本發(fā)明屬于衛(wèi)星測試領(lǐng)域，涉及一種寬帶衛(wèi)星信道模擬器，可用于模擬寬帶衛(wèi)星通信的信道特性。

背景技術(shù)：

隨著對衛(wèi)星通信需求的增加以及Ka頻段在帶寬和容量方面的天然優(yōu)勢，近年來，越來越多的國家和機構(gòu)相繼加入到對Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的開發(fā)和使用之中。在民商用方面，美國“銥星Next”通信衛(wèi)星系統(tǒng)計劃搭載Ka頻段通信載荷，美、歐、俄、日等國家的新一代高通量通信衛(wèi)星也將使用Ka頻段。除用作民商用外，美國軍方已開始使用20/40GHz鏈路進行軍事通信，軍用價值也日益顯露。

與較低頻率的C頻段和Ku頻段相比，Ka頻段的衛(wèi)星通信具有三個明顯優(yōu)勢，即頻譜可用率高、潛在干擾小和設(shè)備體積小。然而，Ka頻段衛(wèi)星通信也存在一大缺點，即該頻段對大氣、降雨等信道特性的變化非常敏感。測量數(shù)據(jù)表明，在大于0.1％的時間內(nèi)對于30GHz的上行頻率雨衰可超過40dB，而對于20GHz的下行頻率，雨衰也將超過20dB。因此，需要在模擬星載設(shè)備和模擬地面終端之間，通過信道模擬器模擬用戶區(qū)內(nèi)的Ka頻段星地信道特性，從而對整個衛(wèi)星通信系統(tǒng)功能性能進行綜合評估。

信道模擬器的模擬方式通常分為軟件模擬和硬件模擬兩大類。軟件模擬的方法便于信道模型的選擇和比較，靈活性大，但存在計算量大、物理接口難以實現(xiàn)的缺點。硬件模擬的方法是研制出一個硬件的信道模擬設(shè)備，其使用方便，能提高研發(fā)工作的效率，但存在設(shè)計復(fù)雜，成本過高的缺點。

目前國內(nèi)外已研制出一些衛(wèi)星信道模擬器，典型的如美國dBm公司研發(fā)的衛(wèi)星鏈路模擬器，其采用140MHz中頻信號接口，信號帶寬為10MHz，可以模擬信道的損耗、延遲、相移、衰落等特性。澳大利亞電信研究所開發(fā)的信道模擬器通過馬爾可夫過程來控制信道的時變參數(shù)，模擬信道衰落。成都電子科技大學(xué)已研制出第三版信道模擬器，采用70MHz中頻信號接口，10MHz帶寬，同樣可以模擬信道的延遲、衰落、多普勒頻移和加性噪聲等特性。以上信道模擬器主要針對衛(wèi)星移動信道，存在帶寬窄、載波速率低、信道模型特性相對固定以及通道數(shù)不可擴展等缺點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種信道模型實時可變的寬帶衛(wèi)星信道模擬器，有效解決了目前信道模擬器輸入帶寬窄、載波速率低、信道模型參數(shù)更新不及時和輸入輸出端口擴展性差的問題，可有效支持各類寬帶衛(wèi)星通信方案的物理仿真和通信體制驗證。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種信道模型可變的寬帶衛(wèi)星信道模擬器，包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、輸入信號幅度調(diào)整模塊、信道時延模擬模塊、信道衰落模擬模塊、信道噪聲模擬模塊、輸出信號幅度調(diào)整模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊以及上位機控制模塊，其中：

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊：接收外部輸入的中頻模擬信號并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后送至輸入信號幅度調(diào)整模塊；

輸入信號幅度調(diào)整模塊：根據(jù)上位機控制模塊傳遞的輸入信號幅度，對數(shù)字信號進行幅度調(diào)整，使信號幅度在進入信道時延模擬模塊之前始終為定值；

信道時延模擬模塊：將經(jīng)過幅度調(diào)整后的數(shù)字信號送至存儲器中存儲，根據(jù)實時從上位機控制模塊獲取的時延信息進行定時，并在定時時間到達后從存儲器中讀取數(shù)字信號送至信道衰落模擬模塊；

