基于FPGA的星地信道模擬系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

　1 引 言

　　衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)所能提供的業(yè)務(wù)的可行性與質(zhì)量在很大程度上受到衛(wèi)星與移動(dòng)終端間信道特性的影響。研究這些影響，就需要在一定傳播特性下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于條件所限，不可能進(jìn)行實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，這在技術(shù)和經(jīng)費(fèi)上都存在問題，所以采用一個(gè)能反映實(shí)際星地鏈路特性的信道模擬系統(tǒng)可以降低一些難度太大和成本超高的測(cè)試試驗(yàn)的難度和成本，是一個(gè)很好的解決方法。

　　1.1 國(guó)內(nèi)外的研究狀況

　　目前有很多科研機(jī)構(gòu)和高校進(jìn)行這方面的研究，例如：澳大利亞南澳大學(xué)研制出移動(dòng)衛(wèi)星信道模擬器MSCS-1，該模擬器具有記錄和重放信道數(shù)據(jù)，可調(diào)時(shí)延變化，可調(diào)整多普勒頻移等功能；國(guó)立交通大學(xué)主要模擬的范例系統(tǒng)是以O(shè)FDMA為基礎(chǔ)的802.16a，特別針對(duì)使用者在高速移動(dòng)的環(huán)境下所做的快速瑞利衰落模擬；電子科技大學(xué)主要是在實(shí)時(shí)模擬實(shí)現(xiàn)低軌衛(wèi)星信道的損耗、噪聲影響、多徑衰落、多普勒效應(yīng)、遮蔽等各種隨機(jī)特性與時(shí)變特性；國(guó)防科技大學(xué)搭建了一個(gè)通用的數(shù)字信道模擬器平臺(tái)，重點(diǎn)對(duì)數(shù)字網(wǎng)傳輸損傷中的誤碼、抖動(dòng)和溫度漂移等度量指標(biāo)進(jìn)行理論研究和分析……

　　1.2 本文主要研究?jī)?nèi)容

　　本文提出了一種能夠很好地反映衛(wèi)星通 信中星地鏈路特性的模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。在確定硬件設(shè)計(jì)方案之前，搭建了合理的信道仿真模型，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析。

　　2 衛(wèi)星通信系統(tǒng)仿真模型的建立

　　根據(jù)國(guó)內(nèi)外有關(guān)衛(wèi)星信道的研究，針對(duì)衛(wèi)星信道有很多種的建模方法，如C.LOO模型[1]、CORRAZA模型[2]、LUTZ模型[3]等，這些模型中均假定信道衰落特性服從一定概率分布特性。眾所周知，衛(wèi)星信道中的自由空間傳輸損耗、極化損耗、轉(zhuǎn)發(fā)器的功率損耗等特性最后影響的都是接收端的信噪比。所以，整個(gè)衛(wèi)星形地信道從仿真的角度可以看成由包括影響衰落特性部分的衰落信道和影響信噪比特性的AGWN信道部分構(gòu)成。搭建了如圖1所示的仿真模型：

　　上述模型從數(shù)字域來考慮，假定信源為二進(jìn)制數(shù)據(jù)流，信號(hào)經(jīng)過編碼及交織處理以后，送到調(diào)制模塊。調(diào)制信號(hào)經(jīng)過衰落噪聲信道模型以后，再經(jīng)過解調(diào)、解交織、譯碼以后，與發(fā)送信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，從而獲得誤碼結(jié)果。

圖1:衛(wèi)星通信系統(tǒng)的仿真模型結(jié)構(gòu)圖

　　1.信道的選取：電波經(jīng)過反射、折射、散射等多條路徑傳播到達(dá)接收機(jī)后, 總信號(hào)的強(qiáng)度服從瑞利分布.同時(shí)由于接收機(jī)的移動(dòng)及其他原因,信號(hào)強(qiáng)度和相位等特性又在起伏變化,故稱為瑞利衰落。但是對(duì)于衛(wèi)星系統(tǒng)，收到的信號(hào)中除了經(jīng)反射折射散射等來的信號(hào)外,還有從衛(wèi)星直接到達(dá)地面接收機(jī)的信號(hào),那么總信號(hào)的強(qiáng)度服從萊斯分布,故稱為萊斯（Rice）衰落；另外，一般認(rèn)為衛(wèi)星信道中的噪聲是加性高斯白噪聲(AWGN)。所以模型中的信道選用Rice衰落信道和AWGN信道。

　　2.調(diào)制解調(diào)方式：衛(wèi)星信道是功率受限信道，一般都采用相位鍵控調(diào)制方式。

　　3.編解碼方式：在衛(wèi)星通信的離散無記憶信道中，系統(tǒng)發(fā)端采用卷積編碼，收端采用概率譯碼，這是逼近香農(nóng)編碼定理所述的可靠通信最有吸引力的方法。卷積碼概率譯碼技術(shù)分為序列譯碼和Viterbi譯碼兩種，它們?cè)谛l(wèi)星信道中都有應(yīng)用，但后者應(yīng)用更為廣泛。交織技術(shù)是一種時(shí)間/頻率擴(kuò)展技術(shù)，它把信道的相關(guān)度減少，在交織足夠大時(shí)，交織能把突發(fā)錯(cuò)誤離散為隨機(jī)錯(cuò)誤，為正確的譯碼創(chuàng)造了更好的條件。模型中采用了卷積碼和矩陣交織。

