基于DSP的流星信道模拟器设计

liyf · 发表于 2012-1-27 19:40:28

摘　要：讨论了流星突发通信欠密类余迹的信道特性及其模型。以TMS320VC5509 DSP为核心设计了流星信道模拟器系统，并给出模拟器在实验室流星突发通信自适应变速率系统设计中的测试应用。
关键词：流星突发通信；信道模拟器；欠密类余迹；自适应变速率；DSP

1引言
　　流星突发通信是利用流星高速进入大气层燃烧而形成的电离余迹（分布在80"120 km的高空）对VHF无线电波的反射或散射实现超视距通信的一种无线电通信方式。这种通信方式是间断、突发的，由于其本身所具有的“足迹”和“热点”等特点，且有良好的抗截获和抗干扰能力,因此在军事方面倍受关注。
　　我国研究流星通信起步较早，始于20世纪60年代中期，但后来由于种种原因停止。直到本世纪初，国家才重新启动流星突发通信的研制工作。目前，国内尚无可用的国产化流星通信设备。
　　技术的发展，推动了流星突发通信设备研制的自动化程度。由于流星突发通信有非实时、数据通过量低的缺点，因此采用自适应变速率技术，通过检测信号强度和噪声电平自动调节数据速率，使信息通过量提高，这成为流星突发通信系统设计的关键技术之一。本文讨论的流星信道模拟器，能更好地指导实验室流星自适应变速率通信系统的设计和验证设计方案的可行性。
2流星余迹信道特性和数学模型
　　流星余迹根据其电子线密度可分为两类,电子线密度大于或等于2×1014e/m称为过密类,小于2×1014e/m称为欠密类。欠密类余迹对入射电波进行前向散射传播，过密类余迹对入射电波进行反射。虽然过密类余迹反射信号强，信号持续时间也很长，但其发生概率远远小于欠密类情况，所以流星余迹通信更多的是依靠欠密类余迹的散射来实现。这里仅讨论欠密类情况。如图1所示，反射信号在几百微秒内达到峰值,然后由于余迹的扩散,信号呈指数衰减(衰落因子为几百毫秒到几秒)。 

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2.1流星余迹参数描述
　　(1)峰值电平
　　接收功率与距离、波长、电子密度等有关,对欠密类:
　　接收功率：
　　

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　　PR(t)：接收信号功率；PT：发送信号功率；
　　GT，GR：分别为发送天线增益和接收天线增益；
　　λ：波长；q：余迹电子线密度；re：电子半径(2.82×10-15)；
　　α：余迹电场矢量E与RR之间的夹角；
　　r0：余迹初始半径； D：扩散系数；
　　t：时间； φ：RT，RR夹角的一半；
　　β：余迹轴向与RT，RR构成平面的夹角。
　　(2)平均突发持续时间
　　信号的持续时间是指通过流星路径传送信号的有效可用时间，通常为接收信号幅度降到其初始值的1/ε时所需要的时间。流星余迹反射波的平均突发持续时间是多个变参的函数,与1/f 2成正比。通常期望有持续时间长的余迹,这样在持续时间内可以发送更多的数据。通过上面的关系还可以看出降低工作频率能够延长平均余迹可用时间,典型余迹可用时间为几十毫秒到几百毫秒。
　　单个余迹的持续时间并不能完全决定其可用时间,因为随着信号的衰落,增大发射功率或提高接收机灵敏度同样能够延长余迹的可用时间。
　　(3)等待时间
　　等待时间是流星余迹通信系统的一个很重要的参数,他说明了平均等待多长时间才能进行新一次的信息传输。等待时间与工作频率成反比,典型等待时间为几秒到几分钟。
　　(4)占空比
　　占空比在描述及比较流星余迹链路时是非常有用的,他表明流星余迹链路实际通信传输数据的时间所占的百分比，与1/f2成正比。
　　占空比=平均突发持续时间/平均等待时间
　　(5)平均通过量
　　流星通信最大的特点就是他的突发性。衡量这种系统的性能时，不能单纯看最高的发送速率，而必须采用平均通过量来描述系统的性能。
　　平均通过量=数据传输率×占空比
2.2流星突发通信信道数学模型
　　实践证明流星突发信道的产生可用泊松过程来描述，流星产生的间隔服从指数分布。由于流星突发信道是随机信道，给建立精确的信道模型带来一定困难，在模拟时需要简化处理。对于欠密类余迹，接收功率表示为：
　　

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其中PR(0)为峰值电平，是一个随机变量；τ是衰落常数，与链路参数有关。当链路确定后，其均值相对稳定，变化范围小，所以可以当作常数处理。
3信道模拟系统的硬软件设计
3.1硬件设计
3.1.1系统功能
　　在基带上实现流星信道模拟，指导实验室流星突发自适应、变速率系统的设计，验证方案的可行性。
3.1.2系统原理
　　根据系统要求，设计的流星信道模拟器系统电路框图如图2所示。

