基于FPGA的航空數(shù)據(jù)鏈信道模擬器

周生奎+朱秋明+呂衛(wèi)華+徐大專

摘 要：針對航空通信背景，建立了航空數(shù)據(jù)鏈復(fù)合衰落信道模型，并提出了一種基于諧波 疊加思想且易于FPGA硬件實現(xiàn)的定點模型。該模型利用不同諧波疊加產(chǎn)生高斯隨機過程，并通 過非線性變換分別獲得Nakagami衰落和對數(shù)正態(tài)分布衰落。最后，通過數(shù)值仿真選取合適的定點 參數(shù)，并利用Xilinx公司的FPGA芯片進行編程實現(xiàn)。實測結(jié)果表明，該硬件模擬器的輸出衰落 統(tǒng)計特性與理論值吻合，可用于實際航空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的模擬測試。

關(guān)鍵詞：航空數(shù)據(jù)鏈；無線信道；信道模擬器；復(fù)合衰落；Nakagami分布

中圖分類號：TN919；V217+.1文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1673-5048（2014）01-0061-04

ANewChannelEmulatorforAerospaceDataLinkBasedonFPGA

ZHOUShengkui1，ZHUQiuming1，LüWeihua1，2，XUDazhuan1

（1.NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Nanjing210016，China； 2.ChinaAirborneMissileAcademy，Luoyang471009，China）

Abstract：Consideringtheaeronauticalcommunicationscenario，anewcompositefadingchannel modelfortheaerospacedatalinksystemisestablishedinthispaper.Andonthisbasis，afixedpoint realizablemodelbasedonSumofSinusoids（SoS）methodisproposedwhichiseasytobeachievedby FPGA.ItgeneratesGaussianrandomprocessesusingdifferentSoSmodelsandthenobtainstheNakaga mifadingprocessandlognormalfadingprocessthroughsomenonlineartransformations.Finally，the suitablefixedpointparametersareselectedbynumericalsimulationandimplementedbasedonFPGA producedbyXilinx.Theexperimentalresultsshowthatthestatisticalcharacteristicsofthischannelem ulatorareconsistentwiththetheoreticalvalue，anditcanbeusedforthetestofaerospacedatalinksys tem.

Keywords：aerospacedatalink；wirelesschannel；channelemulator；compositefading；Nakagami distribution

0 引 言

戰(zhàn)場環(huán)境下無線信道非常惡劣，數(shù)據(jù)鏈信號 傳輸過程中會受到飛行器高速飛行、姿態(tài)變換以 及復(fù)雜多變的地面狀況等多種因素影響，文獻[1]分析了不同地面狀況下的反射波情況，文獻[2- 3]則利用實測數(shù)據(jù)，分析了各種場景下航空信道 的特征參數(shù)。在移動通信領(lǐng)域，無線信道模擬器 已被廣泛應(yīng)用于通信產(chǎn)品的測試驗證，如伊萊比 特公司PropsimC8信道仿真器。然而，目前針對 航空數(shù)據(jù)鏈信道的專用硬件信道模擬器還未見報 道。本文在航空數(shù)據(jù)鏈信道理論模型基礎(chǔ)上，提 出了一種易于FPGA實現(xiàn)的高效硬件模型，并利 用Xilinx公司Virtex-4FPGA芯片進行硬件實 現(xiàn)。

1 系統(tǒng)模型

1.1 理論模型

航空數(shù)據(jù)鏈通信環(huán)境非常復(fù)雜，信號傳輸過 程中會受到路徑損耗、陰影衰落、多徑衰落和噪聲 等因素影響，如圖1所示。由于路徑損耗一般為確 定值，多徑和陰影衰落為隨機值，二者級聯(lián)可等價 為一種新的復(fù)合衰落。文獻[4-6]分別研究了基 于Suzuki模型、Loo模型以及Rice-Lognormal復(fù) 合衰落的信道特性，文獻[7]總結(jié)了幾種典型復(fù)合 衰落下信號包絡(luò)統(tǒng)計特性。

2 基于FPGA的定點模型分析

2.1 定點參數(shù)分析

本文提出的復(fù)合衰落信道實現(xiàn)模型如圖2所 示。由于FPGA硬件適合于進行定點型運算，實現(xiàn) 過程中需將浮點模型轉(zhuǎn)換為定點模型，并通過 Matlab軟件對該定點模型的參數(shù)性能進行仿真驗 證。

