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1、(10)申请公布号 CN 104243070 A (43)申请公布日 2014.12.24 C N 1 0 4 2 4 3 0 7 0 A (21)申请号 201410519736.X (22)申请日 2014.09.29 H04B 17/00(2006.01) (71)申请人南京航空航天大学 地址 210016 江苏省南京市御道街29号 (72)发明人朱秋明 黄攀 戴秀超 周生奎 崔锐 陈学强 王成华 陈晓明 (74)专利代理机构南京钟山专利代理有限公司 32252 代理人戴朝荣 (54) 发明名称 面向深空通信的无线信道实时模拟器及其模 拟方法 (57) 摘要 一种面向深空通信的无线信道实。
2、时模拟器及 其模拟方法，支持上行链路和下行链路实时双工 通信信道模拟，包括主控单元、基带信道模拟单 元、变频器单元以及衰减器单元，所述主控单元 通过CPCI总线与基带信道模拟单元、变频器单 元以及衰减器单元进行数据及命令传输；所述基 带信道模拟单元、变频器单元和衰减器单元间通 过SMA接口进行模拟信号传输，并结合其模拟方 法可有效实时模拟深空背景下无线信号的传播情 况，从而在地面实验室实现深空通信设备的调试、 测试及性能评估。 (51)Int.Cl. 权利要求书4页 说明书9页 附图1页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书4页 说明书9页 附图1页 (10)。
3、申请公布号 CN 104243070 A CN 104243070 A 1/4页 2 1.一种面向深空通信的无线信道实时模拟器，其特征在于支持上行链路和下行链路实 时双工通信信道模拟，包括主控单元、基带信道模拟单元、变频器单元以及衰减器单元，所 述主控单元通过CPCI总线与基带信道模拟单元、变频器单元以及衰减器单元进行数据及 命令传输；所述基带信道模拟单元、变频器单元和衰减器单元间通过SMA接口进行模拟信 号传输； 所述上行链路包括主控单元中的深空通信场景输入模块，上行链路信道参数估计模 块，基带模拟单元中的上行链路多径衰落模拟模块，变频器单元中的下变频器和上变频器， 衰减器单元中的衰减器模块。
4、，上行链路发射信号，通过上行链路输入端口经下变频器下变 频为中频信号，该中频信号输入到上行链路多径衰落模拟模块叠加多径衰落信道，之后经 上变频器上变频到深空通信频段，输出射频信号经衰减器衰减后从上行链路输出端口输出 的信号即为模拟经过深空链路后的上行链路接收端信号，所述的下行链路的组成和实现方 法与所述的上行链路一致。 2.根据权利要求1所述的面向深空通信的无线信道实时模拟器，其特征在于所述主控 单元为带有CPU计算单元的主板，并连接有与之兼容的键盘、鼠标、显示器这样的输入输出 设备，带有CPU计算单元的主板还包括主控软件，主控软件实现的功能模块包括深空通信 场景输入模块，上行链路信道参数估计。
5、模块和下行链路信道参数估计模块，所述的深空通 信场景输入模块接受用户输入的通信场景参数，通信场景参数包括深空探测器运动轨迹、 通信频段、星体半径、电导率以及介电常数，所述的上行链路信道参数估计模块和下行链路 信道参数估计模块从该场景参数中提取出信道参数，包括多径时延、多普勒频移、多普勒扩 展、莱斯因子以及噪声功率/信噪比，并将该信道参数经CPCI总线配置给基带信道模拟单 元、变频器单元及衰减器单元。 3.根据权利要求2所述的面向深空通信的无线信道实时模拟器，其特征在于所述基带 信道模拟单元为由DSP和FPGA组成的信号处理板卡，包含模数转换模块和数模转换模块， 实现上行链路多径衰落模拟和下行链。
6、路多径衰落模拟的模块分别为上行链路多径衰落模 拟模块和下行链路多径衰落模拟模块2-2，基带信道模拟单元接收主控单元经CPCI总线配 置的硬件信道参数，包括多径时延、多普勒频移、多普勒扩展、莱斯因子以及噪声功率/信 噪比，基于该硬件信道参数实时产生与之相符的信道衰落，并叠加至输入信号后输出。 4.根据权利要求3所述的面向深空通信的无线信道实时模拟器，其特征在于所述变 频器单元为由混频器和滤波器组成的信号变频单元板卡，包括两个下变频器模块，两个下 变频器模块分别为第一下变频器模块和第二下变频器模块，两个上变频器模块，两个上变 频器模块分别为第一上变频器模块和第二上变频器模块，变频器单元接收主控单元。
