0 引言

　　Ka頻段衛(wèi)星信道非線性將引起數(shù)傳信號扭曲，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)。

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)，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)=/(1·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=2fk/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：

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；單載波信號量化位數(shù)12位，輸入信號中心頻率1 MHz，輸入信號功率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。

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。

　　模擬器包括中心中頻接收單元、中頻發(fā)射單元以及信號處理單元，信號處理單元由工控機(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。

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。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] Dong Xiyan，Li Xue，Yang Yikang，et al.The generation of phase 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 simu-lation and modeling of phase noise of an RF oscillator[J].IEEE Trans.Circuit and Systems-I，2005，52(4)：723-733.