卫星信号模拟器及卫星信号模拟方法与流程

本发明卫星通信技术领域，具体涉及一种卫星信号模拟器及卫星信号模拟方法。

背景技术：

在卫星通信系统设计、规划以及收发设备的预研阶段，需要对卫星与地面之间的通信信道特性进行分析和模拟，特别是在卫星处在低轨道运行情况下，卫星和接收机之间的相对速度、相对加速度都特别大，卫星信道具有高动态多普勒频移变换特性。在设计一个合理的、满足需求的卫星通信系统和收发信机时，需充分考虑到移动卫星信道对其性能的制约，因为信道特性是影响系统性能的主要因素。因此只有在充分、细致地了解卫星信道特性的前提下，才能对系统进行设计和优化。

真实可靠的卫星信道特性需要通过卫星或者航天器进行实测，但由于电波传播的时变性，测试环境无法保持相同状态，因此根据测试结果无法准确评判出影响系统因素是环境变化导致还是系统本身原因，给测试工作带来很大困难。因此，通过卫星搭载来进行信道特性分析也是不可行的。

实验室条件下科研人员可以通过对信道特性进行数学建模再用软件进行仿真模拟，良好的数学模型可以模拟卫星通信信道特性，国内外已有不少关于信道模型的研究成果。有三类分析模型被用来描述卫星信道，分别是经验模型、概率分布模型和几何模型。经验模型不能够解释传播过程的物理本质，但可以描述出对重要参数的敏感度；概率分布模型建立了对传播过程的理解，对实际情况做除了简化的假设，几何模型采用几何分析的方法，能预测单个或多个散射源的作用、解释衰落机制，但须将实际结果引申到实际的复杂情况。大多数经典模型都是将经验模型和概率分布模型相结合，形成具有统计接近度的统计模型，经典的统计模型有C.Loo模型、Corazza模型和Lutz模型。

因此需研究一种可真实反映信道特性的信道模型，目前国内外常见的几种信道模型有C.Loo、Corazza和Lutz信道模型。通过对这些模型进行计算机软件仿真，可实现对信道的模拟，然而，由于实现过程计算量太大，且缺少物理接口，单独使用计算机无法实时地完成信道模拟。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供卫星信号模拟器及卫星信号模拟方法，解决的技术问题是现有的卫星信号模拟器实现过程计算量太大，且缺少物理接口，单独使用计算机无法实时地完成信道模拟。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案一方面提供了一种卫星信号模拟器，包括：

信道参数生成单元，用于根据卫星信道模型参数、通信频点、轨道参数、终端参数及环境参数计算得到信道特性参数；

射频输入单元，用于将卫星的中频信号下变频到基带信号；

信道模拟单元，用于根据所述信道特性参数对所述基带信号分别进行多普勒频移、多径阴影衰落、加性白噪声及放大滤波处理；

射频输出单元，用于将信道模拟单元输出的信号转换成射频信号输出。

优选的，所述信道特性参数包括卫星在高动态下产生的多普勒频移参数、由于反射或折射产生的多径阴影衰落参数和无线传输链路产生的加性白噪声信噪比参数，其中，所述多径阴影衰落参数包括多径数量、每路多径延时和每路多径衰落。

优选的，所述信道模拟单元包括多普勒频移模块、多径阴影衰落模块、加性白噪声模块以及卫星负载模块。

所述多普勒频移模块用于将所述射频输入单元输入的基带信号加载多普勒频移参数得到第一信号；

所述多径阴影衰落模块用于将所述第一信号乘以多径阴影衰落参数得到第二信号；

所述加性噪声模块用于根据加性白噪声信噪比参数产生白噪声，并将所述白噪声与第二信号叠加得到第三信号；

所述卫星负载模块由放大器子模块及滤波器子模块组成，用于将所述第三信号进行放大滤波处理，并将并将处理后的信号发送给所述射频输出单元。

优选的，所述多径阴影衰落模块包括分路器、合路器以及设于所述分路器、合路器之间的N路多径，N为自然数，其中一路多径由功率衰减子模块、多径衰落子模块及阴影衰落子模块组成，剩余N-1路多径由多径时延子模块、功率衰减子模块、多径衰落子模块及阴影衰落子模块组成。