7、经CPCI 总线配置的工作频段数据，频段包含深空通信的常用频段，VHF频段、L频段、S频段、C频段、 X频段、Ku频段以及Ka频段，其中第一下变频器模块和第二下变频器模块的功能为将输入 射频深空信号下变频为中频信号，第一上变频器模块和第二上变频器模块的功能为将叠加 信道后的中频信号上变频到深空通信所用的射频段。 5.根据权利要求4所述的面向深空通信的无线信道实时模拟器，其特征在于所述衰减 器单元为由程控衰减电路构成的信号衰减单元板卡，内含两个衰减器模块，两个衰减器模 块分别为第一衰减器模块和第二衰减器模块，第一衰减器模块和第二衰减器模块都分别由 一个10dB每步进的大步进衰减器和一个1dB每步。
8、进的小步进衰减器组成，总衰减量程为大 权 利 要 求 书CN 104243070 A 2/4页 3 步进衰减器量程和小步进衰减器量程之和，衰减步进与小步进衰减器一致，衰减器单元接 收主控单元经CPCI总线配置的衰减值，实时控制深空通信信号的总衰减量。 6.根据权利要求4所述的面向深空通信的无线信道实时模拟器的模拟方法，其特征在 于，步骤如下： 步骤1：用户在主控单元的主控软件中输入深空通信场景参数，包括深空探测器飞行 轨迹文件、通信频段、星体半径、电导率以及介电常数，主控软件基于收发端的运动轨迹计 算传播场景的几何参量，包括收发端运动速度、直线距离和反射点坐标； 步骤2：通过传播场景的几何参量。
9、及系统参数计算得到不同时刻的信道状态参数，包 括深空链路传播损耗L 1 (t),L 2 (t)、多普勒频移f d,1 (t),f d,2 (t)、各径时延 1 (t), 2 (t)、莱 斯因子K和噪声功率P N 这样的信道参数，步骤2的具体方法如下： 1)深空传播链路损耗计算 所述的深空传播链路损耗计算为传播链路损耗L Loss 考虑自由空间传播损耗L f ，大气传 播损耗L a ，降雨损耗L r ，收发天线增益G r 、G t 这样的因素，计算方法如式(1)所示： L Loss L f +L a +L r -G r -G t (dB) (1) 其中如式(2)所示： L f 92.44+20l。
10、g(d/10 3 )+20lg(f/10 9 )(dB) (2) 式中，f为频率，单位Hz；d为通信距离，单位m； 如式(3)所示： 式中，r 0 和r w 分别为氧气分子和水蒸气分子对电波的衰减率；h s 为地面站海拔高度； 为地面站天线波束仰角；g(h 0 )、g(h w )是与氧气层等效厚度h 0 、水蒸气层等效厚度h w 相关的 函数； 如式(4)所示： L r r L E (dB) (4) 式中， r 为降雨损耗率；L E 为等效路径长度； 2)多普勒频移计算 所述的多普勒频移计算为凭借深空通信中，通信双方本身的运动速度很大，巨大的径 向运动速度以及超高的通信频率产生了多普勒效应，这。
11、样直射路径的最大多普勒频移能够 表示为如式(5)所示： 式中，分别为地面站和航天器的移动速度矢量， B , A 则表示速度方向和直射 路径的夹角，f 0 为信号频率，c为光速； 3)莱斯因子计算 所述的莱斯因子计算根据莱斯因子K与太阳活动造成的太阳闪烁指数具有如式(6)所 权 利 要 求 书CN 104243070 A 3/4页 4 示的关系而得： 其中，太阳闪烁指数m与太阳-地球-航天器夹角相关，当该夹角大于4时m可忽略； 当该夹角小于4时，m值随着夹角的减小而增大；夹角趋近0时m为1，此时K，该情 况下无直射路径。 4)信道噪声计算 所述的信道噪声计算是根据式(7)所示的深空信道噪声用等效。
12、噪声温度来计算， P N k(T RF +T C +T SUN +T MOON +T PL +T G +T AN )B N (7) 式中，P N 为噪声功率；k为玻尔兹曼常量并且k1.380650510 -23 J/KHz；B N 为接收 机等效噪声带宽；T RF 为低噪声放大器的噪声温度，T c 为宇宙背景噪声温度(本实施案例取 2.660.77K)；T G 为地球站噪声，本实施例T G 取值为0.1K；T AN 为天线噪声温度；T SUN 为太阳 噪声温度，如(8)所示为 式中，S为单位太阳粒子辐射流密度；A为天线有效孔径面积；为天线效率；r为考虑 深空站系统接收机非线性因素后的减少因子；。
