（通信与信息系统专业论文）卫星信道模拟器的研究与设计.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 与传统的通信和传输方式相比，卫星通信在技术和成本上具有高可用性 和高性价比的优势。它可以确保在任何情况下，甚至在地面网络无法覆盖或 遭到破坏的情况下，能够及时、快速、可靠地提供通信服务，真正做到广域 无缝隙覆盖。目前为止，卫星通信已经成为现代通信的主要手段之一。 卫星信道复杂多变的特性严重的影响了卫星通信系统的性能。在进行卫 星系统的设计中，租用实际的卫星链路进行试验代价昂贵，能够模拟卫星信 道特性的模拟器可以作为卫星通信技术研究的有力工具。 本文首先讨论了卫星信道的传播特性以及常用的信道仿真模型，然后对 卫星信道星地链路的仿真、模拟器的硬件设计、f p g a 设计、模拟器验证逐 一进行研究。 文中利用m a t l a b s i m u l i n k 搭建了莱斯( r i c i a n ) 模型和陆地移动卫星 ( l m s ) 模型，通过对大量仿真结果进行统计分析，得到卫星星地链路的误码 特性。在此基础上，完成了卫星信道模拟器的设计。该模拟器在基带上模拟 实现了卫星星地信道的延时和误码特性。最后从信道模拟器本身的性能及由 其搭建的卫星通信网络性能两方面进行了测试验证，结果表明该模拟器性能 良好，运行稳定。 关键词：星地链路误码延时模拟器 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lc o m m u n i c a t i o na n dt r a n s m i s s i o nm o d e ， s a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o nh a st h e a d v a n t a g e so fs u p e r i o ru s a b i l i t ya n d p e r f o r m a n c e - t o p r i c er a t i oi nt e c h n o l o g ya n dc o s t i na n ys i t u a t i o n ，e v e ni nt h e p l a c ew h e r eg r o u n dn e t w o r ki sd a m a g e do ru n a b l e t ob ec o v e r e d ，s a t e l l i t e c o m m u n i c a t i o ni ss u r et o p r o v i d ec o r r e s p o n d e n c es e r v i c et i m e l y , q u i c k l y , r e l i a b l y , a n dt oc o v e rt h es e r v i c ep l a c es e a m l e s s l y os a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n ，h a s a l r e a d yb e e no n eo ft h em a i nm o d e r nc o m m u n i c a t i o ni n s t r u m e n t s t h ec o m p l e x i t ya n dc h a n g e a b i l i t yo fs a t e l l i t ec h a n n e ls e r i o u s l ya f f e c tt h e p e r f o r m a n c eo fc o m m u n i c a t i o ns a t e l l i t es y s t e m d u r i n gt h ep r o c e s so fd e s i g n i n g as a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，t h e r e n to f a c t u a ls a t e l l i t el i n k sf o r e x p e r i m e n t i s e x p e n s i v e t h e r e f o r e ，t h e s i m u l a t o rw h i c hs i m u l a t e st h e c h a r a c t e r i s t i c so fs a t e l l i t ec h a n n e lw i l lb eap o w e r f u lt o o li nt h er e s e a r c ho f s a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h ed i s s e r t a t i o ns t a r t sw i t hd i s c u s s i o no ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es