卫星信道模拟器误码插入的实现 （毕业设计43页、17199字）

摘要：本论文介绍了卫星信道模拟器的用途、设计思路和误码插入部分的设计方案，详细分析了随机数发生器算法结构，采用线性反馈移位寄存器法和中心极限定理法，用FPGA实现了均匀分布和高斯分布的随机数，根据误码指标设置门限，通过比较随机数和门限产生误码图案，最终实现了均匀分布和高斯分布的误码插入的设计，并用Matlab的仿真结果与信道模拟器产生的误码数据进行了比对，验证了实现方法的正确性。论文还对串口电路以及串口通信协议做了简单介绍，根据RS232通信协议，设计出了串口协议，实现了根据输入的误码率，对外部设备任意输入的随机数进行误码插入的功能。整个误码插入模块由VHDL语言编写，便于修改，可以作为一个独立的功能模块，嵌入其他系统中使用。

关键词：误码插入；随机噪声；卫星信道模拟器；FPGA；Matlab

Realization of the Error Code Insertion of the Satellite-channel Simulator

Abstract: The application of the satellite-channel simulator and the scheme of the error code insertion are introduced and the design of the uniform-distribution and the Gaussian-distribution error code insertion is realized in this paper. After the algorithm of the error code generator is analyzed in detail, the uniform-distribution and Gaussian-distribution random numbers are generated by FPGA adopting the Linear-feedback-shift-register method and the Central-limit theorem. By comparing the random numbers with the value of threshold which is concerned with the value of BER, the error code images are got and the error code insertion is realized. Then, the correctness of the design is proved by comparing the error code data produced by the channel simulator with the simulation results produced by Matlab. Serial circuit and serial interface communication protocols is also simply introduced in this paper. After serial port agreement based on RS232 communication protocols is worked out, inserting error codes into random numbers inputted though peripheral equipment is realized. The whole error code insertion module is written in VHDL that is easy to amend and it may be regarded as an independent module to be set in other systems for use.

Keywords: error code insertion, random noise, Satellite-Channel simulator, FPGA, Matlab

目    录

第1章 绪  论 1
1.1 引言 1
1.2 国内外研究现状分析及技术 1
1.3 课题设计的主要内容 2
第2章 卫星信道及其传输 3
2.1 卫星信道基本概念 3
2.2 卫星信道模拟器的设计方案 3
2.3卫星信道中的误码 4
2.3.1 误码定义 4
2.3.2 误码的产生 5
2.3.3 误码的度量 7
第3章 误码插入方案 9
3.1 设计实现的基本功能 9
3.2 误码插入的实现原理 9
3.3 误码插入的电路组成 10
第4章 均匀分布的误码生成、测试及硬件实现 12
4.1 均匀分布的随机数的简介 12
4.2 均匀分布的随机数的各种算法比较 12
4.2.1 线性同余法 12
4.2.2 线性同余组合法 13
4.2.3 线性反馈移位寄存器法 13
4.2.4 混沌映射法 14
4.2.5 对不同算法产生的随机数的分析 15
4.3 均匀分布的误码的硬件实现 16
4.3.1均匀分布的误码的硬件实现 16
4.3.2 均匀分布的误码发生器的仿真和综合 19
4.3.3 Matlab验证均匀分布数据 20
第5章 高斯分布的误码生成、测试及硬件实现 22
5.1 高斯分布的随机数的简介 22
5.2 高斯分布的随机数的各种算法比较 22
5.2.1 中心极限定理实现高斯分布的随机数 22
5.2.2 Box-Muller变换实现高斯分布的随机数 23
5.2.3 对不同算法产生的随机数的分析 23
5.3 高斯分布的误码的硬件实现 24
5.3.1 高斯分布的误码的硬件实现 24
5.3.2 高斯分布的误码发生器的仿真和综合 26
5.3.3 Matlab验证高斯分布数据 28
第6章 PC机与FPGA的接口设计 30
6.1 概述 30
6.1.1 串行接口电路的简单介绍 30
6.1.2 主要的串口通信协议的简单介绍 30
6.2 串行接口电路的设计 30
6.2.1 串行异步通信的帧格式 30
6.2.2 发送电路的设计 31
6.2.3 串行接收电路的设计 31
6.2.4 波特率发生器和采样时钟的设计 32
6.3误码插入总体模块实现 32
总结与展望 35
致  谢 36
参考文献 37
附  录 39

