面向深空通信的无线信道实时模拟器及其模拟方法技术

一种面向深空通信的无线信道实时模拟器及其模拟方法，支持上行链路和下行链路实时双工通信信道模拟，包括主控单元、基带信道模拟单元、变频器单元以及衰减器单元，所述主控单元通过CPCI总线与基带信道模拟单元、变频器单元以及衰减器单元进行数据及命令传输；所述基带信道模拟单元、变频器单元和衰减器单元间通过SMA接口进行模拟信号传输，并结合其模拟方法可有效实时模拟深空背景下无线信号的传播情况，从而在地面实验室实现深空通信设备的调试、测试及性能评估。

【技术实现步骤摘要】
面向深空通信的无线信道实时模拟器及其模拟方法
本专利技术属于面向深空通信
，具体涉及一种面向深空通信的无线信道实时模拟器及其模拟方法。
技术介绍
当前，国内外航天事业蓬勃发展，发送了大量的航天器对地外空间及地外天体开展科学研究。在这些航天工程中，确保航天器与地面站、航天器与航天器之间的可靠通信是航天任务成败与否的关键。深空通信环境完全不同于地面通信环境，比较复杂，故对航天工程中深空背景下的无线信道研究，特别是深空信道建模及实验室模拟对深空通信系统的研制及测试，乃至航天事业的发展意义重大。深空通信距离遥远，导致延时长，传播损耗大，同时还受到太阳活动(如太阳风、日冕)、月球及其它天体噪声等影响，使得接收信号功率极其微弱，且信噪比极低。当太阳处在两个通信航天器之间时(即上合时期)，无线传播信号将受到太阳风和日冕的影响，这种不规则影响会造成信号幅度的闪烁，使得深空信道具有时变衰落特性。同时，深空信道还具有窗口特性，上下行链路不对称，上行链路主要用于传输遥控指令，码速率较低；下行链路主要用于传输图像及其它探测到的数据信息，码速率较高。此外，深空通信频段高、带宽大，加上航天器之间的相对运动速度较大，将导致大多普勒频移和扩展。对深空信道的研究包括通信实测、软件仿真和硬件模拟等模拟方法。然而，真实的深空通信链路测试需要借助卫星或者航天器进行，会消耗巨大的人力和物力；软件仿真由于运算量巨大，且无法提供真实信号的输入输出接口而颇受局限。最有效的模拟方法是采用硬件方式实现深空信道的地面实验室可重复模拟，DSP及FPGA强大的运算能力，以及硬件板卡丰富的数模/模数转换接口，使得实验室环境下实时模拟深空信道成为可能。另外深空信道有别于与地面无线移动信道，深空信号传输距离极其遥远，必然导致巨大的路径损耗；航天器和地球的高速运动造成收发信机巨大的相对速度，从而引入巨大的多普勒频移；深空链路受到太阳活动抛射的非均匀带电粒子的干扰，将引发多径效应，造成信号幅度的闪烁(也称太阳闪烁)；深空通信的噪声干扰复杂，包括宇宙背景噪声、太阳噪声、月球噪声、行星噪声、地球站噪声和天线噪声等。
技术实现思路
本专利技术的目的提供一种面向深空通信的无线信道实时模拟器及其模拟方法，支持上行链路和下行链路实时双工通信信道模拟，包括主控单元、基带信道模拟单元、变频器单元以及衰减器单元，所述主控单元通过CPCI总线与基带信道模拟单元、变频器单元以及衰减器单元进行数据及命令传输；所述基带信道模拟单元、变频器单元和衰减器单元间通过SMA接口进行模拟信号传输，并结合其模拟方法可有效实时模拟深空背景下无线信号的传播情况，从而在地面实验室实现深空通信设备的调试、测试及性能评估。为了克服现有技术中的不足，本专利技术提供了一种面向深空通信的无线信道实时模拟器及其模拟方法的解决方案，具体如下：一种面向深空通信的无线信道实时模拟器，支持上行链路和下行链路实时双工通信信道模拟，包括主控单元1-0、基带信道模拟单元2-0、变频器单元3-0以及衰减器单元4-0，所述主控单元1-0通过CPCI总线与基带信道模拟单元2-0、变频器单元3-0以及衰减器单元4-0进行数据及命令传输；所述基带信道模拟单元2-0、变频器单元3-0和衰减器单元4-0间通过SMA接口进行模拟信号传输：所述上行链路包括主控单元中的深空通信场景输