a t e l l i t e c h a n n e lt r a n s m i s s i o na n dt h ec o m m o n l yu s e dc h a n n e ls i m u l a t i o nm o d e l s i t f u r t h e rg o e sw i t hr e s e a r c ho ft h es i m u l a t i o no fs a t e l l i t e g f o u n dl i n k ，t h ed e s i g n o ft h es i m u l a t o r ，a n dt h ev e r i f i c a t i o nt e s t i n go fs i m u l a t or - r i c i a nm o d e la n dl m sm o d e la r eb u i l tb ym a t l a b s i m u l i n ka n dt h e b i te r r o rs t a t i s t i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa r eg o tb ya n a l y z i n gt h em a s s i v es i m u l a t i o n r e s u l t s t h e n ，b a s e do nt h eb i te r r o rc h a r a c t e r i s t i c s 。t h es a t e l l i t ec h a n n e l s i m u l a t o ri sd e s i g n e d t h es i m u l a t o ri sa b l et os i m u l a t et h ed e l a ya n dt h eb i t e r r o rc h a r a c t e r i s t i c so nb a s e b a n da b o u ts a t e l l i t e - g r o u n dl i n k m o r e o v e r , t h e p e r f o r m a n c eo ft h es i m u l a t o ra n dt h es a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r kh a sb e e n t e s t e d ，t h er e s u l t sh a v ef u l l yd e m o n s t r a t e dt h es i m u l a t o r sr e l i a b i l i t ya n d s t a b i l i t y k e yw o r d s ：s a t e l l i t e - g r o u n dl i n k ；b i te r r o r ；d e l a y ；s i m u l a t o r 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，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，也不包含为获得西南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了谢意。 签名： 芽木粕堂 日期： 聊占7 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：郴罄翩签名：锄矽 日期砌4 7 夕夕 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1绪论 1 1 课题来源及研究意义 本论文研究的课题是卫星信道模拟器的研究与设计，是国家“8 6 3 ”专 项课题，要求于2 0 0 6 年1 2 月正式交付使用。笔者参与了其中的方案规划并 主要承担了卫星信道的链路仿真、模拟器的部分设计等工作。 卫星移动通信系统是卫星通信与移动通信相结合的产物，其特征在于利 用卫星作为空间中继站向分布在广大地理范围内的用户提供移动通信业务。 相对于陆地移动通信系统，卫星移动通信具有通信距离远、通信费用与距离 无关、覆盖面积大、不受地理条件限制、通信频带宽、传输容量大、适用于 多种业务传输等优点n ，。 与地面无线通信相比，卫星通信除了具备上述的优点之外，其信道具有 时延长、衰落特性复杂、多普勒频移和噪声明显等特点。卫星与终端之间的 通信链路成为传输路径中关键组成部分，其性能直接影响整个系统的通信质 量。 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。为了研究这些影响，就需要在一定传播 特性下进行实验。由于条件所限，不可能在设备研制的全过程都进行现场实 验，这在技术和经费上都有问题，所以采用能够较真实地反映卫星信道特性 的信道模拟器是一个较好的解决方法。 