一种信道模拟器及信道模拟方法技术

本发明专利技术涉及一种基于软件无线电软件平台(如GNU Radio)、软件无线电硬件平台(如Hack RF)，并且基于几何的信道建模方法(GBSM)的星地信道模拟器，针对L波段星地信道，采用基于几何的建模方法进行多径建模，以进行时延、衰落、载波多普勒频移处理，同时考虑非线性特性、链路损耗、等效信噪比，将这些因素作为信道模拟器的参数，通过在GNU Radio上使已调制信号经过信道模拟器对已调制信号进行处理，得到的信号经过Hack RF以及射频天线发送，其中，信道时延通过可变时延插值滤波器实现，衰落采用正弦波叠加法实现，载波多普勒频移部分采用乘法器进行移相，功放的非线性特性通过对乘法器改变信号的包络和相位。信号的包络和相位。信号的包络和相位。

【技术实现步骤摘要】
一种信道模拟器及信道模拟方法


[0001]本专利技术涉及卫星通信
，特别涉及一种信道模拟器，也涉及相应的信道模拟方法。

技术介绍

[0002]卫星通信在5G和未来的6G中占重要地位，近年来多个国家在LEO轨道至GEO布局卫星网络，大大扩展了地面网络的覆盖能力。相比于地面通信，卫星和地面之间的通信由于传播路径长，发射机、散射体和接收机存在复杂的相对运动以及受到大气损耗等因素，信道环境复杂，因此，需要一种合适的信道模拟器来对卫星通信系统进行测试。
[0003]目前，关于星地信道模拟器的技术资料有《一种用于星地通信的信道模拟器及信道模拟方法》(申请公布号：CN 112054857 A，申请公布日：2020.12.08)、《实时低轨卫星移动通信信道模拟器设计》(载《电子科技大学学报》第27卷第4期，1998年8月)、《具有信道切换控制的中频等效低轨卫星移动信道模拟器》(授权公告号：CN 101588584 B，授权公告日：2011.04.13)。上述技术资料所记载的技术方案均采用FPGA平台实现信道模拟，因此存在两个方面的技术问题：一方面，上述资料所记载的信道模拟器均采用信号发送模块和信道模拟部分相互独立的结构，工程实现较为复杂，需要额外的硬件平台以致成本较高，模块体积较大以致不便于携带；另一方面，如果要对发送的信号和信道参数进行修改，则需要更改程序或者需要单独外部总线配置，较为不便。
[0004]在信道建模方法方面，传统的星地信道模型主要针对传播特性进行统计建模，常用的统计性模型有C.Loo模型、Corazza模型和Lutz模型，这三个典型的统计性模型都是根据信号在传输路径上受遮蔽情况对L波段的卫星移动通信网络进行建模的，这类统计性模型尽管都考虑了多径信号分量，但是缺乏对发射机、散射体和接收机的动态特征以及散射体的几何特征的考虑，同时还欠缺对多径信号生灭的过程(多径信号可能产生，也可能消失)的考虑，导致模型与星地通信实际场景的差距较大。
[0005]此外，在卫星和地面通信的场景下，信号在经过星载功率放大器时会收到非线性的影响，比如包络上的衰减和相位的偏移。然而，现有的信道模拟器均未考虑信号传输过程中的功放非线性的影响，这将导致信道模拟的效果与真实的物理环境不符。
[0006]在信号的处理方法方面，现有技术通常直接调用软件内部的Rayleigh信道模块或者Rician信道模块对信号的包络进行乘积，进而得到经过信道的信号。由于软件内部的Rayleigh信道模块或者Rician信道模块比较粗糙，只允许配置最大载波多普勒频移以及相对固定的时延，很难配置具体到每条多径的动态时延、载波多普勒频移、相移，所以这种方法只适用于对某个算法性能进行比较粗糙的仿真，缺少对星地通信动态场景细节(比如动态时延和多普勒)的描述。在不调用Rayleigh信道模块或者Rician信道模块的情况下，还可以通过使用MATLAB计算出信道的冲激响应CIR，然后作为滤波器系数配置FIR滤波器进行时域卷积的方法对信号进行处理。但是，由于衰减、相移、载波多普勒频移、功放非线性等因素都是通过和信号相乘对信号进行处理的，如果采用前述信号处理方法，测试人员就只能看
到一个包含了所有因素的总系数，而不能看到信道参数的细节(例如，测试人员若想知道当前的相移和衰减，那么采用这种信号处理方法就无法实现测试人员的需求)。

