（通信与信息系统专业论文）实时信道模拟系统中关键技术的研究与实现.pdf

电子科技大学硕士论文 摘要 卫星移动通信系统已经成为当前通信领域中发展非常迅速的研究方向和现 代化通信强有力的手段之一。 在卫星移动通信系统的研究开发、 工程设计中， 卫 星通信信道传播特性的研究是最重要的因素之一。 本文介绍了研究卫星移动通信信道模拟器的理论分析和硬件制作。 我们的工 作流程是:首先立足于理论分析和软件仿真，然后应用于具体的硬件实现。 本文包含有以下的主要内容: 介绍了卫星轨道、 卫星星座及卫星信道传播特性的概念，以及卫星移动通 信信道传播特性研究中几种常用的概率分布、信道模型。 系统地讨论了中频卫星信道模型器设计的思想及其方案。 给出了本设计的 技术指标和参数、系统总体与框图。 系统地讨论了本设计的硬件实现方案。 介绍了系统时钟设计， 滤波器设计， 噪声设计。 给出了f p g a设计、实现与调试过程。 关键词:卫星移动通信， 信道传播特性，典型信道模型，a / d , d / a ,滤波器， 噪 声 .f p g a 电子科技大学硕士论文 abs tr act s a t e l l i t e m o b i l e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m h a s b e c o m e o n e o f t h e g a l l o p i n g c o m m u n i c a t i o n r e s e a r c h f i e l d s a n d a u s e f u l m e a n s o f m o d e rn c o m m u n i c a t i o n . d u r i n g t h e w o r k o f s t u d y i n g , p l a n n i n g a n d d e s i g n i n g m o d e r n m o b i l e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s w h i c h a r e b a s e d o n s a t e l l it e s , t h e s t u 勿o f p r o p a g a t i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s a t e l l i t e m o b i l e c h a n n e l i s o n e o f t h e m o s t i m p o r t a n t f a c t o r s . i n t h i s d i s s e r t a t i o n , w e g a v e t h e t h e o r e t i c a l a n a l y s e s a n d t h e m a n u f a c t u r e o f h a r d wa r e o f t h e s a t e l l i t e mo b i l e c h a n n e l s i mu l a t o r . we f i r s t d i d t h e wo r k o f t h e t h e o r e t i c a l a n a l y s e s a n d s o f t w a r e s i m u l a t i o n s , a n d t h e n w e a p p l i e d t h e c o n c l u s i o n s t o t h e wo r k o f h a r d wa r e s i mu l a t i o n o f l u t z mo d e l . t h e ma i n c o n t e n t i n t h i s d i s s e r t a t i o n i n c l u d e s : t h e c o n c e p t a b o u t s a t e l l i t e o r b i t s 、c o n s t e l l a t i o n s a n d t h e p r o p a g a t i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f s a t e l l i t e m o b i l e c h a n n e l s w e r e i n t r o d u c e d . t h e t h e o r e t i c a l a n a l y s e s a n d d i s c u s s i o n o f m o d e l s w h i c h a re o ft e n u s e d i n t h e s t u d y o f t h e p r o p a g a t i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f