相位噪聲模擬器實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究

張　暉，王洪鋒，張海濱

（1.北京空間信息中繼傳輸技術(shù)研究中心，北京 100094；2.北京理工大學(xué) 信息與電子學(xué)院，北京 100083）

相位噪聲模擬器實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究

張暉1，王洪鋒1，張海濱2

（1.北京空間信息中繼傳輸技術(shù)研究中心，北京 100094；2.北京理工大學(xué) 信息與電子學(xué)院，北京 100083）

研究Ka頻段通信衛(wèi)星系統(tǒng)信道相位噪聲模擬方法與硬件實(shí)現(xiàn)技術(shù)。提出在中頻采用多級IIR濾波器并聯(lián)的形式產(chǎn)生冪律分布噪聲，用于實(shí)現(xiàn)相位噪聲特性模擬的方法。給出IIR濾波器組的設(shè)計(jì)方法以及相位噪聲的模擬精度，并基于FPGA+DSP硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了相位噪聲模擬器，實(shí)測曲線表明其模擬范圍優(yōu)于Aeroflex信道模擬器。

信道模擬器；相位噪聲；數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)；Ka頻段衛(wèi)星通信

0　引言

Ka頻段衛(wèi)星信道非線性將引起數(shù)傳信號(hào)扭曲，導(dǎo)致誤碼率升高。為解決用戶終端入網(wǎng)驗(yàn)證中大量占用衛(wèi)星資源的缺陷，申請了國防研究專項(xiàng)課題，提出研制信道模擬器，在中頻頻段模擬相位噪聲、時(shí)延、多普勒、雜散、噪聲、幅頻、群時(shí)延、信道衰落，與變頻鏈路配合使用可檢驗(yàn)用戶終端與衛(wèi)星信道的匹配性。本文研究相位噪聲的模擬實(shí)現(xiàn)技術(shù)，目前法國Aeroflex的CS80000是功能最完善的信道模擬器，其相位噪聲模擬范圍-40～-110 dBc/Hz，但模擬精度沒有要求，依據(jù)用戶實(shí)測結(jié)果確定。目前研究多數(shù)集中在數(shù)學(xué)模型上，并指出相位噪聲的功率譜密度服從冪律分布[1-2]，然而在硬件實(shí)現(xiàn)層面上未見公開報(bào)道，本文將開展相位噪聲模擬實(shí)現(xiàn)技術(shù)方面的研究工作。

1　相位噪聲特性模擬

相位噪聲一般是指振蕩器或變頻器內(nèi)部熱噪聲、閃爍噪聲引起的隨機(jī)相位起伏，研究表明[1-2]，相位噪聲的單邊功率譜密度曲線分布為冪律譜（1/fα）形式。

1.1相位噪聲產(chǎn)生模型

相位噪聲的產(chǎn)生可采用多級IIR濾波器并聯(lián)的形式對高斯噪聲進(jìn)行濾波，得到冪律分布噪聲，然后將冪律噪聲調(diào)制到信號(hào)上以實(shí)現(xiàn)相位噪聲的模擬。冪律分布的噪聲可通過白噪聲色化生成，具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

(1)產(chǎn)生一組白噪聲序列；

(2)設(shè)計(jì)相應(yīng)的成型濾波器組；

(3)將白噪聲序列通過成型濾波器進(jìn)行濾波，產(chǎn)生一組服從冪律分布的有色噪聲。相位噪聲產(chǎn)生模型如圖1所示。從冪律噪聲功率譜曲線出發(fā)，可以得到各一階低通濾波器的相互關(guān)系如圖2所示。不同頻程的噪聲功率分布由白噪聲通過不同的成型濾波器產(chǎn)生，圖2中H1，H2，…Hk表示產(chǎn)生冪律噪聲的成型濾波器組。將各濾波器產(chǎn)生的噪聲序列疊加，合成后得到功率譜密度服從冪律分布的色噪聲序列。在實(shí)現(xiàn)中，為產(chǎn)生冪律分布的噪聲，可充分利用IIR濾波器的通帶窄、過渡帶較平滑的特點(diǎn)，采用IIR濾波器進(jìn)行成型濾波器設(shè)計(jì)。

圖1　相位噪聲產(chǎn)生模型

圖2　各一階低通濾波器相互之間幅頻特性

1.2成型濾波器設(shè)計(jì)