优选的，所述射频输入单元包括A/D转换模块及连接于所述A/D转换模块的下变频模块，所述A/D转换模块用于采集卫星设备输出的中频信号，所述下变频模块用于将所述中频信号下变频到基带信号并将所述基带信号发送给所述信道模拟单元。

优选的，所述射频输出单元包括上变频模块及连接于所述上变频模块的D/A转换模块，所述上变频模块用于将信道模拟单元输出的信号进行上变频到中频信号，所述D/A转换模块用于将所述中频信号转换成射频信号输出。

另一方面，本发明还提供一种卫星信号模拟方法，所述方法包括以下步骤：

根据卫星信道模型参数、通信频点、轨道参数、终端参数及环境参数计算得到信道特性参数；

将卫星的中频信号下变频到基带信号；

根据所述信道特性参数对所述基带信号分别进行多普勒频移、多径阴影衰落、加性白噪声及放大滤波处理并将处理后的基带信号转换成射频信号输出。

优选的，所述信道特性参数包括卫星在高动态下产生的多普勒频移参数、由于反射或折射产生的多径阴影衰落参数和无线传输链路产生的加性白噪声信噪比参数，其中，所述多径阴影衰落参数包括多径数量、每路多径延时和每路多径衰落。

优选的，所述根据所述信道特性参数对所述基带信号分别进行多普勒频移、多径阴影衰落、加性白噪声及放大滤波处理包括：

将射频输入单元输入的基带信号加载多普勒频移参数得到第一信号；

将所述第一信号乘以多径阴影衰落参数得到第二信号；

根据加性白噪声信噪比参数产生白噪声，并将所述白噪声与第二信号叠加得到第三信号；

将所述第三信号进行放大滤波处理。

优选的，所述将所述第一信号乘以多径阴影衰落参数得到第二信号包括：

将输入的第一信号分成N个路径子信号，并根据多径阴影衰落参数中的每路多径延时，对多路子信号进行延时处理；

模拟计算信号的功率衰减并加载于子信号中；

根据多径阴影衰落参数模拟计算信号的多径衰落并加载于子信号中；

根据多径阴影衰落参数模拟计算信号的阴影衰落并加载于子信号中；

将经过功率衰减、多径衰落及阴影衰落的N路子信号进行叠加形成第二信号。

采用上述技术方案，本发明至少可取得下述技术效果：

本发明卫星信号模拟器及其实现方法使得模拟的信道模型种类更加多样化，操作方便直观，提高了卫星信号模拟器工作的准确度及数据可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1是本发明卫星信号模拟器的总体结构图；

图2是图1中的信道模拟单元的结构示意图；

图3是图2中的多径阴影衰落模块的原理示意图；

图4是本发明卫星信号模拟方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，图1是本发明卫星信号模拟器的总体结构图。本发明卫星信号模拟器包括：信道参数生成单元20、射频输入单元40、信道模拟单元50及射频输出单元60，其中，所述信道参数生成单元20用于根据卫星信道模型参数、通信频点、轨道参数、终端参数及环境参数计算得到信道特性参数；所述射频输入单元40用于将卫星的中频信号下变频到基带信号；所述信道模拟单元50用于根据所述信道特性参数对所述基带信号分别进行多普勒频移、多径阴影衰落、加性白噪声及放大滤波处理；所述射频输出单元60用于将信道模拟单元输出的信号转换成射频信号输出。

本发明卫星信号模拟器还包括PC人机界面10及所述信息采集处理单元30，所述PC人机界面10用于设置实际环境中卫星信道模型参数、通信频点、轨道参数、终端参数及环境参数，并将所述卫星信道模型参数、通信频点、轨道参数、终端参数及环境参数；所述信息采集处理单元30用于对射频输入单元40、信道模拟单元50及射频输出单元60进行数据采集、分析处理，并将处理结果通过PC人机界面10进行显示。