s a t e l l i t e m o b i l e c h a n n e l s w e r e g i v e n . t h e i d e a a n d t h e o r y o f i f s a t e l l i t e m o b i l e c o m m u n i c a t i o n c h a n n e l m o d e l w e r e d i s c u s s e d . h o w t o c a r ry o u t t h e p r o j e c t o f h a r d w a r e w e r e d i s c u s s e d . we d i s c u s s e d s y s t e m t i m e r d e s i g n , f i l t e r d e s i g n a n d n o i s e d e s i g n t h e d e s i g n a n d t h e m a n u f a c t u r e o f f p g a w e r e g i v e n . k e y w o r d s : s a t e l l i t e m o b i l e c o m m u n i c a t i o n , p r o p a g a t i n g c h a r a c t e r i s t i c o f c h a n n e l , m o d e l o f c h a n n e l , a / d , d / a , f i l t e r , n o i s e , f p g a 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。 据我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地 方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名: i 湘 日期:; 月/i t 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了 解电子科技大学有关保留、 使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权电 子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名: 但矛涎一导师签名: 日期: w z 年 电子科技大学硕士论文 第一章引言 1 . 1卫星移动通信简介 卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站， 转发或反射空间电磁波 ( 称之 为无线传输信道或无线接收信道) 来实现信息传输的通信技术。 卫星移动通信系 统是指利用卫星转接实现移动用户间、 或移动用户与固定用户间的相互通信。 卫 星移动通信有许多优点:1 .覆盖范围广，可以实现不同卫星覆盖区内移动台之 间相互的通信，这一全球区域无缝隙覆盖的能力是其他任何通信方式所不具备 的;2 .频带宽， 传输容量大;3 . 能够承载多种业务; 4 .机动性好， 受地理位置 的限制较小，直接通信范围可到达海洋、山区， 城市、农村;5 .通信可靠性高、 质量好、 稳定; 6费用与距离无关;7 有多址能力，组网灵活; 8 ，可实现区域 及全球个人移动通信。 卫星移动通信的核心，是要保证用户( 载体) 在运动中实现可靠的通信。 为此，目前，迫切需要解决一系列的关键技术: ( 1 ) 卫星向覆盖区提供高的e 工 r p ( 等效全向 天线发射功率) ，以 满足大量低c / t 值的移动台的需要。由于转发器功率放大器输出有限，采用多个高增益窄波 束构成蜂房状的覆盖，是解决此问 题的有效途径。 ( 2 ) 抗衰落技术:电波传播情况复杂，系统是在非高斯信道中工作的。由 于 移动台采用低增益( 方向性弱) 的天线， 并且在移动中通信， 多径效应和大的多普 勒( d o p p l e r ) 效应是不可避免的. 分集技术、 纠错技术、 合适的调制解调方式等， 都是抗衰落的有效措施。为进一步提高其效果，这些技术仍需继续开发和创新。 ( 3 ) 网络管理与控制: 移动卫星通信系统的特点之一是大量用户共享有限的 卫星功率与频率资源， 以及由于快速移动着的卫星覆盖区之间的连续切换， 为此 需要有一个高效而灵活的网络结构、 信道申请与分配方式、 与地面网络的接口 等。 ( 4 ) 射频技术:适应各类移动台结构要求的天线、高稳定度的频率源、高效 率的功率放大器等， 都是值得进一步研究的问 题。 ( 5 ) 星座设计:卫星星座由许多颗卫星组成，它们能覆盖全球，在地面形成 连续的蜂窝， 使地面的用户都能看到一颗或几颗卫星。 要保持用户终端采用结构 简单和低功率的发射机就能工作，轨道选择至关重要。 近j 匕 年来，地面移动通信发展迅速， 但地面网络的覆盖范围有限， 集中在城 电 子科技大学硕士论文 市地区。 