技术实现思路

[0007]本专利技术涉及一种基于软件无线电软件平台(如GNU Radio)、软件无线电硬件平台(如Hack RF)，并且基于几何的信道建模方法(GBSM)的星地信道模拟器，针对L波段星地信道，采用基于几何的建模方法进行多径建模，得到时延，衰落，载波多普勒频移，同时考虑非线性特性、链路损耗、等效信噪比，将这些因素作为信道模拟器的参数，通过在GNU Radio上使已调制信号经过信道对已调制信号进行处理，得到经过信道后的信号，经过Hack RF以及射频天线发送。其中信道时延通过可变时延插值滤波器实现，衰落采用正弦波叠加法实现，载波多普勒频移部分采用乘法器进行移相。功放的非线性特性通过对乘法器改变信号的包络和相位。
[0008]为了解决因采用FPGA平台实现信道模拟而存在的技术问题(一方面，现有资料所记载的信道模拟器均采用信号发送模块和信道模拟部分相互独立的结构，工程实现较为复杂，需要额外的硬件平台以致成本较高，模块体积较大以致不便于携带；另一方面，如果要对发送的信号和信道参数进行修改，则需要更改程序或者需要单独外部总线配置，较为不便)，本专利技术提供了一种信道模拟器，包括信道模拟模块和信号发射模块，其特征在于，所述信道模拟模块通过软件无线电软件平台实现，用于对输入信号进行处理，并通过信号发射模块发射经过处理的信号；所述信号发射模块由软件无线电硬件平台和天线组成，用于发射信号；所述软件无线电软件平台与软件无线电硬件平台通过USB进行数据传输。本专利技术同时还提供了一种与上述信道模拟器相对应的信道模拟方法，该方法的步骤包括：通过软件无线电软件平台对信道参数进行建模，所述信道参数包括链路损耗、多径衰落及等效信噪比；已调制的输入信号通过上述模型进行处理；处理后的信号通过软件无线电硬件平台和天线发射。
[0009]本专利技术所提供的星地通信的信道模拟器和信道模拟方法通过在信号的发射机一端使用软件无线电软件平台(如GNU Radio)对信道进行模拟，改变了现有技术采用FPGA对信道进行模拟的做法，改变了传统的信道模拟器的信号发送部分和信道模拟部分相互独立的结构，实现了两个方面的技术效果：一方面，信道模拟器的工程实现较为简单，无需额外的FPGA硬件平台资源，成本较低，模块小型化，便于携带；另一方面，可以直接在GNU Radio平台进行信道模拟，发送的信号和信道参数等外部参数可以实时在线配置，无需像传统的FPGA信道模拟器那样通过外部总线配置参数，具体的每个内部模块也可以随时修改，而无需像传统的FPGA信道模拟器那样通过修改FPGA内部逻辑来改变模块的功能，灵活性强，便于调试。
[0010]为了解决现有的信道模拟方法没有考虑信号传输过程中的功放非线性的影响的问题，本专利技术提供了一种信道模拟方法，其特征在于，所述信道参数还包括功放非线性；所述功放非线性的建模，按照Saleh模型对输入的已调制信号进行AM
‑
AM幅度变换和AM
‑
PM相位变换，其中，AM
‑
AM建模为包络衰减，AM
‑
PM建模为相位偏移。
[0011]本专利技术提供的信道模拟方法考虑了卫星发射机采用行波管放大器所引入的非线性特性，根据AM
‑
AM和AM
‑
PM特性，对输入信号的包络和相位分别进行当前幅度下的衰减和
相位偏移，模拟了行波管放大器带来的非线性特性的影响，相较于目前主要的信道模拟方法没有考虑信号传输过程中功放非线性影响的做法，更接近星地通信的实际场景。
[0012]为了解决传统的星地通信信道模型缺少对发射机、散射体和接收机的动态特征以及散射本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种信道模拟器，包括信道模拟模块和信号发射模块，其特征在于，所述信道模拟模块通过软件无线电软件平台实现，用于对输入信号进行处理，并通过信号发射模块发射经过处理的信号；所述信号发射模块由软件无线电硬件平台和天线组成，用于发射信号；所述软件无线电软件平台与软件无线电硬件平台之间进行数据传输。2.一种信道模拟方法，其特征在于，该方法的步骤包括：S1)通过软件无线电软件平台对信道参数进行建模，所述信道参数包括链路损耗、多径衰落及等效信噪比；S2)已调制的输入信号通过S1)建立的模型进行信道模拟；S3)将S2)中经过信道模拟得到的信号通过软件无线电硬件平台和天线发射。3.根据权利要求2所述的信道模拟方法，其特征在于，所述S1)中的信道参数还包括功放非线性；所述功放非线性的建模，按照Saleh模型对输入的已调制信号进行AM