其中，所述卫星信道模型可为瑞利信道、莱斯信道、C.Loo模型、Corazza模型或Lutz模型，通信频点为L波段和X波段任意频点，轨道参数包括轨道半长轴、轨道偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角、真近点角、仰角大小、轨道高度等；终端参数包括经度、纬度、运行速度，环境参数包括城市密集区域、郊区较空旷区域、乡村开阔区域。轨道参数不断更新，并在人机界面上绘制出卫星运行的轨道和具体位置；终端参数包括移动速度等。

根据PC人机界面10所提供的轨道参数，所述信道参数生成单元20首先按照开普勒定律计算出卫星在轨道中的运行轨迹，然后根据信道模型、卫星运行轨迹、终端参数和环境参数，计算出信道特性参数，并对参数进行帧结构调整，最后把成帧的参数通过以太网发送到信道模拟单元50。

所述射频输入单元40包括A/D转换模块401及连接于所述A/D转换模块401的下变频模块402，所述A/D转换模块401用于采集卫星的中频信号，所述下变频模块402用于将所述中频信号下变频到基带信号并将所述基带信号发送给所述信道模拟单元50。

所述射频输出单元60包括上变频模块601及连接于所述上变频模块601的D/A转换模块602，所述上变频模块601用于将信道模拟单元50输出的信号进行上变频到中频信号，所述D/A转换模块602用于将所述中频信号转换成射频信号输出。

所述信道特性参数包括卫星在高动态例如相对加速度很大或相对速度很大的情况下产生的多普勒频移参数、由于反射或折射产生的多径阴影衰落参数和无线传输链路产生的加性白噪声信噪比参数，其中，所述多径阴影衰落参数包括多径数量、每路多径延时和每路多径衰落。

请一并参阅图1及图2，所述信道模拟单元50包括多普勒频移模块501、多径阴影衰落模块502、加性白噪声模块503以及卫星负载模块504，所述多普勒频移模块501用于将射频输入单元40输入的基带信号加载多普勒频移参数得到第一信号；所述多径阴影衰落模块502用于将所述第一信号乘以多径阴影衰落参数得到第二信号；所述加性噪声模块503用于根据加性白噪声信噪比参数产生白噪声，并将所述白噪声与第二信号叠加得到第三信号；所述卫星负载模块504由放大器子模块5041及滤波器子模块5042组成，用于将所述第三信号进行放大滤波处理，并将处理后的信号发送给所述射频输出单元60。

其中，所述放大器子模块5041可根据所选取的放大器类型来确定具体的放大器模型。这样，本发明通过设置卫星负载模块504来模拟实际中的卫星内部行波管放大器对信号造成的非线性失真这一因素，使得卫星信号模拟器的设计更加逼近真实的卫星信道，提高了卫星信号模拟器工作的准确度及数据可靠性。

请一并参阅图1及图3，本发明中，所述多径阴影衰落模块502考虑了多径效应和阴影衰落两种影响因素，其中，多径效应分为平坦衰落和频率选择性衰落两种情况，平坦性衰落可认为是在某一时间间隔内从不同入射角到达的不可分辨的多径组合，当这些多径分量组合包含直射分量时，信号的包络服从Rice(莱斯衰落)分布，否则服从Rayleigh(瑞利衰落)分布。而频率选择性衰落可视为是多个可分辨的多径的组合，每一条多径是一个平坦衰落，有着不同的衰落率和路径时延。阴影衰落的信号包络服从Lognormal分布(对数正态分布)。

具体地，所述多径阴影衰落模块502包括分路器5021、合路器5022以及设于所述分路器5021、合路器5022之间的N路多径，N为自然数，其中一路多径由功率衰减子模块5023、多径衰落子模块5024及阴影衰落子模块5025组成，剩余N-1路多径由多径时延子模块5026、功率衰减子模块5024、多径衰落子模块5025及阴影衰落子模块5026组成。

所述分路器5021用于将输入的第一信号分成N个路径子信号，所述多径时延子模块5026用于根据多径阴影衰落参数中的每路多径延时，对多路子信号进行延时处理；所述功率衰减子模块5023用于模拟计算信号的功率衰减并加载于子信号中；所述多径衰落子模块5024用于根据多径阴影衰落参数模拟计算信号的多径衰落并加载于子信号中；所述阴影衰落子模块5025用于根据多径阴影衰落参数模拟计算信号的阴影衰落(慢衰落)并加载于子信号中；所述合路器5022用于将经过功率衰减子模块5023、多径衰落子模块5024及阴影衰落子模块5025的N路子信号进行叠加形成第二信号，并将所述第二信号输出加性白噪声模块503。