而通信的发展趋势是要实现真正的个人通信，即在任何时候、 任何地点 与任何人进行任何种类的通信。 因此要实现这一目的， 还需大力借助卫星移动通 信系统。 卫星通信是国内、 国际通信中十分重要的提供骨干网干线电路的三大信 息网传输基础设施之一，具有地面微波通信、光纤通信不可替代的优势和作用， 三者互相配合，合理组织，构成一个经济效益较佳、 安全、 可靠的宽频带、 数字 化、 多媒体的现代化传输网。 移动通信卫星由于其覆盖范围广， 不仅可以弥补地 面蜂房网的不足， 而且可以为广大的边远地区提供方便有效的通信手段， 因此移 动通信卫星系统将在2 1 世纪的个人通信中扮演重要的角色。 1 . 2国内外研究现状 目 前， 在对卫星移动通信信道的传播特性的研究中有3 类分析模型被用来描 述卫星移动通信信道的传播特性; 即: 经验模型、 几何分析模型、 概率分布模型 ( 文献1 1 1 ) 。 其中， 经验模型可以描述出对重要参数的敏感度， 但不能揭示传播 过程的物理本质: 几何分析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， 但需将结果进行扩展且分析过程比较复杂: 概率分布模 型建立了对传播过程的理解，对实际情况作了简化假设，其分析过程比较简单， 物理意义比较直观。因此， 在对卫星移动通信信道传播特性的 研究中， 通常采用 概率分布模型来研究信道的传播特性。 常用的卫星移动通信信道传播特性的概率分布模型有:c . l o o模型 ( 文献 2 ) , c o r a z z a 模型 ( 文献 3 )和l u t z 模型 ( 文献 4 1 ) 。这三个典型的概率分 布模型都是根据信号在传播路径上受到的遮蔽情况来对 l波段的卫星移动通信 信道的传播特性进行建模的。 其中， c . l o o 模型假设接收信号中只有直射信号分 量受到阴影遮蔽的作用而多径信号分量不受阴影遮蔽的作用， 因此该模型又称为 部分阴影信道模型; c o r a z z a 模型假设接收信号中的直射信号分量和多径信号分 量同时都受到阴影遮蔽的作用，因此该模型又称为全阴影信道模型;而l u t z 模 型将卫星移动通信信道分为两个状态 好状态 和 坏状态 ， 当信道为 好 状态 时接收信号中的直射信号分量和多径信号分量均不受到阴影遮蔽的作用而 当信道为 坏状态 时接收信号中只有受到阴影遮蔽作用的多径信号分量且不存 在着直射信号分量，因此该模型又称为两状态信道模型。尽管 c . l o o模型、 c o r a z z a 模型和l u t z 模型都是对l 波段的卫星移动通信信道的传播特性进行建 模的，但这三个模型相互之间是有差异的: c . l o o 模型和c o r a z z a 模型是从接收 电子科技大学硕士论文 信号包络的角度而 l u t z模型是从接收信号功率的角度来对信道进行建模的; c . l o 。模型只适用于乡村信道环境而 c o r a z z a 模型和 l u t z 模型均适用所有的信 道环境 ( 乡村、郊区和城市) 。由于c . l o o 模型和c o r a z z a 模型在分析和软、硬 件仿真实现时比l u t z 模型要简单得多，因此国内外学者在对卫星移动通信信道 进行建模时通常都选用这两个模型( 文献 1 一 4 1 , 6 1 , 7 1 , 9 1 , 仁 1 2 2 6 1 ) , 因此对这两个模型研究得比较多而对l u t z 模型的研究就很少。 1 . 3本文研究的课题和课题来源 卫星移动通信信道的传播特性是影响卫星移动通信系统的服务质量的一个 重要因素， 用l u t z 模型研究该 特性较为实用，目 前理论研究和仿真实现己告一 段落，我们的课题是研究并制作低轨卫星信道模拟设备， 通过研究，将完成低轨卫星信道模似器设备样机一件， 以 供相应的科研使用。 提交有关技术文件 1 . 4论文结构安排 第二章介绍卫星运动的基本规律、卫星信道传播特性以及 l u t z模型和相关 概率分布函数。 第三章介绍中频卫星信道模拟器。首先说明整个设计的思想，说明设计思想 的可行性，最后说明本设计的技术指标和参数、系统总体与框图。 第四章主要介绍中频卫星信道模拟器的时钟设计与实现。 第五章介绍设计中用到的滤波器设计。 第六章讨论数字噪声发生器。 第七章是v h d l , f p g a介绍及f p g a的硬件实现部分。 第八章是全文总结 电子科技大学硕士论文 第二章卫星移动通信信道模型 2 . 1卫星移动的基本规律 卫星围绕地球运行， 它的运动轨迹叫卫星轨道。 一个卫星移动通信系统究竟 采用哪种卫星轨道， 取决于系统的覆盖区域、 服务业务、 管理方式和投资强度等 因素，是系统可行性研究与论证阶段要解决的问题。 无论卫星运动的轨道如何， 卫星的运动总是服从万有引力定律。 该定律指出: 任何两个物体之间都存在着引力， 其大小与物体的质量乘积成正比， 而与物体之 间的距离平方成反比。 根据万有引力定律， 可以导出卫星运动的三定律，即开普 勒三定律。开普勒三定律揭示出了卫星受重力吸引而在轨道平面上运动的规律。 