13、 T MOON 为月球噪声温度，S波段，X波段和Ka波段噪声温度分别由式(9)、式(10)和式 (11)求得， T MOON ()1361.4(K) (9) T MOON ()154.0-0.143896-7.8862810 -3 2 +1.1984810 -4 3 -4.9570910 -7 4 +6.2437610 -5 5 (K) (10) T MOON ()189.1-0.31796+3.7789610 -3 2 -1.3077610 -5 3 +1.3709910 -8 4 ( K) (11) 式中，为天线主波束宽度与月球圆盘中心之间的偏移角度； T PL 为行星噪声温度，如式(12。
14、)所示： 式中，T k 为行星黑体温度；d为行星直径；R为与行星的距离；为行星中心到天线波 束中心的夹角； 0 为天线半功率波束宽度；G为天线增益； 步骤3：根据主控单元经CPCI总线配置的信道状态参数，基带信道模拟单元的DSP首 先将其转为硬件参数并进行定点化，实时配置给对应的FPGA工作模块，步骤2的方法具体 如下： 1)计算各径的相对时延 1 (t)- 2 (t)，其中 1 (t)、 2 (t)分别为直射径和散 射径时延，将时延转化为定点的FPGA硬件参数，并实时配置给时延模块； 2)计算各径的相对损耗因子 1 , 2 ， 1 , 2 应当满足( 2 / 1 ) 2 K的条件，将其转 化。
15、为定点的FPGA硬件参数，并实时配置给损耗模块； 3)计算各径的多普勒频移f d,1 (t),f d,2 (t)，将其转化为定点的FPGA硬件参数，并实时 权 利 要 求 书CN 104243070 A 4/4页 5 配置给多普勒频移模块； 4)计算信道衰落的定点化硬件参数，并实时配置给信道衰落模块； 5)计算深空信道噪声功率P N 的定点化参数，并实时配置给高斯噪声模块； 步骤4：根据主控单元经CPCI总线配置的通信频段，变频器设置上变频及下变频器的 工作频段； 步骤5：根据主控单元经CPCI总线配置的衰减参数，衰减器单元实时设置衰减值。 7.根据权利要求6所述的面向深空通信的无线信道实时模。
16、拟器的模拟方法，其特征在 于所述的步骤1中的运动轨迹能够进行内插，内插倍数用户能够设置。 权 利 要 求 书CN 104243070 A 1/9页 6 面向深空通信的无线信道实时模拟器及其模拟方法 技术领域 0001 本发明属于面向深空通信技术领域，具体涉及一种面向深空通信的无线信道实时 模拟器及其模拟方法。 背景技术 0002 当前，国内外航天事业蓬勃发展，发送了大量的航天器对地外空间及地外天体开 展科学研究。在这些航天工程中，确保航天器与地面站、航天器与航天器之间的可靠通信是 航天任务成败与否的关键。深空通信环境完全不同于地面通信环境，比较复杂，故对航天工 程中深空背景下的无线信道研究，特。
17、别是深空信道建模及实验室模拟对深空通信系统的研 制及测试，乃至航天事业的发展意义重大。 0003 深空通信距离遥远，导致延时长，传播损耗大，同时还受到太阳活动(如太阳风、 日冕)、月球及其它天体噪声等影响，使得接收信号功率极其微弱，且信噪比极低。当太阳处 在两个通信航天器之间时(即上合时期)，无线传播信号将受到太阳风和日冕的影响，这种 不规则影响会造成信号幅度的闪烁，使得深空信道具有时变衰落特性。同时，深空信道还具 有窗口特性，上下行链路不对称，上行链路主要用于传输遥控指令，码速率较低；下行链路 主要用于传输图像及其它探测到的数据信息，码速率较高。此外，深空通信频段高、带宽大， 加上航天器之间。
18、的相对运动速度较大，将导致大多普勒频移和扩展。 0004 对深空信道的研究包括通信实测、软件仿真和硬件模拟等模拟方法。然而，真实的 深空通信链路测试需要借助卫星或者航天器进行，会消耗巨大的人力和物力；软件仿真由 于运算量巨大，且无法提供真实信号的输入输出接口而颇受局限。最有效的模拟方法是采 用硬件方式实现深空信道的地面实验室可重复模拟，DSP及FPGA强大的运算能力，以及硬 件板卡丰富的数模/模数转换接口，使得实验室环境下实时模拟深空信道成为可能。 0005 另外深空信道有别于与地面无线移动信道，深空信号传输距离极其遥远，必然导 致巨大的路径损耗；航天器和地球的高速运动造成收发信机巨大的相对速。
