基于FPGA的星地信道模拟系统的研究与设计

1 引 言
         卫星移动通信系统所能提供的业务的可行性与质量在很大程度上受到卫星与移动终端间信道特性的影响。研究这些影响，就需要在一定传播特性下进行实验。由于条件所限，不可能进行实时现场实验，这在技术和经费上都存在问题，所以采用一个能反映实际星地链路特性的信道模拟系统可以降低一些难度太大和成本超高的测试试验的难度和成本，是一个很好的解决方法。
         1.1 国内外的研究状况
         目前有很多科研机构和高校进行这方面的研究，例如：澳大利亚南澳大学研制出移动卫星信道模拟器MSCS-1，该模拟器具有记录和重放信道数据，可调时延变化，可调整多普勒频移等功能；国立交通大学主要模拟的范例系统是以OFDMA为基础的802.16a，特别针对使用者在高速移动的环境下所做的快速瑞利衰落模拟；电子科技大学主要是在实时模拟实现低轨卫星信道的损耗、噪声影响、多径衰落、多普勒效应、遮蔽等各种随机特性与时变特性；国防科技大学搭建了一个通用的数字信道模拟器平台，重点对数字网传输损伤中的误码、抖动和温度漂移等度量指标进行理论研究和分析……
         1.2 本文主要研究内容
         本文提出了一种能够很好地反映卫星通 信中星地链路特性的模拟系统设计方案。在确定硬件设计方案之前，搭建了合理的信道仿真模型，并对仿真结果进行了分析。
         2 卫星通信系统仿真模型的建立
         根据国内外有关卫星信道的研究，针对卫星信道有很多种的建模方法，如C.LOO模型[1]、CORRAZA模型[2]、LUTZ模型[3]等，这些模型中均假定信道衰落特性服从一定概率分布特性。众所周知，卫星信道中的自由空间传输损耗、极化损耗、转发器的功率损耗等特性最后影响的都是接收端的信噪比。所以，整个卫星形地信道从仿真的角度可以看成由包括影响衰落特性部分的衰落信道和影响信噪比特性的AGWN信道部分构成。搭建了如图1所示的仿真模型：
         上述模型从数字域来考虑，假定信源为二进制数据流，信号经过编码及交织处理以后，送到调制模块。调制信号经过衰落噪声信道模型以后，再经过解调、解交织、译码以后，与发送信号进行对比，从而获得误码结果。
  
  图1:卫星通信系统的仿真模型结构图
         1.信道的选取：电波经过反射、折射、散射等多条路径传播到达接收机后, 总信号的强度服从瑞利分布.同时由于接收机的移动及其他原因,信号强度和相位等特性又在起伏变化,故称为瑞利衰落。但是对于卫星系统，收到的信号中除了经反射折射散射等来的信号外,还有从卫星直接到达地面接收机的信号,那么总信号的强度服从莱斯分布,故称为莱斯（Rice）衰落；另外，一般认为卫星信道中的噪声是加性高斯白噪声(AWGN)。所以模型中的信道选用Rice衰落信道和AWGN信道。
         2.调制解调方式：卫星信道是功率受限信道，一般都采用相位键控调制方式。
         3.编解码方式：在卫星通信的离散无记忆信道中，系统发端采用卷积编码，收端采用概率译码，这是逼近香农编码定理所述的可靠通信最有吸引力的方法。卷积码概率译码技术分为序列译码和Viterbi译码两种，它们在卫星信道中都有应用，但后者应用更为广泛。交织技术是一种时间/频率扩展技术，它把信道的相关度减少，在交织足够大时，交织能把突发错误离散为随机错误，为正确的译码创造了更好的条件。模型中采用了卷积码和矩阵交织。
         3 仿真结果分析
         基于上面建立的仿真模型所得到数据，经过误码统计得到仿真结果，误码统计是对仿真得到的误码结果进行分析以得到其统计描述，这里采用的统计方法是以固定时间内误码的发生次数（固定比特内发生错误的次数）和误码段的长度（每次错误持续的比特数）为统计对象，这两种对象的统计特性可足以清晰的描述误码结果的实际分布情况。仿真结果如图2、3所示。
  