對數(shù)正態(tài)衰落幅值起伏非常大，實測表明航 空環(huán)境下陰影衰落參數(shù)一般為σs∈（0，0.9）和μs ∈（0，1）。為方便FPGA硬件實現(xiàn)，本文采用查表 法實現(xiàn)對數(shù)運算，對數(shù)表位寬設(shè)置為13位。綜合 考慮各者的精度影響，首先對SoS模型產(chǎn)生的高斯 隨機變量截斷為8位，分析可得陰影衰落參數(shù)σs， μs均可轉(zhuǎn)換為5位定點數(shù)。特別注意，為滿足高斯 隨機變量ui（t）～N（0，1），需要對SoS模型輸出定 點高斯隨機過程歸一化后才能得到陰影衰落理論 模型。

2.2 數(shù)值仿真與驗證

為驗證定點模型的正確性，以下利用Matlab 軟件對該模型輸出的Nakagami和對數(shù)正態(tài)衰落隨 機過程的統(tǒng)計特性分別進行仿真驗證。仿真中， Nakagami衰落因子m取為0.5的整數(shù)倍，陰影衰落 參數(shù)σs=0.5和μs=0.03。由統(tǒng)計結(jié)果表1和表 2可見，利用SoS模型和非線性變換獲得的 Nakagami衰落和對數(shù)正態(tài)衰落的統(tǒng)計特性與理論 值非常吻合。

3.2 資源及性能測試endprint

本方案設(shè)計所用FPGA為Virtex-4系列的 XC4VSX25芯片，該芯片集成了4個DCM模塊、 128個XtremeDSP、128個18KB的BLOCKRAM， 最大的BLOCKRAM容量為2304KB。利用ISE1 2.1對實現(xiàn)后的VerilogHDL代碼綜合后，F(xiàn)PGA資 源開銷如表3所示。

在此基礎(chǔ)上，利用Matlab軟件對輸出幅值進 行統(tǒng)計分析，并與公式中所得理論值相比較。由于 公式（4）中定義Nakagami衰落平均功率為1，同時 采用查表法產(chǎn)生對數(shù)正態(tài)分布時均值也發(fā)生了固 定偏移。因此，需先對圖5衰落波形進行功率歸一 化并糾正幅度偏移，然后進行幅值統(tǒng)計，如圖6所 示。由圖可見，硬件模擬器輸出衰落幅值的概率分 布與定點仿真及理論分布一致。

4 結(jié) 論

本文研究了航空無線數(shù)據(jù)鏈衰落信道的理論模 型及硬件實現(xiàn)，提出了一種基于SoS原理的硬件實 現(xiàn)方案并進行實驗驗證。實測數(shù)據(jù)表明，該硬件模 擬器輸出衰落的統(tǒng)計分布與Matlab定點仿真及理論 分布相吻合，可用于戰(zhàn)場環(huán)境下航空數(shù)據(jù)鏈通信設(shè) 備的測試開發(fā)，以縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。

參考文獻：

[1]RiceM，DavisA，BettweiserC.WidebandChannelMod elforAeronauticalTelemetry[J].IEEETransactionson AerospaceandElectronicSystem，2004，40（1）：57-69.

[2]HoeherP，HaasE.AeronauticalChannelModelingat VHF-Band[C]∥IEEEVIS50thVehicularTechnology Conference（VTC1999-Fall），1999：1961-1966.

[3]HaasE.AeronauticalChannelModeling[J].IEEE TransactionsonVehicularTechnology，2002，51（2）： 254-264.

[4]SuzukiH.AStatisticalModelforUrbanMultipathPropa gation[J].IEEETransactionsonCommunications， 1977，25（7）：673-680.

[5]LooC.StatisticalModelforaLandMobileSatelliteLink [J].IEEETransactionsonVehicularTechnology，1985， 34（8）：122-127.

[6]VatalaroF，MazzengaF，DeMaioG，etal.TheGeneral izedRiceLognormalChannelModel-FirstandSecond OrderStatisticalCharacterizationandSimulation[J].In ternationalJournalofSatelliteCommunications，2002，20 （1）：29-45.

[7]王曉東.復(fù)合衰落信道的衰落統(tǒng)計分析[J].電子與信 息學(xué)報，2008，30（3）：643-647

[8]ZhangKeli，SongZhefeng，GuanYongliang.Simulation ofNakagamiFadingChannelswithArbitraryCross-Corre lationandFadingParameters[J].IEEETransactionson WirelessCommunications，2004，3（5）：1463-1468.

[9]PatzoldM.MobileFadingChannel[M].NewYork：Wi ley，2002：51-81.