19、度，从而引入巨 大的多普勒频移；深空链路受到太阳活动抛射的非均匀带电粒子的干扰，将引发多径效应， 造成信号幅度的闪烁(也称太阳闪烁)；深空通信的噪声干扰复杂，包括宇宙背景噪声、太 阳噪声、月球噪声、行星噪声、地球站噪声和天线噪声等。 发明内容 0006 本发明的目的提供一种面向深空通信的无线信道实时模拟器及其模拟方法，支持 上行链路和下行链路实时双工通信信道模拟，包括主控单元、基带信道模拟单元、变频器单 元以及衰减器单元，所述主控单元通过CPCI总线与基带信道模拟单元、变频器单元以及衰 减器单元进行数据及命令传输；所述基带信道模拟单元、变频器单元和衰减器单元间通过 SMA接口进行模拟信号传输，。
20、并结合其模拟方法可有效实时模拟深空背景下无线信号的传 播情况，从而在地面实验室实现深空通信设备的调试、测试及性能评估。 0007 为了克服现有技术中的不足，本发明提供了一种面向深空通信的无线信道实时模 说 明 书CN 104243070 A 2/9页 7 拟器及其模拟方法的解决方案，具体如下： 0008 一种面向深空通信的无线信道实时模拟器，支持上行链路和下行链路实时双工通 信信道模拟，包括主控单元1-0、基带信道模拟单元2-0、变频器单元3-0以及衰减器单元 4-0，所述主控单元1-0通过CPCI总线与基带信道模拟单元2-0、变频器单元3-0以及衰减 器单元4-0进行数据及命令传输；所述基带。
21、信道模拟单元2-0、变频器单元3-0和衰减器单 元4-0间通过SMA接口进行模拟信号传输： 0009 所述上行链路包括主控单元中的深空通信场景输入模块1-1，上行链路信道参数 估计模块1-2，基带模拟单元中的上行链路多径衰落模拟模块2-1，变频器单元中的下变频 器3-1和上变频器3-2，衰减器单元中的衰减器模块4-1，上行链路发射信号，通过上行链路 输入5-1端口经下变频器3-1下变频为中频信号，该中频信号输入到上行链路多径衰落模 拟模块2-1叠加多径衰落信道，之后经上变频器3-2上变频到深空通信频段，输出射频信号 经衰减器4-1衰减后从上行链路输出5-2端口输出的信号即为模拟经过深空链路后的。
22、上行 链路接收端信号，所述的下行链路的组成和实现方法与所述的上行链路一致。 0010 所述主控单元1-0为带有CPU计算单元的主板，并连接有与之兼容的键盘、鼠标、 显示器这样的输入输出设备，带有CPU计算单元的主板还包括主控软件，主控软件实现的 功能模块包括深空通信场景输入模块1-1，上行链路信道参数估计模块1-2和下行链路信 道参数估计模块1-3，所述的深空通信场景输入模块1-1接受用户输入的通信场景参数，通 信场景参数包括深空探测器运动轨迹、通信频段、星体半径、电导率以及介电常数，所述的 上行链路信道参数估计模块1-2和下行链路信道参数估计模块1-3从该场景参数中提取出 信道参数，包括多径。
23、时延、多普勒频移、多普勒扩展、莱斯因子以及噪声功率/信噪比，并将 该信道参数经CPCI总线配置给基带信道模拟单元2-0、变频器单元3-0及衰减器单元4-0。 0011 所述基带信道模拟单元2-0为由DSP和FPGA组成的信号处理板卡，包含模数转换 模块和数模转换模块，实现上行链路多径衰落模拟和下行链路多径衰落模拟的模块分别为 上行链路多径衰落模拟模块2-1和下行链路多径衰落模拟模块2-2，基带信道模拟单元2-0 接收主控单元1-0经CPCI总线配置的硬件信道参数，包括多径时延、多普勒频移、多普勒扩 展、莱斯因子以及噪声功率/信噪比，基于该硬件信道参数实时产生与之相符的信道衰落， 并叠加至输入信。
24、号后输出。 0012 所述变频器单元3-0为由混频器和滤波器组成的信号变频单元板卡，包括两个下 变频器模块，两个下变频器模块分别为第一下变频器模块3-1和第二下变频器模块3-4， 两个上变频器模块，两个上变频器模块分别为第一上变频器模块3-2和第二上变频器模块 3-3，变频器单元3-0接收主控单元1-0经CPCI总线配置的工作频段数据，频段包含深空 通信的常用频段，VHF频段、L频段、S频段、C频段、X频段、Ku频段以及Ka频段，其中第一 下变频器模块3-1和第二下变频器模块3-4的功能为将输入射频深空信号下变频为中频信 号，第一上变频器模块3-2和第二上变频器模块3-3的功能为将叠加信道后的。
