CN115866630A - 一种无线电测控通信信号多径效应模拟系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无线电测控通信信号多径效应模拟系统及方法，通过在无线电测控通信信号多径效应模拟器设置模拟器监控处理计算机，通过CPCI总线与多径效应模拟器信号处理单元相连，信号处理单元的输入输出端分别与接收和发射单元相连。模拟器监控处理计算机内置包含模拟无线电测控通信信号多径效应数学模型的模拟器监控软件，模拟器监控软件通过CPCI总线分别控制与之连接的模拟器信号处理单元中模拟各条路径等效时延、多普勒频率、幅度变化等参数，实现无线电测控通信信号多径效应模拟。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及到一种无线电测控通信信号多径效应模拟系统及方法。
背景技术
随着测控通信业务的不断拓展，对测控通信系统的要求也在不断的提高，甚至要求在恶劣环境下全天候工作，无线电测控通信信号在空间传播可能会受到各种因素的影响，不同频率的信号在地表、对流层、平流层、电离层其传播特性不尽相同。特别是信号在传播过程中由于地貌、建筑物等遮挡以及云雾的阻碍，产生反射、散射以及绕射等效应，会造成信号传播方向的改变以及信号强度的变化，导致多径衰落，对低空飞行器的测控，由于地面站测控天线工作于低仰角状态，多径效应特别严重，已引起各国相关专业人士的重视。但以往的研究多侧重于移动通信，实际上测控通信中多径效应的影响也不可忽视。一套能够模拟无线电测控通信信号穿越高山、大海、云雾、建筑物、树木等遮挡物产生多径效应的模拟器就成为测控系统不可或缺的配置需求，便于分析评估多径效应对系统带来的影响，事先采取抗多径效应设计。
测控通信系统抗干扰和抗衰落性能是系统设计的关键因素，多径对测控通信地空链路中电波传播的影响较大。多径信号与直达信号叠加，使信号的相位或者等效时延发生变化，带来测距误差；多径信号与直达信号传播方向不同，径向多普勒频率不同，合成后的信号多普勒频率会发生变化，会引起测速误差；同时多径信号与直达信号传播方向不同，会产生一个测角误差，引起天线偏移。多径的影响不可忽视，如果对多径引起的信号传输时延、幅度衰减和多普勒频率估计不准，就无法进行针对性的抗多径设计，会严重影响系统接收性能，引起测控通信质量及有效性不佳，造成不可估量的损失。
无线电测控通信信号多径效应模拟器，可以在航天测控系统研制和任务前全系统综合测评中，验证高频段传播信道的动态特性，检验接收系统抗多径干扰的能力。先前的研究表明通过信道仿真数据来对抗多径效应对系统性能影响的研究，在一定程度上会有一些效果。但是这些数据对系统设计者而言并不总是可用的，而且仿真数据只能在特定的时间、地区、频率下得到，有很大的局限性。随着高频段通信卫星的广泛应用，国际上对降多径效应的研究愈来愈重视，设计一套模拟无线电测控通信信号多径效应的模拟器，有利于深入研究信号空间信道传播特性，有效引导工程应用中合理选择测控站点，适当避免可以避免的遮挡物，减小测控通信干扰、提高测控通信质量。
多径效应是由于电波穿越高山、大海、云雾、建筑物、树木等遮挡物产生反射、散射以及绕射引起，电波在传播过程中受影响主要有传输时延等效为相位、信号多普勒频率和幅度等要素。根据先期研究的结果，建立一套反映多径效应的数学模型，并设计相应的软硬件平台，在模拟器计算机软件中预置其数学模型公式，设置参数控制窗口，在硬件平台现场可编程逻辑器件FPGA中设计延时存储、多普勒频率加载、精确幅度衰减等逻辑电路，模拟器计算机中的模拟软件通过CPCI总线实时控制模拟每条路径信号的延时存储器、多普勒频率加载和幅度衰减，使其每路信号的信号时延、多普勒频率和幅度衰减值按设定的规律变化，从而模拟无线电测控通信信号穿越遮挡物时产生的多径效应。
目前市面上尚无满足上述需求的货架产品，给测控系统的研制和应用带来诸多不便，因此需要开发一套满足上述要求的无线电测控通信信号多径效应的模拟方法，来验证测控通讯系统功能指标所受多径效应的影响，以便事先准备应对措施。
发明内容