信道衰落模擬模塊：接收由上位機控制模塊根據(jù)天氣狀況計算出的信道衰落值，并與信道時延模擬模塊輸出的信號進行相乘，得到衰落后的信號輸出給信道噪聲模擬模塊；

信道噪聲模擬模塊：完成信道高斯加性白噪聲的模擬，并與信道衰落模擬模塊的輸出信號疊加后送至輸出信號幅度調(diào)整模塊；

輸出信號幅度調(diào)整模塊：根據(jù)上位機控制模塊傳遞的用戶需要的輸出信號幅度對引入噪聲后的數(shù)字信號的幅度進行調(diào)整，使得信號幅度在進入數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊之前始終為定值；

上位機控制模塊：接收外部用戶輸入的輸入信號幅度并送至輸入信號幅度調(diào)整模塊；接收外部用戶輸入的輸出信號幅度并送至輸出信號幅度調(diào)整模塊；接收外部用戶輸入的地面站點，計算出時延信息并送至信道時延模擬模塊；接收外部用戶輸入的天氣狀況計算出信道衰落值并送至信道衰落模擬模塊；接收外部用戶輸入的信號噪聲比參數(shù)并送至信道噪聲模擬模塊；

數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊：將輸出信號幅度調(diào)整模塊的輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為中頻信號后向外部輸出。

所述的上位機控制模塊包括仿真控制子模塊、參數(shù)輸入與實時顯示子模塊、輸入信號參數(shù)調(diào)整子模塊、信道時延控制子模塊、信道衰落控制子模塊、信道噪聲控制子模塊以及輸出信號參數(shù)調(diào)整子模塊，其中：

仿真控制子模塊：通過人機交互界面對信道模擬器進行初始化控制；將用戶輸入的信息存儲至相應(yīng)的寄存器中；啟動信道模擬器進行信道模擬仿真；復(fù)位信道模擬器，使信道模擬器各個寄存器清空；

參數(shù)輸入與實時顯示子模塊：接收用戶輸出的參數(shù)并進行人機界面顯示；根據(jù)用戶擬模擬的地面站點相對衛(wèi)星的實際距離除以電磁波傳播速度得到時延信息；接收外部用戶輸入的天氣狀態(tài)，轉(zhuǎn)換為不同信道模型；接收外部用戶輸入的輸出信號噪聲比參數(shù)；

輸入信號參數(shù)調(diào)整子模塊和輸出信號參數(shù)調(diào)整子模塊：計算用戶的實際輸入信號電平值和輸出信號電平值相對信道模擬器內(nèi)部設(shè)定的基準值的差異，實時進行補償和控制；

信道時延控制子模塊：接收參數(shù)輸入與實時顯示子模塊傳遞來的時延參數(shù)，對信道時延模擬模塊的定時時間進行設(shè)定；

信道衰落控制子模塊：根據(jù)信道模型，輸出信道衰落值至信道衰落控制子模塊；

信道噪聲控制子模塊：將輸出信號噪聲比參數(shù)送至信道噪聲模擬模塊。

所述的上位機控制模塊采用高斯模型計算出信道的衰落值，并對直接計算得到的衰落值進行插值處理，使得與待衰落信號相匹配。

所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、輸入信號幅度調(diào)整模塊、信道時延模擬模塊、信道衰落模擬模塊、信道噪聲模擬模塊、輸出信號幅度調(diào)整模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊均采用FPGA板卡的形式，并在一臺CPCI構(gòu)架的X86工控機上集成，上位機控制模塊是運行在Win7操作系統(tǒng)上的信道模擬器控制系統(tǒng)，并通過CPCI接口與工控機通信。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：

(1)本發(fā)明模擬器實現(xiàn)了對寬帶衛(wèi)星通信信道的衰落、噪聲和時延的連續(xù)模擬；

(2)本發(fā)明模擬器的信道模型可變，可準確模擬不同天氣條件下的衛(wèi)星信道特性，支持晴天、雷雨、中雨、小雪、冰霜、黑云、小雨等不同天氣條件的信道特性模擬；

(3)本發(fā)明模擬器采用模塊化設(shè)計，基于CPCI構(gòu)架，信道模擬器通道數(shù)可靈活擴展。硬件由模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、輸入信號幅度調(diào)整模塊、信道時延模擬模塊、信道衰落模擬模塊、信道噪聲模擬模塊、輸出信號幅度調(diào)整模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊組成，各模塊可組合成模擬信號板、數(shù)字信號板，并可按需要擴展安裝在CPCI機箱中。CPCI主控板為X86架構(gòu)計算機板，加載Win7操作系統(tǒng)，運行上位機控制模塊，根據(jù)用戶輸入信道場景實時仿真信道的延時、衰落、噪音的等參數(shù)通過CPCI總線傳送到模擬信號板和數(shù)字信號板，由此分別在數(shù)字域?qū)斎雮鬏斝盘柤虞d信道特性后進行輸出；