25、中频信号上 变频到深空通信所用的射频段。 0013 所述衰减器单元4-0为由程控衰减电路构成的信号衰减单元板卡，内含两个衰减 器模块，两个衰减器模块分别为第一衰减器模块4-1和第二衰减器模块4-2，第一衰减器模 块4-1和第二衰减器模块4-2都分别由一个10dB每步进十五大步进衰减器和一个1dB每步 进的小步进衰减器组成，总衰减量程为大步进衰减器量程和小步进衰减器量程之和，衰减 说 明 书CN 104243070 A 3/9页 8 步进与小步进衰减器一致，衰减器单元4-0接收主控单元1-0经CPCI总线配置的衰减值， 实时控制深空通信信号的总衰减量。 0014 所述的面向深空通信的无线信道实时。
26、模拟器的模拟方法，步骤如下： 0015 步骤1：用户在主控单元1-0的主控软件中输入深空通信场景参数，包括深空探测 器飞行轨迹文件、通信频段、星体半径、电导率以及介电常数，主控软件基于收发端的运动 轨迹计算传播场景的几何参量，包括收发端运动速度、直线距离和反射点坐标； 0016 步骤2：通过传播场景的几何参量及系统参数计算得到不同时刻的信道状 态参数，包括深空链路传播损耗L 1 (t),L 2 (t)、多普勒频移f d,1 (t),f d,2 (t)、各径时延 1 (t), 2 (t)、莱斯因子K和噪声功率P N 这样的信道参数，步骤2的具体方法如下： 0017 1)深空传播链路损耗计算 00。
27、18 所述的深空传播链路损耗计算为传播链路损耗L Loss 考虑自由空间传播损耗L f ，大 气传播损耗L a ，降雨损耗L r ，收发天线增益G r 、G t 这样的因素，计算方法如式(1)所示： 0019 L Loss L f +L a +L r -G r -G t (dB) (1) 0020 其中如式(2)所示： 0021 L f 92.44+20lg(d/10 3 )+20lg(f/10 9 )(dB) (2) 0022 式中，f为频率，单位Hz；d为通信距离，单位m； 0023 如式(3)所示： 0024 0025 式中，r 0 和r w 分别为氧气分子和水蒸气分子对电波的衰减率；h。
28、 s 为地面站海拔高 度；为地面站天线波束仰角；g(h 0 )、g(h w )是与氧气层等效厚度h 0 、水蒸气层等效厚度h w 相关的函数； 0026 如式(4)所示： 0027 L r r L E (dB) (4) 0028 式中， r 为降雨损耗率；L E 为等效路径长度； 0029 2)多普勒频移计算 0030 所述的多普勒频移计算为凭借深空通信中，通信双方本身的运动速度很大，巨大 的径向运动速度以及超高的通信频率产生了多普勒效应，这样直射路径的最大多普勒频移 能够表示为如式(5)所示： 0031 0032 式中，分别为地面站和航天器的移动速度矢量， B , A 则表示速度方向和 直射。
29、路径的夹角，f 0 为信号频率，c为光速； 0033 3)莱斯因子计算 0034 所述的莱斯因子计算根据莱斯因子K与太阳活动造成的太阳闪烁指数具有如式 说 明 书CN 104243070 A 4/9页 9 (6)所示的关系而得： 0035 0036 其中，太阳闪烁指数m与太阳-地球-航天器夹角相关，当该夹角大于4时m可忽 略；当该夹角小于4时，m值随着夹角的减小而增大；夹角趋近0时m为1，此时K， 该情况下无直射路径。 0037 4)信道噪声计算 0038 所述的信道噪声计算是根据式(7)所示的深空信道噪声用等效噪声温度来计算， 0039 P N k(T RF +T C +T SUN +T M。
30、OON +T PL +T G +T AN )B N (7) 0040 式中，P N 为噪声功率；k为玻尔兹曼常量并且k1.380650510 -23 J/KHz；B N 为 接收机等效噪声带宽；T RF 为低噪声放大器的噪声温度，T c 为宇宙背景噪声温度；T G 为地球 站噪声；T AN 为天线噪声温度；T SUN 为太阳噪声温度，如(8)所示为 0041 0042 式中，S为单位太阳粒子辐射流密度；A为天线有效孔径面积；为天线效率；r为 考虑深空站系统接收机非线性因素后的减少因子； 0043 T MOON 为月球噪声温度，S波段，X波段和Ka波段噪声温度分别由式(9)、式(10)和 式(1。
