基于FPGA的星地信道模擬系統的研究與設計

　1 引 言

　　衛星移動通信系統所能提供的業務的可行性與質量在很大程度上受到衛星與移動終端間信道特性的影響。研究這些影響，就需要在一定傳播特性下進行實驗。由于條件所限，不可能進行實時現場實驗，這在技術和經費上都存在問題，所以采用一個能反映實際星地鏈路特性的信道模擬系統可以降低一些難度太大和成本超高的測試試驗的難度和成本，是一個很好的解決方法。

　　1.1 國內外的研究狀況

　　目前有很多科研機構和高校進行這方面的研究，例如：澳大利亞南澳大學研制出移動衛星信道模擬器MSCS-1，該模擬器具有記錄和重放信道數據，可調時延變化，可調整多普勒頻移等功能；國立交通大學主要模擬的范例系統是以OFDMA為基礎的802.16a，特別針對使用者在高速移動的環境下所做的快速瑞利衰落模擬；電子科技大學主要是在實時模擬實現低軌衛星信道的損耗、噪聲影響、多徑衰落、多普勒效應、遮蔽等各種隨機特性與時變特性；國防科技大學搭建了一個通用的數字信道模擬器平臺，重點對數字網傳輸損傷中的誤碼、抖動和溫度漂移等度量指標進行理論研究和分析……

　　1.2 本文主要研究內容

　　本文提出了一種能夠很好地反映衛星通 信中星地鏈路特性的模擬系統設計方案。在確定硬件設計方案之前，搭建了合理的信道仿真模型，并對仿真結果進行了分析。

　　2 衛星通信系統仿真模型的建立

　　根據國內外有關衛星信道的研究，針對衛星信道有很多種的建模方法，如C.LOO模型[1]、CORRAZA模型[2]、LUTZ模型[3]等，這些模型中均假定信道衰落特性服從一定概率分布特性。眾所周知，衛星信道中的自由空間傳輸損耗、極化損耗、轉發器的功率損耗等特性最后影響的都是接收端的信噪比。所以，整個衛星形地信道從仿真的角度可以看成由包括影響衰落特性部分的衰落信道和影響信噪比特性的AGWN信道部分構成。搭建了如圖1所示的仿真模型：

　　上述模型從數字域來考慮，假定信源為二進制數據流，信號經過編碼及交織處理以后，送到調制模塊。調制信號經過衰落噪聲信道模型以后，再經過解調、解交織、譯碼以后，與發送信號進行對比，從而獲得誤碼結果。

圖1:衛星通信系統的仿真模型結構圖

　　1.信道的選取：電波經過反射、折射、散射等多條路徑傳播到達接收機后, 總信號的強度服從瑞利分布.同時由于接收機的移動及其他原因,信號強度和相位等特性又在起伏變化,故稱為瑞利衰落。但是對于衛星系統，收到的信號中除了經反射折射散射等來的信號外,還有從衛星直接到達地面接收機的信號,那么總信號的強度服從萊斯分布,故稱為萊斯（Rice）衰落；另外，一般認為衛星信道中的噪聲是加性高斯白噪聲(AWGN)。所以模型中的信道選用Rice衰落信道和AWGN信道。

　　2.調制解調方式：衛星信道是功率受限信道，一般都采用相位鍵控調制方式。

　　3.編解碼方式：在衛星通信的離散無記憶信道中，系統發端采用卷積編碼，收端采用概率譯碼，這是逼近香農編碼定理所述的可靠通信最有吸引力的方法。卷積碼概率譯碼技術分為序列譯碼和Viterbi譯碼兩種，它們在衛星信道中都有應用，但后者應用更為廣泛。交織技術是一種時間/頻率擴展技術，它把信道的相關度減少，在交織足夠大時，交織能把突發錯誤離散為隨機錯誤，為正確的譯碼創造了更好的條件。模型中采用了卷積碼和矩陣交織。

　　3 仿真結果分析

　　基于上面建立的仿真模型所得到數據，經過誤碼統計得到仿真結果，誤碼統計是對仿真得到的誤碼結果進行分析以得到其統計描述，這里采用的統計方法是以固定時間內誤碼的發生次數（固定比特內發生錯誤的次數）和誤碼段的長度（每次錯誤持續的比特數）為統計對象，這兩種對象的統計特性可足以清晰的描述誤碼結果的實際分布情況。仿真結果如圖2、3所示。

圖2：誤碼次數概率分布圖

圖3：誤碼長度概率分布圖

　　? 以上的仿真結果是在一組參數（二進制數據率、調制方式、萊斯因子、信噪比（Eb/N0）等）值的條件下得到的仿真結果，當然可以改變參數值得到各種條件下的仿真結果。

　　有了上面的結果，就可以利用硬件電路實現誤碼產生電路，從而實現對基帶信號加入由于衛星星地信道特性所造成的誤碼。

　4 衛星信道模擬系統的設計

　　4.1設計思想

　　信道模擬系統也就是應該準確的模擬實際星地鏈路的特性。那么所有的特性在數字域對傳輸信號的影響最終都表現為誤碼，考慮到星地鏈路的傳輸距離遙遠，存在很大的延時特性。衛星線路的信息傳輸會導致幾百毫秒量級的時延，具體的時延大小取決于衛星軌道的高度。因此在設計星地信道模擬系統的時候這兩個指標就是要考慮和處理的。設計分兩部分，即軟件部分和硬件部分。軟件部分運行于PC機，可以設置參數、計算衛星信道特性、拓撲連接關系等傳遞給硬件部分。硬件部分是整個模擬系統的核心，對基帶信號進行處理。

　　4.2硬件方案設計

　　圖4是硬件部分結構框圖，硬件的設計應能保證系統的整體性能，擬采用資源豐富的FPGA來實現，該模塊是衛星信道模擬器的核心部分，其內部包含著延時和誤碼模塊。由于FPGA片上存儲器資源有限，衛星信道的傳輸時延變化范圍較大，因此對傳輸時延的模擬利用外部SDRAM實現。而誤碼模塊可以通過用戶軟件下載誤碼次數和誤碼長度表來實現。考慮系統要實現多路信號的誤碼和延時處理及系統的穩定性與可擴展性，FPGA使用Xilinx公司的200萬門級的 FPGA芯片XC3S2000，以提供足夠的邏輯和片內存儲器資源。

　　上面的設計已經實現，在此平臺上做的測試實驗效果很好，且該模擬系統運行穩定。

　　5 結 論

　　針對衛星通信鏈路，直接在衛星信道上開展實驗受到各種條件的限制，而且會花費大量的人力、物力、財力。基于本文所提出的仿真方法和硬件平臺可以建立模擬衛星通信網絡并進行研究和試驗。同時，信道模擬系統的硬件實現可以為衛星通信系統的工程設計提供強有力的調試手段，具有十分重要的意義。在此基礎上可以進一步研究中低軌信道以及星間鏈路模擬系統的設計方法。

　　本文作者創新點：第一，在基帶上實現信道特性的映射，利用數字技術滿足模擬特性的數字化，從而使設備的端到端基帶調試成為可能。第二：采用了軟件仿真和硬件設計相結合的方式：將仿真得到的結果通過用戶軟件直接應用到了硬件，不僅具有驗證的作用，而且大大減輕了FPGA設計的難度，也降低了成本。