基于Hollis寬帶實時衛(wèi)星信道模擬平臺設(shè)計

呂國成, 李　毅, 金　野

(北京大學 信息科學技術(shù)學院, 北京　100871)

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基于Hollis寬帶實時衛(wèi)星信道模擬平臺設(shè)計

呂國成, 李毅, 金野

(北京大學 信息科學技術(shù)學院, 北京100871)

為滿足寬帶衛(wèi)星通信實驗教學及科研項目需求,設(shè)計了一套基于Hollis的寬帶實時衛(wèi)星信道模擬平臺。該平臺由可編程調(diào)制器、信道模擬器、可編程解調(diào)器等構(gòu)成,能夠較好地程度模擬衛(wèi)星信道傳輸特性(信號傳輸時間長、多普勒變化、噪聲等)。通過該平臺學習,學生能夠根據(jù)直觀、深刻理解衛(wèi)星信號的傳輸及信號處理理論,并能夠使用可編程器件(FPGA)進行調(diào)制、解調(diào)器進行算法驗證,在提高衛(wèi)星通信教學實驗質(zhì)量同時為寬帶衛(wèi)星科研項目提供有力的支持。

衛(wèi)星通信; 信道模擬; Hollis; FPGA

高速、寬帶、移動衛(wèi)星通信是衛(wèi)星通信發(fā)展的重要方向,以滿足用戶日益增長的衛(wèi)星通信需求[1-4]。隨著衛(wèi)星通信發(fā)展,先進的衛(wèi)星物理層調(diào)制、編碼技術(shù)的應(yīng)用,使衛(wèi)星通信系統(tǒng)也日趨復雜。衛(wèi)星通信的快速發(fā)展及新技術(shù)的應(yīng)用對學生直觀理解、深刻掌握衛(wèi)星通信概念及相關(guān)理論提出了新的挑戰(zhàn)。另外，實際衛(wèi)星通信涉及地面段、空間段多個部分,衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器資源比較緊張,增大了對衛(wèi)星通信科研項目中衛(wèi)星通信傳輸體制及傳輸技術(shù)驗證的難度。而在實際衛(wèi)星信道條件下(長時延、多普勒頻偏、噪聲等)對衛(wèi)星通信性能的驗證是衛(wèi)星通信研究的關(guān)鍵。

綜上,實時衛(wèi)星信道模擬平臺是貫穿整個衛(wèi)星通信科研及教學的重要平臺。北京大學衛(wèi)星通信中心經(jīng)過20余年的衛(wèi)星通信經(jīng)驗的積累,在“211工程”及國防重點項目經(jīng)費支持下,構(gòu)建了一套實時衛(wèi)星信道模擬平臺。該平臺工作在L頻段,基于Hollis信道模擬設(shè)備實時模擬衛(wèi)星信道傳輸特性,該平臺具有強大的可編程能力,有助于提高學生對衛(wèi)星通信概念的感性認識及研究興趣,顯著提高了衛(wèi)星通信實驗教學效果。衛(wèi)星信道的特性是衛(wèi)星通信科研的基礎(chǔ),該平臺的應(yīng)用顯著加快衛(wèi)星通信科研進度。

1　寬帶實時衛(wèi)星信道模擬平臺設(shè)計及組成

1.1總體功能設(shè)計

典型的衛(wèi)星通信框圖見圖1。如圖1所示,應(yīng)用端的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過由地面段及空間段組成的衛(wèi)星信道完成通信。地面段包括室內(nèi)單元及室外單元,空間段主要是衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器部分。室內(nèi)單元主要完成與應(yīng)用端接口適配、基帶及中頻信號處理；室外單元完成射頻信號處理、通過天線完成射頻信號收發(fā)?？臻g段衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收衛(wèi)星信號通過轉(zhuǎn)發(fā)器放大后轉(zhuǎn)發(fā)。相比于其他信道,電磁波在地面及衛(wèi)星之間傳播,衛(wèi)星信號傳播時間較長,信號衰減較大,容易受雨衰等影響,信道參數(shù)隨衛(wèi)星與地面站之間的相對運動而變化[5-11]。

圖1　衛(wèi)星通信框圖

衛(wèi)星信道涉及衛(wèi)星信號的中頻、射頻處理及衛(wèi)星信號在空間中的傳播,對于衛(wèi)星信道的模擬可以在射頻及中頻端模擬。射頻端模擬更接近于真實環(huán)境,但是射頻器件復雜且價格昂貴,因此采用中頻端模擬。將射頻單元及轉(zhuǎn)發(fā)器信號處理對衛(wèi)星信道的影響等效至中頻,在中頻完成整個衛(wèi)星信道的模擬。

1.2結(jié)構(gòu)組成

如圖2所示,模擬平臺由可編程調(diào)制器、Hollis信道模擬器、可編程解調(diào)器組成。

圖2　衛(wèi)星信道模擬器構(gòu)成框圖

1.2.1可編程調(diào)制器

如圖3所示,可編程調(diào)制器以CPU為核心,完成與應(yīng)用端及FPGA數(shù)據(jù)交互。FPGA為可編程單元完成基帶信號的處理(包括編碼、調(diào)制、濾波等),正交調(diào)制器將基帶信號調(diào)制到L中頻?？删幊陶{(diào)制器采用大容量FPGA及高速DA,可以實現(xiàn)整個轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬(最高36 MHz)的寬帶信號實時處理。學生可以利用已有調(diào)制器直觀地觀察信號由基帶至中頻的詳細處理流程,也可以根據(jù)實際需求設(shè)計并實現(xiàn)調(diào)制器[7]。

