数字基带卫星信道模拟器硬件设计 (毕业设计51页、20844字)
摘要：卫星移动通信系统已经成为当前通信领域中发展非常迅速的研究方向和现代化通信强有力的手段之一。在卫星通信系统规划及其收发信机研制中，租用实际卫星链路进行实验非常昂贵，而卫星信道模拟器用于设备研制将会显著降低研发成本，同时也为卫星通信系统的工程设计提供强有力的调试手段。本文介绍了卫星通信系统基本概念、卫星信道传播特性以及卫星信道传播特性研究中几种常用的概率分布、信道模型。通过分析、比较卫星通信系统和计算机通信系统构成，系统地讨论了卫星信道模型器设计思想、方案。针对信道模拟器具体应用及参数要求，设计并完成了实时仿真硬件模块的原理图，包括电源、时钟、复位按键、网络接口、FPGA及其配置。最终通过硬件调试和软件仿真验证了卫星信道模拟器的正确性和有效性。

关键词：卫星移动通信；信道传输特性；信道模型；网络接口
 
Hardware Design of Digital Base-band Channel Simulator for Satellite Communication
Abstract：Satellite mobile communication system has become one of the galloping communication research fields and a useful means of modern communication. It is expensive to experiment on hired real satellite link in formulating satellite communications system and researching transceiver. Satellite channel simulator can simulate transmission characteristics of electromagnetic wave close to real channel environment. It can save the cost in developing equipments and be a powerful tool in designing the satellite communication systems. In this dissertation, the propagating characteristics of satellite mobile channels are introduced. We discuss about the design scheme of satellite mobile channels in comparison with satellite mobile communication system and computer communication system. The method of carrying out the project of hardware is also discussed, including the clock, the network interface, FPGA and their configurations. The correctness and validity of the satellite channel simulator are verified by debugging and simulating.

Keyword: Satellite mobile communications, Propagating characteristic of channel, Channel model, Network interface
 
目    录
第1章 绪  论 1
1.1选题意义及背景 1
1.2课题研究现状 2
1.3论文研究内容 3
第2章 方案设计 6
2.1卫星信道传输特性及其模型 6
2.1.1卫星信道传输特性 6
2.1.2卫星信道基本模型 7
2.2本课题的方案选择 8
2.2.1卫星通信系统构成 8
2.2.2计算机通信系统构成 9
2.2.3卫星信道模拟器具体设计 10
2.3卫星信道模拟器硬件组成及芯片选型 11
2.3.1卫星信道模拟器的硬件组成 11
2.3.2硬件简介及芯片选型 12
第3章 信道模拟器硬件设计 14
3.1设计目标 14
3.2信道模拟器基本硬件设计 14
3.2.1电源设计 14
3.2.2时钟设计 16
3.2.3复位设计 18
3.3网络接口设计 21
3.3.1网口设计 21
3.3.2以太网物理层芯片LXT972设计 22
3.3.3隔离变压器设计 27
3.4 FPGA及其配置设计 29
3.4.1 FPGA设计 29
3.4.2 SDRAM设计 31
第4章 设计调试 33
4.1硬件调试 33
4.2硬件功能性测试 33
4.2.1 FPGA测试 33
4.2.2以太网口测试 34
结  论 40
致  谢 41
参考文献 43
附录1 45
附录2 46
 
