面向深空通信的無線信道實時模擬器及其模擬方法
【專利摘要】一種面向深空通信的無線信道實時模擬器及其模擬方法，支持上行鏈路和下行鏈路實時雙工通信信道模擬，包括主控單元、基帶信道模擬單元、變頻器單元以及衰減器單元，所述主控單元通過CPCI總線與基帶信道模擬單元、變頻器單元以及衰減器單元進行數(shù)據(jù)及命令傳輸；所述基帶信道模擬單元、變頻器單元和衰減器單元間通過SMA接口進行模擬信號傳輸，并結(jié)合其模擬方法可有效實時模擬深空背景下無線信號的傳播情況，從而在地面實驗室實現(xiàn)深空通信設(shè)備的調(diào)試、測試及性能評估。
【專利說明】面向深空通信的無線信道實時模擬器及其模擬方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于面向深空通信【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種面向深空通信的無線信道實時 模擬器及其模擬方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 當前，國內(nèi)外航天事業(yè)蓬勃發(fā)展，發(fā)送了大量的航天器對地外空間及地外天體開 展科學(xué)研究。在這些航天工程中，確保航天器與地面站、航天器與航天器之間的可靠通信是 航天任務(wù)成敗與否的關(guān)鍵。深空通信環(huán)境完全不同于地面通信環(huán)境，比較復(fù)雜，故對航天工 程中深空背景下的無線信道研究，特別是深空信道建模及實驗室模擬對深空通信系統(tǒng)的研 制及測試，乃至航天事業(yè)的發(fā)展意義重大。
[0003] 深空通信距離遙遠，導(dǎo)致延時長，傳播損耗大，同時還受到太陽活動（如太陽風(fēng)、 日冕）、月球及其它天體噪聲等影響，使得接收信號功率極其微弱，且信噪比極低。當太陽處 在兩個通信航天器之間時（即上合時期），無線傳播信號將受到太陽風(fēng)和日冕的影響，這種 不規(guī)則影響會造成信號幅度的閃爍，使得深空信道具有時變衰落特性。同時，深空信道還具 有窗口特性，上下行鏈路不對稱，上行鏈路主要用于傳輸遙控指令，碼速率較低；下行鏈路 主要用于傳輸圖像及其它探測到的數(shù)據(jù)信息，碼速率較高。此外，深空通信頻段高、帶寬大， 加上航天器之間的相對運動速度較大，將導(dǎo)致大多普勒頻移和擴展。
[0004] 對深空信道的研究包括通信實測、軟件仿真和硬件模擬等模擬方法。然而，真實的 深空通信鏈路測試需要借助衛(wèi)星或者航天器進行，會消耗巨大的人力和物力；軟件仿真由 于運算量巨大，且無法提供真實信號的輸入輸出接口而頗受局限。最有效的模擬方法是采 用硬件方式實現(xiàn)深空信道的地面實驗室可重復(fù)模擬，DSP及FPGA強大的運算能力，以及硬 件板卡豐富的數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換接口，使得實驗室環(huán)境下實時模擬深空信道成為可能。
[0005] 另外深空信道有別于與地面無線移動信道，深空信號傳輸距離極其遙遠，必然導(dǎo) 致巨大的路徑損耗；航天器和地球的高速運動造成收發(fā)信機巨大的相對速度，從而引入巨 大的多普勒頻移；深空鏈路受到太陽活動拋射的非均勻帶電粒子的干擾，將引發(fā)多徑效應(yīng)， 造成信號幅度的閃爍（也稱太陽閃爍）；深空通信的噪聲干擾復(fù)雜，包括宇宙背景噪聲、太 陽噪聲、月球噪聲、行星噪聲、地球站噪聲和天線噪聲等。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的提供一種面向深空通信的無線信道實時模擬器及其模擬方法，支持 上行鏈路和下行鏈路實時雙工通信信道模擬，包括主控單元、基帶信道模擬單元、變頻器單 元以及衰減器單元，所述主控單元通過CPCI總線與基帶信道模擬單元、變頻器單元以及衰 減器單元進行數(shù)據(jù)及命令傳輸；所述基帶信道模擬單元、變頻器單元和衰減器單元間通過 SMA接口進行模擬信號傳輸，并結(jié)合其模擬方法可有效實時模擬深空背景下無線信號的傳 播情況，從而在地面實驗室實現(xiàn)深空通信設(shè)備的調(diào)試、測試及性能評估。
