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[资料] 基于CPU+FPGA的临近空间信道模拟器设计

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发表于 2022-2-28 18:36:49 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自 广东省深圳市
摘要:针对临近空间通信信道中的气象性损耗和非气象性损耗进行了理论分析,着重研究大气吸收损耗、降雨衰减和多径衰落等信道传播特性的建模方法,建立临近空间信道模型;提出了一种基于中央处理器(central processing unit,CPU)和现场可编辑门阵列(field一programmable gate array,FPGA)的临近空间信道模拟器软硬结合实现方案,并对希尔伯特变换和多普勒频移的实现方法进行分析;结合卫星导航模拟器和信号发生器产生的实际信号对信道模拟器的性能指标和统计特性进行测试;实测结果表明,信道模拟器输出信道衰落的各项统计特性符合理论结果,信道模拟器可实现分辨率和最大值分别是5 ns 和5115 ns的多径相对时延以及分辨率和最大值分别是1 Hz和1.6 MHz的多普勒频移;该信道模拟器可辅助分析临近空间信道环境对信号传播的影响。
临近空间,一般指距海平面 20~100 km 的空域。因物理高度和空气密度等因素的影响,传统的航空器和航天器无法在其间飞行。相较于卫星所在的外层空间,临近空间更易到达,同时,临近空间高于飞机所在的传统空间,在通信保障、情报收集、侦察监视以及对空对地作战等方面更具优势。因此临近空间的战略价值与巨大潜力日益引起国际重视。
因临近空间独具优势的物理高度与其包含的平流层环境特性,与卫星通信、陆地移动通信相比,临近空间通信的传播损耗和传输时延更小、覆盖范围更广。临近空间信道模拟器可模拟临近空间通信平台与地面通信终端间的通信链路,有助于进行基于实验室环境的临近空间通信系统与通信设备的设计测试,进一步提高临近空间通信的可靠性与有效性,节约时间成本与人力物力成本。
目前,临近空间通信信道的研究多集中于特定波段范围内一种或两种信道传播特性的仿真建模。文献 【4】 针对临近空间低速飞行器构建了Ka波段范围内的多径衰落和降雨衰减的统计模型。文献 【5】 通过估算多径信道的参数,建立了临近空间信道几何仿真模型。文献【6】 对经典Lutz 模型进行修订并从多径衰落和降雨衰减两个方面对 Ka 波段通信信道模型进行研究仿真。文献 【7】 基于广义平稳非相关散射(wide— sense stationary uncorrelated scattering,WSSUS)假设构造了高动态环境下的平流层多径散射通信信道。
本文在临近空间信道传播特性理论研究与仿真分析的基础上,建立了综合考虑路径损耗、阴影衰落、多径衰落、大气吸收损耗、降雨衰减的临近空间信道模型,设计并实现了基于CPU+FPGA 软硬结合架构的临近空间信道模拟器,并从多径效应、多普勒效应、统计特性等方面进行性能指标测试。该模拟器可有效复现上述信道传播特性对传输信号的影响,可用作临近空间通信系统设计研发的测试设备。

1、信道模型及建模方法
1.1 信道传播特性
临近空间自下而上包含平流层、中间层和热层底层区域,临近空间飞行器或通信平台多分布于大气状态稳定的平流层,与地面移动终端通信时,传输信号需跨越水汽含量丰富、天气现象复杂多变的对流层,信号传输至近地面时,还会受到地形地貌的影响。因此,将临近空间信道传播特性分为气象性损耗与非气象性损耗两大类,气象性损耗的产生原因是大气和天气变化。其中,非气象性损耗包括路径损耗、阴影衰落、多径衰落等,气象性损耗包括大气吸收损耗、降雨衰减等。
自由空间路径损耗是指特定环境下,信号能量变化仅与传播距离有关。阴影衰落是指当信号传播过程中遇到障碍物阻挡,信号产生衰落的现象。
采用下述对数距离路径损耗公式描述自由空间路径损耗和阴影衰落的叠加效果。
1.jpg

其中∶d是实际传播距离,单位 km,d0是近地参考距离,单位km,n是路径损耗指数,由实际传播环境决定,Xσ是均值为0的高斯随机变量,单位 dB。
多径衰落是指信号传输过程中各种障碍物引起信号的反射、散射、折射和衍射,使到达地面移动终端的信号是多簇路径信号的叠加的现象。在这过程中,若通信收发两端存在相对运动,则会产生多普勒效应。多径衰落可分为频率选择性衰落和平坦衰落。根据信道包络幅度分布不同,平坦衰落又可分为瑞利衰落和莱斯衰落,区别在于莱斯衰落信道包含直射信号路径。不同参数下的瑞利分布和莱斯分布如图1所示。
2.jpg
临近空间通信中,平流层的臭氧、对流层的氧气和水 蒸气会造成大气吸收损耗。当信号经过降雨区时,雨滴对信号同时产生吸收和散射作用,形成降雨衰减,信号频率10 GHz 以上时,降雨衰减的影响不可忽视。

2、CPU十FPGA 实现
已有信道模拟器的实现有软件、硬件、软硬结合 3 种架构。软件架构的信道模拟器不能产生实际信道,仅体现通信信道对传输信号的理论影响。硬件架构的模拟器采用整体开发方式,可产生实际数字信道,但信道模拟器的维护、升级或更新十分受硬件设备影响。本文的临近空间信道模拟器采用基于CPU+FPGA的软硬结合架构,充分利用CPU高效的数据处理能力、简洁的用户交互界面以及FPGA高速的计算能力。

2.1 模拟器设计指标
本文临近空间信道模拟器的设计实现基于综合自由空间路径损耗、阴影衰落、多径衰落、大气吸收损耗、降雨衰减等多种信道传播特性的临近空间信道模型,主要预期指标如下∶
射频信号频率:1MHz~3.9GHz;
中频信号频率:70MHz;
采样频率:200MHz;
输入输出阻抗:50Ω;
多径衰落类型:频率选择性衰落、平坦一瑞利衰落、平坦一莱斯衰落;
频率选择性衰落可分辨径数:1~10;
瑞利衰落不可分辨径数:1~16;
可分辨径相对时延范围:0~5 115 ns;
可分辨径相对时延分辨率:5 ns;
多普勒频移范围:一1.6MHz~1.6 MHz;
多普勒频移分辨率:1Hz;
多普勒扩展范围:0~3.2 MHz。

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