(4)本發(fā)明模擬器可適用于我國各類寬帶通信衛(wèi)星星地信道特性的模擬，有效支持寬帶衛(wèi)星地面方案的演示驗證。

附圖說明

圖1為Ka頻段固定衛(wèi)星通信系統(tǒng)信道的仿真模型圖；

圖2為本發(fā)明信道模擬器的組成架構(gòu)圖；

圖3為本發(fā)明上位機控制模塊實現(xiàn)原理圖；

圖4為本發(fā)明輸入信號幅度調(diào)整模塊實現(xiàn)原理圖；

圖5為本發(fā)明信道時延模擬模塊的實現(xiàn)原理圖；

圖6為本發(fā)明信道衰落模擬模塊的實現(xiàn)原理圖；

圖7為本發(fā)明信道噪聲模擬模塊的實現(xiàn)原理圖；

圖8為本發(fā)明輸出信號幅度調(diào)整模塊的實現(xiàn)原理圖。

具體實施方式

本發(fā)明通過將軟件模擬與硬件模擬相結(jié)合的方式，實現(xiàn)了寬帶衛(wèi)星通信信道的實時模擬。

如圖1所示，Ka頻段固定衛(wèi)星通信系統(tǒng)統(tǒng)計信道模型可視為在原始輸入信號X(t)基礎(chǔ)上依次疊加不同的影響因子，包括：描述自由空間傳播衰減、降雨衰減、大氣吸收效應(yīng)及云霧衰落等的理論模型衰落因子C(t)、電波傳輸環(huán)境產(chǎn)生的外部噪聲和接收系統(tǒng)內(nèi)部噪聲合稱的傳播噪聲Z(t)以及靜止軌道通信衛(wèi)星與地面間的信號傳播時延DELAY。

通過非頻率選擇性衰落信道后的等效低通信號輸出信號r(t)可表示為：

r(t)＝C(t)X(t)+Z(t)+DELAY,0≤t≤T

其中C(t)為兩個高斯分布的復(fù)數(shù)輸出，其實部服從高斯分布α(相關(guān)天氣對應(yīng)參數(shù)如表1所示)，虛部服從高斯分布(相關(guān)天氣對應(yīng)參數(shù)如表2所示)。

本發(fā)明即參考上述信道模型的構(gòu)成方式，通過不同模塊仿真不同的信號影響因子并將其按照圖1所示信號流程加以組合，以實現(xiàn)寬帶衛(wèi)星通信信道的實時模擬。

如圖2所示，為本發(fā)明寬帶衛(wèi)星信道模擬器的組成框圖，主要包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、輸入信號幅度調(diào)整模塊、信道時延模擬模塊、信道衰落模擬模塊、信道噪聲模擬模塊、輸出信號幅度調(diào)整模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊以及上位機控制模塊，各個模塊相互作用，實現(xiàn)了Ka頻段寬帶衛(wèi)星通信信道的延時、衰落、噪聲等特性的模擬。

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、輸入信號幅度調(diào)整模塊、輸出信號幅度調(diào)整模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊是輔助功能模塊；信道時延模擬模塊、信道衰落模擬模塊、信道噪聲模擬模塊是核心硬件功能模塊；上位機控制模塊是核心軟件功能模塊。輔助功能模塊是確保核心硬件功能模塊能夠正常工作所必須的外圍模塊，其基本功能包括模擬/數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換、輸入/輸出信號的幅度控制等；核心硬件功能模塊和核心軟件功能模塊相互配合，實現(xiàn)圖1所示的三種信號影響因子。其中，信道時延模擬模塊和上位機控制模塊共同實現(xiàn)信號傳播時延DELAY的模擬；信道衰落模擬模塊和上位機控制模塊共同實現(xiàn)理論模型衰落因子C(t)的模擬；信道噪聲模擬模塊和上位機控制模塊共同實現(xiàn)傳播噪聲Z(t)的模擬。

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、輸入信號幅度調(diào)整模塊、信道時延模擬模塊、信道衰落模擬模塊、信道噪聲模擬模塊、輸出信號幅度調(diào)整模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊均采用FPGA板卡的形式，并在一臺CPCI構(gòu)架的X86工控機上集成，用于不同特性信道模型的物理仿真。上位機控制模塊是運行在Win7操作系統(tǒng)上的信道模擬器控制系統(tǒng)，主要用于根據(jù)用戶輸入的信道場景參數(shù)，仿真計算需要向工控機發(fā)送的控制信息，并通過CPCI接口與FPGA通信。

