卫星信道数字基带误码生成模块设计 (毕业论文49页、22861字)

摘要：误码仿真平台在卫星通信系统规划及其收发信机设计和验证中具有重要意义。本文在分析卫星通信信道特性的基础上，给出了一种适用于仿真卫星信道基带误码特性的方案。同时在比较几种高斯白噪声生成方法后，选择了中心极限定理方法实现高斯白噪声，并利用MATLAB对高斯白噪声进行了改进。该方法易于硬件实现。此外，通过分析MAC帧格式和以太网媒体无关接口（MII）收发时序，设计了以太网接收数据封装和发送数据封装模块。其中，在以太网接收数据封装模块提取了MAC包数据，为误码插入模块提供接口。本文基于以太网协议实现了实时高斯误码插入，较好地模拟了卫星信道的基带误码特性。创新点在于通过修正均匀随机序列的初值，扩大了高斯白噪声的周期，改良了高斯白噪声的随机特性。

关键词：误码仿真平台；媒体无关接口；MAC包；高斯白噪声
 
Design of Base-band Error Generator for Satellite Communication

Abstract: The error code simulation platform plays an important role in the transceiver design for satellite communication system. Based on the analysis of the properties of satellite communication channel, a scheme of the satellite channel simulator is proposed. A Gaussian noise generator based on Liapunov theorem is also proposed in this dissertation and its hardware implementation is very simple. Meanwhile, the Media Independent Interface (MII) transceiver with error inserting interface for Media Access Controller (MAC) package is designed and implemented. Based on the Ethernet protocol, the real-time Gaussian noise is inserted. The test results show that the error generator proposed in this dissertation works well. With the revising of the uniform distribution, the period of White Gaussian Noise (WGN) is expanded. So, the performance of normal distribution is improved.

Keywords: error code simulation platform, Media Independent Interface, MAC package, White Gaussian Noise
目    录

第1章 绪  论 1
1.1 研究意义及目的 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 本文主要工作及结构安排 3
第2章 卫星通信基带误码模块方案 5
2.1 卫星通信模拟链路分析 5
2.1.1 卫星信道组成及特性 5
2.1.2 卫星通信模拟系统 6
2.1.3 信道模拟器 6
2.2 基带误码模块方案 7
2.2.1 误码仿真平台 7
2.2.2 以太网接口通信模块 9
2.2.3 误码模块 10
第3章 以太网接口通信模块设计 12
3.1 LXT972硬件配置 12
3.1.1 LXT972概述 12
3.1.2 双绞线接口 12
3.1.3 硬件配置设置 13
3.1.4 MII接口 13
3.2 以太网接口通信模块设计 14
3.2.1 以太网接收数据封装 15
3.2.2 以太网发送数据封装 18
第4章 高斯误码生成及插入 21
4.1 卫星信道误码成因 21
4.2 高斯白噪声生成方法 22
4.3 高斯白噪声MATLAB实现 24
4.3.1 生成均匀随机序列 24
4.3.2 高斯白噪声生成和检验 26
4.3.3 修正高斯白噪声 27
4.3.4 高斯白噪声误码检验 31
4.4 误码图案FPGA实现 33
4.5 误码插入 34
全文总结 36
致  谢 37
参考文献 38
附录1 39
附录2 41
附录3 43
 
