一种常见卫星干扰信号生成方法技术

一种常见卫星干扰信号生成方法，步骤如下：步骤一：干扰信号选择；步骤二：窄带、宽带干扰信号生成；步骤三：脉冲干扰信号生成；步骤四：多径干扰信号生成。本发明专利技术设计了一种常见卫星干扰信号生成方法，该方案生成的干扰信号，能够实现各项参数的灵活配置，大大缩短了测试周期和人力成本。设计中采用的各项算法易于在FPGA中实现且具有较强的通用性，模拟出的干扰信号能应用于卫星通信系统中的各项干扰测试项目中。

【技术实现步骤摘要】
一种常见卫星干扰信号生成方法
本专利技术设计了一种常见卫星干扰信号生成方法，它与扩频通信、卫星通信等研究方向相关，属于卫星通信

技术介绍
卫星通信本身具有覆盖面积广，部署快速，通信传输线路稳定，通信系统投资不受通信距离长短的影响，便捷的组网和通信地点几乎不被地理环境所影响等特点。从90年代以来，卫星通信得到了高速的发展，但同时由于其自身特点的限制及所处环境的影响，正常的卫星通信往往易被来自地面各种各样、故意或无意的射频信号所干扰，进一步说，因为其系统的开放性，极易接收到一些恶意的信号干扰。所以，研究卫星通信的干扰技术，解决通信的安全问题，提高通信保障，具有很重要的意义。复杂的电磁环境中存在自然的和人为的干扰，这些干扰对于卫星通信系统进行准确的信息传输有着重要的影响，同时卫星通信系统在不同干扰下的性能也是一项重要指标，因此在研制卫星通信系统设备的过程中评估设备的抗干扰性能是一项重要的研制环节，通过测试设备在不同干扰下的表现可以准确评估卫星通信设备的抗干扰性能。普通的实验场地中自然出现的干扰信号的类型和参数并不能人为的控制，实验场地的电磁环境无法实现所研制设备所处电磁环境的真实性，要将研制的设备运送到其所处的环境中测试，需要花费很高的人力、财力资源，因此依赖于干扰源模拟系统来模拟真实的干扰电磁环境，进行系统实验和测试是一个快捷、高效的手段。生成的卫星干扰信号可以真实的模拟干扰环境，对设备的抗干扰效果做出准确的评估，其目的在于缩短新设备的研制周期，节约研制时间，节省研制经费。卫星干扰信号模拟的主要任务是通过计算机设定需要模拟的干扰类型及干扰参数，通过数字电路产生干扰信号，在实验室内形成逼真的电磁信号环境，从而验证卫星通信设备在正常运行中抗干扰的能力。
技术实现思路
1、专利技术目的：本专利技术提出了一种常见卫星干扰信号生成方法，其目的是能够在卫星通信实验场产生类型和参数可控的干扰信号，形成逼真的电磁信号环境，从而验证卫星通信设备在正常运行中抗干扰的能力，该设计能够应用于诸如航天测控的各种测试场景。2、技术方案：该项设计由主控计算机与现场可编程门阵列(即FPGA)共同完成，其总体结构设计如图1所示。该方法能够产生测试中常用的窄带、宽带、脉冲和多径干扰。本专利技术一种常见卫星干扰信号生成方法，该方法包含如下步骤：步骤一：干扰信号选择该方法可以让测试人员根据测试需求选择要生成的干扰信号，测试人员可以在主控计算机上通过图形界面选择窄带、宽带、脉冲或多径干扰信号，同时输入相应干扰信号参数，完成系统初始化设置，主控计算机将输入参数转换为FPGA配置参数下发到FPGA，根据运算生成干扰信号，如图2所示；步骤二：窄带、宽带干扰信号生成窄带、宽带干扰信号由高斯白噪声生成，所谓高斯白噪声实际就是满足独立同高斯分布条件的随机数，产生的高斯白噪声，通过一定的限带措施后，即可得到窄带、宽带干扰信号；设计中首先采用斐波那契序列产生[0,1)均匀分布的随机数，将均匀分布的随机数变换成高斯分布的随机数采用的是中心极限定理：X1,X2,X3…为统计独立和同分布的随机变量，且均值为μ，方差为σ2>0，n个随机变量之和为Sn＝X1+X2+X3…+Xn，则新的随机变量Zn：当n足够大时，Zn满足均值为0，方差为1的标准正太分布N(0,1)。对n个[0,1)均匀分布随机数，取μ＝1/2，σ2＝1/12，得：即为所需的标准高斯分布随机数；设计中，取n＝48，得到计算式：为了获得不同带宽的高斯白噪声，在获得了高斯随机数后，将其通过一个系数可重配置的滤波器，即可获得带宽可控的带限高斯白噪声。