牛顿的万有引力定律和开普勒三定律是计算卫星运行轨道的理论基础， 并由 此导出卫星运行的轨道参数。 按卫星轨道形状、 倾角、 高度、 运转周期的不同， 可把卫星分为不同的类型。 按卫星轨道形状，可分为圆形轨道和椭圆形轨道两类。 按卫星轨道面对赤道的倾角， 可分为3 类轨道: 轨道面与赤道面重合的赤道 轨道: 轨道面穿过南北两极垂直与赤道面的极轨道; 轨道面倾斜于赤道面的倾斜 轨道。 如图2 - 1 所示同步轨道是赤道轨道， 非静止轨道则可以是3 种轨道中的一 年 中 。 极孰道 北极倾科杭班 图2 - 1倾角不同的卫星轨道 电子科技大学硕士论文 卫星环绕地球运转一周， 所需的时间叫卫星运行周期。静止卫星的运行周期 为2 3 小时5 6 分4 秒。 按卫星运行轨道距地面的高度可分为静止轨道 ( g e o ) 和非静止轨道。 g e o 卫 星系统由于其覆盖面积广， 原则上， 只需三颗卫星适当配置， 就可建立除地球两 极附近地区以外的全球不间断通信。 非静止轨道又可分为中轨道 ( m e o ) 、 低轨道 ( l e o ) 和长椭圆轨道( h e o ) 。 其划分方法是以 环地球赤道延伸至南北纬4 0 。一 5 0 “地区的高能辐射带为界，如图2 - 2 所示。图中两个辐射带叫范， 艾伦带 ( v a n a l l e n b e l t ) 。范 艾伦带由高能电子和质子组成，是地球磁场从太阳风中俘获 并禁锢而成的。 其内带粒子密度高、 辐射强度强且稳定， 外带辐射较弱且界限比 较模糊。这些高能粒子撞击卫星会产生 x 一 射线和附加的高能粒子。高能粒子穿 透力很强， 对人造卫星电子设备损害极大， 在带内进行防护是不现实的， 卫星在 这个区域只能存在几个月，因此必须避开。 一般认为，内带在1 5 0 06 o o o k m 或 8 o o o k m ，外带在 内困， 艾伦. 图2 - 2 卫星轨道高度的划分 1 5 0 0 02 0 o o o k m ( 或2 5 o o o k m ) ，这就是说，1 5 0 0 k m以 下，8 0 0 01 2 0 0 0 以 及 2 0 o o o k m以上是安全的，这就得出了相应的低、中、高轨道卫星。中轨道( m e o ) 卫星运行在内、外范 艾伦带之间的轨道上，虽然 m e o卫星遭受辐射强度约为 g e o 卫星遭受强度的2 倍。 但可用电防 护措施进行防护， 并可使用防辐射的电 子 部件。 另外， 在靠近地球南、 北极地区，由于这些地区所处的纬度高，利用静止卫 星通信有困难， 可采用有一定倾角的椭圆轨道( h e o ) 。 例如， 俄国“ 闪电” 卫星， 它所采用的就是远地点在北半球上空、周期为1 2 小时、 倾角为6 5 。的扁椭圆轨 道。其远地点距地球表面约4 0 o o o k m ， 近地点约5 0 0 k m ，如图2 - 3 所示。 图2 - 3 按比 例画出了地球与卫星轨道的相对关系。其中0 - 1 2 各个数字表示 从近地点开始卫星在轨道上各个小时的位置。 非静止轨道可按轨道高度和形状分为高轨道斜椭圆轨道 h e o ) ， 中高度轨道 电子科技大学硕士论文 ( m e o ) 和地地球轨道 ( l e o ) 等类型， 其共同特点是这些轨道上的卫星对地不断 运动。 作为陆地移动通信系统的补充和扩展， 将其与地面公共网( p s t n ) 有机的结 合，便能实现全球个人移动通信。 图2 - 3“ 闪申 ”卫星轨道示竟图 与静止轨道卫星系统相比， 它显示了很大的优越性: ( 1 ) 中、 低轨道卫星系统轨 道高度仅是静止轨道的 1 / 2 0 -1 / 8 0 ，所以 路径损耗小几十分贝，收、发信机 功率低，因而可使终端做到手持化， 用户使用十分便捷。 而过去静止轨道卫星为 了克服路径损耗要求卫星天线尺寸和发射功率必须足够大， 同时也相应要求移动 用户必须使用较大体积和较大功率的终端， 否则，无法达到所要求的e i r p 值和 g / t 值。 ( 2 ) 通信延迟时间短，静止轨道系统传输延迟 2 5 0 -2 7 0 m s ，中轨道系 统延迟7 0 -8 0 m s ， 低轨道系统传输延迟只有5 -l o m s ， 这对实时通信所需的时延 要求是十分有利的。( 3 ) 中、低轨道卫星可以覆盖到静止轨道卫星系统的覆盖盲 区一两极地区， 使得在这些地区的许多特殊业务得到可靠、 有效的通信， 真正实 现全球无缝隙覆盖。 ( 4 ) 随着小卫星技术的提高， 成本也将降低。 但由于运转周 期和轨道倾角关系，中、 低轨道卫星相对于地球上的观察者不再是静止的了， 为 了保证在地球上任一点实现 2 4小时不间断的全球个人通信，必须精心配置多条 轨道及一大群具有强大处理能力的通信卫星。 这样一个庞大而又复杂的空间系统 要实现稳定可靠的运转， 涉及到技术上和经济上一系列难题。 例如， 卫星运行寿 命短， 组网技术和控制切换等比较复杂， 投资高，风险大，目 前在经济成本方面 还不是处于最优势地位。 另外按卫星的运转周期及卫星同地球表面上任一点的相对位置关系， 卫星还 可分为同步卫星和非同步卫星两类。 