相位噪聲的實(shí)現(xiàn)是由若干個(gè)一階IIR濾波器對輸入白噪聲濾波后的輸出進(jìn)行疊加得到，白噪聲由自由狀態(tài)機(jī)方法生成。本設(shè)計(jì)目的是使成型濾波器的綜合幅頻響應(yīng)的模平方|H(jw)|2去逼近 f-S。在模擬時(shí)，設(shè)定的各十倍程頻點(diǎn)的功率密度值可變換成每個(gè)十倍頻程的斜率。并設(shè)法設(shè)計(jì)各IIR濾波器對各段進(jìn)行逼近。假設(shè)兩相鄰濾波器的轉(zhuǎn)角頻率為 fk+1和 fk(k為濾波器編號(hào))，由輸入可得到，對應(yīng)各轉(zhuǎn)角頻率處的幅頻響應(yīng)，然后得到兩濾波器的增益（幅頻響應(yīng)的通帶增益）差為A，A值如下：

由A值及轉(zhuǎn)角頻率 fk+1和 fk，可求得頻響的斜率 S，則 S=A/(lgfk+1-lgfk)。假設(shè)成型濾波器組中各個(gè)一階 IIR濾波器的最終傳遞函數(shù)為 H(z)=茁/(1+琢·z-1)，對應(yīng)差分方程為y[k]=茁·x[k]-琢·y[k-1]。另假設(shè)成型濾波器組中每個(gè)IIR濾波器無增益時(shí)頻響對應(yīng)的傳遞函數(shù)為 H(z)= b/(1+琢·z-1)。綜合濾波器組中各個(gè)IIR濾波器的最終系數(shù)琢、茁由各個(gè)IIR濾波器無增益時(shí)頻響對應(yīng)的系數(shù) a、b以及各個(gè)濾波器之間的增益差A(yù)(k)決定。此時(shí)，對相位噪聲的模擬已轉(zhuǎn)化為如何求解IIR濾波器參數(shù)a、b。上述一階 IIR濾波器需滿足H(0)=1，以及|H(jwk)|2=0.5，由上述條件可以推導(dǎo)出關(guān)系式 b=1-a，a=1-wk，其中，wk= 2仔fk/fs，fk為轉(zhuǎn)角頻率，fs為采樣頻率。因而可求解出 IIR濾波器參數(shù) a、b值，代入式(1)，得到：

可得各個(gè) IIR濾波器的最終系數(shù) 琢、茁，琢、茁和 A(k)的關(guān)系如下：

對應(yīng)轉(zhuǎn)角頻率為wk的濾波器的傳遞函數(shù)為；

2　相位噪聲模擬精度分析

仿真條件設(shè)置如下：白噪聲的量化位數(shù)為12位；濾波器系數(shù)量化位數(shù)為第一組 30，第二組24；濾波器組綜合頻響修正因子量化位數(shù)為13；單載波信號(hào)量化位數(shù)12位，輸入信號(hào)中心頻率1 MHz，輸入信號(hào)功率 0 dBm；采樣頻率10 MHz，量化取整方式為舍入。

仿真方法：(1)將量化后的濾波器系數(shù)向量記為[b，a] (b為分子系數(shù)，a為分母系數(shù))，將當(dāng)前時(shí)刻的白噪聲輸入以及前一時(shí)刻的濾波器輸出記為[x(k)，y(k-1)]；(2)將上述兩向量進(jìn)行一次矩陣相乘即可得到單路濾波器輸出y(k)，對每次相乘運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行截位處理并取整后參與下次運(yùn)算；(3)最后將各路濾波器的輸出進(jìn)行求和后與修正因子相乘，將相乘的結(jié)果作為濾波器組最終的輸出(對此輸出進(jìn)行取整運(yùn)算)；(4)將量化后的輸入信號(hào)與濾波器輸出復(fù)乘，相乘結(jié)果截去修正因子擴(kuò)大位數(shù)以及輸入白噪聲擴(kuò)大位數(shù)并取整，對取整后的結(jié)果輸出；(5)以上所有取整方式為舍入。

