航天器再入段通信信道模拟器研究与设计

摘要

黑障是航天领域悬而未决的问题之一，目前解决黑障问题主要从等离子体鞘套对电磁波的影响和通信体制两个方面进行研究。在对通信体制的研究过程中，需要对新的通信技术进行测试和验证，若采用在实际信道中测试系统性能的方式，必然存在稳定性差，成本高且不可重复等缺点，于是信道模拟器应运而生。信道模拟器的出现大大加快了通信系统的开发速度，但是现有的信道模拟器并不完全符合再入段信道特性，且价格昂贵。因而对再入段信道模拟器的研究具有重要的意义。
　　首先，本文介绍无线空间衰落产生的原因、信道分类以及不同类型信道的统计特性。通过分析再入信道特性，将其建模为三路径频率选择性慢衰落信道，推导两条散射路径的多普勒功率谱密度函数。同时采用莱斯法建立信道模型，确定信道模型参数，利用Matlab/Simulink软件对无线空间衰落信道模型进行仿真。
　　然后，研究再入等离子体中电波传输特性，分析和计算等离子体的等离子体频率和碰撞频率对电磁波功率和相位影响的定量关系。采用曲线拟合的方法建立等离子体鞘套信道模型。进而，将上述两个信道级联完成整个软件信道仿真平台，同时采用了Matlab/GUI开发模拟器的图形用户界面，以便更直观、方便地进行仿真和计算。
　　最后，本文给出了硬件信道模拟器的整体结构和框架，利用Verilog-HDL在Quartusii软件下完成数字下变频器DDC和基带处理模块的设计，在Modelsim下完成时序仿真工作。其中数字下变频器包括数控振荡器NCO、4级32倍抽取率积分梳状滤波器、3级8倍抽取率半带滤波器以及63阶FIR滤波器。而基带处理模块包括平坦衰落模块和延时模块。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景

1．2 课题研究的历史与现状

1．3 本文主要工作及创新点

2 无线空间衰落信道理论

2．1 空间无线信道特性

2．2 小尺度衰落信道

2．2．1 信道冲激响应

2．2．2 WSSUS模型

2．3 多径展宽和多普勒展宽

2．3．1 多径展宽

2．3．2 多普勒展宽

2．4 无线空间衰落信道的统计特性

2．4．1 平坦衰落信道统计特性

2．4．2 频率选择性衰落信道

3 再入段无线空间衰落信道建模

3．1 高斯随机过程建模

3．1．1 高斯随机过程模型

3．1．2 莱斯法模型的统计特性

3．2 平坦衰落信道建模

3．3 频率选择性衰落信道建模

3．3．1 频率选择性衰落信道模型

3．3．2 信道模型统计特性

3．4 再入段无线空间通信信道建模

3．4．1 再入段无线空间通信信道模型

3．4．2 多谱勒功率谱

3．4．3 信道延时功率谱

3．4．4 模型参数的确定

3．4．5 再入段下行通信信道仿真

3．5 本章小结

4 等离子体信道建模

4．1 等离子体对电磁波的影响

4．2 等离子体信道建模

4．3 等离子体信道仿真

5 再入段硬件信道模拟器的实现

5．1 FPGA简介

5．2 硬件信道模拟器组成结构

5．3 数字下变频器

5．3．1 DDC基本原理

5．3．2 DDC结构

5．3．3 数控振荡器

5．3．4 CIC滤波器

5．3．5 HB滤波器

5．3．6 FIR滤波器

5．4 基带处理模块FPGA实现

5．4．1 平坦衰落模块

5．4．2 延时模块

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 课题总结

6．2 后续工作展望

致谢

参考文献