1 2 课题的国内外相关研究动态 国内外的主要研究途径集中在三个方面：i 建立数学模型的理论分析， 如常用的三种典型的概率分布模型一c l o o 模型“1 、c o r a z z a 模型“1 和l u t z 模型m m ；2 信道特性的仿真研究；3 进行实测，如美国n a s a 利用i n m a r s a t 、 l a r e c s - b 2 进行的低仰角、l 波段测试；欧洲e s a 的p r o s a t 计划，利用 i n m a r s a t 对市区、郊区和乡村地区和以火车为载体的移动信道进行的l 波 段测试，以及利用飞机进行的高仰角、s 波段测试；日本、澳大利亚利用e t s v 进行的测试等。 第1 、2 种方法着重于理论上的研究，而第3 种方法必须要利用卫星或 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 飞机进行实测，费时费力，特别是在预研阶段的前期研究中，进行搭载试验 是不可行的。由于条件的限制，在国内要想进行星载或机载试验，在技术和 经费上都有问题，所以，如果能够根据卫星信道的传播特性，研制出能够模 拟信道特性的模拟器来模拟链路中的多径、阴影遮蔽等特性对信号造成的影 响，将是一个较好的解决方法，有着重要的实际意义。 目前针对硬件信道模拟器，典型产品有： 美国d b m 公司的s l e ( s a t e l l i t el i n ke m u l a t o r ) 卫星链路模拟器，采 用1 4 0 m h z 中频信号接口，i o m h z 带宽，可以仿真卫星通信信道的延迟、损 耗、衰落、相移和多谱勒频移等信道特性。 d t r a 公司的a c s ( a d v a n c e dc h a n n e ls i m u l a t o r ) 高性能信道模拟器， 在4 0 m h z 的信号带宽上可以仿真5 0 d b 动态范围的r a y l e i g h 衰落，同时还包 括时延、多谱勒频移和频率选择性衰落等信道传输特性。 美国g l o c o m 公司的s c a t t8 9 0 6 终端设备测试器，包含中频b p s k 信源模 块和信道模拟器模块，将卫星通信环境分为海洋和陆地两类，采用r a y l e i g h 和r i c i a n 衰落模型，同时可以仿真相噪、多谱勒频移和高斯白噪声对信道 的影响。 澳大利亚电信研究所( i n s t i t u t ef o rt e l e c o m m u n i c a t i o n sr e s e a r c h ) 研制的m s c s - 1 移动卫星信道模拟器( m o b i l es a t e l l i t ec h a n n e l s i m u l a t o r ) 。m s c s - i 采用m a r k o v 过程调整信道模型的时变参数，模拟多谱 勒频移，仿真信号在信道中的直射、反射和散射现象。 此外，还有美国t a m p am i c r o w a v e 公司的系列产品、a e r o f l e x 公司的 c s 8 0 0 7 2 、a s c o m 公司的s i m s t a r ( c h a n n e ls i m u l a t o rf o rs a t e l l i t e t e r r e s t r i a la d v a n c e dr a d i o ) 、以及国内清华大学和电子科技大学研制的 卫星信道模拟器等。 以上信道模拟器的特点归结如下： 在轨道上，这些卫星信道模拟器大多可以实现低轨、中轨、同步轨道的 卫星信道仿真。 在所采用的信道衰落模型上，有l m s 、r a y l e i g h r i c i a n 、r a y l e i g h 模 型。 在仿真传输信号频段上，这些卫星信道模拟器大多在中频上仿真卫星信 道的衰落特性。将来的发展趋势会将中频搬到射频，同时基带上的仿真也存 在一定需求。 在仿真信道传输特性参数上，这些卫星信道模拟器大多可以模拟自由空 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 间损耗、多径、时延、加性高斯白噪声和多普勒频移对接收信号的影响。 1 3 课题研究的主要内容 本次研究的任务就是要探索一种能够较好地反映卫星星地链路特性的 信道模拟器实现方案，然后进一步实现之。 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。本文综合考虑自由空间损耗、环境噪音、多普勒频移等因素， 构建了卫星星地链路的仿真模型，并以此为基础完成了基带信道模拟器的设 计。 主要内容包括采用莱斯( r i c i a n ) 模型“一和基于广域环境下多状态马尔 可夫( m a r k o v ) 链的信道模型”，一陆地移动卫星( l m s ) 模型对卫星星地链路 的建模仿真，在此基础上完成了卫星信道模拟器的软硬件设计，最后通过大 量实验对该卫星星地信道模拟器性能进行测试验证。 i 4 论文结构安排 第二章：讨论了卫星信道的传播特性，对本文采用的两种卫星星地链路 的仿真模型一r i c i a n 模型和l m s 模型进行了简单说明，并给出两种模型下 接收信号包络的概率分布。 