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　　系统工作时，首先对中频信号进行放大，获得模数转换器AD9225可以处理的信号；并由AD9225转换为12位的数字信号，经74FCT245缓冲处理（74FCT245具有电平转换功能，以保护DSP器件）；再由TMS32 0VC5509 DSP完成数字信号处理运算和控制功能，处理后的数据输出至AHC574锁存器、由AD9 762完成数模转换，放大后输出流星信道模拟信号。
3.1.3电路说明
　　系统的核心器件采用了TI公司的定点DSPTMS320VC5509。TMS320VC5509是在C 54x的基础上发展起来的,可以完全兼容C54x的指令。与C54x相比增加了功能单元和丰富的在片外设，其功耗更低，代码执行效率更高。系统工作时，他以中断方式完成输入信号的采集、并行数据的输出、外围电路的检测控制和具体算法的实现。
　　TMS320VC5509工作频率可达到144 MHz，内部指令周期较高，外部晶振的主频不够，其片内具有数字锁相环DPLL。系统采用外部6 MHz晶振，经分(倍)频产生DSP时钟输入信号、外部中断信号和A/D、D/A时钟信号等。通过配置DSP时钟发生器的时钟模式控制寄存器（CLKMD）将输入时钟CLKIN变换为CPU及其外部电路所要求的工作频率。
　　对中频输入信号的取样采用ADI公司生产的12位、25 MS/s高速模数转换器AD9225。他片内集成高性能的采样保持放大器和参考电压源，采用带有误差校正逻辑的四级差分流水结构，以保证在25 MS/s采样率下获得精确的12位数据。AD9225有高度灵活的输入结构，电路中使用单端运放输入方式进行连接。并行数据经12位、高性能低功耗的数模转换器AD9762输出。AD 9762具有很好的直交流性能，能支持高达125 MHz的数据转换速率。
　　流星信道模拟平台的应用，最终要实现软件程序脱离仿真环境独立运行，因此需要在片外扩展非易失性存储器。在系统上电后，用DSP固化的引导装载器（bootloader）把应用程序从外部存储器引导到DSP片内的存储单元（RAM）上运行。系统采用Atmel公司生产的高性能串行FLASH AT25F1024。AT25F1024与TMS320VC5509的硬件电路连接如图3所示。他支持SPI协议，最高时钟速率为20 MHz，工作时始终作为从方与DSP的串口相连，其串行移位时钟由DSP串口提供，为输入属性。
3.2软件设计
　　系统的软件设计包括系统初始化、信号处理运算和信号的输出等部分。
　　系统上电或复位后，首先对系统进行初始化。系统初始化包括影响CPU运行的内部初始化和影响各个片内外设工作的外部设备初始化。内部初始化影响CPU的运行和整个DSP 的使用。对CPU系统的初始化主要是通过配置A单元、P单元和D单元的有关寄存器来完成。根据流星信道模拟器系统功能要求，需要对时钟频率、中断、堆栈、间接寻址模式以及与C54x的兼容模式等进行初始化，至于有关算术运算的控制在信道模拟实现软件模块中根据需要进行设定。

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　　需要初始化的外设包括外部存储器接口（EMIF）和多通道缓冲串口（Mcbsp）等。整个系统的功能主要由软件实现。软件流程如图4所示。

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　　设计中根据要求产生不同的随机变量PR(0)，按PR(0)的突发强度指数衰减，尽可能模拟真实的流星突发信道。数据读写在同一中断信号控制下完成，保证输出信号频率与输入信号相同，且具有指数衰减特性。计数值T0和指数衰减梯度Ei可根据测试需要调整，以改变流星突发持续时间和突发间隔。
　　输入中频信号波形如图5所示。

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　　输出的流星信道模拟信号波形如图6所示。
4　信道模拟器在流星自适应变速率系统设计中的应用
4.1自适应速率传输（ARS）
　　在自适应速率传输中，调制信号的传输速率是自适应的。通过不断地测量接收信号电平（RS L），并根据测得的接收电平，及时连续调整调制信号的传输速率。由于流星突发的指数衰减特性，通常在突发之初调制信号自动提高传输速率，且随信号衰减自动降低传输速率。采用变速率的方法可以有效地提高系统的平均通过量。
4.2信道模拟器测试应用
　　测试在中频进行。主站和从站通过信道模拟器通信。流星突发持续时间为500 ms左右，突发间隔约30 s。
　　(1) 测试参数和条件
　　变速率范围为2"64 kb/s；
　　天线增益为12 DBi；
　　发射功率为300 W；
　　调制方式BPSK；
　　传输速率2/4/8/16/32/64 kb/s；
　　累计通信时间80 h。
　　(2)测试结果分析
　　根据信道情况和设备指标计算，在变速率时数据平均速率理论为1.43 kb/s，固定速率平均数据速率为503 b/s。
　　实验结果是变速率平均数据传输率为1.2 kb/s，固定速率为460 b/s。测试表明采用变速率的方法比固定速率传输高，数据通过量可以提高到原来的2～3倍，可以充分利用流星信道系统容量，使系统性能有明显的改善，同时说明对流星信道的分析是正确的。
5结语
　　采用信道模拟器，可以很好地指导实验室自适应变速率流星通信系统的设计，包括系统数据帧结构设计、初始速率的选择、数据帧长的确定和变速准则等。虽然系统只模拟了欠密类流星余迹发生情况，与实际的信道有一定差距，但并不影响对自适应变速率系统的设计指导与验证，具有一定的实用性。
参考文献
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