　　3 仿真結(jié)果分析

　　基于上面建立的仿真模型所得到數(shù)據(jù)，經(jīng)過誤碼統(tǒng)計(jì)得到仿真結(jié)果，誤碼統(tǒng)計(jì)是對(duì)仿真得到的誤碼結(jié)果進(jìn)行分析以得到其統(tǒng)計(jì)描述，這里采用的統(tǒng)計(jì)方法是以固定時(shí)間內(nèi)誤碼的發(fā)生次數(shù)（固定比特內(nèi)發(fā)生錯(cuò)誤的次數(shù)）和誤碼段的長(zhǎng)度（每次錯(cuò)誤持續(xù)的比特?cái)?shù)）為統(tǒng)計(jì)對(duì)象，這兩種對(duì)象的統(tǒng)計(jì)特性可足以清晰的描述誤碼結(jié)果的實(shí)際分布情況。仿真結(jié)果如圖2、3所示。

圖2：誤碼次數(shù)概率分布圖

圖3：誤碼長(zhǎng)度概率分布圖

　　? 以上的仿真結(jié)果是在一組參數(shù)（二進(jìn)制數(shù)據(jù)率、調(diào)制方式、萊斯因子、信噪比（Eb/N0）等）值的條件下得到的仿真結(jié)果，當(dāng)然可以改變參數(shù)值得到各種條件下的仿真結(jié)果。

　　有了上面的結(jié)果，就可以利用硬件電路實(shí)現(xiàn)誤碼產(chǎn)生電路，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)基帶信號(hào)加入由于衛(wèi)星星地信道特性所造成的誤碼。

　4 衛(wèi)星信道模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　4.1設(shè)計(jì)思想

　　信道模擬系統(tǒng)也就是應(yīng)該準(zhǔn)確的模擬實(shí)際星地鏈路的特性。那么所有的特性在數(shù)字域?qū)鬏斝盘?hào)的影響最終都表現(xiàn)為誤碼，考慮到星地鏈路的傳輸距離遙遠(yuǎn)，存在很大的延時(shí)特性。衛(wèi)星線路的信息傳輸會(huì)導(dǎo)致幾百毫秒量級(jí)的時(shí)延，具體的時(shí)延大小取決于衛(wèi)星軌道的高度。因此在設(shè)計(jì)星地信道模擬系統(tǒng)的時(shí)候這兩個(gè)指標(biāo)就是要考慮和處理的。設(shè)計(jì)分兩部分，即軟件部分和硬件部分。軟件部分運(yùn)行于PC機(jī)，可以設(shè)置參數(shù)、計(jì)算衛(wèi)星信道特性、拓?fù)溥B接關(guān)系等傳遞給硬件部分。硬件部分是整個(gè)模擬系統(tǒng)的核心，對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行處理。

　　4.2硬件方案設(shè)計(jì)

　　圖4是硬件部分結(jié)構(gòu)框圖，硬件的設(shè)計(jì)應(yīng)能保證系統(tǒng)的整體性能，擬采用資源豐富的FPGA來實(shí)現(xiàn)，該模塊是衛(wèi)星信道模擬器的核心部分，其內(nèi)部包含著延時(shí)和誤碼模塊。由于FPGA片上存儲(chǔ)器資源有限，衛(wèi)星信道的傳輸時(shí)延變化范圍較大，因此對(duì)傳輸時(shí)延的模擬利用外部SDRAM實(shí)現(xiàn)。而誤碼模塊可以通過用戶軟件下載誤碼次數(shù)和誤碼長(zhǎng)度表來實(shí)現(xiàn)。考慮系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的誤碼和延時(shí)處理及系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可擴(kuò)展性，F(xiàn)PGA使用Xilinx公司的200萬門級(jí)的 FPGA芯片XC3S2000，以提供足夠的邏輯和片內(nèi)存儲(chǔ)器資源。

　　上面的設(shè)計(jì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，在此平臺(tái)上做的測(cè)試實(shí)驗(yàn)效果很好，且該模擬系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

　　5 結(jié) 論

　　針對(duì)衛(wèi)星通信鏈路，直接在衛(wèi)星信道上開展實(shí)驗(yàn)受到各種條件的限制，而且會(huì)花費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力。基于本文所提出的仿真方法和硬件平臺(tái)可以建立模擬衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行研究和試驗(yàn)。同時(shí)，信道模擬系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)可以為衛(wèi)星通信系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)提供強(qiáng)有力的調(diào)試手段，具有十分重要的意義。在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步研究中低軌信道以及星間鏈路模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：第一，在基帶上實(shí)現(xiàn)信道特性的映射，利用數(shù)字技術(shù)滿足模擬特性的數(shù)字化，從而使設(shè)備的端到端基帶調(diào)試成為可能。第二：采用了軟件仿真和硬件設(shè)計(jì)相結(jié)合的方式：將仿真得到的結(jié)果通過用戶軟件直接應(yīng)用到了硬件，不僅具有驗(yàn)證的作用，而且大大減輕了FPGA設(shè)計(jì)的難度，也降低了成本。