基于Hollis寬帶實時衛星信道模擬平臺設計

呂國成, 李　毅, 金　野

(北京大學 信息科學技術學院, 北京　100871)

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基于Hollis寬帶實時衛星信道模擬平臺設計

呂國成, 李毅, 金野

(北京大學 信息科學技術學院, 北京100871)

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

衛星通信; 信道模擬; Hollis; FPGA

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

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

1　寬帶實時衛星信道模擬平臺設計及組成

1.1總體功能設計

典型的衛星通信框圖見圖1。如圖1所示,應用端的業務數據通過由地面段及空間段組成的衛星信道完成通信。地面段包括室內單元及室外單元,空間段主要是衛星轉發器部分。室內單元主要完成與應用端接口適配、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。空間段衛星轉發器接收衛星信號通過轉發器放大后轉發。相比于其他信道,電磁波在地面及衛星之間傳播,衛星信號傳播時間較長,信號衰減較大,容易受雨衰等影響,信道參數隨衛星與地面站之間的相對運動而變化[5-11]。

圖1　衛星通信框圖

衛星信道涉及衛星信號的中頻、射頻處理及衛星信號在空間中的傳播,對于衛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。將射頻單元及轉發器信號處理對衛星信道的影響等效至中頻,在中頻完成整個衛星信道的模擬。

1.2結構組成

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

圖2　衛星信道模擬器構成框圖

1.2.1可編程調制器

如圖3所示,可編程調制器以CPU為核心,完成與應用端及FPGA數據交互。FPGA為可編程單元完成基帶信號的處理(包括編碼、調制、濾波等),正交調制器將基帶信號調制到L中頻。可編程調制器采用大容量FPGA及高速DA,可以實現整個轉發器帶寬(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,也可以根據實際需求設計并實現調制器[7]。

圖3　可編程調制器組成框圖

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。工作在140 MHz中頻,通過上、下變頻器與L波段調制解調器連接,具有2個獨立通道。能夠模擬衛星信道多普勒變化和加入寬帶噪聲。信道參數通過界面遠程配置。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可編程解調器

如圖6所示,可編程解調器主要構成與可編程調制器類似。正交解調器完成寬帶L中頻信號的正交解調(最高支持36 MHz)。FPGA完成基帶信號處理(包括濾波、解調、解碼等)。學生可以直觀地觀察信號經過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、譯碼算法的在各種信道條件下的性能[7]。

圖6　可編程解調器組成框圖

2　衛星信道模擬平臺應用分析

基于可編程調制、解調器,Hollis信道模擬器搭建了一套衛星信道模擬平臺,實物圖見圖7。

圖7　衛星信道模擬平臺實物圖

2.1衛星通信教學實驗

該模擬平臺可以用于衛星實驗的教學,通過設置Hollis配置衛星信道參數,直觀地觀察信號受信道的影響。教學內容的設置也從簡單到復雜逐步展開。隨著學生對衛星通信概念及基本理論的掌握,利用可編程模塊調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) 模擬衛星信道信號傳輸實驗。

① 噪聲影響。配置Hollis工作參數,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 衛星與地面站相對運動。配置Hollis工作參數,模擬衛星與地面站相對運動產生的多普勒頻移的影響及由于距離變化產生的傳播時延的變化。

(3) 可編程調制、解調器實驗。學生可以設計專門的物理層算法,對收發兩端的模塊進行設計及優化(如優化發端的調制模塊中濾波器,設計接收端解調器中的解調算法等)并在該模擬平臺上能夠快速得到驗證[14-15]。

2.2衛星通信系統科研

隨著衛星業務需求的不斷增加,衛星通信技術不斷發展。不同軌道衛星通信(GEO,MEO,LEO等)和新的應用需求(機載、船載等)對衛星通信的傳輸提出了新的要求。為滿足特定條件下的衛星傳輸,需要設計專用的衛星傳輸體制,包括物理層的編碼、調制方式研究。衛星信道模擬器可以根據實際應用場景,通過實際衛星信道參數采集構造與之相對應的衛星信道傳輸參數。在L中頻就能對新場景下衛星信號傳輸的性能及質量進行充分的驗證,不僅極大地節約了科研成本,另外也有利于提高科研進度,保障衛星科研工作的穩步推進。

3　結語

基于Hollis信道模擬器、可編程調制/解調器搭建了一套寬帶實時衛星信道模擬平臺。該平臺工作在L中頻,能夠較好地模擬衛星信道的傳輸特性。在衛星通信教學實驗中,幫助學生直觀、深入地理解衛星通信的基本概念及理論,其可編程模塊能夠激發學生的自主科研熱情,有利于提高衛星實驗的教學質量。此外,該平臺也是衛星通信科研項目中的重要部分,對于節約科研成本、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，主要研究方向為衛星信號處理和FPGA.E-mail：lv.guocheng@pku.edu.cn

TN927;G484

A

1002-4956(2016)10-0086-04