CN115173964B - 一种多普勒模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多普勒模拟方法，涉及通信和测控系统中的信道模拟领域。本发明首先根据移动平台的运动速度和加速度进行多普勒频移计算，然后提炼出频率变化模型，接着根据频率变化生成时间‑频率存储表，再根据最大多普勒频移与表格中最大频率的比值，产生加权系数，最后将频率与加权系数相乘，再将频率转换为频率控制字，送进NCO输出最终多普勒频移信号。本发明可以简单方便地模拟多普勒频率变化情况，模拟各种移动平台的高动态环境，为通信测控系统的调试、测试、实验提供必要的信道状态。

Description

一种多普勒模拟方法
技术领域
本发明涉及卫星通信领域，特别是指一种多普勒模拟方法。
背景技术
对于卫星通信及测控系统来说，卫星和高动态平台的移动，不可避免地会使卫星通信系统的载波产生多普勒效应。
对于卫星通信及测控系统的多普勒频移的模拟，大部分都是采用卫星信道模拟器来实现。使用卫星信道模拟器，可以模拟真实状态的卫星通信中的信道特性。目前，针对卫星信道的模拟器的研究，已经取得非常大的进展，许多公司的产品都已投入商用。但是，这些信道模拟器的多普勒频移模拟的范围有限，且工作频率范围、带宽等都是有限的，不能灵活工作于任意频段，更重要的是，这些仪器大部分体积庞大，使用不方便。因此设计一款纯数字、灵活使用的信道模拟方式很有必要。
发明内容
针对上述背景技术中的缺点，本发明提出了一种多普勒模拟方法。本发明可以简单方便地模拟多普勒频率变化情况，模拟各种移动平台的高动态环境，为通信测控系统的调试、测试、实验提供必要的信道状态。
本发明的目的是这样实现的：
一种多普勒模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据移动平台的运动速度v和加速度a，计算移动平台的多普勒频移f和变化率d：
f＝f0·v/c
d＝f0·a/c
其中，c为光速，f0为工作频点；
(2)根据移动平台的运动特征，确定多普勒频移模型，得出多普勒频移模型的周期T，进而得出多普勒频移模型的频率ω＝1/T；
(3)根据一个周期T内，多普勒频移f随时间的变化规律，画出时刻t与多普勒频移f的t-f关系图，并生成存储表Tab1，Tab1存储的内容是时刻t与多普勒频移f的对应关系，0≤t≤T；
(4)实际应用中，时刻t的取值为0到+∞，将时刻t对T取余，即mod(t/T)，得到addr，将addr作为地址，查表Tab1，得出多普勒频移f；
(5)将步骤(4)中查表所得的多普勒频移f，根据硬件工作时钟频率，转换为频率控制字fcw1；
(6)根据最大多普勒频移fmax与最大频率控制字fcw1max的比值，产生加权系数K，将步骤(5)输出的频率控制字fcw1与K相乘，得到fcw2；
(7)将fcw2转换为位宽为N的二进制数，然后送入数控振荡器，得到输出结果Carr1(t)，即为多普勒载波；将Carr1(t)，进行90度移相，得到正交载波Carr2(t)；
(8)若输入信号为数字信号，则将输入的I、Q信号与Carr1(t)和Carr2(t)进行复数相乘，若输入信号为模拟信号，则将输入信号与Carr1(t)相乘，完成多普勒模拟。
进一步地，步骤(2)中，多普勒频移模型为正弦模型、三角模型、线性模型或常数模型；
当多普勒频移模型为正弦模型或三角模型时，多普勒频移的变化周期T根据最大多普勒频移fmax和最大变化率dmax求得；
当多普勒频移模型为线性模型或常数模型时，周期T为无穷大。
进一步地，步骤(3)中：
当多普勒频移模型为正弦模型或三角模型时，时刻t的取值范围为0～T；表Tab1中，存储的内容f为正弦值或线性三角波的幅度，表Tab1的长度为整个周期T；