第三章：针对卫星星地链路的传播特性，建立了两种卫星信道模型，给 出了模型的建立与仿真实现过程，并对仿真结果进行分析研究，证明了模型 具有合理性。 第四章：在第三章的基础上，提出了一种卫星信道模拟器的设计方案。 硬件设计的核心部分为以太网接口板设计和信号处理板设计；f p g a 设计主 要包括误码模块、延时模块、交叉连接模块。最终在基带上完成了星地信道 模拟器的设计。 第五章：从卫星信道模拟器本身性能以及由其组成的卫星通信网络性能 两方面进行测试验证，结果表明该模拟器设计合理，性能可靠。 最后是全文总结。 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 2 卫星信道传播特性与信道模型 2 1 卫星信道传播特性 电波的传播特性影响着信号的质量和系统的性能，因此它是卫星通信系 统设计和线路设计时必须考虑的因素，下面对传播特性”m ，中一些基本的概 念给予介绍。 自由空间传播损耗 电波在传播过程中，能量将随着传输距离的增加而扩散，由此而引起的 传播损耗称为链路的自由空间损耗。 电波在自由空间传播时，其能量扩散到一个球面上，如采用定向天线， 则会在该方向上产生增益，到达接收点的信号功率为： 乓盟亟 ( 2 1 ) “ 工， 式中，g ，与g 胄为发射与接收天线增益。b 为发射功率，工，为自由空间 的传输损耗，定义为： 工p 甬2 ( 2 2 ) 其中，a 是无线电波的波长，d 为传播距离，工，通常用分贝( d b ) 表示， 当d 用k m 、，用g h z 表示时，可写为： l p 一9 2 4 5 + 2 0 1 9 d + 2 0 1 9 ( 2 - 3 ) 自由空间损耗是卫星一地面终端链路传播损耗的主要形式，还有其他一 些附加损耗，包括大气吸收损耗、雨衰，以及由于折射、散射与绕射。电离 层闪烁等引起的附加损耗。 阴影衰落 当信号电波在传播路径上受到建筑物、树木和起伏山丘等障碍物的阻挡 时会使电磁波信号产生衰耗，从而造成接收信号电平的下降。移动站在通信 过程中经过不同的障碍物的阴影时，信号电平会产生不同程度的衰耗，使得 接收端信号的幅度在一定的范围内产生起伏，这就产生了阴影衰落，它是一 种慢衰落。阴影衰落的衰落率主要取决于移动站周围的环境和收发双方的运 动速度，与频率基本无关。而阴影衰落的深度取决于信号的频率和障碍物状 况。 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 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。 从多径传播形成的原因，可以将多径分成以下几种： ( 1 ) 直射波。直射波是从发端到收端在地球周围空间中传播的没有受到 任何物体遮蔽或阻挡的电波。一般用直射波作为其他反射波的时延、多普勒 频移和幅度的参考。 ( 2 ) 有阴影遮蔽的直射波。直射波途经建筑物、树木等会受到不完全吸 收阻挡而衰减，经过阴影遮蔽效应而产生衰减的直射波服从对数正态分布。 阴影遮蔽效应是由于植被、建筑物的阻挡而使接收机天线接收无线电信号时 的产生的遮蔽，形生了漫反射和直射波被阻挡吸收产生衰减现象。因此，因 遮蔽效应而产生的多径传播电波中包括有阴影遮蔽的直射波和漫反射两部 分。前者符合正态对数分布，而后者为瑞利分布。 ( 3 ) 镜反射。镜反射产生于光滑部分镜反射点临近的菲涅尔区，它的特 点是反射波同接收到的直射波分量是相千的。 ( 4 ) 漫反射。漫反射产生于大面积的反射面非相干散射，其主要贡献来 自第一菲涅尔区以外的大量随机性“闪光”面。通常只有一、二个散射体起 主要作用。漫发射引起的衰落符合瑞利分布。在陆地卫星移动通信中，漫反 射分量在粗糙地面情况下通常比镜反射分量占优势。 多普勒频移 无线移动通信，特别是卫星移动通信过程中，由于发射机和接收机之问 的相对运动，接收端接收到的信号载频所发生的频率的偏移称为多普勒频 移。 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 多普勒频移，d 可按下式计算 ，d 一等刚 ( 2 - 4 ) 式中，v 为卫星与用户的相对运动速度，正为射频频率，c 为光速，0 为 卫星与用户之间的连线与速度v 方向的夹角。 可见，工作频率越高或者径向速度越高，多普勒频移就越大。 在地面卫星移动通信终端刚看见卫星从地面升起时，地面卫星移动通信 终端有最大正值多普勒频移；卫星通过地面卫星移动通信终端的上空时，多 普勒频移为零；卫星消失时，地面卫星移动通信终端有最大负值多普勒频移。 非g e o 系统的轨道高度越低，卫星飞行速度越快，多普勒频移也就越大。 多普勒效应不仅使载波偏离滤波器中心频率而使输出信号幅度下降( 如 果是窄带滤波器) ，而且信号在一个码元的持续时间内有较大的相位误差， 给载波同步带来困难。为此，可以采用以下的技术措施加以克服：普遍采用 差分调制，并且不用相干检测；频率源系统设计时，工作频率可适当选低一 些；调节器具有校正多普勒效应的功能。 