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊主要用于中頻模擬信號與數(shù)字信號之間的相互轉(zhuǎn)換，完成頻譜搬移操作。輸入信號幅度調(diào)整模塊根據(jù)上位機控制模塊傳遞的用戶輸入的信號幅度，對數(shù)字信號進行幅度調(diào)整，使信號幅度在進入信道時延模擬模塊之前始終為定值。信道時延模擬模塊將經(jīng)過采樣和幅度調(diào)整后的數(shù)字信號輸入FPGA的FIFO中緩存，然后再輸入外部存儲器DDR3中存儲。信道時延模擬模塊根據(jù)實時從上位機控制模塊獲取的時延信息定時，并通過時延控制電路控制外部存儲器和FIFO，達到延遲的目的。信道衰落模擬模塊接收由上位機控制模塊根據(jù)天氣狀況計算出的信道衰落值，并將其存儲至寄存器中，并在需要時取出數(shù)據(jù)與延時后的信號進行插值處理，實現(xiàn)不同天氣條件下的信道衰落模擬。信道噪聲模擬模塊主要實現(xiàn)信道高斯加性白噪聲的模擬，主要是在上位機控制模塊設(shè)置白噪聲的方差值，通過CPCI接口將方差值發(fā)送至信道噪聲模擬模塊，利用中心極限定理產(chǎn)生高斯白噪聲。輸出信號幅度調(diào)整模塊根據(jù)上位機控制模塊傳遞的用戶需要的輸出信號幅度對引入噪聲后的數(shù)字信號的幅度進行調(diào)整，使得信號幅度在進入數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊之前始終為定值。上位機控制模塊主要實現(xiàn)其他模塊的控制、參數(shù)傳遞、復(fù)位等功能，一方面接收外部用戶輸入的各類信道模擬控制參數(shù)，如時延、輸入輸出電平、信道模型等；另一方面作為用戶界面實時顯示模擬的信息。

如圖3所示，為上位機控制模塊的實現(xiàn)原理框圖。上位機控制模塊又可以細分為仿真控制子模塊、參數(shù)輸入與實時顯示子模塊、輸入信號參數(shù)調(diào)整子模塊、信道時延控制子模塊、信道衰落控制子模塊、信道噪聲控制子模塊以及輸出信號參數(shù)調(diào)整子模塊。

仿真控制子模塊主要是通過人機交互界面對信道模擬器進行初始化控制；將用戶輸入的特定參數(shù)存儲至相應(yīng)的寄存器中；啟動信道模擬器進行信道模擬仿真；復(fù)位信道模擬器，使信道模擬器各個控制信道參數(shù)的寄存器清空，從而可以進行下一次配置。

參數(shù)輸入與實時顯示子模塊主要用于用戶參數(shù)輸入以及人機界面顯示。接收外部用戶輸入的時延參數(shù)顯示并送至信道時延控制子模塊，用以對信道模擬器模擬的各種信道設(shè)置信道時延，其時延計算方法為：根據(jù)用戶擬模擬的地面站點相對衛(wèi)星的實際距離除以電磁波傳播速度。接收外部用戶輸入的天氣狀態(tài)參數(shù)(晴天、雷雨、中雨、小雪、冰霜、黑云、小雨)，轉(zhuǎn)換為不同信道模型，輸出至信道衰落控制子模塊。接收外部用戶輸入的輸出信號噪聲比參數(shù)，用于協(xié)調(diào)信道噪聲控制子模塊中的參數(shù)配置。

輸入信號參數(shù)調(diào)整子模塊和輸出信號參數(shù)調(diào)整子模塊計算用戶的實際輸入信號電平值和輸出信號電平值相對信道模擬器內(nèi)部設(shè)定的基準值的差異，實時進行補償和控制。

信道時延控制子模塊接收參數(shù)輸入與實時顯示子模塊傳遞來的外部用戶輸入的時延參數(shù)，用以對信道模擬器模擬的各種信道設(shè)置信道時延，其時延計算方法為：根據(jù)用戶擬模擬的地面站點相對衛(wèi)星的實際距離除以電磁波傳播速度。