圖3　可編程調(diào)制器組成框圖

1.2.2Hollis信道模擬器

信道模擬器為HSDS-70-36(見圖4),由美國Hollis公司生產(chǎn)。工作在140 MHz中頻,通過上、下變頻器與L波段調(diào)制解調(diào)器連接,具有2個獨立通道。能夠模擬衛(wèi)星信道多普勒變化和加入寬帶噪聲。信道參數(shù)通過界面遠程配置。其配置界面見圖5[4]。

圖4　Hollis信道模擬器

圖5　Hollis模擬器配置界面

1.2.3可編程解調(diào)器

如圖6所示,可編程解調(diào)器主要構(gòu)成與可編程調(diào)制器類似。正交解調(diào)器完成寬帶L中頻信號的正交解調(diào)(最高支持36 MHz)。FPGA完成基帶信號處理(包括濾波、解調(diào)、解碼等)。學生可以直觀地觀察信號經(jīng)過Hollis信道模擬器后受頻偏、噪聲的影響情況，可以利用FPGA來驗證解調(diào)、譯碼算法的在各種信道條件下的性能[7]。

圖6　可編程解調(diào)器組成框圖

2　衛(wèi)星信道模擬平臺應(yīng)用分析

基于可編程調(diào)制、解調(diào)器,Hollis信道模擬器搭建了一套衛(wèi)星信道模擬平臺,實物圖見圖7。

圖7　衛(wèi)星信道模擬平臺實物圖

2.1衛(wèi)星通信教學實驗

該模擬平臺可以用于衛(wèi)星實驗的教學,通過設(shè)置Hollis配置衛(wèi)星信道參數(shù),直觀地觀察信號受信道的影響。教學內(nèi)容的設(shè)置也從簡單到復雜逐步展開。隨著學生對衛(wèi)星通信概念及基本理論的掌握,利用可編程模塊調(diào)動學生自主科研能力及興趣,不斷提高學生的科研水平。

(1) 無噪聲理想信號傳輸實驗。在無噪聲理想信道中觀察信號輸出,信號符號速率為26 MHz[12-13],調(diào)制方式為8PSK,EsN0=30 dB,圖8為無噪聲信號傳輸界面。

圖8　無噪聲信號傳輸界面

(2) 模擬衛(wèi)星信道信號傳輸實驗。

① 噪聲影響。配置Hollis工作參數(shù),在EsN0=16 dB下觀察信號的傳輸,界面見圖9。

圖9　信號受噪聲干擾界面

② 衛(wèi)星與地面站相對運動。配置Hollis工作參數(shù),模擬衛(wèi)星與地面站相對運動產(chǎn)生的多普勒頻移的影響及由于距離變化產(chǎn)生的傳播時延的變化。

(3) 可編程調(diào)制、解調(diào)器實驗。學生可以設(shè)計專門的物理層算法,對收發(fā)兩端的模塊進行設(shè)計及優(yōu)化(如優(yōu)化發(fā)端的調(diào)制模塊中濾波器,設(shè)計接收端解調(diào)器中的解調(diào)算法等)并在該模擬平臺上能夠快速得到驗證[14-15]。

2.2衛(wèi)星通信系統(tǒng)科研

隨著衛(wèi)星業(yè)務(wù)需求的不斷增加,衛(wèi)星通信技術(shù)不斷發(fā)展。不同軌道衛(wèi)星通信(GEO,MEO,LEO等)和新的應(yīng)用需求(機載、船載等)對衛(wèi)星通信的傳輸提出了新的要求。為滿足特定條件下的衛(wèi)星傳輸,需要設(shè)計專用的衛(wèi)星傳輸體制,包括物理層的編碼、調(diào)制方式研究。衛(wèi)星信道模擬器可以根據(jù)實際應(yīng)用場景,通過實際衛(wèi)星信道參數(shù)采集構(gòu)造與之相對應(yīng)的衛(wèi)星信道傳輸參數(shù)。在L中頻就能對新場景下衛(wèi)星信號傳輸?shù)男阅芗百|(zhì)量進行充分的驗證,不僅極大地節(jié)約了科研成本,另外也有利于提高科研進度,保障衛(wèi)星科研工作的穩(wěn)步推進。

3　結(jié)語

基于Hollis信道模擬器、可編程調(diào)制/解調(diào)器搭建了一套寬帶實時衛(wèi)星信道模擬平臺。該平臺工作在L中頻,能夠較好地模擬衛(wèi)星信道的傳輸特性。在衛(wèi)星通信教學實驗中,幫助學生直觀、深入地理解衛(wèi)星通信的基本概念及理論,其可編程模塊能夠激發(fā)學生的自主科研熱情,有利于提高衛(wèi)星實驗的教學質(zhì)量。此外,該平臺也是衛(wèi)星通信科研項目中的重要部分,對于節(jié)約科研成本、保證科研項目進度等方面作用也比較顯著的。

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Design of a wide-band and real-time satellite channel simulation platform based on Hollis

Lü Guocheng, Li Yi, Jin Ye

(School of Electronics Engineering and Computer Science,Peking University,Beijing 100871,China)

To satisfy the requirements of experiment teaching and research for wide-band satellite communication,a wide-band and real-time satellite channel simulator based on Hollis is designed. This simulator consists of programmable modulator/demodulator,Hollis device which provides good performance to simulator the satellite’s main features,such as long transmission time,Doppler changes,and noise. This platform with high capacity FPGA device on board not only gives a better way for students to understand the fundamental satellite signal transmission and processing, but also is great helpful to do the satellite communication research project.

satellite communication; channel simulation; Hollis; FPGA

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.022

2016-04-05

呂國成(1984—)，男，云南宣威，碩士，工程師，主要研究方向為衛(wèi)星信號處理和FPGA.E-mail：lv.guocheng@pku.edu.cn

TN927;G484

A

1002-4956(2016)10-0086-04