当多普勒频移模型为线性模型时，Tab1中存储的内容f为固定步进变化；
当多普勒频移模型为常数模型时，Tab1中只存储一组数据，任意时刻对应的f均为固定值。
进一步地，步骤(5)中，多普勒频移f与频率控制字fcw1的关系为：
其中，mclk为硬件工作时钟频率，单位Hz，N的取值即成为后面步骤(7)中fcw2的位宽。
本发明相比背景技术具有如下优点：
1、本发明实现简单，占用资源少，可独立实现为一个设备工作，也可嵌入通信测控系统。
2、本发明性能优良、使用灵活，可模拟多种不同的动态环境。
3、本发明采用采用纯数字设计，适合FPGA实现，便于工程应用。
附图说明
图1是本发明实施例方法的流程图；
图2是外部输入信号为数字信号时的多普勒模拟原理图；图2中，外部输入的数字信号为两路信号，分别为I路信号、Q路信号。
图3是外部输入信号为模拟信号时的多普勒模拟原理图。图3中，外部输入的模拟信号为一路信号，用r(t)表示。
具体实施方式
下面对本发明做进一步的详细说明。
一种多普勒模拟方法，首先根据移动平台的运动速度和加速度进行多普勒频移计算，然后提炼出频率变化模型，接着根据频率变化生成时间-频率存储表，再根据最大多普勒频移与表格中最大频率的比值，产生加权系数，最后将频率与加权系数相乘，再将频率转换为频率控制字，累加后送进数控振荡器(NCO)输出最终多普勒频移信号。
该方法具体包括以下步骤：
(1)根据移动平台的运动速度v和加速度a进行多普勒频移计算。多普勒频移用f表示，变化率用d表示。计算移动平台的最大多普勒频移fmax和变化率dmax；其中c为光速，f0为工作频点；
fmax＝f0vmax/c；
dmax＝f0amax/c；
(2)根据移动平台的运动特征，确定多普勒频移模型，得出多普勒频移模型的周期T，进而得出多普勒频移模型的频率ω＝1/T；
(3)根据一个周期T内，多普勒频移f随时间的变化规律，画出时刻t与多普勒频移f的t-f关系图；并生成存储表Tab1，Tab1存储的内容是时刻t(0≤t≤T)与多普勒频移f二者的对应关系；
(4)实际应用中，时刻t的取值为0到+∞，将时刻t对T取余，即mod(t/T)，得到addr，将addr作为地址，查表Tab1，得出多普勒频移f；
(5)将步骤(4)中查表所得的多普勒频移f，根据硬件工作时钟频率，转换为频率控制字fcw1；
(6)根据最大多普勒频移fmax与最大频率控制字fcw1max的比值，产生加权系数K，将输出的频率控制字输出的fcw1与K相乘，得到fcw2；
(7)将fcw2转换为位宽N的二进制数，然后送入NCO，得到输出结果Carr1(t)，即为多普勒载波；将Carr1(t)，进行90度移相，得到正交载波Carr2(t)；
(8)若输入多普勒模拟器的信号为数字信号，则可将输入的I、Q信号与Carr1(t)，和Carr2(t)进行复数相乘，若输入多普勒模拟器的信号为模拟信号，则将输入信号与Carr1(t)相乘即可，完成多普勒模拟。
进一步的，步骤(2)中，多普勒频移变化模型可为正弦模型、三角模型、线性模型、常数模型等。
当多普勒频移变化模型为正弦模型、三角模型或其他周期性模型时，多普勒频移的变化周期T可根据最大多普勒频移fmax和变化率fdmax求得。
当多普勒频移变化模型为常数模型时，周期T为无穷大。
进一步的，步骤(3)中：
当多普勒频移变化模型为正弦模型、三角模型或其他周期性模型时，时刻t的取值范围为0～T；表Tab1中，存储的内容f为正弦值或线性三角波的幅度或其他周期性模型的幅度，表Tab1的长度为可取整个周期T，也可按照t-f关系图的对称特性取周期T的1/4或其它比例。
当多普勒频移变化模型为线性模型时，Tab1中的频率控制字变化为固定步进变化。
当多普勒频移变化模型为常数模型时，Tab1中只需要存储一组数据，即任意时刻对应的频率控制字均为固定值。