[0007] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供了一種面向深空通信的無線信道實時模 擬器及其模擬方法的解決方案，具體如下：
[0008] -種面向深空通信的無線信道實時模擬器，支持上行鏈路和下行鏈路實時雙工通 信信道模擬，包括主控單元1-0、基帶信道模擬單元2-0、變頻器單元3-0以及衰減器單元 4-0,所述主控單元1-0通過CPCI總線與基帶信道模擬單元2-0、變頻器單元3-0以及衰減 器單元4-0進行數(shù)據(jù)及命令傳輸；所述基帶信道模擬單元2-0、變頻器單元3-0和衰減器單 元4-0間通過SMA接口進行模擬信號傳輸：
[0009] 所述上行鏈路包括主控單元中的深空通信場景輸入模塊1-1，上行鏈路信道參數(shù) 估計模塊1-2,基帶模擬單元中的上行鏈路多徑衰落模擬模塊2-1，變頻器單元中的下變頻 器3-1和上變頻器3-2，衰減器單元中的衰減器模塊4-1，上行鏈路發(fā)射信號，通過上行鏈路 輸入5-1端口經(jīng)下變頻器3-1下變頻為中頻信號，該中頻信號輸入到上行鏈路多徑衰落模 擬模塊2-1疊加多徑衰落信道，之后經(jīng)上變頻器3-2上變頻到深空通信頻段，輸出射頻信號 經(jīng)衰減器4-1衰減后從上行鏈路輸出5-2端口輸出的信號即為模擬經(jīng)過深空鏈路后的上行 鏈路接收端信號，所述的下行鏈路的組成和實現(xiàn)方法與所述的上行鏈路一致。
[0010] 所述主控單元1-0為帶有CPU計算單元的主板，并連接有與之兼容的鍵盤、鼠標、 顯示器這樣的輸入輸出設(shè)備，帶有CPU計算單元的主板還包括主控軟件，主控軟件實現(xiàn)的 功能模塊包括深空通信場景輸入模塊1-1，上行鏈路信道參數(shù)估計模塊1-2和下行鏈路信 道參數(shù)估計模塊1-3,所述的深空通信場景輸入模塊1-1接受用戶輸入的通信場景參數(shù)，通 信場景參數(shù)包括深空探測器運動軌跡、通信頻段、星體半徑、電導(dǎo)率以及介電常數(shù)，所述的 上行鏈路信道參數(shù)估計模塊1-2和下行鏈路信道參數(shù)估計模塊1-3從該場景參數(shù)中提取出 信道參數(shù)，包括多徑時延、多普勒頻移、多普勒擴展、萊斯因子以及噪聲功率/信噪比，并將 該信道參數(shù)經(jīng)CPCI總線配置給基帶信道模擬單元2-0、變頻器單元3-0及衰減器單元4-0。 [0011] 所述基帶信道模擬單元2-0為由DSP和FPGA組成的信號處理板卡，包含模數(shù)轉(zhuǎn)換 模塊和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，實現(xiàn)上行鏈路多徑衰落模擬和下行鏈路多徑衰落模擬的模塊分別為 上行鏈路多徑衰落模擬模塊2-1和下行鏈路多徑衰落模擬模塊2-2,基帶信道模擬單元2-0 接收主控單元1-0經(jīng)CPCI總線配置的硬件信道參數(shù)，包括多徑時延、多普勒頻移、多普勒擴 展、萊斯因子以及噪聲功率/信噪比，基于該硬件信道參數(shù)實時產(chǎn)生與之相符的信道衰落， 并疊加至輸入信號后輸出。
[0012] 所述變頻器單元3-0為由混頻器和濾波器組成的信號變頻單元板卡，包括兩個下 變頻器模塊，兩個下變頻器模塊分別為第一下變頻器模塊3-1和第二下變頻器模塊3-4， 兩個上變頻器模塊，兩個上變頻器模塊分別為第一上變頻器模塊3-2和第二上變頻器模塊 3-3,變頻器單元3-0接收主控單元1-0經(jīng)CPCI總線配置的工作頻段數(shù)據(jù)，頻段包含深空 通信的常用頻段，VHF頻段、L頻段、S頻段、C頻段、X頻段、Ku頻段以及Ka頻段，其中第一 下變頻器模塊3-1和第二下變頻器模塊3-4的功能為將輸入射頻深空信號下變頻為中頻信 號，第一上變頻器模塊3-2和第二上變頻器模塊3-3的功能為將疊加信道后的中頻信號上 變頻到深空通信所用的射頻段。