入模块1-1，上行链路信道参数估计模块1-2，基带信道模拟单元中的上行链路多径衰落模拟模块2-1，变频器单元中的下变频器模块3-1和上变频器模块3-2，衰减器单元中的衰减器模块4-1，上行链路发射信号，通过上行链路输入5-1端口经下变频器模块3-1下变频为中频信号，该中频信号输入到上行链路多径衰落模拟模块2-1叠加多径衰落信道，之后经上变频器模块3-2上变频到深空通信频段，输出射频信号经衰减器单元4-1衰减后从上行链路输出5-2端口输出的信号即为模拟经过深空链路后的上行链路接收端信号，所述的下行链路的组成和实现方法与所述的上行链路一致。所述主控单元1-0为带有CPU计算单元的主板，并连接有与之兼容的键盘、鼠标、显示器这样的输入输出设备，带有CPU计算单元的主板还包括主控软件，主控软件实现的功能模块包括深空通信场景输入模块1-1，上行链路信道参数估计模块1-2和下行链路信道参数估计模块1-3，所述的深空通信场景输入模块1-1接受用户输入的通信场景参数，通信场景参数包括深空探测器运动轨迹、通信频段、星体半径、电导率以及介电常数，所述的上行链路信道参数估计模块1-2和下行链路信道参数估计模块1-3从该场景参数中提取出信道参数，包括多径时延、多普勒频移、多普勒扩展、莱斯因子以及噪声功率/信噪比，并将该信道参数经CPCI总线配置给基带信道模拟单元2-0、变频器单元3-0及衰减器单元4-0。所述基带信道模拟单元2-0为由DSP和FPGA组成的信号处理板卡，包含模数转换模块和数模转换模块，实现上行链路多径衰落模拟和下行链路多径衰落模拟的模块分别为上行链路多径衰落模拟模块2-1和下行链路多径衰落模拟模块2-2，基带信道模拟单元2-0接收主控单元1-0经CPCI总线配置的信道参数，包括多径时延、多普勒频移、多普勒扩展、莱斯因子以及噪声功率/信噪比，基于该硬件信道参数实时产生与之相符的信道衰落，并叠加至输入信号后输出。所述变频器单元3-0为由混频器和滤波器组成的信号变频单元板卡，包括两个下变频器模块，两个下变频器模块分别为第一下变频器模块3-1和第二下变频器模块3-4，两个上变频器模块，两个上变频器模块分别为第一上变频器模块3-2和第二上变频器模块3-3，变频器单元3-0接收主控单元1-0经CPCI总线配置的工作频段数据，频段包含深空通信的常用频段，VHF频段、L频段、S频段、C频段、X频段、Ku频段以及Ka频段，其中第一下变频器模块3-1和第二下变频器模块3-4的功能为将输入射频深空信号下变频为中频信号，第一上变频器模块3-2和第二上变频器模块3-3的功能为将叠加信道后的中频信号上变频到深空通信所用的射频段。所述衰减器单元4-0为由程控衰减电路构成的信号衰减单元板卡，内含两个衰减器模块，两个衰减器模块分别为第一衰减器模块4-1和第二衰减器模块4-2，第一衰减器模块4-1和第二衰减器模块4-2都分别由一个10dB每步进十五大步进衰减器和一个1dB每步进的小步进衰减器组成，总衰减量程为大步进衰减器量程和小步进衰减器量程之和，衰减步进与小步进衰减器一致，衰减器单元4-0接收主控单元1-0经CPCI总线配置的衰减值，实时控制深空通信信号的总衰减量。所述的面向深空通信的无线信道实时模拟器的模拟方法，步骤如下：步骤1：用户在主控单元1-0的主控软件中输入深空通信场景参数，包括深空探测器飞行轨迹文件、通信频段、星体半径、电导率以及介电常数，主控软件基于收发端的运动轨迹计算传播场景的几何参量，包括收发端运动速度、直线距离和反射点坐标；步骤2：通过传播场景的几何参量及系统参数计算得到不同时刻的信道状态参数，包括深空链路传播损耗L1(t),L2(t)、多普勒频移fd,1(t),fd,2(t)、各径时延τ1(t),τ2(t)、莱斯因子K和噪声功率PN这样的信道参数，步骤2的具体方法如下：1)深空传播链路损耗计算所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