第1章 绪  论
1.1选题意义及背景
卫星通信是本世纪最伟大的科学成就之一，它对整个人类社会的发展和进步都产生了极为深刻的影响。卫星通信是利用人造卫星作为通信的中继站来转发无线电信号，在两个或多个地面站之间进行的通信。在卫星通信系统中，地面站A把无线电信号发射给卫星，卫星收到信号后，进行处理和放大，再转发给地面站B。同样，地面站B发出的信号也可以通过卫星转发到地面站A，从而实现了卫星通信。1958年，美国发射了世界上第一颗实验通信卫星“斯科尔”号。接着，苏联和美国又于1965年分别将通信卫星“闪电1号”和“国际通信卫星1号”送放太空。从此，卫星给人类的通信带来了巨大变革。
卫星有着巨大的覆盖面积,一颗同步通信卫星就可以覆盖地球面积的1/3，只要有三颗同步卫星就可以实现全球除南北极之外地区的通信。卫星移动通信系统,其最大特点是利用卫星通信的多址传输方式,为全球用户提供大跨度、大范围、远距离的漫游和机动、灵活的移动通信服务,是陆地蜂窝移动通信系统的扩展和延伸,在偏远的地区、山区、海岛、受灾区、远洋船只及远航飞机等通信方面更具独特的优越性。由于通信卫星具有传输容量大，传输距离远，通信质量高，灵活性大等优点，因而自第一颗卫星升空以来的30多年间，卫星通信有了日新月异的发展，它极大地促进了世界各国间科学文化和经济信息的交流，大大推动了人类的文明和进步。通信卫星使地球变小了，使人们在洲际间的距离变近了。今天，在地球周围的宇宙空间里，有许多通信卫星在绕地球转动，它们担负着不同的任务，有专供气象观测的气象卫星，如中央电视台新闻联播之后在天气预报中的气象云图就是由它提供的；有专为飞机和舰船进行导航的导航卫星；有用于探测军事动态的军用卫星；还有勘测地球上森林、矿藏等资源的地球资源卫星；而专门用于无线电通信的卫星叫做通信卫星[1][2]。
移动通信是近年来发展十分迅速的通信方式，在陆地移动通信系统中，由于移动台所处区域地形复杂，加上移动台本身的运动，使接收到的信号其包络和相位随机变化。为了评价移动通信设备的性能，需要在实际通信环境中进行反复实验，这必将耗费大量人力物力[3]。在卫星通信系统规划及其收发信机的研制中，租用实际卫星链路进行实验非常昂贵。为了缩短研制周期，节省研制费用，在移动通信设备的研制过程中，广泛采用了各种信道模拟器。因此研究卫星通信信道特性，并以此设计可实时仿真卫星信道特性的硬件模拟器是卫星通信中重要的研究课题。
卫星信道模拟器是根据一定的卫星信道模型，采用软、硬件结合的方式来模拟实际卫星通信信道。通过选择不同的统计模型和设定相应的相关参数，可较真实地逼近真实信道的传输特性，用于设备的研发和调试。与地面无线通信相比，卫星通信信道的通信时延长、多普勒频移显著、衰落变化复杂，对于其传输特性的研究虽然存在大量的理论文章和一些仿真模型，但是缺乏可以用于设备研发的硬件信道模拟器。
基于以上原因，本课题拟设计数字基带卫星信道模拟器，用于研制卫星通信系统的前期仿真验证。卫星信道模拟器的硬件实现可以为卫星通信系统的工程设计提供强有力的调试手段,具有十分重要的意义。
1.2课题研究现状
在对卫星信道模拟器的研究中，国外已有少数大公司的信道模拟器已经比较成熟并且已经商用化，国内也有些科研机构做了一些相关研究工作并取得了一定成果。但其针对卫星信道，普遍忽略了仿真模型对于再现真实卫星通信信道的重要性，采用的瑞利和莱斯衰落模型虽然适用于地面移动通信信道，但对卫星移动通信信道的模拟却不尽理想，例如没有用对数正态分布描述地面移动终端在复杂地面环境中通行时所受的遮蔽影响等。
由于通常按模型建立的不同方法可以将模型分为 3种：经验模型、几何分析模型和统计模型。其中，统计模型由于其立足于信号的传播机制，同时又对实际过程进行简化假设，以避免经验模型物理意义不直观和几何模型分析复杂的缺点，因此统计模型在卫星移动通信信道建模中得到了广泛的应用。国内外比较常用的卫星移动通信信道统计模型有：C.Loo模型、Corazza模型和Lutz模型[4]。
C. Loo模型又称部分阴影模型，该模型适用于乡村有阴影遮蔽的环境，接收信号的包络r服从Rician分布。
Corazza模型又称全阴影模型，原则上讲，只需调整相应的模型参数，该模型可适用于所有的环境。
Lutz模型又称两状态模型，该模型适用于不同的环境（城市、郊区、乡村公路和高速公路）。
它们常用于选择高效的调制/解调方式、多址访问方式、信道编码方式和预测接收端的误码率等。
目前，国内外在对卫星信道模拟器的研究以及描述卫星通信信道特性时，都还不全面。例如：美国dBm公司的SLE卫星链路模拟器采用的Rayleigh和Rician作为衰落模型，而GLOCOM公司SCATT8906终端设备测试器只采用了Rayleigh分布衰落模型。但是也有很多科研机构和高校进行卫星信道模拟器的研究并取得了一定成绩，例如：澳大利亚南澳大学研制出移动卫星信道模拟器MSCS-1，该模拟器具有记录和重放信道数据，可调时延变化，可调整多普勒频移等功能；国立交通大学主要模拟的范例系统是以OFDMA为基础的802.16a，特别针对使用者在高速移动的环境下所做的快速瑞利衰落模拟；电子科技大学主要是在实时模拟实现低轨卫星信道的损耗、噪声影响、多径衰落、多普勒效应、遮蔽等各种随机特性与时变特性；国防科技大学搭建了一个通用的数字信道模拟器平台，重点对数字网传输损伤中的误码、抖动和温度漂移等度量指标进行理论研究和分析等[5][6]。
1.3论文研究内容
由于在卫星通信系统规划及其收发信机的研制中，租用正真的卫星链路进行实验价钱非常昂贵并且不实际，所以利用卫星信道模拟器来模拟卫星之间的通信是非常划算和实用的。本论文研究的“数字基带卫星信道模拟器的硬件设计”是“数字基带卫星信道模拟器”的一个子课题，该课题旨在数字基带设计实现对卫星信道特性的模拟，整个系统可划分为信道模型建立及仿真数据统计、仿真参数传递、实时硬件仿真模块。本课题研究的主要内容可分为三个部分：
1、研究并设计卫星信道模拟器的系统架构。
2、研究该信道模拟器系统架构硬件的主要构成，包括物理层芯片LXT972、FPGA及其配置电路、时钟、电源、端口，了解它们的它的工作原理，电气特性、参数等。
3、对该信道模拟器的硬件进行调试和功能性测试。
卫星通信是利用人造卫星作为通信的中继站来转发无线电信号，在两个或多个地面站之间进行的通信。在卫星通信系统中，地面站A把无线电信号发射给卫星，卫星收到信号后，进行处理和放大，再转发给地面站B。同样，地面站B发出的信号也可以通过卫星转发到地面站A，从而实现了卫星通信。为了保证卫星通信可靠、安全的进行,就需要研究其信道传输特性,建立信道模型，而信道模拟器的硬件实现可以为卫星通信系统的工程设计提供强有力的调试手段。
本课题所设计的数字基带卫星信道模拟器可以根据用户要求，对所仿真的卫星信道链路进行配置，将误码、时延数据插入数据流中，通过软件测试实现卫星系统仿真、验证及演示。下面我将从卫星信道模拟器的方案选择和设计、硬件设计、硬件调试等方面分别作论述。