[10]GansMJ.APower-SpectralTheoryofPropagationin theMobile-RadioEnvironment[J].IEEETransactions onVehicularTechnology，1972，21（1）：27-38.endprint

本方案設(shè)計所用FPGA為Virtex-4系列的 XC4VSX25芯片，該芯片集成了4個DCM模塊、 128個XtremeDSP、128個18KB的BLOCKRAM， 最大的BLOCKRAM容量為2304KB。利用ISE1 2.1對實現(xiàn)后的VerilogHDL代碼綜合后，F(xiàn)PGA資 源開銷如表3所示。

在此基礎(chǔ)上，利用Matlab軟件對輸出幅值進 行統(tǒng)計分析，并與公式中所得理論值相比較。由于 公式（4）中定義Nakagami衰落平均功率為1，同時 采用查表法產(chǎn)生對數(shù)正態(tài)分布時均值也發(fā)生了固 定偏移。因此，需先對圖5衰落波形進行功率歸一 化并糾正幅度偏移，然后進行幅值統(tǒng)計，如圖6所 示。由圖可見，硬件模擬器輸出衰落幅值的概率分 布與定點仿真及理論分布一致。

4 結(jié) 論

本文研究了航空無線數(shù)據(jù)鏈衰落信道的理論模 型及硬件實現(xiàn)，提出了一種基于SoS原理的硬件實 現(xiàn)方案并進行實驗驗證。實測數(shù)據(jù)表明，該硬件模 擬器輸出衰落的統(tǒng)計分布與Matlab定點仿真及理論 分布相吻合，可用于戰(zhàn)場環(huán)境下航空數(shù)據(jù)鏈通信設(shè) 備的測試開發(fā)，以縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。

參考文獻：

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[8]ZhangKeli，SongZhefeng，GuanYongliang.Simulation ofNakagamiFadingChannelswithArbitraryCross-Corre lationandFadingParameters[J].IEEETransactionson WirelessCommunications，2004，3（5）：1463-1468.

[9]PatzoldM.MobileFadingChannel[M].NewYork：Wi ley，2002：51-81.

[10]GansMJ.APower-SpectralTheoryofPropagationin theMobile-RadioEnvironment[J].IEEETransactions onVehicularTechnology，1972，21（1）：27-38.endprint

本方案設(shè)計所用FPGA為Virtex-4系列的 XC4VSX25芯片，該芯片集成了4個DCM模塊、 128個XtremeDSP、128個18KB的BLOCKRAM， 最大的BLOCKRAM容量為2304KB。利用ISE1 2.1對實現(xiàn)后的VerilogHDL代碼綜合后，F(xiàn)PGA資 源開銷如表3所示。

在此基礎(chǔ)上，利用Matlab軟件對輸出幅值進 行統(tǒng)計分析，并與公式中所得理論值相比較。由于 公式（4）中定義Nakagami衰落平均功率為1，同時 采用查表法產(chǎn)生對數(shù)正態(tài)分布時均值也發(fā)生了固 定偏移。因此，需先對圖5衰落波形進行功率歸一 化并糾正幅度偏移，然后進行幅值統(tǒng)計，如圖6所 示。由圖可見，硬件模擬器輸出衰落幅值的概率分 布與定點仿真及理論分布一致。

4 結(jié) 論

本文研究了航空無線數(shù)據(jù)鏈衰落信道的理論模 型及硬件實現(xiàn)，提出了一種基于SoS原理的硬件實 現(xiàn)方案并進行實驗驗證。實測數(shù)據(jù)表明，該硬件模 擬器輸出衰落的統(tǒng)計分布與Matlab定點仿真及理論 分布相吻合，可用于戰(zhàn)場環(huán)境下航空數(shù)據(jù)鏈通信設(shè) 備的測試開發(fā)，以縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。

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[7]王曉東.復(fù)合衰落信道的衰落統(tǒng)計分析[J].電子與信 息學(xué)報，2008，30（3）：643-647

[8]ZhangKeli，SongZhefeng，GuanYongliang.Simulation ofNakagamiFadingChannelswithArbitraryCross-Corre lationandFadingParameters[J].IEEETransactionson WirelessCommunications，2004，3（5）：1463-1468.

[9]PatzoldM.MobileFadingChannel[M].NewYork：Wi ley，2002：51-81.

[10]GansMJ.APower-SpectralTheoryofPropagationin theMobile-RadioEnvironment[J].IEEETransactions onVehicularTechnology，1972，21（1）：27-38.endprint