信道衰落控制子模塊接收參數(shù)輸入與實時顯示子模塊傳遞來的外部用戶選定的天氣狀態(tài)參數(shù)(晴天、雷雨、中雨、小雪、冰霜、黑云、小雨)，轉(zhuǎn)換為不同信道模型。

信道噪聲控制子模塊接收外部用戶輸入的輸出信號噪聲比參數(shù)，用于協(xié)調(diào)信道模擬器中的參數(shù)配置。

如圖4所示，輸入信號幅度調(diào)整模塊的實現(xiàn)方式為：上位機控制模塊傳遞的幅度調(diào)整系數(shù)通過CPCI控制接口進入FPGA幅度調(diào)整子模塊，與數(shù)字輸入信號相乘后輸出。

如圖5所示，信道時延模擬模塊的實現(xiàn)方式為：用戶分通道設(shè)置信號通道的延遲時間后，上位機控制模塊通過CPCI總線傳遞延遲參數(shù)到信道時延模擬模塊。數(shù)字輸入信號進入輸入FIFO子模塊中緩存，然后到DDR3存儲控制子模塊中存儲。信道時延模擬模塊根據(jù)實時獲取的傳遞延遲參數(shù)，通過信道時延定時控制子模塊計時并延時從時延FIFO子模塊中讀取數(shù)據(jù)，實現(xiàn)時間延遲的功能。本發(fā)明中，時延定時器時鐘為100MHZ(根據(jù)該時鐘進行計時)，時延設(shè)置好后開始計時，當(dāng)時間到達設(shè)定時延時，開始從FIFO中讀出數(shù)據(jù)。

注：如果設(shè)置的時延發(fā)生改變，該模塊會自動復(fù)位。時延設(shè)置的單位為毫秒(ms)，如設(shè)置為1000,則時延為1秒。

如圖6和表1、表2所示所示，信道衰落模擬模塊的實現(xiàn)方式為：由上位機控制模塊根據(jù)表1、表2中列出的不同天氣狀況(晴天、黑云、小雨、雷雨、小雪、冰霜、中雨信道包絡(luò)模型和信道相位模型實測參數(shù))，采用高斯模型計算出信道的衰落值，通過CPCI控制接口發(fā)送至信道衰落模擬模塊。信道衰落模擬模塊收到數(shù)據(jù)后會將其存儲至衰減值寄存子模塊FIFO中，信道衰落模擬模塊會實時監(jiān)測FIFO深度，在數(shù)據(jù)到達一定閾值時發(fā)送一個請求發(fā)送數(shù)據(jù)的信號至上位機控制模塊。上位機控制模塊檢測到請求發(fā)送數(shù)據(jù)的信號后，一次發(fā)送一定長度的數(shù)據(jù)給信道衰落模擬模塊，然后停止，等待下一次請求到來。信道衰落模擬模塊需要對取出的衰落值數(shù)據(jù)進行插值處理，即在兩個變化的衰落值之間進行插值，使得較低頻率的衰落值與較高頻率的待衰落信號相匹配。匹配后與輸入信號相乘，得到衰落后的信號輸出。

表1固定衛(wèi)星通信信道包絡(luò)模型參數(shù)

表2固定衛(wèi)星通信信道相位模型參數(shù)

線性插值在實際應(yīng)用中簡單有效，可以大大減少估計器的復(fù)雜度，為此在本發(fā)明中采用線性插值算法。線性插值算法考慮到了信道頻域響應(yīng)連續(xù)變化各頻點之間的相關(guān)性，利用兩個相鄰的衰落信道頻域響應(yīng)值通過內(nèi)插估計出它們之間的數(shù)據(jù)處的信道響應(yīng)。利用線性插值算法得到與待衰落信號頻率相同的衰減值序列，二者相乘即可得到衰落后的輸出信號。

如圖7所示，信道噪聲模擬模塊的實現(xiàn)方式為：在高斯白噪聲發(fā)生子模塊中利用高斯生成器產(chǎn)生高斯白噪聲，將其均值置為零，方差則根據(jù)上位機控制模塊傳入的參數(shù)進行調(diào)節(jié)，之后與輸入信號在數(shù)字域相加后輸出。

如圖8所示，輸出信號幅度調(diào)整模塊實現(xiàn)方式為：上位機控制模塊傳遞的幅度調(diào)整系數(shù)通過CPCI控制接口進入FPGA幅度調(diào)整子模塊，與數(shù)字輸入信號相乘后輸出。

本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。