向深空通信的无线信道实时模拟器，其特征在于支持上行链路和下行链路实时双工通信信道模拟，包括主控单元、基带信道模拟单元、变频器单元以及衰减器单元，所述主控单元通过CPCI总线与基带信道模拟单元、变频器单元以及衰减器单元进行数据及命令传输；所述基带信道模拟单元、变频器单元和衰减器单元间通过SMA接口进行模拟信号传输；所述上行链路包括主控单元中的深空通信场景输入模块，上行链路信道参数估计模块，基带模拟单元中的上行链路多径衰落模拟模块，变频器单元中的下变频器和上变频器，衰减器单元中的衰减器模块，上行链路发射信号，通过上行链路输入端口经下变频器下变频为中频信号，该中频信号输入到上行链路多径衰落模拟模块叠加多径衰落信道，之后经上变频器上变频到深空通信频段，输出射频信号经衰减器衰减后从上行链路输出端口输出的信号即为模拟经过深空链路后的上行链路接收端信号，所述的下行链路的组成和实现方法与所述的上行链路一致。

【技术特征摘要】
1.一种面向深空通信的无线信道实时模拟器的模拟方法，其特征在于，步骤如下：步骤1：用户在主控单元的主控软件中输入深空通信场景参数，包括深空探测器飞行轨迹文件、通信频段、星体半径、电导率以及介电常数，主控软件基于收发端的运动轨迹计算传播场景的几何参量，包括收发端运动速度、直线距离和反射点坐标；步骤2：通过传播场景的几何参量及系统参数计算得到不同时刻的信道状态参数，包括深空链路传播损耗L1(t),L2(t)、多普勒频移fd,1(t),fd,2(t)、各径时延τ1(t),τ2(t)、莱斯因子K和噪声功率PN这样的信道参数，步骤2的具体方法如下：1)深空传播链路损耗计算所述的深空传播链路损耗计算为传播链路损耗LLoss考虑自由空间传播损耗Lf，大气传播损耗La，降雨损耗Lr，收发天线增益Gr、Gt这样的因素，计算方法如式(1)所示：LLoss＝Lf+La+Lr-Gr-Gt(dB)(1)其中如式(2)所示：Lf＝92.44+20lg(d/103)+20lg(f/109)(dB)(2)式中，f为频率，单位Hz；d为通信距离，单位m；如式(3)所示：式中，r0和rw分别为氧气分子和水蒸气分子对电波的衰减率；hs为地面站海拔高度；θ为地面站天线波束仰角；g(h0)、g(hw)是与氧气层等效厚度h0、水蒸气层等效厚度hw相关的函数；如式(4)所示：Lr＝γrLE(dB)(4)式中，γr为降雨损耗率；LE为等效路径长度；2)多普勒频移计算所述的多普勒频移计算为凭借深空通信中，通信双方本身的运动速度很大，巨大的径向运动速度以及超高的通信频率产生了多普勒效应，这样直射路径的最大多普勒频移能够表示为如式(5)所示：式中，分别为地面站和航天器的移动速度矢量，θB,θA则表示速度方向和直射路径的夹角，f0为信号频率，c为光速；3)莱斯因子计算所述的莱斯因子计算根据莱斯因子K与太阳活动造成的太阳闪烁指数具有如式(6)所示的关系而得：其中，太阳闪烁指数m与太阳-地球-航天器夹角相关，当该夹角大于4°时m可忽略；当该夹角小于4°时，m值随着夹角的减小而增大；夹角趋近0°时m为1，此时K→∞，该情况下无直射路径；4)信道噪声计算所述的信道噪声计算是根据式(7)所示的深空信道噪声用等效噪声温度来计算，PN＝k(TRF+TC+TSUN+TMOON+TPL+TG+TAN)BN(7)式中，PN为噪声功率；k为玻尔兹曼常量并且k＝1.3806505×10-23J/K·Hz；BN为接收机等效噪声带宽；TRF为低噪声放大器的噪声温度，Tc为宇宙背景噪声温度...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱秋明，黄攀，戴秀超，周生奎，崔锐，陈学强，王成华，陈晓明，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32