进一步的，步骤(3)中，在做实现时，频率f的幅度，可按照精度要求进行多位宽存储；位宽越大，幅度越大，精度也越高。时刻t的也可根据步进大小，调整表格长度，步进越小，精度越高，但是表格越大，占用资源也越大。
进一步的，步骤(5)中，多普勒频移f与频率控制字fcw1的关系为：
其中，mclk为工作时钟频率，单位Hz，N为步骤(7)fcw2中的位宽。
本发明书中未进行详细描述的内容为本领域内的公知内容。
以上所述仅为本发明的一种具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员根据本发明的技术方案及其发明构思作出的等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种多普勒模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据移动平台的运动速度v和加速度a，计算移动平台的多普勒频移f和变化率d：
f＝f0·v/c
d＝f0·a/c
其中，c为光速，f0为工作频点；
(2)根据移动平台的运动特征，确定多普勒频移模型，得出多普勒频移模型的周期T，进而得出多普勒频移模型的频率ω＝1/T；
(3)根据一个周期T内，多普勒频移f随时间的变化规律，画出时刻t与多普勒频移f的t-f关系图，并生成存储表Tab1，Tab1存储的内容是时刻t与多普勒频移f的对应关系，0≤t≤T；
(4)实际应用中，时刻t的取值为0到+∞，将时刻t对T取余，即mod(t/T)，得到addr，将addr作为地址，查表Tab1，得出多普勒频移f；
(5)将步骤(4)中查表所得的多普勒频移f，根据硬件工作时钟频率，转换为频率控制字fcw1；
(6)根据最大多普勒频移fmax与最大频率控制字fcw1max的比值，产生加权系数K，将步骤(5)输出的频率控制字fcw1与K相乘，得到fcw2；
(7)将fcw2转换为位宽为N的二进制数，然后送入数控振荡器，得到输出结果Carr1(t)，即为多普勒载波；将Carr1(t)，进行90度移相，得到正交载波Carr2(t)；
(8)若输入信号为数字信号，则将输入的I、Q信号与Carr1(t)和Carr2(t)进行复数相乘，若输入信号为模拟信号，则将输入信号与Carr1(t)相乘，完成多普勒模拟。
2.根据权利要求1所述的一种多普勒模拟方法，其特征在于，步骤(2)中，多普勒频移模型为正弦模型、三角模型、线性模型或常数模型；
当多普勒频移模型为正弦模型或三角模型时，多普勒频移的变化周期T根据最大多普勒频移fmax和最大变化率dmax求得；
当多普勒频移模型为线性模型或常数模型时，周期T为无穷大。
3.根据权利要求2所述的一种多普勒模拟方法，其特征在于，步骤(3)中：
当多普勒频移模型为正弦模型或三角模型时，时刻t的取值范围为0～T；表Tab1中，存储的内容f为正弦值或线性三角波的幅度，表Tab1的长度为整个周期T；
当多普勒频移模型为线性模型时，Tab1中存储的内容f为固定步进变化；
当多普勒频移模型为常数模型时，Tab1中只存储一组数据，任意时刻对应的f均为固定值。
4.根据权利要求1所述的一种多普勒模拟方法，其特征在于，步骤(5)中，多普勒频移f与频率控制字fcw1的关系为：
其中，mclk为硬件工作时钟频率，单位Hz，N的取值即成为后面步骤(7)中fcw2的位宽。
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高动态信号模拟器中的多普勒模拟算法;齐巍 等;航空学报;第29卷(第05期);全文 *

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