 
第1章 绪  论
1.1 引言
卫星通信，是指设置在地球上（包括地面、水面和低层大气层中）的无线电通信站之间利用人造地球卫星作中继站转发或发射无线电波，在2个或多个地球站之间进行的通信。
与其它通信方式相比，卫星通信具有覆盖面广、通信容量大、距离远、不受地理条件限制、性能稳定可靠等优点；同时卫星本身还具有独特的广播特性，组网灵活，易于实现多址连接，可以作为陆地移动通信的扩展、延伸、补充和备用，因此，对航空用户、航海用户、缺乏地面通信基础设施的偏远地区用户，以及对网络实时性要求较高的专门用户都具有很大的吸引力。由于卫星通信具有上述优点，因此它自诞生之日起便得到了迅猛发展，成为当今通信领域中最为重要的一种通信方式。据2006中国卫星应用大会的估计，到2010年全球卫星应用产业将达到2000亿～3000亿美元的市场规模。
在卫星通信系统的设计和卫星通信设备调试过程中，需要做很多外场实验。然而使用外场实验存在一些局限：一是在外场实验区营造不同的实验信道条件几乎是不可能的，二是外场实验的成本通常很高。因此，建立卫星通信的信道模型是必要的。
误码插入做为卫星信道的一个重要部分，人们越来越重视其性能，并寻求各种信道抗干扰、降低误码的能力。影响误码的因素有：随机噪声, 同波道干扰，临近波道干扰，衰落和多径干扰，收端载波相位抖动和定时相位抖动，发送功率放大器的非线性等等。目前常用的误码产生方法有：（1）采用模拟电路产生随机噪声，这种方法无法了解其统计特性, 不易控制；（2）采用数字电路，此法因算法被固化在模块中无法根据信道要求随时改变误码特性；（3）采用计算机模拟的软件实现，需要时间较长，当所模拟的信道速率较高时无法满足要求。根据以上情况,采用软件、硬件结合的方法来实现误码的插入，具有更灵活、更简便的优点，因此本论文主要讨论基于FPGA的误码插入方法。
1.2 国内外研究现状分析及技术
目前，国外已有少数大公司的产品实现了商用化，国内也有一些科研机构做了一些相关的研究工作。如美国dBm公司的SLE（Satellite Link Emulator）系列，美国GLOCOM公司的SCATT8906、SCATT2000，美国Tampa Microwave 公司的系列产品，瑞士ascom公司的SIMSTAR（Channel Simulator for Satellite & Terrestrial Advanced Radio），澳大利亚南澳大学电信研究所的MSCS－1（Mobile Satellite Channel Simulator），美国AEROFLEX公司的CS80072，电子科技大学研制的系列卫星信道模拟器等。
在轨道上，这些卫星信道模拟器大多可以实现低轨、中轨、同步轨道的卫星信道仿真。
在所采用的信道衰落模型上，有LMS、Rayleigh&Rician、Rayleigh模型。
在仿真传输信号频段上，这些卫星信道模拟器大多在中频上仿真卫星信道的衰落特性。将来的发展趋势会将中频搬到射频，同时基带上的仿真也存在一定需求。
在仿真信道传输特性参数上，这些卫星信道模拟器大多可以模拟自由空间损耗、多径、时延、加性高斯白噪声和多普勒频移对接收信号的影响。将来的发展趋势是同时实现自由空间损耗、雨衰、环境噪声、多径、阴影、多普勒频移和时延等综合特性的仿真。在所采用信号接口上，一般为以太口或串口，通道数一般为2、4、8。具有以太网口多通道的模拟器是将来的发展趋势。
1.3 课题设计的主要内容
误码插入是卫星信道模拟器性能测试以及故障诊断中必不可少的模块。传统的误码发生器基于CPLD和CPU协同工作，结构复杂，价格昂贵，而且不方便携带，随着现代EDA设计技术的进步，越来越多的功能将由硬件设计师集中在单芯片上实现。文章分析了误码发生器的需求，制定基于FPGA的误码发生器的设计方案，提出采用FPGA来完成误码仪的控制和测试模块一体化设计，提高了系统功能扩展性和系统的集成度，使得各个功能模块均可得到详细至逻辑门级的设计和改动。文章结构如下：
第一章对卫星信道及其特点，卫星信道的国内外现状,误码插入模块做了简单介绍。
第二章较为详细的介绍卫星信道的概念、总体设计方案，以及误码的概念。
第三章将介绍误码插入的总体方案、实现原理、电路组成。
第四章详细介绍了产生均匀分布的随机数的四种算法，通过分析比较选用线性反馈移位寄存法在硬件上实现均匀分布的误码插入。
第五章详细介绍高斯分布实现两种算法，并对两种算法做分析和比较，选用用8个M序列叠加的方法在硬件上实现了高斯分布的随机数的产生，并且基于该随机数实现了高斯分布的误码插入。
第六章将简单介PC机和FPGA的接口设计，用VHDL语言实现串行异步通信。