[0013] 所述衰減器單元4-0為由程控衰減電路構(gòu)成的信號衰減單元板卡，內(nèi)含兩個衰減 器模塊，兩個衰減器模塊分別為第一衰減器模塊4-1和第二衰減器模塊4-2,第一衰減器模 塊4-1和第二衰減器模塊4-2都分別由一個10dB每步進十五大步進衰減器和一個ldB每步 進的小步進衰減器組成，總衰減量程為大步進衰減器量程和小步進衰減器量程之和，衰減 步進與小步進衰減器一致，衰減器單元4-0接收主控單元1-0經(jīng)CPCI總線配置的衰減值， 實時控制深空通信信號的總衰減量。
[0014] 所述的面向深空通信的無線信道實時模擬器的模擬方法，步驟如下：
[0015] 步驟1:用戶在主控單元1-0的主控軟件中輸入深空通信場景參數(shù)，包括深空探測 器飛行軌跡文件、通信頻段、星體半徑、電導(dǎo)率以及介電常數(shù)，主控軟件基于收發(fā)端的運動 軌跡計算傳播場景的幾何參量，包括收發(fā)端運動速度、直線距離和反射點坐標；
[0016] 步驟2:通過傳播場景的幾何參量及系統(tǒng)參數(shù)計算得到不同時刻的信道狀 態(tài)參數(shù)，包括深空鏈路傳播損耗U (t)，L2 (t)、多普勒頻移i (t)，2 (t)、各徑時延 τ i (t)，τ 2 (t)、萊斯因子K和噪聲功率PN這樣的信道參數(shù)，步驟2的具體方法如下：
[0017] 1)深空傳播鏈路損耗計算
[0018] 所述的深空傳播鏈路損耗計算為傳播鏈路損耗I^ss考慮自由空間傳播損耗L f，大 氣傳播損耗La，降雨損耗Lp收發(fā)天線增益4、Gt這樣的因素，計算方法如式（1)所示：
[0019] LLoss = Lf+La+Lr-Gr-Gt (dB) (1)
[0020] 其中如式⑵所示：
[0021] Lf = 92. 44+201g(d/103)+201g(f/109) (dB) (2)
[0022] 式中，f為頻率，單位Hz ;d為通信距離，單位m ;
[0023] 如式⑶所示：

【權(quán)利要求】
1. 一種面向深空通信的無線信道實時模擬器，其特征在于支持上行鏈路和下行鏈路實 時雙工通信信道模擬，包括主控單元、基帶信道模擬單元、變頻器單元以及衰減器單元，所 述主控單元通過CPCI總線與基帶信道模擬單元、變頻器單元以及衰減器單元進行數(shù)據(jù)及 命令傳輸；所述基帶信道模擬單元、變頻器單元和衰減器單元間通過SM接口進行模擬信 號傳輸； 所述上行鏈路包括主控單元中的深空通信場景輸入模塊，上行鏈路信道參數(shù)估計模 塊，基帶模擬單元中的上行鏈路多徑衰落模擬模塊，變頻器單元中的下變頻器和上變頻器， 衰減器單元中的衰減器模塊，上行鏈路發(fā)射信號，通過上行鏈路輸入端口經(jīng)下變頻器下變 頻為中頻信號，該中頻信號輸入到上行鏈路多徑衰落模擬模塊疊加多徑衰落信道，之后經(jīng) 上變頻器上變頻到深空通信頻段，輸出射頻信號經(jīng)衰減器衰減后從上行鏈路輸出端口輸出 的信號即為模擬經(jīng)過深空鏈路后的上行鏈路接收端信號，所述的下行鏈路的組成和實現(xiàn)方 法與所述的上行鏈路一致。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向深空通信的無線信道實時模擬器，其特征在于所述主控 單元為帶有CPU計算單元的主板，并連接有與之兼容的鍵盤、鼠標、顯示器這樣的輸入輸出 設(shè)備，帶有CPU計算單元的主板還包括主控軟件，主控軟件實現(xiàn)的功能模塊包括深空通信 場景輸入模塊，上行鏈路信道參數(shù)估計模塊和下行鏈路信道參數(shù)估計模塊，所述的深空通 信場景輸入模塊接受用戶輸入的通信場景參數(shù)，通信場景參數(shù)包括深空探測器運動軌跡、 通信頻段、星體半徑、電導(dǎo)率以及介電常數(shù)，所述的上行鏈路信道參數(shù)估計模塊和下行鏈路 信道參數(shù)估計模塊從該場景參數(shù)中提取出信道參數(shù)，包括多徑時延、多普勒頻移、多普勒擴 展、萊斯因子以及噪聲功率/信噪比，并將該信道參數(shù)經(jīng)CPCI總線配置給基帶信道模擬單 元、變頻器單元及衰減器單元。