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 接收机天线收到的电波传输环境产生的噪声，这些噪声包括宇宙噪声、大气 噪声、降雨噪声、太阳噪声、天电噪声、地面噪声和干扰噪声等，这些噪声 合在一起统称天线噪声。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 - 1 给出了地球站接收系统的噪声来源。 传播噪声的大小可以用天线的等效噪声温度来表示 瓦- 8 1 船 ( 2 5 ) 式中。只是在玩频带范围内天线在匹配条件下所接收到( 包括天线本身的热 噪声) 的全部噪声功率。k 为玻耳兹曼常数，值为1 8 8 1 0 2 3 j k 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 输入信号+ 噪声 h 无损耗天线h 无损耗天线h 理想接收机 天线罩噪声 馈线损耗噪声 输出信号+ 噪声 接收机噪声 围2 - 1地球站接收系统的噪声来源 f ；g 2 - 1n o i 摹0 1 i g i no fe a r t hs t a r i o nr e c e i v in gs y s t e m 2 2 卫星信道模型 因为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所造成的影响的 最好办法是在实际的通信环境下对信道进行测试和分析，但要随时随地的对 实际的卫星移动通信信道进行测试几乎是不可能实现的，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采用的解决办法。 比较典型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。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 一一一一一一一一一 禺 谣南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 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。k u t z 模型假 设接收信号中只有多径信号受到阴影遮蔽的作用而直射信号分量不受阴影 遮蔽的作用。 虽然这三种概率分布模型在卫星移动通信信道传播特性的研究中被广 泛应用，但随着人们对卫星移动通信系统所提供的业务质量的要求越来越 高，研究人员希望能够更多的了解关于卫星信道传播特性的信息。目前主要 采用基于其它概率分布的信道模型和基于广域环境下多状态m a r k o v 链的信 道模型，这两种模型可以更加逼真地描述实际卫星移动通信信道的传播特 性。本文将采用基于概率分布的r i c i a n 模型和基于m a r k o v 链的l m s 模型来 对卫星星地链路进行建模仿真。 2 2 1r i c i a n 模型 在无线遥信系统中，接收信号主要由非衰落分量和经过衰落的相移分量 ( 散射分量) 组成。具有这种衰落分布的信道就是r i e j a n 分布信道。此种信 道接收端信号可以视为多重路径信号的合成，倘若其中某一路径的信号远比 其它路径的信号强大，例如有某一路径的信号是直射径信号，则接收信号的 包络将会是一个莱斯分布的随机变量。 在农村环境中，阻碍信号的物体较少，多径信号包括一条很强的视距传 播( l o s ) 路径以及少量的反射路径，直射路径的到达角度和直射路径与其 它路径之间的功率之比相结合，决定了来自直射路径的能量对多径衰落的正 态瑞利模型会有多大影响。由建筑物、树木或其它反射物造成的反射波形成 的多径信号分量与直射波信号分量合成的接收信号的包络服从r i c i a n 分布， 其概率密度函数为： l ( o - 考c x p 【一 笋姒争 ( 2 _ 6 ) 其中：，是接收信号的包络，= 是直射波信号的幅度，仃2 是平均多径功率， 2 i o ( ) 是第一类零阶修正贝塞尔函数，三是莱斯因子，莱斯分布通常用莱斯 因子作为描述参数。公式中，如果口一0 ，则接收到的信号没有衰落信号部 分，信道变为a w g n 信道；如果z 一0 ，则信道变为非选择性r a y l e i g h 衰落信道。 r i c i a n 分布的概率密度函数曲线( z 一1 8 、仃- 3 0 ) ，如图2 - 2 所示。 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 概 室 密 度 信号包络 图2 - 2r i c i 8 n 分布的概率密度函数曲线 f i g 2 2 r i c i 8 nd i s t r i b u t i o np r o b a b iii t yd e n s i t yf u n c t i o nc u r v e r i c i a n 信道模型经常应用于卫星移动通信系统和在郊区、农村地区、市 区微蜂窝以及室内陆地移动通信系统中，由于经常收到有直射传播路径分量 的信号，这是一个起主导作用的、不变的、非衰落的信号分量，将它添加到 散射波上，原服从瑞利分布的信号包络将服从莱斯分布。 2 2 2l m s 模型 l m s 模型采用基于广域环境下多状态m a r k o v 链的信道模型m “，。