电 子科技大学硕士论文 在卫星移动通信中，不同的无线收发信机各自 建立了各自不同的无线传输链路， 这些不同种类的无线链路，由于频率和传输环境不同，表现出各种不同的特点。 综合起来，卫星移动通信系统中主要包括以下几种类型的无线传输链路: ( 1 ) 卫星移动通信终端与卫星间的链路移动链路( 用户链路) 。 ( 2 ) 地面固定设施( 包括关口站、卫星测控和网络操作中心等) 与非 g e o卫星 间的链路馈线链路。 ( 3 ) 地面固定设施与 g e o 卫星间的链路( 也称为馈线链路) 。 ( 4 ) 卫星之间的链路星际( 间) 链路。它可以是无线电链路，如k a 频段， 也可以是光( 激光) 链路。 在链路( 1 ) 和( 2 ) 中， 由于收发终端之间存在较大相对运动， 因而无线电波的 传播比较复杂，尤其是多径现象比较严重。而在链路( 3 ) 中，收发终端之间相对 静止， 收发终端之间的直视路径起主要作用， 接收的信号强度起伏不大， 无线电 波的传播相对简单。而在链路 ( 4 )中，电波的传输环境是地球周围的空间，收 发终端之间除直视路径外， 几乎不存在其它路径。 而仅存在由收发终端相对运动 引起的多普勒频移。因而链路 ( 4 ) 较链路 ( 1 ) , ( 2 ) , ( 3 )更稳定可靠。 2 . 2 . 2 传输损耗 在研究传输损耗时， 常常考虑的有大气层、雨、云等对电波信号的损耗、大气气 体对电波信号的吸收损耗、树木遮挡损耗、多径衰落、多普勒频移及传播噪声。 在本设计中，我们主要关注多径衰落、多普勒频移及传播噪声。 多径衰落 卫星移动通信中， 从一个发射端发出的信号电波在从发送到接收的传播过程 中， 会由于在其传播路径上存在建筑物、 树木、 植被、 起伏的地形、 海面和水面 等因素而引起信号电波的反射、 散射和绕射， 使得到达接收站的信号不是从单一 路径传播来的， 而是从许多条路径传播来的众多反射电波的合成。由于信号电波 通过的各条路径的距离不同， 因而由各条路径传播来的反射电波到达接收端的时 间不同， 相位也不同。 不同相位的多个信号电波在接收端进行迭加， 有时是同相 迭加而增强， 有时是反相迭加而减弱， 从而使接收端的信号幅度急剧起伏， 这就 产生了多径衰落， 它是一种快衰落。 在卫星移动通信过程中，由于用户端移动站 的天线一般较矮和较小且几乎没有方向性， 移动站会接收从各条传播路径而来的 电 子科技大学硕士论文 信号电波， 因 此， 卫星移动通信中的信号电波必然会受到多径衰落的影响。 我们 称对传输信号造成多径衰落的信道为多径衰落信道。 在时域上，多径信道用其冲击响应h ( t , r ) 来描述。当传输信号x ( t ) 经过信道 h ( t , r ) ，则接收到的信号为 ， (，) 一 x (t) . h (t, r ) 一 工 . x ( r ) h (t ,， 一 : )d r ( 2 - 1 ) 多普勒频移 当无线电波收发终端沿它们二者径向相对运动时， 接收端收到的频率相对于 发送端会发生变化， 这种现象称为多普勒效应。由 这种现象产生的这个附加频率 变化量( 频移) 称为多普勒频移。 由于卫星移动通信中卫星相对地球总是处于运动 中( g e o 卫星存在摄动和漂移) ， 因此，多普勒频移广泛存在于任何两个进行无线 通信的收发终端之间， 其大小取决于卫星和用户之间的相对运动速度和位置关系 以及发射频率。 多普勒频移可按下式计算 儿= f 0 0 v d l c ( 2 - 2 ) 式中，f o 为工作频率:。 。 为收发终端之间径向相对速度;c为光速， c = 3 x 1 护m / s 。可见，工作频率越高或者径向 速度越高，多普勒频移就越大。 图2 - 5 显示了 在卫星可见窗口内最大仰角分别为1 2 0 , 3 0 0 , 5 0 0 , 7 0 0， 9 0 。时的多普勒频移曲线( 最小可见仰角为 1 0 0) 。从图中可以看出，多普勒曲 线基本上成 s 型，当用户终端观察卫星的仰角越大， 卫星可见窗口就越长， 多普 勒频移的变化范围和变化速度就越大。 在地面的用户终端刚看见卫星从地面升起 时， 地面用户终端有最大正值多普勒频移: 卫星通过仰角最大点时，多普勒频移 为零; 卫星消失时， 地面用户终端有最大负值多普勒频移。 另外， 我们还可推出， l e o 卫星的轨道高度越低，卫星飞行速度越快，多普勒频移也就越大。 如果两个 发射频率之间的频率间隔不够大 ( 小于最大可能的多普勒频移) ，则接收端就会 产生相互干扰。 电子科技大学硕士论文 x t o , 2 . 3 r- - -1.j 月 一j_月二 r -7 .4 l， l . l _ _ _ _ 弓 舞9001 - 7 : i7- 一:一 下 气 .1 巨_ 1红 一二 1- .门 . 一 _ _ 二 二 一 二 _ _ _ 一一 : 一一 : 1 _ _ _ _ 一飞 .， . . . . . 门 . 月 1 二 1一 1 生 _ _ 、 、 : 入、 _于 .， . . . . . 二 二 . 口. . . .门 . 二 二 阅 . . . i. 吐.) - 一 一飞 1 - - 二， 味翻 l. 1 一 一芥 双 尸一， 卜. l. 1 -. .