设计中滤波器采用系数对称的125阶有限长单位冲激响应(即FIR)滤波器，系统根据外部输入的干扰带宽，计算出FIR滤波器系数，将其装载到FPGA的先入先出队列(即fifo)中，同时根据输入的载噪比，计算出信号功率；FPGA内部将产生的高斯白噪声通过FIR滤波器，再与信号功率相乘，最终输出窄带与宽带干扰信号，如图3所示；步骤三：脉冲干扰信号生成脉冲干扰信号分为二相编码与线性调频信号两部分，如图4所示；设计中采用占空比和信号带宽两种控制方式对数据进行控制，占空比控制方式计算过程如下：t＝r*T*fs/n其中，t为每个编码数据占用的时钟计数，r表示占空比，T为脉冲周期，fs表示系统时钟频率，n为一个周期内编码数据个数。设计中选用13位巴克码，因此，n取值为13；Tcnt＝T*fs其中，Tent表示一个脉冲周期占用的时钟计数；若采用带宽控制方式则需根据输入信号带宽计算出相应参数，其计算过程如下：t＝fs/B其中，t为每个编码数据占用的时钟计数，fs表示系统时钟频率，B为输入的脉冲带宽。一个脉冲周期的时钟计数计算方法与占空比方式相同；主控计算机软件将计算得到的t与Tcnt下发到FPGA进行编码数据时序控制；线性调频信号需要外部输入调频信号带宽B，调频方向，占空比r与脉冲周期T；系统根据调频方向计算出载波频率控制字，计算公式为其中，fc为载波频率控制字，m为选用的数控振荡器(即NCO)位数，±的选取取决于线性调频的方向。线性调频频率偏移通过下列公式计算上位机软件将计算好的基准频率控制字和频率偏移通过外设部件互连标准(即PCI)总线接口传到FPGA，FPGA内部将频率控制字与频率偏移进行累加，驱动载波NCO生成不同频率的正余弦信号，最后，将数据与载波进行调制生成脉冲干扰信号；步骤四：多径干扰信号生成多路径是指接收机除接收到卫星信号的直射波之外，还接收到直射波的一份甚至多份反射波的现象；多路径在不同时间、不同地方通常表现出不同的特征；当某一卫星发生多路径干扰时，接收天线接收到该信号的直射波及其若干份反射波，于是接收机随后所处理的射频信号是这些直射波与反射波的叠加；将直射波信号简写为S(t)＝Ac(t)d(t)sin(2πft)其中，A为信号幅度，c(t)为伪码，d(t)则表示数据，f为载波频率。信号经过反射后可以表示为如下公式上式中，αi为反射波信号幅值，τi表示反射波相对于直射波的信号延时，表示反射波相对于直射波的载波相位变化；由此可以看出，多径干扰的模拟主要体现在信号幅度以及信号延时方面；设计中，主控计算机软件提供直射波信号与反射波信号功率比以及多径干扰信号相对于直射波信号延时，用户可以手动输入以上信息以模拟多径干扰；系统设计中需要输出恒定的信号功率，因此，需要按照功率比计算出每路信号对应的功率；在延时模拟方面，主控计算机软件将延时变换成整数与32位小数伪码码片，计算方法如下式所示：Ci＝t/Rc其中，Ci为伪码计数，t表示模拟的延时，Rc为伪码速率。对伪码计数进行取整运算后得到整数伪码计数，然后根据下式计算出小数伪码计数Cf；主控计算机将计算得到的整数与小数伪码计数以及功率因子传给FPGA进行多径干扰模拟；FPGA内部在信号开启时，伪码NCO按照系统时钟累加延时时间，在此段累加过程中，NCO溢出不产生伪码时钟，累加满足延时后，再次溢出开始产生伪码时钟，从而生成伪码；将伪码与数据按照对应关系相乘后，调制上载波，并进行功率控制，输出多径干扰信号，如图5所示。其中，在步骤二中所述的“斐波那契序列”，又称黄金分割数列，指的是这样一个数列：0、1、1、2、3、5、8、13、21…本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种常见卫星干扰信号生成方法，其特征在于：该方法包含如下步骤：步骤一：干扰信号选择该方法能让测试人员根据测试需求选择要生成的干扰信号，测试人员在主控计算机上通过图形界面选择窄带、宽带、脉冲或多径干扰信号，同时输入相应干扰信号参数，完成系统初始化设置，主控计算机将输入参数转换为FPGA配置参数下发到FPGA，根据运算生成干扰信号；步骤二：窄带、宽带干扰信号生成窄带、宽带干扰信号由高斯白噪声生成，所谓高斯白噪声实际就是满足独立同高斯分布条件的随