文献m 中提出的几何统计( g e o m e t r i c - - s t a t i s t i c a l ) 模型将卫星移动通信信道环 境分为三个状态：l o s 环境、中等阴影遮蔽环境及深度阴影遮蔽环境，并根 据不同用户的移动情况在三个环境间进行状态转移。该模型即可以描述宽带 又可以描述窄带同时还可以描述静止、非静止轨道以及多个波段的卫星移动 通信信道的传播特性。该模型假设通过卫星信道接收端所接收到的信号成分 包含了直射和多径两种成分，直射成分假设具有均值为芦，方差为d 。的 l o g n o r m a l 分布：而多径成分遵从r a y l e i g h 分布，由其平均功率仃2 来描述。 下面将给出两种概率分布的密度函数曲线。 l o g n o r m a l 分布的概率密度函数为： 删2 志讲 l 协，) 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 其中：z 是信号电波的幅度，p 和d 。分别是i n z 的均值和方差； l o g n o r m a 分布的概率密度函数衄线( d o 一1 5 ，弘一0 2 ) ，如图2 3 所示。 信号包络 田2 - 3l o g n o r m l 分布的概率密度函数曲线 f i g 2 - 3l o g n o r m a id is t r i b u t j o np r o b a b j ii t yd e n s i c yf u n c t i o nc u r v e 信号包络 图2 - 4r a y i e i g h 分布的概率密度函数曲线 f i g 2 - 4r a y i e i g hd is t r i b u t j o np r o b a b i i j t yd e n s i t yf u n c t i o nc u r v e r a y l e i g h 分布的概率密度函数为： ，( ，) 2 ；r e x p 一言】 ( 2 - 8 ) o 一 其中：盯2 是平均多径功率。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 1 页 r a y l e i g h 分布的概率密度函数曲线( 口一2 ) ，如图2 - 4 所示。 l m s 模型可以描述多个波段及各种轨道的卫星移动通信信道的传播特 性，它可以视为是在l u t z 模型基础上的扩展模型。 2 3小结 本章在介绍卫星信道传播特性的基础上，首先简单分析了目前国内外常 用的几种卫星信道传播特性模型一c l o o 模型、c o r a z z a 模型、l u t z 模型，接 着对本文采用的r i c i a n 模型和l m s 模型进行介绍。前三种模型是根据接收信 号受阴影遮蔽情况来建模的，莱斯模型主要针对存在直射径情况，l m s 模型 是多状态的m a r k o v 链模型，分别考虑了直射信号和多径信号。本文依据项目 背景，主要采用莱斯模型来仿真卫星信道星地链路特性，同时作者对l m s 模 型也进行了较深入的仿真研究。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 2 页 3 卫星信道模型的仿真研究 卫星通信系统的信号传播环境复杂多变，为了有效的预测和评价通信传 输系统的性能，在对卫星通信的研究过程中，首先需要掌握它特有的信道特 性。为了能够更好的了解卫星星地链路的特性，进行实测受到限制，最好的 办法就是建立信道的仿真模型，尽可能真实的概括电波在星地链路之问传播 过程中遇到的情况。 本章将针对星地链路的信道特性，采用m a t l a b s i m u l i n k 仿真工具“”一， 和一些信道特性理论“”为基础先后建立了两种信道模型，r i c i a n 模型和 l m s 信道模型，通过仿真采集数字基带信号，对基带信号进行处理得到的误 码特性参数文件存入用户控制终端( p c ) 上的星地链路通信情况误码特性参 数库中，供用户控制终端软件运行时调用。 。 3 1模型中的主要概念 将模型中用到的一些基本概念n ”n m ”一简介如下： 误码率：指二进制比特在数据传输系统中被传错的概率，在数值上表示 为 - n , n ( 3 - 1 ) 其中，为传输的二进制比特总数，为被传错的比特数。 误码长度：每次发生误码所持续的比特数。 误码间隔：连续传输正确的比特数。 例如：定义输出0 为传输正确的信息，1 为传输错误的信息。截 取输出数据中的1 5 比特为：0100 01 01 1 1001 1 1 。按照上面的 定义，误码长度为1 、1 、3 、3 。误码间隔为1 、3 、1 、2 。 数据率：数据率即数据传输速率，指每秒传输的数据位数，单位是b i t s 。 莱斯因子k ：当移动台与基站问存在直射波信号时，卫星与移动终端间 的直射波分量( l o s ，l i g h to fs i g h t ) 未被阻挡，即有一条主路径，接收信 号以l o s 为主。这时接收信号的包络服从莱斯分布，接收信号包络的概率密 度函数为 p ( ，) 一2 r ( 1 + k ) e x p 一r ( 1 + r ) r 2 】i o ( 2 r k ( k + 1 ) ) ( 3 2 ) 其中，。