‑
AM幅度变换和AM
‑
PM相位变换，其中，AM
‑
AM建模为包络衰减，AM
‑
PM建模为相位偏移，具体地，令输入的已调制信号x(t)为其中，r(t)为是已调制信号的包络，ω0为载波频率，φ(t)为已调制信号的相位；则考虑功放非线性影响后的信号为其中，其中，上式中，A(r)和Ω(r)分别用来描述AM
‑
AM特性和AM
‑
PM特性，其中，α
a
、β
a
、α
φ
、β
φ
是根据最小均方误差和实际数据拟合出来的曲线的系数，
α
＝1.6623，β
α
＝0.0552，α
φ
＝0.1533，β
φ
＝0.3456。4.根据权利要求2所述的信道模拟方法，其特征在于，所述链路损耗L
Total
包括：主径自由路径损耗L
Free
(dB)、大气的吸收损耗L
AA
(dB)、天线的极化损耗L
PL
(dB)、天线的指向性损耗L
AML
(dB)和对应的调制解调设备的损耗L
ML
(dB)，在L波段，各损耗值分别为：L
AA
＝0.04dB,L
PL
＝0.3dB,L
AML
＝0.08dB，L
ML
＝1dB；在年均降雨时间比例超过0.01％的情况下，所述链路损耗包括还包括电磁信号将会遭遇的降雨衰减L
Rain0.01
；在年均降雨时间比例不超过0.01％的情况下，链路损耗L
Total
＝L
Free
+L
AA
+L
PL
+L
AML
+L
ML
；在年均降雨时间比例超过0.01％的情况下，链路损耗L
Total
＝L
Free
+L
AA
+L
PL
+L
AML
+L
ML
+L
Rain0.01
；在信道模拟中，将链路损耗L
Total
由dB转为十进制后取倒数，和信号相乘即可得到经过
链路损耗后的信号。5.根据权利要求4所述的信道模拟方法，其特征在于，所述主径自由路径损耗L
Free
＝32.44+20log D+20log f
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(dB)其中，D为卫星和地面接收机的LOS主径的距离，f为载波频率。6.根据权利要求4所述的信道模拟方法，其特征在于，所述降雨衰减L
Rain0.01
＝γ
R
D
E
其中，衰减率(dB/km)，R
Rain0.01
为平均年0.01％时间的降雨率，水平极化因子和垂直极化因子的因变量k和α可以通过以下公式得到：因子和垂直极化因子的因变量k和α可以通过以下公式得到：其中，k
H
和α
H
为垂直极化的频率相关系数，k
V
和α
V
为水平极化的频率相关系数，τ为水平线性极化传输的极化倾角，θ为天线仰角；等效路径长度D
E
＝D
R
v
0.01
，所述穿越降雨路径其中，地面接收接收站所在地的降雨高度h
R
＝h0+0.36，所述h0为年平均0℃等温线高度；h
S
为地面接收机海拔高度；水平投影长度D
G
＝D
S
cosθ，所述雨中路径长度其中R
E
为等效地球半径；所述水平缩减因子所述垂直调整因子其中，其中，其中，其中，为地面站纬度。7.根据权利要求2所述的信道模拟方法，其特征在于，所述S1)中的等效信噪比的建模包括以下步骤：信号发射部分的载噪谱密度比的门限值为
其中C为已调制信号的功率，N0为噪声功率，卫星发射机上扫描捕获门限值一般为
‑
123dBm，宇宙背景噪声功率谱密度常数为
‑
174dBm/Hz，令噪声功率为N，使得软件无线电软件平台的载噪谱密度比等于51dB
‑
Hz，且N＝N
0_gnu
·
B，则其中，C
gnu
为软件无线电软件平台中的已调制信号功率，N
0_gnu
为软件无线电平台中的等效噪声功率谱密度，软件无线电硬件平台的发射端带宽B为10MHz，其对数为(10...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈轩，王竹刚，黄永辉，崔天舒，赵文杰，赵蔚宸，张颖，胡婉如，陈青岳，
申请(专利权)人：中国科学院国家空间科学中心，
类型：发明
国别省市：