第1章 绪  论
1.1 研究意义及目的
卫星通信是现代重要的通信手段之一，从国际商业通信到全球战略防御，从国民经济的各个部门到人们的日常生活等方面，卫星通信都得到了日益广泛的应用。卫星通信是指地球上（包括地面、水面和低层大气中）的无线电通信站之间和用人造卫星作中继站而进行的通信。它具有三维无缝覆盖、通信容量大、传输距离远、覆盖面积广、支持移动性、不受地理环境限制、能够承载多种业务等一系列特点，在远距离通信、军事通信、应急通信以及边远地区通信中发挥着重要作用。与卫星通信相比，在突遇地震、海啸等严重自然灾害时，地面通信网络的抗地质灾害能力较差，年前的台湾南部海区地震导致国际互联网中断数月就是一个很好的例证。而数字卫星通信是利用人造地球卫星作为空间中继站来转发无线电信号，对地面状态依赖不大，完全可以不受地理环境限制。数字卫星通信的种种优点都足以使其作为地面网络通信的强有力补充，成为今后通信领域的重要研究对象。
目前，正在开发的先进宽带通信卫星设备的设计、制造和部署成本都比较高。为了投入使用之后能够最大限度地获取利润，设计者往往尽量增加卫星设备的有效载荷能力。这意味着要最大限度地增加数据速率，才能符合容量先进的通信卫星设备要求，因此留给设计者的误差余度很小。如果未能分析或者考虑到任何相关参数或者真实效应，都可能导致设备性能下降，从而减少收益。与此相反的情况是设计过于缜密，亦即因为考虑了所有未知因素或者按照最差情况来设计而导致参数余度过大，从而增加了不必要的成本、部件、重量和复杂度。
任何通信信道的数据传输过程必然引入干扰。由于数字卫星通信信道中存在传播损耗、衰落、多普勒频移、噪声等多种复杂因素，导致其中的数据传输会发生差错。因此，在卫星通信系统规划及其收发信机的研制中，必须充分、准确考虑卫星信道的各种特性，才能保证研制出的通信系统或设备得到最佳的性能。于是，卫星设备设计和验证需要进行全面、真实的通信通道仿真。针对卫星通信业务发展的需要，设计人员需要更为有效的仿真测试设备，要求它具有宽带仿真和测试功能，真实地模拟通道中环境坏损因素、以及通道中各部件对系统的影响。这样，设计人员才能在设计阶段有效地控制设计余度，同时满足成本、可靠性和容量的要求。目前，卫星系统设计者在设计过程中可以使用若干种辅助工具。设计模拟和测试工具主要有以下三种：
1. 计算机建模和模拟工具
2. 实际卫星信道
3. 卫星信道模拟器
软件模型不能运行实时测试，且不可以运行更多的检测对象，因而不能进行更详细的测试。同时，由于真实卫星信道实时工作的特性，申请卫星链路用于设计验证在实际操作上存在难度，且花费巨大。面对如此高的门槛，大多数研究机构不能对研究方案进行充分的实验仿真，这将降低研发结果的可靠性和准确度。
因此深入研究数字卫星通信信道的各种特性，并以此设计出可实时准确模拟卫星信道各种特性的硬件模拟器，具有重大实际意义。数字卫星通信信道模拟器可以通过实验室设备来最大限度地减少高成本测试或者实际卫星测试时间，为卫星通信相关研发工作提供便利的实验环境，屏蔽难以租用实际卫星链路的不利情况，具有稳定的、可重复的模拟，带有定义好的、受控的坏损机制，拥有实时和全带宽信道，能够支持真实的硬件和快速测试时间，能够进行最坏情况模拟，可以包含任何综合坏损模型。由于数字卫星通信信道模拟器将显著减弱实验环境对项目进展的约束，并可以实时准确模拟真实卫星信道的各种特性，它已成为当今卫星通信领域中重要的研究课题之一。
1.2 国内外研究现状
   卫星通信信道的计算机模型仿真技术在欧美比较成熟[1]。美国Aeroflex公司设计的Celerity CS80000宽带信道模拟器可以为高速通信系统、点对点微波和卫星通信建立精确的和可重复的信道，提供带宽最宽的通道模拟和连接仿真，实现很全面的干扰信号模拟。实时的仿真可提供带宽达500MHz、时间延迟最大达10秒，并同时可提供1至4个独立的通道仿真。BCS可实时为输入信号加入干扰信号，模拟实际传输通道的干扰。可提供的干扰信号包括：动态延迟(从地面到GEO卫星住返的短时间延迟)、动态多普勒、精确的相位噪声、Ricean和 Rayleigh衰落、附加白高斯噪声、平衰落、rain衰落、附加CW和调制的干扰信号、通带幅度和相位奇变。用于相关或独立信道的变频器，可以对输入/输出信号进行变频控制。卫星仿真软件包，使用行业标准的TLE组件，可产生24小时的多普勒和延迟仿真文件。Aeroflex的通道模拟已成功应用于多个卫星工程中，用于模拟信号往返路径，可在卫星设备投入实际应用之前对其进行全面测试。
国内一些高校对低轨卫星信道特性进行了计算机仿真[2]，基于FPGA模拟了信道延时特性[3]，并研制出卫星通信信道模拟器样机[4]。我校通信实验室研制的卫星通信信道模拟器[5]可以实时模拟数字卫星信道基带误码、延时等特性，并提供了基于Windows平台的可视化软件操作界面，能灵活配置卫星信道特性仿真参数，但其对卫星信道的模拟不涉及中频、射频等领域[6]。
目前常用的基于FPGA产生通信信道误码的方法有两种，一种是MATLAB仿真误码图案插入法，另一种误码再现法。前者使用MATLAB搭建出信道模型[7]，仿真得到所需误码图案，并通过统计误码图案的0、1累积分布[8]，在FPGA内将其随机地插入到通信数据中，这种方法的好处是可以通过更换MATLAB中信道模型得到不同形式的误码图案，因此对仿真对象的适应性强。后者通过分析误码产生的原因，借助编程再现误码生成的过程，虽然移植性表现比较差，不能通过简单的修改变换为其他形式的误码图案，但是其误码图案是按特定要求生成的，所以可以较逼真地的模拟误码生成的过程。
误码插入方面，在不解析封装MAC帧的情况下，已成功实现透明数据流的误码模拟。但是由于通信数据是以MAC帧格式传输的，故其不能很好地模拟卫星基带通信的信道误码特性。
1.3 本文主要工作及结构安排
本课题的主要工作为：实现误码仿真平台、设计以太网接口通信模块、设计误码模块和联合调试。
本论文的结构安排为：
第二章在分析卫星通信信道组成的基础上，给出误码仿真平台的设计方案，并简略介绍以太网接口通信模块和误码模块设计。
第三章在分析以太网物理层芯片LXT972的MII接口时序[9]的基础上，分别设计了以太网10M、100M接口程序，实现了两块LXT972对接。在分析以太网MAC帧格式后，基于FPGA[10]分别实现了10M、100M MAC帧接收和发送数据封装，为误码插入提取了MAC包，并为SDRAM控制器预留了程序接口。
第四章首先在分析卫星基带通信误码形成原因[11]的基础上，借助MATLAB再现了卫星通信基带误码形成过程。接着修正均匀随机序列后，得到正态特性良好的高斯白噪声。然后对照卫星信道基带误码率要求，确定在FPGA中实现的高斯白噪声参数，进而使用Modelsim仿真工具对实现的误码图案进行了验证，最终在MAC帧中实现了LCC数据误码插入。