其中，每一路多径通过多径时延子模块5026、功率衰减子模块5024产生不同的时延、功率衰减，以模拟一组不可分辨的径。每一路多径经过多径衰落子模块5025中独立的瑞利衰落或莱斯衰落来模拟多径效应中多普勒频谱扩展所带来的信道时变特性；而且，可通过对多径阴影衰落参数进行设置可模拟平坦衰落和频率选择性衰落。这样，本发明对多径衰落的模拟，既可以是窄带平坦衰落，也可以模拟宽带频率选择性衰落，使得模拟的信道模型种类更加多样化。

另，请参阅图4，本发明还提供一种上述卫星信号模拟方法，所述方法包括以下步骤：

根据卫星信道模型参数、通信频点、轨道参数、终端参数及环境参数计算得到信道特性参数；

将卫星的中频信号下变频到基带信号；

根据所述信道特性参数对所述基带信号分别进行多普勒频移、多径阴影衰落、加性白噪声及放大滤波处理并将处理后的基带信号转换成射频信号输出。

其中，所述信道特性参数包括卫星在高动态下产生的多普勒频移参数、由于反射或折射产生的多径阴影衰落参数和无线传输链路产生的加性白噪声信噪比参数，其中，所述多径阴影衰落参数包括多径数量、每路多径延时和每路多径衰落。

所述根据卫星信道模型参数、通信频点、轨道参数、终端参数及环境参数计算得到信道特性参数之前还包括：

设置实际环境中卫星信道模型参数、通信频点、轨道参数、终端参数及环境参数，并将所述卫星信道模型参数、通信频点、轨道参数、终端参数及环境参数。

所述根据所述信道特性参数对所述基带信号分别进行多普勒频移、多径阴影衰落、加性白噪声及放大滤波处理并将处理后的基带信号转换成射频信号输出之后还包括：

对输出的射频信号数据进行采集、分析处理，并将处理结果进行显示。

其中，所述根据所述信道特性参数对所述基带信号分别进行多普勒频移、多径阴影衰落、加性白噪声及放大滤波处理包括：

将射频输入单元输入的基带信号加载多普勒频移参数得到第一信号；

将所述第一信号乘以多径阴影衰落参数得到第二信号；

根据加性白噪声信噪比参数产生白噪声，并将所述白噪声与第二信号叠加得到第三信号；

将所述第三信号进行放大滤波处理。

其中，所述将所述第一信号乘以多径阴影衰落参数得到第二信号包括：

将输入的第一信号分成N个路径子信号，并根据多径阴影衰落参数中的每路多径延时，对多路子信号进行延时处理；

模拟计算信号的功率衰减并加载于子信号中；

根据多径阴影衰落参数模拟计算信号的多径衰落并加载于子信号中；

根据多径阴影衰落参数模拟计算信号的阴影衰落并加载于子信号中；

将经过功率衰减、多径衰落及阴影衰落的N路子信号进行叠加形成第二信号。

相比于现有技术，本发明卫星信号模拟器及其实现方法具有如下有益效果：

(1)通过设置卫星负载模块来模拟实际中的卫星内部行波管放大器对信号造成的非线性失真这一因素，提高了卫星信号模拟器工作的准确度及数据可靠性；

(2)通过对多径阴影衰落参数设置，既可以是窄带平坦衰落，也可以模拟宽带频率选择性衰落，使模拟的信道模型种类更加多样化。

(3)通过对硬件部分中各个模块数据进行采集和分析处理，并将处理结果通过PC人机界面进行显示，可直观方便地观察相应模块对信号的影响，为系统进行设计和优化提供了良好的基础。

综上，本发明卫星信号模拟器及卫星信号模拟方法使得模拟的信道模型种类更加多样化，操作方便直观，提高了卫星信号模拟器工作的准确度及数据可靠性。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。