本发明的主要目的在于针对上述现有技术存在的问题以及测控通讯技术发展的需求，提供一种实现简单、使用方便，具有较强的通用性，控制精度高的无线电测控通信信号多径效应的模拟方法。
为实现上述目的，本发明提供一种无线电测控通信信号多径效应模拟系统，所述系统包括监控处理计算机、信号处理单元、接收单元和发射单元；其中：
所述接收单元连接所述信号处理单元的输入端，用于接收地面测控站发出的射频测控通信信号，将所述射频测控通信信号转换为中频信号，并发送至信号处理单元；
所述监控处理计算机连接所述信号处理单元，用于向信号处理单元发送模拟各条路径的模拟参数；
所述信号处理单元包括多径模拟控制器和多径模拟电路，所述多径模拟控制器根据接收的模拟各条路径的模拟参数，控制所述多径模拟电路对接收的中频信号进行信号分路、信号多径效应模拟和信号合路；
所述发射单元连接所述信号处理单元的输出端，用于将信号处理单元进行信号多径效应模拟的信号转换为射频输出信号。
可选的，所述监控处理计算机内置模拟器监控软件，所述模拟器监控软件通过CPCI总线向信号处理单元发送模拟各条路径的模拟参数；其中，所述模拟参数包括等效路径时延、多普勒频率和幅度变化。
可选的，所述模拟器监控软件预置模拟无线电测控通信信号多径效应的数学模型；第i条路径在t时刻的控制系数CP(it)包含粗时延Δτ(it)、精时延δτ(it)、多普勒频率fD(it)、幅度慢变化AP(it)以及幅度快变化AT(it)，数学模型表达式为：
CP(it)＝Δτ(it)+δτ(it)+fD(it)+AP(it)+AT(it)
其中，CP(i)为模拟m条路径多径效应的控制系数，m、n均为自然数。
可选的，所述信号处理单元中，多径模拟控制器采用DSP处理器；所述模拟器监控软件通过CPCI总线将模拟m条路径多径效应的控制系数CP(i)发送至DSP处理器，所述DSP处理器把模拟m条路径多径效应的控制系数CP(i)分解为不同路径不同时刻的粗时延Δτ(it)、精时延δτ(it)、多普勒频率fD(it)、幅度慢变化AP(it)以及幅度快变化AT(it)，用于分别控制多径模拟电路中第i条路径在t时刻的粗时延、精时延、多普勒频率、幅度慢变化以及幅度快变化。
可选的，所述信号处理单元中，多径模拟控制器采用FPGA处理器；所述FPGA处理器包括分路器、合路器以及连接分路器与合路器之间的m路多径效应模拟电路；其中，所述分路器将接收的中频信号进行分路，所述多径效应模拟电路对分路后的信号进行包括粗时延、精时延、多普勒频率、幅度慢变化以及幅度快变化的多径效应模拟处理，所述合路器对多径效应模拟处理后的信号进行合路。
可选的，所述信号处理单元还包括模数转换电路和数模转换电路；所述模数转换电路用于对接收单元传输的中频信号进行模数转换，并发送至FPGA处理器，所述数模转换电路用于对合路的中频信号进行数模转换，并发送至发射单元。
可选的，所述接收单元包括幅度调节模块、下变频模块和自动增益放大模块；所述幅度调节模块对接收的射频测控通信信号进行幅度调节并发送至下变频模块，所述下变频模块将射频信号变频为中频信号并发送至自动增益放大模块，所述自动增益放大模块将中频信号放大为幅度恒定的信号。
可选的，所述发射单元包括幅度调节模块、上变频模块和放大器模块；所述幅度调节模块对接收的中频信号进行幅度调节并发送至上变频模块，所述上变频模块将中频信号变频为发射信号并发送至放大器模块，所述放大器模块对发射信号进行放大为射频输出信号。
可选的，除多普勒频率外，所述射频测控通信信号的频率与所述射频输出信号的频率相等时，所述信号处理单元执行单向多径效应模拟；所述射频测控通信信号的频率与所述射频输出信号的频率不相等时，所述信号处理单元执行双向多径效应模拟。
此外，为了实现上述目的，本发明还提供了一种无线电测控通信信号多径效应模拟方法，用于如上所述的无线电测控通信信号多径效应模拟系统，所述方法包括如下步骤：
接收单元接收地面测控站发出的射频测控通信信号，将所述射频测控通信信号转换为中频信号，并发送至信号处理单元；
监控处理计算机向信号处理单元发送模拟各条路径的模拟参数；
多径模拟控制器根据接收的模拟各条路径的模拟参数，控制所述多径模拟电路对接收的中频信号进行信号分路、信号多径效应模拟和信号合路；