机数，产生的高斯白噪声，通过预定的限带措施后，即得到窄带、宽带干扰信号；设计中首先采用斐波那契序列产生[0,1)均匀分布的随机数，将均匀分布的随机数变换成高斯分布的随机数采用的是中心极限定理：X1,X2,X3…为统计独立和同分布的随机变量，且均值为μ，方差为σ2>0，n个随机变量之和为Sn＝X1+X2+X3…+Xn，则新的随机变量Zn：Zn=Sn-nμσn]]>当n足够大时，Zn满足均值为0，方差为1的标准正太分布N(0,1)；对n个[0,1)均匀分的布随机数，取μ＝1/2，σ2＝1/12，得：Zn=12n(Σi=1nXi-n2)]]>即为所需的标准高斯分布随机数；设计中，取n＝48，得到计算式：为了获得不同带宽的高斯白噪声，在获得了高斯随机数后，将其通过一个系数能重配置的滤波器，即获得带宽可控的带限高斯白噪声；设计中滤波器采用系数对称的125阶有限长单位冲激响应即FIR滤波器，系统根据外部输入的干扰带宽，计算出FIR滤波器系数，将其装载到FPGA的先入先出队列即fifo中，同时根据输入的载噪比，计算出信号功率；FPGA内部将产生的高斯白噪声通过FIR滤波器，再与信号功率相乘，最终输出窄带与宽带干扰信号；步骤三：脉冲干扰信号生成脉冲干扰信号分为二相编码与线性调频信号两部分；设计中采用占空比和信号带宽两种控制方式对数据进行控制，占空比控制方式计算过程如下：t＝r*T*fs/n其中，t为每个编码数据占用的时钟计数，r表示占空比，T为脉冲周期，fs表示系统时钟频率，n为一个周期内编码数据个数；设计中选用13位巴克码，因此，n取值为13；Tcnt＝T*fs其中，Tcnt表示一个脉冲周期占用的时钟计数；若采用带宽控制方式则需根据输入信号带宽计算出相应参数，其计算过程如下：t＝fs/B其中，t为每个编码数据占用的时钟计数，fs表示系统时钟频率，B为输入的脉冲带宽；一个脉冲周期的时钟计数计算方法与占空比方式相同；主控计算机软件将计算得到的t与Tcnt下发到FPGA进行编码数据时序控制；线性调频信号需要外部输入调频信号带宽B，调频方向，占空比r与脉冲周期T；系统根据调频方向计算出载波频率控制字，计算公式为fw=(fc±B2)*2n/fs]]>其中，fc为载波频率控制字，n为选用的数控振荡器即NCO位数，±的选取取决于线性调频的方向；线性调频频率偏移通过下列公式计算fb=(B*fsr*T)*2n/fs]]>上位机软件将计算好的基准频率控制字和频率偏移通过外设部件互连标准即PCI总线接口传到FPGA，FPGA内部将频率控制字与频率偏移进行累加，驱动载波NCO生成不同频率的正余弦信号，最后，将数据与载波进行调制生成脉冲干扰信号；步骤四：多径干扰信号生成多路径是指接收机除接收到卫星信号的直射波之外，还接收到直射波的一份甚至多份反射波的现象；多路径在不同时间、不同地方通常表现出不同的特征；当某一卫星发生多路径干扰时，接收天线接收到该信号的直射波及其反射波，于是接收机随后所处理的射频信号是这些直射波与反射波的叠加；将直射波信号简写为S(t)＝Ac(t)d(t)sin(2πft)其中，A为信号幅度，c(t)为伪码，d(t)则表示数据，f为载波频率，信号经过反射后可以表示为如下公式上式中，ai为反射波信号幅值，τi表示反射波相对于直射波的信号延时，表示反射波相对于直射波的载波相位变化；由此看出，多径干扰的模拟体现在信号幅度以及信号延时方面；设计中，主控计算机软件提供直射波信号与反射波信号功率比以及多径干扰信号相对于直射波信号延时，用户能手动输入以上信息以模拟多径干扰；系统设计中需要输出恒定的信号功率，因此，需要按照功率比计算出每路信号对应的功率；在延时模拟方面，主控计算机软件将延时变换成整数与32位小数伪码码片，计算方法如下式所示：Ci＝t/Rc其中，Ci为伪码计数，t表示模拟的延时，Rc为伪码速率，对伪码计数进行取整运算后得到整数伪码计数，然后根据下式计算出小数伪码计数Cf；Cf=t-(int)CiRc*232]]>主控计算机将计算得到的整数与小数伪码计数以及功率因子传给FPGA进行多径干扰模拟；FPGA内部在信号开启时，伪码NCO按照系统时钟累加延时时间，在此段累...

