一种用于星地通信的信道模拟器及信道模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种用于星地通信的信道模拟器及信道模拟方法。该信道模拟器包括总控模块、信道系数生成模块、多个混合延时插值模块、乘法器和累加器，总控模块连接信道系数生成模块，用于向其发出第一控制信号；总控模块还与混合延时插值模块连接，用于向其发出第二控制信号；混合延时插值模块将初始信号序列复制成N路后分别同N条多径信道序列相乘，从而得到N个经过信道衰减后的信号序列；在N路基于混合滤波器系数重载的Farrow结构的可变分数时延插值滤波器中，完成分数倍信号的插值，最后通过累加器实现多路多径信号的混叠。本发明专利技术实现了针对大范围时延快速漂移情况下的动态无线信道的分数时延模拟。

【技术实现步骤摘要】
一种用于星地通信的信道模拟器及信道模拟方法
本专利技术涉及一种用于星地通信的信道模拟器，同时也涉及相应的信道模拟方法，属于卫星通信

技术介绍
当前，在空天地一体化通信领域的研发重点就是设计满足星地传输信道特性需求的无线系统物理层协议。无线信道模型作为物理层协议的设计和验证工具，在协议的制定和验证方面都有重要作用。星地通信信道相对于地面通信来说，其相对移动速度有巨大的提升。卫星相对于地面终端的相对速度计算需要参考卫星轨道，瞬时位置，俯仰角度等等参数。如图5中所示，卫星的高度为h，地球半径为R。卫星的移动速度为载波频率为Fc。向量同卫星移动速度方向的夹角为θ。根据3PGG协议，低轨或中轨卫星，其移动速度大约如下所示：-距地面600km轨道:速度为7.5622千米/秒-距地面1500km轨道:速度为7.1172千米/秒如此高的移动速度相对于地面通信终端来说，将带来巨大的多普勒频偏，也会导致多径信道的时变特性显著加快，多径的时延将会出现快速漂移，并且多径都存在极大的多普勒偏移。同时，由于信道的变化和时延的漂移特性，导致在星点链路中，多径幅度和时延随时间的相关性体现的更为显著，并且多径的生灭特性也对性能有很大的影响。传统的无线信道模型和信道模拟器设计已经较为成熟，均采用基于抽头时延(TappedDelayLine，简写为TDL)的结构。其表达式如下式所示。现有的抽头时延结构的信道模型如图6所示，可以采用基于FIR滤波器架构实现。每个抽头对应了一个无线信道多径。其中抽头的位置由多径时延决定，而抽头复数系数的对应了无线信道多径的瞬时衰落。当信道变化，抽头加权h(t,τ)随时间变化。信道系数为波形时时延τ和时间t的函数。图7提供了基于FIR滤波器实现的MIMO(多输入多输出)信道模型，其中一路为信道系数支路，此时信道系数按照复高斯随机分量随机生成，并经过时域相关性滤波器后产生信道系数在时间上的连续变化。多路叠加了时域相关性的信道系数组成MIMO信道向量序列。该向量经过空间相关矩阵运算后生成包含多天线相关性的信道向量序列。另一路为信号支路。原始未叠加信道的信号序列，经过信道模块内的重采样成型滤波后获得更高的采样率。再对上采样的信号序列同信道向量序列进行时域卷积运算，最终再对卷积后的序列匹配滤波降采样后输出。目前，在数字域上实现分数延时最常用的技术手段是基于传统Farrow结构的分数延时滤波器，因为该滤波器的系数固定，使用时只需要更改延时参数，而且设计出的滤波器性能较好。
技术实现思路
本专利技术所要解决的首要技术问题在于提供一种用于星地通信的信道模拟器。本专利技术所要解决的另一技术问题在于提供一种用于星地通信的信道模拟方法。为了实现上述目的，本专利技术采用下述的技术方案：根据本专利技术实施例的第一方面，提供一种用于星地通信的信道模拟器，包括总控模块10、信道系数生成模块20、多个混合延时插值模块30、乘法器11和累加器12，所述总控模块10连接所述信道系数生成模块20，用于向其发出第一控制信号；所述总控模块10还与所述混合延时插值模块30连接，用于向其发出第二控制信号；所述混合延时插值模块30将初始信号序列复制成N路后分别同N条多径信道序列相乘，从而得到N个经过信道衰减后的信号序列；在N路基于混合滤波器系数重载的Farrow结构的可变分数时延插值滤波器中，完成分数倍信号的插值，最后通过累加器实现多路多径信号的混叠。其中较优地，所述可变分数时延插值滤波器，其滤波器系数由滤波器系数更新模块50控制，所述滤波器系数更新模块50根据分数时延值，利用拉格朗日插值法产生滤波器系数的值。其中较优地，所述可变分数时延插值滤波器，分别与分数时偏累积变化量进行乘累加计算。其中较优地，所述分数时偏累积变化量，分别延时1至N-1个系统时钟，与所述可变分数时延插值滤波器的输出，进行乘累加。其中较优地，当所述分数时偏累积变化量超出预设范围时，所述总控模块10会将所述分数时偏累积变化量减去或加上一个整数周期从而回到所述预设范围中；并且，将更新后的结果输出给所述混合延时插值模块30，并发送控制指令触发读写使能模块60，实现插值序列调整；当所述分数时偏累积变化量小于所述预设范围时，所述总控模块10直接将所述分数时延值输入到所述多个混合延时插值模块30中，产生时变的分数时延输出。根据本专利技术实施例的第二方面，提供一种用于星地通信的信道模拟方法，包括以下步骤：计算星地通信使用的多径的瞬时多径时延值；根据当前的瞬时多径时延值，计算分数时偏累积变化量；根据更新的分数时偏累积变化量，执行插值计算；将经插值计算后输出的序列输入FIFO缓存，得到输出信号。其中较优地，所述插值计算是由N路基于混合滤波器系数重载的Farrow结构的可变分数时延插值滤波器，完成分数倍信号的插值；所述可变分数时延插值滤波器的滤波器系数是根据拉格朗日插值法和收发端预设的成型滤波器、匹配滤波器系数生成的。其中较优地，所述可变分数时延插值滤波器的输出分别与分数时偏累积变化量进行乘累加计算。其中较优地，所述分数时偏累积变化量分别延时1至N-1个系统时钟，与所述可变分数时延插值滤波器的输出，进行乘累加。其中较优地，当所述分数时偏累积变化量超出预设范围时，将所述分数时偏累积变化量减去或加上一个整数周期从而回到所述预设范围中；并且，将更新后的结果输出给所述混合延时插值模块30，并发送控制指令触发读写使能模块60，实现插值序列调整；当所述分数时偏累积变化量小于所述预设范围时，直接将所述分数时延值输入到所述多个混合延时插值模块30中，产生时变的分数时延输出。与现有技术相比较，本专利技术提供了一种高效、易实现的星地通信信道建模方案，通过完整的信道模型系统，可以模拟卫星通信系统中多径时延连续变化带来的可变分数时延，同时还可以建模由于卫星和地面终端相对移动带来的信道多径生灭的连续变化过程。附图说明图1为本专利技术中，用于星地通信的信道模拟器的结构框图；图2为图1的信道模拟器的FPGA设计示意图；图3为基于转换节点的多径生灭模型示意图；图4为本专利技术中，用于星地通信的信道模拟方法的流程图；图5为低轨卫星轨道的运行示意图；图6为抽头时延模型的示意图；图7为基于FIR滤波器的MIMO信道模型示意图；图8为图2中读写使能模块对FIFO的控制方法示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术的技术方案作进一步的详细说明。如图1所示，本专利技术实施例提供的用于星地通信的信道模拟器100包括总控模块10、信道系数生成模块20、多个混合延时插值模块30、乘法器11和累加器12。总控模块10连接信道系数生成模块20，用于向其发出第一控制信号。总控模块10还与多个混合延时插值模块30连接，用于向其发出第二控制信本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于星地通信的信道模拟器，其特征在于包括总控模块(10)、信道系数生成模块(20)、多个混合延时插值模块(30)、乘法器(11)和累加器(12)；/n所述总控模块(10)连接所述信道系数生成模块(20)，用于向其发出第一控制信号；/n所述总控模块(10)还与所述混合延时插值模块(30)连接，用于向其发出第二控制信号；/n所述混合延时插值模块(30)将初始信号序列复制成N路后分别同N条多径信道序列相乘，从而得到N个经过信道衰减后的信号序列；在N路基于混合滤波器系数重载的Farrow结构的可变分数时延插值滤波器中，完成分数倍信号的插值，最后通过累加器实现多路多径信号的混叠。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于星地通信的信道模拟器，其特征在于包括总控模块(10)、信道系数生成模块(20)、多个混合延时插值模块(30)、乘法器(11)和累加器(12)；
所述总控模块(10)连接所述信道系数生成模块(20)，用于向其发出第一控制信号；
所述总控模块(10)还与所述混合延时插值模块(30)连接，用于向其发出第二控制信号；
所述混合延时插值模块(30)将初始信号序列复制成N路后分别同N条多径信道序列相乘，从而得到N个经过信道衰减后的信号序列；在N路基于混合滤波器系数重载的Farrow结构的可变分数时延插值滤波器中，完成分数倍信号的插值，最后通过累加器实现多路多径信号的混叠。