31、1)求得， 0044 T MOON ()1361.4(K) (9) 0045 T MOON ()154.0-0.143896-7.8862810 -3 2 +1.1984810 -4 3 -4.9570910 -7 4 +6.2437610 -5 5 (K) (10) 0046 T MOON ()189.1-0.31796+3.7789610 -3 2 -1.3077610 -5 3 +1.3709910 - 8 4 (K) (11) 0047 式中，为天线主波束宽度与月球圆盘中心之间的偏移角度； 0048 T PL 为行星噪声温度，如式(12)所示： 0049 0050 式中，T k 为行星。
32、黑体温度；d为行星直径；R为与行星的距离；为行星中心到天 线波束中心的夹角； 0 为天线半功率波束宽度；G为天线增益； 0051 步骤3：根据主控单元1-0经CPCI总线配置的信道状态参数，基带信道模拟单元 2-0的DSP首先将其转为硬件参数并进行定点化，实时配置给对应的FPGA工作模块，步骤2 的方法具体如下： 0052 1)计算各径的相对时延 1 (t)- 2 (t)，其中 1 (t)、 2 (t)分别为直射径 和散射径时延，将时延转化为定点的FPGA硬件参数，并实时配置给时延模块； 0053 2)计算各径的相对损耗因子 1 , 2 ， 1 , 2 应当满足( 2 / 1 ) 2 K的条件。
33、，将 其转化为定点的FPGA硬件参数，并实时配置给损耗模块； 0054 3)计算各径的多普勒频移f d,1 (t),f d,2 (t)，将其转化为定点的FPGA硬件参数，并 实时配置给多普勒频移模块； 说 明 书CN 104243070 A 5/9页 10 0055 4)计算信道衰落的定点化硬件参数，并实时配置给信道衰落模块； 0056 5)计算深空信道噪声功率P N 的定点化参数，并实时配置给高斯噪声模块； 0057 步骤4：根据主控单元1-0经CPCI总线配置的通信频段，变频器设置上变频及下 变频器的工作频段； 0058 步骤5：根据主控单元1-0经CPCI总线配置的衰减参数，衰减器单元实。
34、时设置衰 减值。 0059 所述的步骤1中的运动轨迹能够进行内插，内插倍数用户能够设置。 0060 由这些技术特征，本发明可有效实时模拟深空背景下无线信号的传播情况，从而 在地面实验室实现深空通信设备的调试、测试及性能评估。 附图说明 0061 图1为本发明系统结构示意图。 0062 图2为本发明深空基带信道硬件模拟流程图。 具体实施方式 0063 本发明的目的是研制一种面向深空通信的无线信道实时模拟器及其模拟方法。本 发明综合考虑上述深空通信链路的特点，将深空信道建模为 0064 0065 式中，为复基带输入信号；为经过深空环境传播后的复基带接收信号；f d 为最大多普勒频率，e为自然对数底。
35、数；L(t)表示传播链路损耗，与通信距离和频率有关； 为信道干扰噪声。为太阳闪烁导致的闪烁系数，与太阳的闪烁因子有关，且可表示 为非零均值的复高斯随机过程，即 0066 0067 式中，是由带电粒子散射导致非视距传输的复高斯随机过程， sc (t)与视 距接收信号功率成正比。的包络的统计特性服从莱斯分布，其概率密度函 数为 0068 0069 式中，为莱斯因子，I 0 ()是零阶第一类修正贝塞尔(Bessel)函数。 0070 下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明： 0071 如图1所示，面向深空通信的无线信道实时模拟器，支持上行链路和下行链路实 时双工通信信道模拟，包括主控单元1-0、基。
36、带信道模拟单元2-0、变频器单元3-0以及衰 减器单元4-0，所述主控单元1-0通过CPCI总线与基带信道模拟单元2-0、变频器单元3-0 以及衰减器单元4-0进行数据及命令传输；所述基带信道模拟单元2-0、变频器单元3-0和 衰减器单元4-0间通过SMA接口进行模拟信号传输；所述上行链路包括主控单元中的深空 说 明 书CN 104243070 A 10 6/9页 11 通信场景输入模块1-1，上行链路信道参数估计模块1-2，基带模拟单元中的上行链路多径 衰落模拟模块2-1，变频器单元中的下变频器3-1和上变频器3-2，衰减器单元中的衰减器 模块4-1，上行链路发射信号，通过上行链路输入5-1。
