka频段宽带链路建模仿真系统，采用Ka频段TWTA非线性模拟模块，在多级变频相位噪声级联模块加入相位噪声，自定义滤波器设置，通过上述非理性元器件仿真模块，本仿真系统可以获得更为真实的仿真结果，值得被推广使用。

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 (4)

1.一种Ka频段宽带链路建模仿真系统，其特征在于，包括：前向链路地面端和返向链路用户端、卫星端、前向链路用户端及返向链路地面端；

所述前向链路地面端及返向链路用户端包括发送端数传仿真模块、Ka频段天线发射模块、Ka频段无线链路信道传输模块；所述发送端数传仿真模块用于对原始数据进行编码、数字调制、成型滤波、空闲数据添加工作；所述Ka频段天线发射模块用于将调制及成型滤波后的信号输出到无线信道中，并对天线增益进行模拟；所述Ka频段无线链路信道传输模块用于接收所述Ka频段天线发射模块发射的信号；

所述卫星端包括Ka频段卫星天线接收模块、多级变频相位噪声级联模块、Ka频段TWTA非线性模拟模块；所述Ka频段卫星天线接收模块用于从信道中接收传输信号，按照天线增益进行放大，再经过低噪声放大器将微弱信号放大并输出至所述多级变频相位噪声级联模块；所述多级变频相位噪声级联模块用于在连接卫星有效载荷混频器的频率源模型中加入相位噪声的影响，使频率源振荡器直接输出带相位噪声的波形进行混频；所述Ka频段TWTA非线性模拟模块根据双参数Saleh模型模拟模拟生成，同时根据输入的相关参数，计算TWTA模块的仿真参数；

所述Ka频段TWTA非线性模拟模块依据双参数Saleh模型进行放大器的非线性建模，双参数Saleh模型为：

其中，a_r,β_r是测量功放的AM/AM特性的拟合参数，a_i,β_i是测量功放的AM/PM特性的拟合参数；

所述前向链路用户端及返向链路地面端包括接收端数传仿真模块、Ka频段天线接收模块；所述接收端数传仿真模块用于进行对接收数据的匹配滤波、帧同步、下采样、解调与解码以及误码率统计工作，所述Ka频段天线接收模块用于从无线信道中接收传输信号，按照天线增益进行放大；再经过低噪声放大器将微弱信号放大并输出。

2.根据权利要求1所述的一种Ka频段宽带链路建模仿真系统，其特征在于：所述Ka频段无线链路信道传输模块接收发射的信号后，利用星地距离d和载波中心频率f_c计算自由空间传播损耗PL：

PL(dB)＝92.44+20lgd(m)+20lgf_c(GHz)

并将输入的衰减值加入空间传播损耗的计算当中。

3.根据权利要求1所述的一种Ka频段宽带链路建模仿真系统，其特征在于：所述Ka频段宽带链路建模仿真系统还包括群时延及幅频特性模块，所述群时延及幅频特性模块包括群时延模块、幅频特性模块；所述群时延模块用于利用中心频率、通带宽度、通带衰减、阻带宽度、阻带衰减和输入信号的采样频率，计算得到预设的滤波器的阶数，计算滤波器的群时延，所述幅频特性模块用于在链路的任意处插入幅频特性分析仪对该处的幅频特性进行分析。

4.根据权利要求3所述的一种Ka频段宽带链路建模仿真系统，其特征在于：根据所述群时延模块所利用的参数，采用频率转换关系

将数字滤波器的技术指标转换成模拟滤波器的技术指标，得到模拟滤波器的零点和极点，据此得到相应模拟滤波器的系统函数，假设无重复的极点，有：

利用双线性变换法，将系统函数从模拟域s平面转换到数字域z平面，得到数字滤波器的系统函数：

得到数字滤波器的系统函数后，利用z＝e^jw将H(z)转化为H(e^jw)，计算出群时延：

其中，s_pk为模拟滤波器的第k个极点，A_k为第k个极点对应增益，H(s)为滤波器的拉普拉斯域函数。

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