仿真精度結(jié)果如表1和表2所示。通過仿真分析，第一個(gè)倍程范圍內(nèi)10 Hz～100 Hz與設(shè)定值存在較大偏差，該偏差和設(shè)定的第一個(gè)倍頻斜率有關(guān)，正常情況下誤差在2.62～5.95 dB。其主要原因是，在計(jì)算濾波器增益時(shí)為了保證后面倍程的準(zhǔn)確性，對參數(shù)進(jìn)行了修正，最后選擇濾波器系數(shù)量化位數(shù)24位。從仿真結(jié)果看，Aeroflex相位噪聲指標(biāo)僅給出范圍，而沒有精度，需要根據(jù)用戶實(shí)際測試結(jié)果確定，其原因可能在此。

表1　相位噪聲精度仿真結(jié)果1（濾波器系數(shù)30）

表2　相位噪聲精度仿真結(jié)果2（濾波器系數(shù)24）

3　硬件設(shè)計(jì)及測試結(jié)果

圖3和圖4分別為信道模擬器的功能原理框圖和電路原理框圖。

圖3　信道模擬器功能原理框圖

圖4　信道模擬器電路原理框圖

模擬器包括中心中頻接收單元、中頻發(fā)射單元以及信號(hào)處理單元，信號(hào)處理單元由工控機(jī)、DSP和FPGA板組成。系統(tǒng)采用高性能的 FPGA芯片(Xilinx V7 690T)和DSP(TI C6455)處理器在數(shù)字基帶上實(shí)現(xiàn)對信道模擬的數(shù)字處理。其中FPGA選型主要考慮的是乘法器數(shù)量，經(jīng)分析數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)所需的乘法器為2 424個(gè)，Xilinx V7 690T具有3 600個(gè)乘法器，具有一定的設(shè)計(jì)冗余。該模擬器的相位噪聲模擬范圍：-25 dBc/Hz～-120 dBc/Hz，能夠提供多種典型相位噪聲特性供選。當(dāng)模擬器開機(jī)后，用戶可基于 Windows的接口界面進(jìn)行信道模擬參數(shù)設(shè)置及模擬進(jìn)程控制，幾種信道特性可同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬。

信道模擬器實(shí)測結(jié)果如表3所示。圖5為模擬器的第3組相位噪聲頻譜儀測試曲線圖。

表3　信道模擬器相位噪聲模擬測試結(jié)果

圖5　模擬器第3組相位噪聲頻譜儀測試曲線

4　結(jié)論

信道模擬能夠應(yīng)用于驗(yàn)證測試、系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，能夠?qū)y試環(huán)境與模擬環(huán)境很好地結(jié)合起來，代表著航天測控通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和測試技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向。相位噪聲模擬是模擬器設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)，本文提出了相位噪聲的模擬方法和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，并研制出模擬器樣機(jī)，測試結(jié)果表明該模擬器具有一定的先進(jìn)性。

[1]Dong Xiyan，Li Xue，Yang Yikang，et al.The generation ofphase noise based on wavelet transform[C].International Conference on Computational Problem-Solving，2011：1-5.

[2]ROBERT B S，CHAN F，PORAS T B.Event-driven simulation and modeling of phase noise of an RF oscillator[J].IEEE Trans.Circuit and Systems-I，2005，52(4)：723-733.

Research on implementation of phase noise simulator

Zhang Hui1，Wang Hongfeng1，Zhang Haibin2
(1.Beijing Space Information Relay and Transmition Technology Research Center，Beijing 100094，China；2.Institute of Information and Electronic，Beijing Institute of Technology，Beijing 100083，China)

In this paper,a method for simulation and hardware implementation of phase noise channel of Ka-band communication satellite is investigated by adopting multiple-level IIR filter in IF to realize power-law distributed noise and obtain simulation of phase noise.The design method of IIR filter and simulation precision of phase noise are also discussed.Finally，a phase noise simulator is realized based on FPGA+DSP hardware and measurement result shows that its simulation range is superior to that of Aeroflex channel simulation.

channel emulator；phase noise；digital filter design；Ka-band satellite communication

TP391

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.09.009

2015-03-25)

張暉（1969-），男，博士，高級工程師，主要研究方向：無線通信、航天測控。

王洪鋒（1977-），男，博士，高級工程師，主要研究方向：衛(wèi)星通信。

張海濱（1990-），男，碩士，主要研究方向：信號(hào)與信息處理。

中文引用格式：張暉，王洪鋒，張海濱.相位噪聲模擬器實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(9)：36-38，41.

英文引用格式：Zhang Hui，Wang Hongfeng，Zhang Haibin.Research on implementation of phase noise simulator[J].Application of Electronic Technique，2015，41(9)：36-38，41.