( ) 为零阶修正的b e s s e l 函数。k 为直射波与散射信号的功率之比， 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 3 页 叫做莱斯因子，它是与接收仰角有关的参量。k 越大， 率相对直射波功率越低。在农村树木遮蔽条件下，足、 验公式计算 k ( 口) 一k o + 墨口+ k 2 口2 p ( 口) 一p o + 弘l 口+ p 2 口。+ 3 口 ) 一+ 吼口 其中a 为卫星的仰角。公式中的参数见表3 - 1 。 表3 - 1参数值 t a b 3 - 1p a r a m e t e rv aiu 6 说明散射信号平均功 “、a 可以用以下经 ( 3 - 3 ) ( 3 4 ) ( 3 - 5 ) 信噪比：信噪比- s n r ( s i g n a 卜t o n o i s er a t i o ) ，是指有用信号( 规定 输入电压下的输出信号电压) 和噪声信号( 输入电压切断时，输出所残留之 杂音电压) 之间的比值。 多普勒频穆：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 0 卫星存在摄动和漂移) 。因此，多普勒 须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。计算公式见式( 2 - 4 ) 。 图3 一l 显示了在卫星可见窗口内最大仰角为1 2 4 。3 0 。，5 0 9 ，7 0 。， 9 0 。时的多普勒频移曲线( 最小可见仰角为1 0 。) ”。从图中可以看出，多 酱勒曲线基本上成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， 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 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。 圈3 - 1 在卫星可见窗口内不同最大仰角时的多普勒频移曲线 f i g 3 1d o p p l o rs h i f tg u r v oo fd i f f o r o n tb i g g o s te i o v a t i o r la n g i o j ns a t o iii t oo b v i o u s - i n d o wt l m o 当移动台相对于静止的基站以速度 ，运动，到达的入射波与运动方向的 夹角为一时，则此入射波的多普勒频移为 ，- c o s 口 ( 3 _ 6 ) 其中且为电波的波长，丘。一为最大多普勒频移。 l o s ，即l i n e o fs i g h t ( 直射) 的缩写 是指在卫星与地面用户之间 的传播信道上不存在任何障碍物，信号从发射端沿单一路径直接到达接收 端。在卫星移动通信中，当卫星与移动用户之间存在着视距传播路径时，接 收信号中就含有l o s 信号分量。 接收机品质因数：它是评价接收机性能好坏的重要参数，是接收天线增 益与噪声温度的比值。比值越大，接收机性能越好。 天线增益：通常，将天线在最大辐射方向上的场强与理想各向同性天线 均匀辐射场强的比值，以功率密度计的倍数( 或分贝数) 称为天线的增益。 其它概念例如传播噪声、多径衰落，阴影衰落等在第二章有所介绍，这 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 5 页 里不再重复。 3 2r jgia n 信道模型 3 2 1 模型的确定 卫星信道中的自由传输损耗、天线增益、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。因此，整个卫星信道从仿真的角度 可以看成由包括直接影响信噪比特性的a g w n 信道部分和影响衰落特性部分 的多径衰落信道相加构成，我们假定多径衰落信道具有直射分量，则信道衰 落特性具有莱斯分布。 同时，卫星信道与其它信道一样，也是构成信息流通系统的重要部分， 其任务是以信号形式传输和存储信息。不同的是其特有的信道传播特性，所 以在选择模型的时候考虑到了这些因素，具体的选取依据和结果如下所述： 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，总信号的强度服从莱斯分布，故称为莱斯( r i c i a n ) 衰落； 另外，一般认为卫星信道中的噪声是加性高斯白噪声( a w g n ) 。所以模型中 的信道选用r i c i a n 衰落信道和a w g n 信道。 调制解调方式m m s - ：卫星信道是功率受限信道，通常选用功率利用率 最高的相移键控( p s k ) 调制方式。p s k 的变形有b p s k 、q p s k 和o q p s k ，它们 有相同的功率利用率。从带宽效率来看，后两者是前者的两倍：从抗干扰性 能和复杂性来看，b p s k 最简单。 