对流层散射信道模拟器设计与实现

作     者：郑琪治 

作者单位：北京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：林家儒

授予年度：2020年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：散射信道 信道采集 信道模拟器 FPGA 

摘      要：散射通信主要使用超短波、微波进行超视距传播,由于其具有抗干扰能力强、长距离点对点通信、高可用和安全保密等优势被广泛应用于军事领域。然而,散射通信过程中特有的散射信道具有路径损耗大、多径、时变慢和多普勒频移小等问题,这些区别于传统信道,需要进行大量的测试才能设计出合理的通信系统。而且由于这个过程存在通信测试成本高、人力物力耗费大等问题,所以在设计散射通信系统时,设计合理的信道模拟器就成为必不可少的一个环节。因此,如何设计对流层散射信道模拟器成为了本文的研究内容。本文首先对散射信道的特性进行理论研究,结合特定的对流层散射模型,解释电磁波在对流层传播中的原理。接着从传输函数、多径效应、多普勒频移和传输损耗等方面分析散射信道的传输特性,为散射信道模拟器设计与实现提供理论研究基础。然后,本文设计并实现了一个基于SC-FDE系统下的信道在线采集模块,作为信道模拟器的设计基础。信道在线采集模块使用格雷互补序列的自相关特性估计出信道系数,以160ms为周期收集信道估计参数,通过软件编程实现串口输出,该模块具有采集信息完整和可持久采集等优点。通过仿真分析采集的数据,得到以下结论:散射信道是一个多径信道,一般分布在1-6径范围内,并且集中分布;散射信道路径损耗大,一般超过100dB;幅值变化规律反映出散射信道是一个典型的慢时变信道,多普勒频移比较稳定,一般在1～7Hz左右;部分散射信道幅度统计特性服从瑞利分布,相位统计特性服从均匀分布。对于信道模拟器和散射信道特性研究来说,以上结论具有指导意义。最后,基于信道在线采集模块的实现和数据分析,本文设计并实现了一套模型种类多、可时变、资源消耗少和运算速度快的信道模拟器。模拟器主要采用Jakes模型作为延时抽头系数,分别利用软件编程和FPGA实现信道系数的输入和信道的模拟。文章依次介绍了各个子模块的设计原理和实现过程,并从三个方面验证了模拟器的合理性:（1）Jakes模型的相位、幅度和相关性与散射信道特性吻合,验证了信道模拟器模型选择的合理性;（2）仿真和测试性能曲线吻合,验证了信道模拟器实现的合理性;（3）实测信道参数环境下的系统测试误帧率与实测误帧率之间的均方误差小,验证了信道模拟器模拟散射信道的合理性。