， . . . . 二 二) 一 r ， .4 1 奋 - ! .l .! r - - - 1 1 - 一 气 .( .一， i 1 - 二 址_翻 二月 .且1 r.尸 ， 二1 一 卜 - 一福 .1月 l_k_ i 1 1 ， i 口 il1 .1 i月 l_ _ _ 1 一 万 一 ! . . . . 吮 . . . . 二i l】 - 一 一i 0万人，硬jq少口， .叮: ，由.孟in01几.人 -1一 普史喊 一2. 0 -2 . 5 一 4 0 0 一 3 0 0 ,一 2 0 0 一 ! 0 0 0 日 / . 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 图2 - 5 在卫星可见窗口内不同最大仰角时的多普勒频移曲 线 当移动台相对于静止的基站以速度 v 运动， 到达的入射波与运动方向的夹角为 0 时，则此入射波的多普勒频移为 i v = 面 c o s 口( 2 - 3 ) 其中，x 为电波的波长， 记为f. . = 卫 为 最 大多 普 勒频 移。 几 传播噪声 传播噪声是指卫星、 卫星移动通信终端、 关口 站、 卫星网络和测控中心等接 收机天线收到的电波传播环境产生的噪声， 包括太阳系噪声、 宇宙噪声、 大气噪 声、 降雨噪声、 地面噪声和干扰噪声等。 实际上， 接收机输入端的噪声除了由 接 收系统( 包括接收机、 天线及馈线) 的外部环境因素引起的传播噪声外， 还有接收 系统本身的内部噪声。 图2 - 6 给出了接收系统内、 外噪声的来源。 传播噪声的大 小 可以 用 天 线的 等效噪 声 温 度t a 来 表 示。 太阳系噪声是指太阳系中的太阳、 各行星及月亮辐射的电磁干扰被天线接收 而形成的噪声， 其中， 太阳是最大热辐射源。 天线等效噪声温度中太阳在静寂期 间所提供的部分为 t i.= _ gt 4 . 8x1 6 一 ， - -2 -( 2 - 3 ) l 1 0 电 子科技大学硕士论文 噪声) 图2 - 6 地球站接收系统的噪声来源 式中， g 是覆盖太阳圆 盘那一 部分天线 波束的 增益平均值; l 是传播路径中 除自 由 空 间 传 播 损 耗 以 外 的 各 种 衰 减 性 损 耗 ; t q 是 太 阳 在 静 寂 期 的 噪 声 温 度 。 宇宙噪声是外空间星体的热分布及分布在星际空间的物质辐射所形成的噪 声。 这噪声在银河系中心的指向 上达到最大值( 称为热空) ， 而在天空其他部分的 指向上则是很低的( 称为冷空) ，它是频率的函数。在 1 g h z以下时是传播噪声的 主要部分。 电离层和对流层不但对电 波产生损耗，而且也因产生电磁辐射而形成噪声。 其中主要是氧气和水蒸气构成的大气噪声。大气噪声是频率和仰角的函数。 降雨、云和雾在产生电波损耗的同时， 也产生噪声， 称之为降雨噪声。 它同 雨量、频率、天线仰角有关。 从卫星向地球看，平均噪声温度约为 2 5 4 k ，是一个热辐射源。由于卫星天 线 对 准 地 球 ， 因 而 地 球 热 噪 声 是 t q 的 一 个 重 要 组 成 部 分 。 干扰噪声包括来自 其他通信系统，主要是同频段的卫星( 移动) 通信系统和 同频段的微波中继系统的干扰噪声及人为干扰噪声。 干扰噪声的大小同干扰的功 率、干扰电波的传播环境，收发天线的增益的方向图函数等许多因素有关。 2 . 3卫星移动通信信道模型 与远距离的光纤、电缆、微波中继线路通信和无线短波通信等通信方式相 比，卫星移动通信由于具有覆盖面广、 通信距离远、通信频带宽、传输容量大、 适用于多种业务传输、 可进行多址通信、 传输质量高以及既可为固定终端又可为 电子科技大学硕士论文 车载、 船载、 机载和个人终端提供通信等一系列的突出特点而成为现代军用和民 用通信中的重要手段。 不管是在军用还是在民用环境下， 卫星移动通信信道的传 播特性是一个必须研究和解决的首要问 题。 由于在实际的卫星移动通信过程中用 户与卫星之间存在着相对位移、 多径效应和阴影遮蔽等因素的影响， 使得卫星移 动通信信道具有复杂的时变特性， 从而引起信号电平的深度衰落和码间串扰， 导 致接收端的误码率增大， 使通信质量恶化， 甚至使通信中断。 尽管研究信道传播 特性对卫星移动通信系统可靠性和有效性影响的最好办法是在实际的通信环境 下对信道进行测试和分析， 但由于各种现实条件的限制， 要随时随地的对实际的 卫星移动通信信道进行测试常常是不可能实现的; 所以采用能够很好反映卫星移 动通信信道传播特性的模型是通常使用的解决方法。 2 . 3 . 1自由空间传播模型 自由空间传播模型用于预测接收机和发射机之间是完全无阻挡的视距路径 时的接收信号场强。卫星通信系统和微波视距无线链路是典型的自由空间传播。 与大多数大尺度无线电波传播模型类似，自由空间模型预测接收功率的衰减为 t - r 距离的函数( 幕函数) 。