  
图2：误码次数概率分布图

图3：误码长度概率分布图
        以上的仿真结果是在一组参数（二进制数据率、调制方式、莱斯因子、信噪比（Eb/N0）等）值的条件下得到的仿真结果，当然可以改变参数值得到各种条件下的仿真结果。
         有了上面的结果，就可以利用硬件电路实现误码产生电路，从而实现对基带信号加入由于卫星星地信道特性所造成的误码。

       4 卫星信道模拟系统的设计
         4.1设计思想
         信道模拟系统也就是应该准确的模拟实际星地链路的特性。那么所有的特性在数字域对传输信号的影响最终都表现为误码，考虑到星地链路的传输距离遥远，存在很大的延时特性。卫星线路的信息传输会导致几百毫秒量级的时延，具体的时延大小取决于卫星轨道的高度。因此在设计星地信道模拟系统的时候这两个指标就是要考虑和处理的。设计分两部分，即软件部分和硬件部分。软件部分运行于PC机，可以设置参数、计算卫星信道特性、拓扑连接关系等传递给硬件部分。硬件部分是整个模拟系统的核心，对基带信号进行处理。
  
         4.2硬件方案设计
         图4是硬件部分结构框图，硬件的设计应能保证系统的整体性能，拟采用资源丰富的FPGA来实现，该模块是卫星信道模拟器的核心部分，其内部包含着延时和误码模块。由于FPGA片上存储器资源有限，卫星信道的传输时延变化范围较大，因此对传输时延的模拟利用外部SDRAM实现。而误码模块可以通过用户软件下载误码次数和误码长度表来实现。考虑系统要实现多路信号的误码和延时处理及系统的稳定性与可扩展性，FPGA使用Xilinx公司的200万门级的FPGA芯片XC3S2000，以提供足够的逻辑和片内存储器资源。
  
         上面的设计已经实现，在此平台上做的测试实验效果很好，且该模拟系统运行稳定。
         5 结 论
         针对卫星通信链路，直接在卫星信道上开展实验受到各种条件的限制，而且会花费大量的人力、物力、财力。基于本文所提出的仿真方法和硬件平台可以建立模拟卫星通信网络并进行研究和试验。同时，信道模拟系统的硬件实现可以为卫星通信系统的工程设计提供强有力的调试手段，具有十分重要的意义。在此基础上可以进一步研究中低轨信道以及星间链路模拟系统的设计方法。
         本文作者创新点：第一，在基带上实现信道特性的映射，利用数字技术满足模拟特性的数字化，从而使设备的端到端基带调试成为可能。第二：采用了软件仿真和硬件设计相结合的方式：将仿真得到的结果通过用户软件直接应用到了硬件，不仅具有验证的作用，而且大大减轻了FPGA设计的难度，也降低了成本。
         参考文献：
         [1] C. Loo," A Statistical Model for a Land Mobile Satellite Link".IEEE Trans. On VT.；1985, 34(3/8)；PP122－127
       [2] G.E. Corazza and F.Vatalaro,"A Statistical Model for Land Mobile SatelliteChannels and Its Application to Nongeostationary Orbit Systems". IEEE Trans.on VT.；1994,43(3/8)；PP738－742
       [3] E.Lutz，D.Cygan ,M.Dippold,et al,"The Land Mobile Satellite Communication Channel――Recording, Statistical, and Channel Model". IEEE Trans. on VT.；1991,40(2/5)；PP375－385
       [4] 胡剑浩，李涛，吴诗其。史实低轨卫星移动通信信道模拟器设计。电子科技大学学报，1998，8。PP351-356
       [5] 刘德江,攸阳. 基于Matlab仿真的短波无线信道研究. 微计算机信息.2006,4. PP273-275