37、端口经下变频器3-1下变频为中频信 号，该中频信号输入到上行链路多径衰落模拟模块2-1叠加多径衰落信道，之后经上变频 器3-2上变频到深空通信频段，输出射频信号经衰减器4-1衰减后从上行链路输出5-2端 口输出的信号即为模拟经过深空链路后的上行链路接收端信号，所述的下行链路的组成和 实现方法与所述的上行链路一致。所述主控单元1-0为带有CPU计算单元的主板，并连接 有与之兼容的键盘、鼠标、显示器这样的输入输出设备，带有CPU计算单元的主板还包括主 控软件,主控软件实现的功能模块包括深空通信场景输入模块1-1，上行链路信道参数估 计模块1-2和下行链路信道参数估计模块1-3，所述的深空通信场景输。
38、入模块1-1接受用 户输入的通信场景参数，通信场景参数包括深空探测器运动轨迹、通信频段、星体半径、电 导率以及介电常数，所述的上行链路信道参数估计模块1-2和下行链路信道参数估计模块 1-3从该场景参数中提取出信道参数，包括多径时延、多普勒频移、多普勒扩展、莱斯因子以 及噪声功率/信噪比，并将该信道参数经CPCI总线配置给基带信道模拟单元2-0、变频器单 元3-0及衰减器单元4-0。所述基带信道模拟单元2-0为由DSP和FPGA组成的信号处理板 卡，包含模数转换模块和数模转换模块，实现上行链路多径衰落模拟和下行链路多径衰落 模拟的模块分别为上行链路多径衰落模拟模块2-1和下行链路多径衰落模拟模。
39、块2-2，基 带信道模拟单元2-0接收主控单元1-0经CPCI总线配置的硬件信道参数，包括多径时延、 多普勒频移、多普勒扩展、莱斯因子以及噪声功率/信噪比，基于该硬件信道参数实时产生 与之相符的信道衰落，并叠加至输入信号后输出。所述变频器单元3-0为由混频器和滤波 器组成的信号变频单元板卡，包括两个下变频器模块，两个下变频器模块分别为第一下变 频器模块3-1和第二下变频器模块3-4，两个上变频器模块，两个上变频器模块分别为第一 上变频器模块3-2和第二上变频器模块3-3，变频器单元3-0接收主控单元1-0经CPCI总 线配置的工作频段数据，频段包含深空通信的常用频段，VHF频段、L频段、S频段。
40、、C频段、X 频段、Ku频段以及Ka频段,其中第一下变频器模块3-1和第二下变频器模块3-4的功能为 将输入射频深空信号下变频为中频信号，第一上变频器模块3-2和第二上变频器模块3-3 的功能为将叠加信道后的中频信号上变频到深空通信所用的射频段。所述衰减器单元4-0 为由程控衰减电路构成的信号衰减单元板卡，内含两个衰减器模块,两个衰减器模块分别 为第一衰减器模块4-1和第二衰减器模块4-2，第一衰减器模块4-1和第二衰减器模块4-2 都分别由一个10dB每步进的大步进衰减器和一个1dB每步进的小步进衰减器组成，总衰减 量程为大步进衰减器量程和小步进衰减器量程之和，衰减步进与小步进衰减器一致，衰。
41、减 器单元4-0接收主控单元1-0经CPCI总线配置的衰减值，实时控制深空通信信号的总衰减 量。 0072 所述的面向深空通信的无线信道实时模拟器的模拟方法，步骤如下： 0073 步骤1：用户在主控单元1-0的主控软件中输入深空通信场景参数，包括深空探测 器飞行轨迹文件、通信频段、星体半径、电导率以及介电常数，主控软件基于收发端的运动 轨迹计算传播场景的几何参量，包括收发端运动速度、直线距离和反射点坐标； 0074 步骤2：通过传播场景的几何参量及系统参数计算得到不同时刻的信道状 态参数，包括深空链路传播损耗L 1 (t),L 2 (t)、多普勒频移f d,1 (t),f d,2 (t)、各径。
42、时延 说 明 书CN 104243070 A 11 7/9页 12 1 (t), 2 (t)、莱斯因子K和噪声功率P N 这样的信道参数，步骤2的具体方法如下： 0075 1)深空传播链路损耗计算 0076 所述的深空传播链路损耗计算为传播链路损耗L Loss 考虑自由空间传播损耗L f ，大 气传播损耗L a ，降雨损耗L r ，收发天线增益G r 、G t 这样的因素，计算方法如式(4)所示： 0077 L Loss L f +L a +L r -G r -G t (dB) (4) 0078 其中如式(5)所示： 0079 L f 92.44+20lg(d/10 3 )+20lg(f/10。