自由空间中距发射机d 处天线的接收功率，由f r i i s 公式给出 君( d ) =p , g , g , , v ( 4 ; r ) 2 d z l ( 2 - 4 ) 其中 ， p , 为 发 射 功 率 ; p , ( d ) 是 接 收 功 率， 为t - r 距 离 的 函 数; g ， 是 发 射 天 线增益:g ， 是接收天线增益;d 是t - r 间距离( m ) ; l 是与传播无关的系统损耗 因子;x 为波长( m ) 。由式( 3 . 1 ) 自由空间公式可知，接收机功率随t - r 距离的 平方衰减，即接收功率衰减与距离的关系为2 0 d b / 1 0 倍程。 各方向具有相同单位增益的理想全向天线， 通常作为无线通信系统的参考天 线。e 工 r p 可定义为 e i r p = 只 g , ( 2 - 5 ) 表示同全向天线相比，可由发射机获得的在最大天线增益方向上的最大发射功 率。 实际上用有效发射功率( e r p ) 代替e i r p 来表示同半波偶极子天线相比的最大 发射功率。由于偶极子天线具有 1 . 6 4 d b的增益( 比全向天线高 2 . 1 5 d b ) ，因此 对同一传输系统，e r p t 匕 e i r p 低2 . 1 5 d b a 电子科技大学硕士论文 2 . 3 . 2三种典型信道模型 在卫星移动通信中，自由空间传播模型并不适用。目 前，在国内外研究中常 用的卫星移动通信信道传播特性的概率分布模型有:c . l o o模型、c o r a z z a 模型 和l u t z 模型。它们常用于选择高效的调制/ 解调方式、多址访问方式、信道编码 方式和预测接收端的误码率。 c . l o o 模型又称部分阴影模型， 该模型适用于乡村有阴影遮蔽的环境， 接收 信号的包络r 服从 r i c i a n 分布。 c o r a z z a模型又称全阴影模型，原则上讲，只需调整相应的模型参数，该模 型可适用于所有的环境。 l u t z 模型又称两状态模型，该模型适用于不同的环境 ( 城市、 郊区、乡村公 路和高速公路) 。 2 . 3 . 3 l u t z 模型及相关概率分布 l u t z 模型将卫星与地面终端之间的信道环境分为两种状态: “ 好状态” 和“ 坏 状态” 。 在“ 好状态，信道中， 不存在阴影遮蔽效应， 接收信号的包络r ( t ) 服从r i c i a n 分布，其概率密度函数: f , ( r ) = a 2 e _ ， r 2 + z 2 、 t ， r z 、 x p l -一 . , 一 z 一 1 0 l 丫 2 ) l a;仃1 ( 2 - 6 ) 令s 为接收信号的功率，则s = r 2 ，有s 的概率密度函数 人( s ) , = f , ( f s- )i(,is- ),i 1， + : ， 、 ， , z 石、 l a y 6 u , o , ( 2 - 7 ) 令c 为归一化 r i c i a n 因子，则: 1 “ - 2 a 2 ( 2 - 8 ) 所以在 好状态 下接收信号功率: 的归一化概率密度函数为: f ;- r,c- (s ) = c e x p - c (s + 1)y, 12 c s ( 2 - 9 ) 电子科技大学硕士论文 而在坏信道中，由于受到阴影遮蔽， 不存在直射波信号分量， 接收信号的包 络服从r a y l e i g h - l o g n o r m a l 分布; 在阴影遮蔽一定的条件下， 包络服从r a y l e i g h 分布，其概率密度函数为: f . ( r l阴 影 一 定 ) = rj r 二 万e x p . - - 2 a2 仃2 ( 2 - 1 0 ) 令s 为 接收信号的功率，s 。 为短时 平均接收功率， 则: s =r 2r ( 2 - 1 1 ) s o = 2 o -璧 又因 为 阴 影一定 等 效于 s 。 不 变 ， 所以 在阴 影 遮蔽 一 定的 条 件下， : 的 概 率密度函数为: 人 (s l阴 影 一 定 ， 一 f (s is o ) 一 人 (石 一， 。 ) 止 e x p ( 一 二 ) s o s o 服从l o g n o r m a l 分布 ( 2 - 1 2 ) 受到阴影遮蔽的作用其概率密度函数为 f , ( s o ) = 1 0 a i n 1 0 沂 荡 ( 1 0 l o g s 。 一 u ) 2 2 6 2 ( 2 - 1 3 ) 所以在 坏状态下接收信号的功率s 的概率密度函数为 f .1- 。 一 :, (s ) = f f ( s ls o )f o (s o )d s o 1 0 = a in 1 0 -nf 2 万 z ex ; 一 二 - “s o l s o ( 1 0 1 o g ,o s 。 一 u ) 2 2 a2 ( 2 - 1 4 ) 为了反映在通信过程中用户所处的信道状态时好时坏， 则令 a 为阴影遮蔽的 时间百分比，则由公式和可得出总的接收信号的功率s 的概率密度函数为: f ,. ( s ) = ( i 一 a ) f ,一 二( s ) + a f ,_ 、 一 : x ( s ) ( 2 - 1 5 ) 公式可视为l u t z 模型的理论公式。 综上所述，影响低轨卫星移动通信信道特性因素有:多径干扰、阴影遮蔽、 多普勒频移及加性高斯白噪声等。