【技术特征摘要】
1.一种常见卫星干扰信号生成方法，其特征在于：该方法包含如下步骤：步骤一：干扰信号选择该方法能让测试人员根据测试需求选择要生成的干扰信号，测试人员在主控计算机上通过图形界面选择窄带、宽带、脉冲或多径干扰信号，同时输入相应干扰信号参数，完成系统初始化设置，主控计算机将输入参数转换为FPGA配置参数下发到FPGA，根据运算生成干扰信号；步骤二：窄带、宽带干扰信号生成窄带、宽带干扰信号由高斯白噪声生成，所谓高斯白噪声实际就是满足独立同高斯分布条件的随机数，产生的高斯白噪声，通过预定的限带措施后，即得到窄带、宽带干扰信号；设计中首先采用斐波那契序列产生[0,1)均匀分布的随机数，将均匀分布的随机数变换成高斯分布的随机数采用的是中心极限定理：X1,X2,X3…为统计独立和同分布的随机变量，且均值为μ，方差为σ2>0，n个随机变量之和为Sn＝X1+X2+X3…+Xn，则新的随机变量Zn：当n足够大时，Zn满足均值为0，方差为1的标准正太分布N(0,1)；对n个[0,1)均匀分布随机数，取μ＝1/2，σ2＝1/12，得：即为所需的标准高斯分布随机数；设计中，取n＝48，得到计算式：为了获得不同带宽的高斯白噪声，在获得了高斯随机数后，将其通过一个系数能重配置的滤波器，即获得带宽可控的带限高斯白噪声；设计中滤波器采用系数对称的125阶有限长单位冲激响应即FIR滤波器，系统根据外部输入的干扰带宽，计算出FIR滤波器系数，将其装载到FPGA的先入先出队列即fifo中，同时根据输入的载噪比，计算出信号功率；FPGA内部将产生的高斯白噪声通过FIR滤波器，再与信号功率相乘，最终输出窄带与宽带干扰信号；步骤三：脉冲干扰信号生成脉冲干扰信号分为二相编码与线性调频信号两部分；设计中采用占空比和信号带宽两种控制方式对数据进行控制，占空比控制方式计算过程如下：t＝r*T*fs/n其中，t为每个编码数据占用的时钟计数，r表示占空比，T为脉冲周期，fs表示系统时钟频率，n为一个周期内编码数据个数；设计中选用13位巴克码，因此，n取值为13；Tcnt＝T*fs其中，Tcnt表示一个脉冲周期占用的时钟计数；若采用带宽控制方式则需根据输入信号带宽计算出相应参数，其计算过程如下：t＝fs/B其中，t为每个编码数据占用的时钟计数，fs表示系统时钟频率，B为输入的脉冲带宽；一个脉冲周期的时钟计数计算方法与占空比方式相同；主控计算机软件将计算得到的t与Tcnt下发到FPGA进行编码数据时序控制；线性调频信号需要外部输入调频信号带宽B，调频方向，占空比r与脉冲周期T；系统根据调频方向计算出载波频率控制字，计算公式为

【专利技术属性】
技术研发人员：常青，杨伟才，徐勇，黄涛，李平，顾亚楠，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11