发射单元将信号处理单元进行信号多径效应模拟的信号转换为射频输出信号。
本发明的有益效果：
实现简单、使用方便。本发明采用模拟器监控处理计算机设置的无线电测控通信信号多径效应数学模型的模拟器监控软件和通过CPCI总线连接多径效应模拟器信号处理单元，接收单元及发射单元灵活配置，结合算法软件支持不同频段接口，操控界面显示设备工作状态和相关控制功能参数，软硬件结合，实现简单；使用时可以直接运行事先预知包含典型仿真模型的参数宏，也可以通过操作界面设置相关参数进行模拟，使用便捷。
具有较强的通用性。本发明采用的模拟器监控软件，通过监控处理计算机创建多径效应的数学模型，实现采用的主要硬件为多径效应模拟器信号处理单元，其接口为中频信号且与信号体制、频段无关，与其相连的接收发射单元可以配置为不同频段的变频器，而且根据需要其接收射频频率和发射射频频率可以设置为相同，用以模拟上行或者下行单向的多径效应，接收射频频率和发射射频频率也可以设置为不同，接收频率为上行射频频率，发射频率为下行射频频率，用以模拟上下行双向的多径效应，通过模拟器监控软件管理多径效应模型模拟无线电测控通信信号多径效应，通过模拟器监控软件预置不同的算法模型或者控制不同的参数，重构不同的模拟场景，无线电测控通信信号多径效应模拟算法可重构、能够适应多种体制及不同频段，具有较强的通用性。
模拟范围宽，控制精度高。本发明采用控制多径效应模拟器信号处理单元的FPGA中的粗时延控制范围大于100ms，精时延控制精度优于0.01ns，粗细时延组合模拟，可以使多径效应模拟的时延范围大于100ms，精度达到0.01ns；多普勒频率加载精度可以达到0.001Hz；精确幅度调节和幅度粗调节用于模拟多径效应中信号的缓慢变化和快速变化，模拟小于3dB的多径效应幅度慢变化时，控制精确幅度调节，其精度优于0.01dB；模拟大于3dB的多径效应幅度快变化时，控制幅度粗调节，其可控衰减范围大于60dB，通过粗细幅度组合调节，可以使多径效应模拟的幅度范围达60dB，精度达到0.01dB。
应用范围宽广。无线电测控通信信号多径效应的模拟方法，通过监控处理计算机创建多径效应的数学模型，实现采用的主要硬件为多径效应模拟器信号处理单元，其接口为中频信号且与信号体制、频段无关，与其相连的接收发射单元可以配置为不同频段的变频器，而且根据需要其接收射频频率和发射射频频率可以设置为相同，用以模拟上行或者下行单向的多径效应，接收射频频率和发射射频频率也可以设置为不同，接收频率为上行射频频率，发射频率为下行射频频率，用以模拟上下行双向的多径效应，通过模拟器监控软件管理多径效应模型模拟无线电测控通信信号多径效应，通过模拟器监控软件预置不同的算法模型或者控制不同的参数，重构不同的模拟场景，无线电测控通信信号多径效应模拟算法可重构、能够适应多种体制及不同频段，使其可以广泛应用于飞船、卫星等航天器测控通信，也可以用于移动通讯，克服了国外类似产品只能用于移动通讯的局限性，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明无线电测控通信信号多径效应模拟系统的示意图。
图2为本发明无线电测控通信信号多径效应形成示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释发明，并不用于限定发明。
下面将结合发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。
需要说明，发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在发明要求的保护范围之内。
参照图1，图1为本发明实施例方案涉及的无线电测控通信信号多径效应模拟系统的示意图。
本实施例提供一种无线电测控通信信号多径效应模拟系统，无线电测控通信信号多径效应模拟器设置模拟器监控处理计算机，通过CPCI总线与多径效应模拟器信号处理单元相连，信号处理单元的输入输出端分别与接收和发射单元相连。