由于多径效应、 遮蔽效应及高斯噪声是随机变 化的， 故用户所接收信号的幅度和相位也是随机变化的， 它们服从一定的统计规 律。 研究与统计表明， 多径和遮蔽所造成的衰落大多数情况下可近似为乘性衰落， 而高斯白噪声是加性的，于是可以构造卫星通信的信道模型为: 电子科技大学硕士论文 图 2 一7 在不同条件下低轨卫星通信信道的乘性衰落是具有如下统计特性: 1 ) r a y l e i g h 信道。当 用户接收到的信号; ( t) 中没有直射分量而只有多径分量时， 其信号幅度服从 r a y l e i g h分布，相位服从 0 , 2 n 的均匀分布。其中幅度 r ( t ) 一 俪不 藏 而( 其 中 、 (t) 和 。 =(t) 为 两 正 交 的 高 斯 过 程 ) ; 2 ) r i c e a n 信道， 当用户接收到的 信号; ( t) 中 包括直射分量和多径分量时， 其信号 幅度服从 r ic e a n分布，相位服从 0 , 2 n 的均匀分布 。 r ( t ) 一 了 ( a , ( t ) + k ) z + a ; ( t ) ( k 为r ic e a n 因 子 ， 即 直 射 分 量 功 率 与 多 径 分 量 功率之比) ; 3 ) r a y l e i g h对数正 态分布， 当 用户接收 到的 信号中 的 直射分 量被树木等障 碍 物 阻挡时， 其信号幅度服从 r a y l e i g h / 对数正态分布， 相位服从的均匀分布。 r ( t) 一 丫 ( y , ( t ) + a i ( t ) ) 2 + ( y , ( t ) + a , ( t) ) z ( y a( t) f fl y s(t) 为 正 交 的 对 数 高 斯 过 程 ) 。 多普勒频移取决于卫星和用户之间的相对运动速度和位置关系以及发射频率， 我 们可以用下式来给出: 叮 = ( 2 - 1 6 ) 其中， v 是用户移动速度，入 是载波波长。多普勒频移造成频率扩散的功率谱可 由下式给出: f (f ) 一 1 一 共f ,y , j m ( 2 - 1 7 ) 式中， f , 是载波频率， f m 是最大多普勒频移。 电子科技大学硕士论文 第三章中频卫星信道模拟器系统描述 3 . 1主要特性 低轨卫星通信信道数字实时仿真 中频( 7 0 mh z ) 实现，带宽4 m h z e 卫星高度: 频段特性: 2 0 0 - 1 5 0 0 k m 波段 s : (l. 1 . 1 2 - 2 . 2 ghz 2 . 2 - 3 . 9 5 ghz x: 7 . 2 5 - 1 0 . 9 5 g hz k u 二1 0 . 9 5 - 1 2 . 7 5 ghz k a : 2 0 -4 0 g h z ) 5 .用户地面环境:乡村、郊区 ( 含乡 村树木地区) 、 市区。 6 .随机特性:瑞利、莱斯和对数正态莱斯信道特性，多径、多普勒频移及衰落 等。 7 .接收功率统计特性实时图形显示。 8 ，卫星过程:升起时5 度、过顶和飞逝时5 度的全过程仿真，可外推至1 度。 9 ，可将信道特性 “ 凝固”在某一特定仰角仿真。 wi n d o w s 用户界面，友好方便。 3 . 2总体描述 本信道仿真系统在 7 0 mh z中频上实现。综合采用了数字实时处理技术与高 速大容量可编程逻辑技术。 低轨卫星通信链路的有关部分可等效于下图: 图3 - 1 本信道仿真系统等效于虚线框图部分，低轨卫星传输的损耗、噪声影响、多 电子科技大学硕士论文 径衰落、 多普勒效应、 遮蔽等各种随机特性与时变特性， 均在中频上数字实时仿 真实现。 本信道仿真系统按照标准的仿真方法， 并依据这种实际系统中的典型情 况，进行仿真实现。 载噪比c n r = c / ( n o x b ) ， 其中用到载波功率c 、噪声单边带功率谱密度 n o 与接收机带宽b ，而c还随卫星距离变化。按照卫星信号传播与链路预算理 论，传输方程为: c=e i r p一l + g ( 3 - 1 ) 其中， c : 载波功率; e i r p :有效全向 辐射功率;l :信号总衰减;g :接 收天线增益。 单位均为分贝值。 对于低轨卫星，由于距离是变化的， 如果上式指 过 顶时的 情况， 则 还需额外考虑l d 的自 由 空间 损耗: l d = 2 0 1 o g ( d / h ) 。 其中 ， d 为卫星距离，h 为过顶时的卫星距离. 低轨卫星通信信道的多径衰落、多普勒效应、 遮蔽等可以由相关统计模型很 好的描述。 对于要求的各种卫星星座参数、 过程、 频段、 环境及统计分布等， 均 有相关研究与统计结果。本信道仿真系统基于这些研究与统计结果进行。 系统总框图为: 系统参数设置、显示、控制与人机界面 卫星运行参 数实时计算 信道基础参 数实时计算 数 据 汇 集 、 统 lit i f f i 一与图示 统计参 数数据 多径衰落等实时i 算与信道模拟参i -一竹 - 电子科技大学硕士论文 第四章系统时钟设计 我们的 系统时 钟设计包括: ( d a d / d a 采样频率天， 该时钟频率由