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的面向深空通信的無線信道實時模擬器，其特征在于所述基帶 信道模擬單元為由DSP和FPGA組成的信號處理板卡，包含模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊， 實現(xiàn)上行鏈路多徑衰落模擬和下行鏈路多徑衰落模擬的模塊分別為上行鏈路多徑衰落模 擬模塊和下行鏈路多徑衰落模擬模塊2-2,基帶信道模擬單元接收主控單元經(jīng)CPCI總線配 置的硬件信道參數(shù)，包括多徑時延、多普勒頻移、多普勒擴展、萊斯因子以及噪聲功率/信 噪比，基于該硬件信道參數(shù)實時產(chǎn)生與之相符的信道衰落，并疊加至輸入信號后輸出。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的面向深空通信的無線信道實時模擬器，其特征在于所述變 頻器單元為由混頻器和濾波器組成的信號變頻單元板卡，包括兩個下變頻器模塊，兩個下 變頻器模塊分別為第一下變頻器模塊和第二下變頻器模塊，兩個上變頻器模塊，兩個上變 頻器模塊分別為第一上變頻器模塊和第二上變頻器模塊，變頻器單元接收主控單元經(jīng)CPCI 總線配置的工作頻段數(shù)據(jù)，頻段包含深空通信的常用頻段，VHF頻段、L頻段、S頻段、C頻段、 X頻段、Ku頻段以及Ka頻段，其中第一下變頻器模塊和第二下變頻器模塊的功能為將輸入 射頻深空信號下變頻為中頻信號，第一上變頻器模塊和第二上變頻器模塊的功能為將疊加 信道后的中頻信號上變頻到深空通信所用的射頻段。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的面向深空通信的無線信道實時模擬器，其特征在于所述衰減 器單元為由程控衰減電路構(gòu)成的信號衰減單元板卡，內(nèi)含兩個衰減器模塊，兩個衰減器模 塊分別為第一衰減器模塊和第二衰減器模塊，第一衰減器模塊和第二衰減器模塊都分別由 一個IOdB每步進的大步進衰減器和一個IdB每步進的小步進衰減器組成，總衰減量程為大 步進衰減器量程和小步進衰減器量程之和，衰減步進與小步進衰減器一致，衰減器單元接 收主控單元經(jīng)CPCI總線配置的衰減值，實時控制深空通信信號的總衰減量。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的面向深空通信的無線信道實時模擬器的模擬方法，其特征在 于，步驟如下： 步驟1 :用戶在主控單元的主控軟件中輸入深空通信場景參數(shù)，包括深空探測器飛行 軌跡文件、通信頻段、星體半徑、電導(dǎo)率以及介電常數(shù)，主控軟件基于收發(fā)端的運動軌跡計 算傳播場景的幾何參量，包括收發(fā)端運動速度、直線距離和反射點坐標； 步驟2 :通過傳播場景的幾何參量及系統(tǒng)參數(shù)計算得到不同時刻的信道狀態(tài)參數(shù)，包 括深空鏈路傳播損耗L1 (t)，L2 (t)、多普勒頻移fd，i(t)，fd，2 (t)、各徑時延Ti(t)，T2 (t)、萊 斯因子K和噪聲功率Pn這樣的信道參數(shù)，步驟2的具體方法如下： 1) 深空傳播鏈路損耗計算 所述的深空傳播鏈路損耗計算為傳播鏈路損耗Lkjss考慮自由空間傳播損耗Lf，大氣傳 播損耗La，降雨損耗b收發(fā)天線增益4、Gt這樣的因素，計算方法如式⑴所示：
其中如式（2)所示：
式中，f為頻率，單位Hz;d為通信距離，單位m; 如式⑶所示：