模拟器监控处理计算机设置包含模拟无线电测控通信信号多径效应数学模型的模拟器监控软件，模拟器监控软件通过CPCI总线分别控制与之连接的模拟器信号处理单元中模拟各条路径等效路径时延、多普勒频率、幅度变化等参数，实现无线电测控通信信号多径效应模拟。
地面测控站发出的射频测控通信信号fr经接收单元幅度调节以适应下变频的幅度接口要求，在下变频器中变频为中频信号fIr，中频信号fIr送给分别与下变频器和模拟器信号处理单元相连接的自动增益放大器AGC放大器放大为幅度恒定的中频信号。
幅度恒定的中频信号通过信号处理单元中的模数转换器A/D转换成数字中频信号，数字中频信号送现场可编程逻辑门阵列芯片FPGA中进行分路，分路后的信号fIrm经过粗延时模拟各条路径之间的大时延，经粗延时后的信号分别通过一个类似于多相滤波器的逻辑电路。
其中，每一路包含一个延时器、一个精确幅度调节器和一个幅度粗调节器，在多径效应模拟器监控软件控制下每一路信号分别进行精时延、多普勒频率加载、幅度慢变化和幅度快变化，模拟不同路径的细时延、多普勒频率、幅度慢变化和幅度快变化，模拟完粗细时延、多普勒频率和幅度快慢变化的各路数字信号fIrm送合成器的输入端，在合成器中进行合成。
合成器的输出信号fIt经数模转换器D/A转换成模拟中频信号fIt，模拟中频信号送发射单元经幅度调节以适应上变频的幅度接口要求，并通过变频器上变频为发射信号ft，发射信号经放大器放大后输出，接收信号频率fr和发射信号频率ft可以相等也可以不相等，相等时模拟单向多径效应，不相等时模拟双向多径效应。
参阅图1。模拟器监控处理计算机内置模拟器监控软件，模拟器监控软件预置模拟无线电测控通信信号多径效应数学模型，其第i条路径在t时刻的控制系数CP(it)包含粗时延Δτ(it)，精时延δτ(it)，多普勒频率fD(it)，幅度慢变化AP(it)，幅度快变化AT(it)等参数，其数学模型表示为：CP(it)＝Δτ(it)+δτ(it)+fD(it)+AP(it)+AT(it)，模拟m条路径无线电测控通信信号多径效应，其控制系数CP(i)表示为
m、n均为自然数。
参阅图1。模拟器监控软件中的多径效应控制系数CP(i)通过CPCI总线控制信号处理单元的数字信号处理芯片DSP，DSP把模拟m条路径多径效应的控制系数CP(i)分解为不同条路径不同时刻的粗时延Δτ(it)、精时延δτ(it)、多普勒频率fD(it)、幅度慢变化AP(it)、幅度快变化AT(it)等控制参数，用Δτ(it)、δτ(it)、fD(it)、AP(it)、AT(it)参数分别控制现场可编程逻辑门阵列芯片FPGA中第i条路径在t时刻的粗时延、精时延、多普勒频率、幅度慢变化、幅度快变化参数值，经过粗时延、精时延、多普勒频率、幅度慢变化、幅度快变化等参数调节后的m路信号在合成器中合成，合成后的数字中频信号经数模转换器转换为模拟中频信号，该模拟中频信号具有预先设定的函数特性，完成了多径效应模拟。其中i从1到m，m为自然数，本实施例中m最大取32。
参阅图2。多径效应是由于电波穿越高山、大海、云雾、建筑物、树木等遮挡物产生反射、散射以及绕射引起，电波在传播过程中因为传播路径不同、经过的遮挡物不同，信号传输时延等效为相位、信号多普勒频率和幅度等要素会受到不同程度的影响。示意图中阐述多径效应形成的原理，但不限于图中所述路径。
以上仅为发明的优选实施例，并非因此限制发明的专利范围，凡是利用发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种无线电测控通信信号多径效应模拟系统，其特征在于，所述系统包括监控处理计算机、信号处理单元、接收单元和发射单元；其中：
所述接收单元连接所述信号处理单元的输入端，用于接收地面测控站发出的射频测控通信信号，将所述射频测控通信信号转换为中频信号，并发送至信号处理单元；
所述监控处理计算机连接所述信号处理单元，用于向信号处理单元发送模拟各条路径的模拟参数；
所述信号处理单元包括多径模拟控制器和多径模拟电路，所述多径模拟控制器根据接收的模拟各条路径的模拟参数，控制所述多径模拟电路对接收的中频信号进行信号分路、信号多径效应模拟和信号合路；
