低轨卫星移动信道特性模拟硬件实现

论文摘要

无线通信是当前通信领域中发展非常迅速的研究方向。而相对于地面无线通信,卫星移动通信由于服务范围广泛,更容易提供全球覆盖,在军事通信、应急通信以及边远地区通信中具有不可替代的地位,是无线通信领域中研究的热点。其中,低轨卫星移动通信系统由于卫星轨道高度低,具有较低的传输时延和较低的终端要求,发展前景广阔。在低轨卫星移动通信系统的开发过程中,为保证系统的可靠性,需要研究其信道的传输特性。传输特性仿真软件缺少物理接口,而且由于计算量大,很难实现实时性,租用实际卫星链路进行实验代价高昂,因此提出开发低轨卫星移动通信信道模拟器,利用软硬件结合的方式实现对卫星移动信道传输特性的模拟。本课题的目的是研制一套低轨卫星信道模拟器,该信道模拟器在整个星座卫星半实物仿真系统中,可以准确模拟70MHz中频上多种仿真场景下的卫星与终端之间的用户链路的实时信道特性。本文主要工作包括以下内容:首先,分析比较卫星移动通信研究中常用的衰落信道模型,确定采用陆地卫星移动(Land Mobile Sattilite,LMS)模型这一更能描述实际卫星信道传输特性的统计模型作为卫星信道模拟器的理论模型。其次,在理论模型的基础上,结合项目要求,考虑能够体现信道传输特性的多径衰落、阴影衰落、多普勒频移、传播噪声、传输时延等因素,完成信道模拟器中信道传输特性模拟部分的实现方案的设计,并利用QuartusII软件对实现方案进行仿真验证。最后,利用FPGA开发板及其它外扩硬件资源实现低轨卫星移动通信信道传输特性的模拟,将信道传输特性叠加到70MHz的中频信号上,并给出硬件测试结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究意义与背景
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 国内外卫星移动信道模型研究现状
• 1.2.2 国内外卫星移动信道模拟技术研究现状
• 1.3 本文主要研究内容以及结构
• 第2章 低轨卫星移动信道传输特性分析
• 2.1 卫星移动信道传输特性
• 2.1.1 自由空间损耗
• 2.1.2 多径衰落
• 2.1.3 阴影衰落
• 2.1.4 多普勒效应
• 2.1.5 其它大气损耗及噪声特性分析
• 2.2 卫星移动信道常用概率分布模型
• 2.2.1 常用单状态模型
• 2.2.2 Lutz 模型
• 2.3 信道特性模拟理论模型
• 2.4 卫星移动信道传输特性模拟实现方案
• 2.5 信道传输特性模拟典型参数
• 2.5.1 信道模拟的时延分析
• 2.5.2 多径衰落与阴影衰落分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 信道传输特性实现方案设计与仿真
• 3.1 系统概述
• 3.2 实现方案的QuartusII 仿真
• 3.3 多普勒频移的实现
• 3.3.1 多普勒频移实现原理
• 3.3.2 Hilbert 滤波器的实现
• 3.3.3 频移合成信号产生
• 3.3.4 乘法器与加法器实现
• 3.3.5 多普勒频移模块仿真结果
• 3.4 多径衰落的实现
• 3.4.1 多径衰落的实现原理
• 3.4.2 多径延迟的实现
• 3.5 噪声及衰落模块实现
• 3.5.1 高斯白噪声的产生
• 3.5.2 衰落模块的实现
• 3.6 本章小结
• 第4章 信道传输特性的硬件实现
• 4.1 FPGA 开发板选型及资源分配
• 4.1.1 硬件概述
• 4.1.2 FPGA 开发板资源概述
• 4.2 多普勒频移硬件实现方案
• 4.2.1 频移合成信号的产生
• 4.2.2 10MHz 时钟的生成
• 4.2.3 方案的硬件实现
• 4.3 传输时延的实现
• 4.3.1 传输时延的实现方案
• 4.3.2 FPGA 实现传输时延模块
• 4.3.3 SDRAM 工作流程
• 4.3.4 计数器模块的实现
• 4.3.5 SDRAM 时序模块及指令翻译模块
• 4.3.6 FIFO 的设置和工作过程
• 4.4 信道模拟器硬件性能测试
• 4.4.1 测试平台
• 4.4.2 额定输入与输出幅度
• 4.4.3 多普勒频移
• 4.4.4 噪声特性测试
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