式中，^和^分別為氧氣分子和水蒸氣分子對電波的衰減率；hs為地面站海拔高度；0 為地面站天線波束仰角；gOO^OO是與氧氣層等效厚度&、水蒸氣層等效厚度hw相關(guān)的 函數(shù)； 如式⑷所示：
式中，L為降雨損耗率；LE為等效路徑長度； 2) 多普勒頻移計算 所述的多普勒頻移計算為憑借深空通信中，通信雙方本身的運動速度很大，巨大的徑 向運動速度以及超高的通信頻率產(chǎn)生了多普勒效應(yīng)，這樣直射路徑的最大多普勒頻移能夠 表示為如式（5)所示：
式中，I、4分別為地面站和航天器的移動速度矢量，eB，Ga則表示速度方向和直射 路徑的夾角，為信號頻率，C為光速； 3) 萊斯因子計算 所述的萊斯因子計算根據(jù)萊斯因子K與太陽活動造成的太陽閃爍指數(shù)具有如式（6)所 示的關(guān)系而得：
其中，太陽閃爍指數(shù)m與太陽-地球-航天器夾角相關(guān)，當該夾角大于4°時m可忽略； 當該夾角小于4°時，m值隨著夾角的減小而增大；夾角趨近0°時m為1，此時該情 況下無直射路徑。 4)信道噪聲計算 所述的信道噪聲計算是根據(jù)式（7)所示的深空信道噪聲用等效噪聲溫度來計算，
式中，Pn為噪聲功率；k為玻爾茲曼常量并且k=I. 3806505X10_23J/K?Hz;BN為接收 機等效噪聲帶寬；Tkf為低噪聲放大器的噪聲溫度，T。為宇宙背景噪聲溫度（本實施案例取 2. 66±0. 77K) 為地球站噪聲，本實施例Ttj取值為0.IKJan為天線噪聲溫度；Tsun為太陽 噪聲溫度，如（8)所示為
式中，S為單位太陽粒子輻射流密度；A為天線有效孔徑面積；n為天線效率；r為考慮 深空站系統(tǒng)接收機非線性因素后的減少因子； Tmot為月球噪聲溫度，S波段，X波段和Ka波段噪聲溫度分別由式（9)、式（10)和式 (11)求得，

式中，小為天線主波束寬度與月球圓盤中心之間的偏移角度； 1^為行星噪聲溫度，如式（12)所示：
式中，Tk為行星黑體溫度；d為行星直徑；R為與行星的距離；0為行星中心到天線波 束中心的夾角；e〇為天線半功率波束寬度；G為天線增益； 步驟3 :根據(jù)主控單元經(jīng)CPCI總線配置的信道狀態(tài)參數(shù)，基帶信道模擬單元的DSP首 先將其轉(zhuǎn)為硬件參數(shù)并進行定點化，實時配置給對應(yīng)的FPGA工作模塊，步驟2的方法具體 如下： 1) 計算各徑的相對時延
，其中h(t)、T2(t)分別為直射徑和散 射徑時延，將時延T轉(zhuǎn)化為定點的FPGA硬件參數(shù)，并實時配置給時延模塊； 2) 計算各徑的相對損耗因子aa2,aa2應(yīng)當滿足
的條件，將其轉(zhuǎn) 化為定點的FPGA硬件參數(shù)，并實時配置給損耗模塊； 3) 計算各徑的多普勒頻移f41 (t)，fd，2 (t)，將其轉(zhuǎn)化為定點的FPGA硬件參數(shù)，并實時 配置給多普勒頻移模塊； 4) 計算信道衰落的定點化硬件參數(shù)，并實時配置給信道衰落模塊； 5) 計算深空信道噪聲功率Pn的定點化參數(shù)，并實時配置給高斯噪聲模塊； 步驟4 :根據(jù)主控單元經(jīng)CPCI總線配置的通信頻段，變頻器設(shè)置上變頻及下變頻器的 工作頻段； 步驟5 :根據(jù)主控單元經(jīng)CPCI總線配置的衰減參數(shù)，衰減器單元實時設(shè)置衰減值。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的面向深空通信的無線信道實時模擬器的模擬方法，其特征在 于所述的步驟1中的運動軌跡能夠進行內(nèi)插，內(nèi)插倍數(shù)用戶能夠設(shè)置。
【文檔編號】H04B17/00GK104243070SQ201410519736
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月29日
【發(fā)明者】朱秋明, 黃攀, 戴秀超, 周生奎, 崔銳, 陳學(xué)強, 王成華, 陳曉明 申請人:南京航空航天大學(xué)