43、 9 )(dB) (5) 0080 式中，f为频率，单位Hz；d为通信距离，单位m； 0081 如式(6)所示： 0082 0083 式中，r 0 和r w 分别为氧气分子和水蒸气分子对电波的衰减率；h s 为地面站海拔高 度；为地面站天线波束仰角；g(h 0 )、g(h w )是与氧气层等效厚度h 0 、水蒸气层等效厚度h w 相关的函数； 0084 如式(7)所示： 0085 L r r L E (dB) (7) 0086 式中， r 为降雨损耗率；L E 为等效路径长度； 0087 2)多普勒频移计算 0088 所述的多普勒频移计算为凭借深空通信中，通信双方本身的运动速度很大，巨大 的径。
44、向运动速度以及超高的通信频率产生了多普勒效应，这样直射路径的最大多普勒频移 能够表示为如式(8)所示： 0089 0090 式中，分别为地面站和航天器的移动速度矢量， B , A 则表示速度方向和 直射路径的夹角，f 0 为信号频率，c为光速； 0091 3)莱斯因子计算 0092 所述的莱斯因子计算根据莱斯因子K与太阳活动造成的太阳闪烁指数具有如式 (9)所示的关系而得： 0093 0094 其中，太阳闪烁指数m与太阳-地球-航天器夹角相关，当该夹角大于4时m可忽 略；当该夹角小于4时，m值随着夹角的减小而增大；夹角趋近0时m为1，此时K， 该情况下无直射路径。 0095 4)信道噪声计算 。
45、0096 所述的信道噪声计算是根据式(10)所示的深空信道噪声用等效噪声温度来计 说 明 书CN 104243070 A 12 8/9页 13 算， 0097 P N k(T RF +T C +T SUN +T MOON +T PL +T G +T AN )B N (10) 0098 式中，P N 为噪声功率；k为玻尔兹曼常量并且k1.380650510 -23 J/KHz；B N 为 接收机等效噪声带宽；T RF 为低噪声放大器的噪声温度，T c 为宇宙背景噪声温度(本实施案 例取2.660.77K)；T G 为地球站噪声，本实施例T G 取值为0.1K；T AN 为天线噪声温度；T SUN。
46、 为 太阳噪声温度，如(11)所示为 0099 0100 式中，S为单位太阳粒子辐射流密度；A为天线有效孔径面积；为天线效率；r为 考虑深空站系统接收机非线性因素后的减少因子； 0101 T MOON 为月球噪声温度，S波段，X波段和Ka波段噪声温度分别由式(12)、式(13)和 式(14)求得， 0102 T MOON ()1361.4(K) (12) 0103 T MOON ()154.0-0.143896-7.8862810 -3 2 +1.1984810 -4 3 -4.9570910 -7 4 +6.2437610 -5 5 (K) (13) 0104 T MOON ()189.1-。
47、0.31796+3.7789610 -3 2 -1.3077610 -5 3 +1.3709910 - 8 4 (K) (14) 0105 式中，为天线主波束宽度与月球圆盘中心之间的偏移角度； 0106 T PL 为行星噪声温度，如式(15)所示： 0107 0108 式中，T k 为行星黑体温度；d为行星直径；R为与行星的距离；为行星中心到天 线波束中心的夹角； 0 为天线半功率波束宽度；G为天线增益； 0109 步骤3：根据主控单元1-0经CPCI总线配置的信道状态参数，基带信道模拟单元 2-0的DSP首先将其转为硬件参数并进行定点化，实时配置给对应的FPGA工作模块(如图 2所示)，步骤。
48、2的方法具体如下： 0110 1)计算各径的相对时延 1 (t)- 2 (t)，其中 1 (t)、 2 (t)分别为直射径 和散射径时延，将时延转化为定点的FPGA硬件参数，并实时配置给时延模块； 0111 2)计算各径的相对损耗因子 1 , 2 ， 1 , 2 应当满足( 2 / 1 ) 2 K的条件，将 其转化为定点的FPGA硬件参数，并实时配置给损耗模块； 0112 3)计算各径的多普勒频移f d,1 (t),f d,2 (t)，将其转化为定点的FPGA硬件参数，并 实时配置给多普勒频移模块； 0113 4)计算信道衰落的定点化硬件参数，并实时配置给信道衰落模块； 0114 5)计算深空信道噪声功率P N 的定点化参数，并实时配置给高斯噪声模块； 0115 步骤4：根据主控单元1-0经CPCI总线配置的通信频段，变频器设置上变频及下 变频器的工作频段；本实施例中，变频器有VHF、L、S、C、X、Ku和Ka七个可选工作频段，选 择VHF频段400MHz信号作为输入1输入下变频器3-1，本实施例设置下变频。