基于Watterson模型的短波信道模拟器设计与实现

论文摘要

无线远距离通信越来越深入日常生活中,相比商用蜂窝通信与卫星通信,短波天波通信作为一种抗毁性强、成本低的远距离通信方式一直起着不可替代的作用。短波天波信道是典型的随参色散信道,电离层的不稳定造成了对短波通信信号严重的衰落,影响了通信的质量。相对于室外测试的复杂,实验室环境下模拟与测试短波通信是必要而经济的。现有短波信道模拟器往往是窄带和非实时仿真的,对于宽带短波通信及实时信号仿真输出的实现有着一定的瓶颈。基于此本课题提出设计并实现硬件短波信道模拟器,并着重解决实时处理问题。首先,本文提出基于Watterson模型设计并实现一种短波信道模拟器的软硬件方案。在硬件方案上提出以FPGA为核心处理器、DSP作为协处理器的核心处理单元,有针对性地利用FPGA的流水线运算结构实现实时信号仿真输出功能。借鉴软件无线电的思想,设计了外围高速采集、输出器件及基于"MCU+DDS"的混频器,配合核心处理单元,构建了短波信道模拟硬件平台并加以实现。其次,软件方案上提出流水线处理结构的实时短波信道模拟算法框架,利用FPGA的并行处理能力实现多径方案。在每径的时延线中,提出基于双口RAM一对多编址方式生成的有限任意长FIFO为数字时延线的方案并加以验证。为了多普勒频移功能的实现,本文提出利用捕获时钟相位噪声的办法生成真随机数流,并以之驱动DDS生成随机游动多普勒频移信号的办法,实现多普勒频移模拟的步进与速率可调。各径衰减因子的生成采用Box-Muller算法通过MATLAB零均值的平稳高斯过程,生成后存放进DSP的RAM中进行读取；高斯白噪声的模拟则利用MATLAB生成的白噪声序列进行模数转换输出。最后,本文完成了短波信道模拟器软硬件方案工程实现,在此基础上进行了短波模拟的测试,从白噪声输出、多普勒频移输出及两径、三径多径传输等方面进行测试,测试结果证明方案达到了3ms时延间隔与1Hz/s的随机多普勒频移的设计要求,在一定程度上可以很好的模拟短波信道对无线信号的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.2 信道模拟器研究现状
• 1.2.1 短波信道数学模型的发展历程
• 1.2.2 短波信道模拟器的研究现状
• 1.2.3 现有信道模拟器存在的问题
• 1.3 本文研究重点及章节安排
• 1.3.1 研究内容的提出
• 1.3.2 章节安排
• 第2章 短波信道传输特性及数学模型
• 2.1 短波通信信道特性
• 2.1.1 电离层特性
• 2.1.2 短波传输中的多径传播
• 2.1.3 短波传输中的衰落
• 2.1.4 短波传输中的传输与反射损耗
• 2.1.5 短波传输中的多普勒频移
• 2.1.6 短波传输中的噪声
• 2.2 短波信道传输的数学模型
• 2.2.1 Watterson模型及衍生模型
• 2.2.2 子带并行模型
• 2.2.3 ITS模型
• 2.3 本章小结
• 第3章 短波信道模拟器硬件平台的设计与实现
• 3.1 硬件平台的技术指标与设计思路
• 3.1.1 设计指标
• 3.1.2 平台整体设计思路
• 3.2 硬件平台整体实现方案
• 3.2.1 硬件资源的需求分析
• 3.2.2 硬件平台的整体方案
• 3.3 中频信号处理单元
• 3.3.1 FPGA外围电路模块
• 3.3.2 DSP外围电路模块
• 3.3.3 中频信号处理单元板
• 3.4 高速采集与输出单元
• 3.4.1 高速采集子卡
• 3.4.2 模拟输出子卡
• 3.5 载波信号发生单元
• 3.6 上/下混频单元设计
• 3.7 本章小结
• 第4章 短波信道模拟器软件算法的设计与实现
• 4.1 软件整体实现方案
• 4.1.1 实现方法思路的选取
• 4.1.2 整体实现方案
• 4.2 采集与输出驱动
• 4.2.1 采集子卡驱动
• 4.2.2 输出子卡驱动
• 4.3 信号时延的实现
• 4.3.1 用于时延线FIFO的原理
• 4.3.2 基于有限任意长FIFO的时延线生成办法
• 4.4 信号相乘与相加模块
• 4.5 模拟噪声与衰减的实现
• 4.5.1 高斯白噪声的实现
• 4.5.2 衰落序列的实现
• 4.6 多普勒频移的实现
• 4.7 本章小结
• 第5章 短波信道模拟器的平台测试与性能分析
• 5.1 平台测试环境
• 5.2 平台测试与性能分析
• 5.2.1 白噪声输出
• 5.2.2 多普勒频移
• 5.2.3 两径等幅衰减
• 5.2.4 三径瑞利衰落
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 附录 测试输出数据