编解码方式m m ，：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，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v i t e r b i 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，采用( 2 ，l ，7 ) 的卷积码和 矩阵交织。 综上，建立的信道仿真模型如图3 - 2 所示。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 6 页 图3 - 2卫星信道仿真模型 f j g 3 - 2 s i i n u is t i 0 1 1m o d e io fs a t e iii t et h a n n e 模型中假定信源为具有b e r n o u l l i 分布的二迸制数据流，信号经过卷积 编码及交织处理以后，送到调制模块。调制信号首先经过莱斯衰落信道模块 以后，再经过a g w n 模块。经过解调、解交织、维特比译码之后，与发送信 号进行逻辑运算，从而获得误码图案。 3 ，2 2 仿真结果及分析 仿真过程中，发端信号与收端信号采用异或运算，得到误码图案。例如 输入的1 0 个二进制数为10 001 1 10 0l ，解码后的数据流为101 0l 10101 ，异或的结果为0010 0 0l 100 ，很显然异或结果0 为 正确传输的比特，1 为错误传输的比特。 基于已经确定的模型，模块的参数变化都会使得误码结果发生变化，所 以试验过程中可以设定不同的参数( 数据率、莱斯因子、信噪比、多普勒频 移) ，获得不同的误码图案。选择不同的参数就代表了不同的卫星星地链路。 固定多普勒频移。改变其它三个参数获得的仿真数据如表3 2 所示。 从表3 2 中可以看出固定数据率情况下，误码率随着莱斯因子和信噪比 的增大而提高( 图3 - 3 、3 - 4 也可证明) 、不同的数据率对应不同的误码率， d b p s k 调制方式优于d q p s k 调制方式。 通过上面的仿真实验可以看出该模型具有合理性。下面通过对仿真结果 进行统计进一步得到误码长度和误码间隔的累积分布函数n “”“”、概率密度 函数m m ”、深度为2 5 6 的累计分布表。统计程序流程如图3 5 。 该程序首先按2 0 0 0 b i t 长度划分出多个统计区间，统计各区间的误码长 度分布和误码事件发生次数。然后多个区间统计值合并，形成总的误码长度 分布和误码事件频度分布。误码长度的概率分布按负二项式来进行拟合。最 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 7 页 后形成深度为2 5 6 的误码长度和误码间隔累积分布表，用于模拟基带误码。 表3 2各种参数条件下的误码率 t a b 3 - 2e r f o rr a t eu n d e re a c hk in d o fp ar a m e t e rc o n d i t io n 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 8 页 圈3 3信噪比和误码率的关系图囝3 - 4莱斯因子和误码率的关系 a b o u ts n ra n db e r a b o u tka n d8 e r 划分统计区间 j 计算平均误码率 0 统计各统计区间误码事件发生次数 上 统计不同误码长度发生概率 0 计算误码长度概率分布及其拟合以及误码 间隔的概率分布 l 计算误码长度和误码间隔累计分布 毒 形成误码长度和误码间隔累计分布表 j r i输出到自瓷义文件 l 图3 5 统计流程 列举三种实验实例。( 固定多普勒频移) 当k = 3 ，s n r = 1 8 ，数据率l o o k b p s ，调制方式为d b p s k ，卷积编码，无 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 9 页 交织情况所得到的仿真结果： c ) b ) 图3 - 8第一种实例的仿真结果 f i g 3 - 6 s in l u i a t ；o nr o s u i t so ft h ef ir s te x a m p i e 当k = 3 ，s n r = 5 ，数据率l o o k b p s ，调制方式为d b p s k ，卷积编码，无 交织情况所得到的仿真结果： 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 0 页 b ) 圈3 - 7第二种实倒的仿真结果 f i g 3 7 s i i l l u i a t i o nr e s u i t so f t h e s e c o n de x a m p i e 当k = 1 2 ，s n r = 5 ，数据率l o o k b p s ，调制方式为d b p s k ，卷积编码， 无交织情况所得到的仿真结果： b ) 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 1 页 c )d ) 图3 8 第三种实例的仿真结果 f i g 3 - 8s i i i i u i a t i o