所述发射单元连接所述信号处理单元的输出端，用于将信号处理单元进行信号多径效应模拟的信号转换为射频输出信号。
2.如权利要求1所述的无线电测控通信信号多径效应模拟系统，其特征在于，所述监控处理计算机内置模拟器监控软件，所述模拟器监控软件通过CPCI总线向信号处理单元发送模拟各条路径的模拟参数；其中，所述模拟参数包括等效路径时延、多普勒频率和幅度变化。
3.如权利要求2所述的无线电测控通信信号多径效应模拟系统，其特征在于，所述模拟器监控软件预置模拟无线电测控通信信号多径效应的数学模型；第i条路径在t时刻的控制系数CP(it)包含粗时延Δτ(it)、精时延δτ(it)、多普勒频率fD(it)、幅度慢变化AP(it)以及幅度快变化AT(it)，数学模型表达式为：
CP(it)＝Δτ(it)+δτ(it)+fD(it)+AP(it)+AT(it)
其中，CP(i)为模拟m条路径多径效应的控制系数，m、n均为自然数。
4.如权利要求3所述的无线电测控通信信号多径效应模拟系统，其特征在于，所述信号处理单元中，多径模拟控制器采用DSP处理器；所述模拟器监控软件通过CPCI总线将模拟m条路径多径效应的控制系数CP(i)发送至DSP处理器，所述DSP处理器把模拟m条路径多径效应的控制系数CP(i)分解为不同路径不同时刻的粗时延Δτ(it)、精时延δτ(it)、多普勒频率fD(it)、幅度慢变化AP(it)以及幅度快变化AT(it)，用于分别控制多径模拟电路中第i条路径在t时刻的粗时延、精时延、多普勒频率、幅度慢变化以及幅度快变化。
5.如权利要求4所述的无线电测控通信信号多径效应模拟系统，其特征在于，所述信号处理单元中，多径模拟控制器采用FPGA处理器；所述FPGA处理器包括分路器、合路器以及连接分路器与合路器之间的m路多径效应模拟电路；其中，所述分路器将接收的中频信号进行分路，所述多径效应模拟电路对分路后的信号进行包括粗时延、精时延、多普勒频率、幅度慢变化以及幅度快变化的多径效应模拟处理，所述合路器对多径效应模拟处理后的信号进行合路。
6.如权利要求5所述的无线电测控通信信号多径效应模拟系统，其特征在于，所述信号处理单元还包括模数转换电路和数模转换电路；所述模数转换电路用于对接收单元传输的中频信号进行模数转换，并发送至FPGA处理器，所述数模转换电路用于对合路的中频信号进行数模转换，并发送至发射单元。
7.如权利要求6所述的无线电测控通信信号多径效应模拟系统，其特征在于，所述接收单元包括幅度调节模块、下变频模块和自动增益放大模块；所述幅度调节模块对接收的射频测控通信信号进行幅度调节并发送至下变频模块，所述下变频模块将射频信号变频为中频信号并发送至自动增益放大模块，所述自动增益放大模块将中频信号放大为幅度恒定的信号。
8.如权利要求7所述的无线电测控通信信号多径效应模拟系统，其特征在于，所述发射单元包括幅度调节模块、上变频模块和放大器模块；所述幅度调节模块对接收的中频信号进行幅度调节并发送至上变频模块，所述上变频模块将中频信号变频为发射信号并发送至放大器模块，所述放大器模块对发射信号进行放大为射频输出信号。
9.如权利要求8所述的无线电测控通信信号多径效应模拟系统，其特征在于，除多普勒频率外，所述射频测控通信信号的频率与所述射频输出信号的频率相等时，所述信号处理单元执行单向多径效应模拟；所述射频测控通信信号的频率与所述射频输出信号的频率不相等时，所述信号处理单元执行双向多径效应模拟。
10.一种无线电测控通信信号多径效应模拟方法，其特征在于，用于如权利要求1-9任意一项所述的无线电测控通信信号多径效应模拟系统，所述方法包括如下步骤：
接收单元接收地面测控站发出的射频测控通信信号，将所述射频测控通信信号转换为中频信号，并发送至信号处理单元；
监控处理计算机向信号处理单元发送模拟各条路径的模拟参数；
多径模拟控制器根据接收的模拟各条路径的模拟参数，控制所述多径模拟电路对接收的中频信号进行信号分路、信号多径效应模拟和信号合路；
发射单元将信号处理单元进行信号多径效应模拟的信号转换为射频输出信号。
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