2.如权利要求1所述的用于星地通信的信道模拟器，其特征在于：
所述可变分数时延插值滤波器，其滤波器系数由滤波器系数更新模块(50)控制，
所述滤波器系数更新模块(50)根据分数时延值，利用拉格朗日插值法产生滤波器系数的值。


3.如权利要求2所述的用于星地通信的信道模拟器，其特征在于：
所述可变分数时延插值滤波器分别与分数时偏累积变化量进行乘累加计算。


4.如权利要求3所述的用于星地通信的信道模拟器，其特征在于：
所述分数时偏累积变化量分别延时1至N-1个系统时钟，与所述可变分数时延插值滤波器的输出进行乘累加。


5.如权利要求4所述的用于星地通信的信道模拟器，其特征在于：
当所述分数时偏累积变化量超出预设范围时，所述总控模块(10)将所述分数时偏累积变化量减去或加上一个整数周期从而回到所述预设范围中；并且，将更新后的结果输出给所述混合延时插值模块(30)，发送控制指令触发读写使能模块(60)，实现插值序列调整；
当所述分数时偏累积变...

【专利技术属性】
技术研发人员：桂云松，王浩文，孙平山，王勇，刘韡烨，田宇涵，谢建国，
申请(专利权)人：上海无线通信研究中心，
类型：发明
国别省市：上海;31