使用Matlab实现对Ka波段卫星通信衰减信道的性能仿真

使用Matlab实现对Ka波段卫星通信衰减 信道的性能仿真 日期：2005年10月29日 人气：0 查看:[大字体 中字体 小字体] (空军工程大学电讯工程学院 陕西 西安 710077) 摘 要：介绍了利用Matlab 6 关键词：Matlab；Ka波段；矢量；标量 Matlab是一种集成度很高的语言，由于其功能强，使用便捷和使用范围广等特点而被广大科技工作者所接受，已经在教学、科研和工程实际中广泛应用，被一些学者称为是第四代计算机语言。他用更直观的、符合人们思维习惯的代码，代替了C语言和Fortran语言的冗长代码，给用户呈现的是最直观、最简洁的程序开发环境。他提供的各种功能很强的工具箱更是为我们的学习和研究节省了大量的时间和精力。在Matlab 6 Ka波段卫星通信系统的研究工作在我国已有相当长的一段时间，由于我国尚没有自己在轨的Ka波段卫星，国外Ka转发器的有关技术参数也属于保密状态，致使这方面的研究工作只能是理论研究和数学推演。当然，也可以运用计算机仿真工具进行一些接近实际的工作，文献［1］给出了Ka波段卫星通信信道的统计模型并运用通信系统仿真软件包ACOLADE进行了仿真分析。笔者认为，Matlab是一个针对面较广的工具软件，他涉及到科学计算、系统控制、通信系统、神经网路、虚拟设计等领域，尤其是对矩阵运算具有其他工具不可比拟的优势。在Matlab环境下对Ka波段卫星信道进行建模和仿真有利于和其他学科建立联系。因为在研究过程中少不了要运用其他学科的知识(如利用神经网路对卫星地空链路雨衰减进行预测等)。 1 Ka波段卫星通信信道模型 本文继续沿用文献［1］所给出的Ka波段卫星通信信道的数学模型，简单的说明如下： 其方法是把雨衰作为一个乘性因子引入到信道仿真分析中。已调信号s(t)＝Re［s1(t)exp(j2πfct)］通过雨衰信道后变为： 其中：s(t)为调制信号；s1(t)为其时域复基带表达；s1(f)为其频域复基带表达；T为调制码元宽度；α和φ分别表示等效低通雨衰信道的包络和相位，二者均为随机变量，其分布特性由天气条件决定，他们均服从高斯分布，其概率密度函数分别表示如下： 各天气条件下的m和σ参数如表1所示。 由此可以建立如图1所示的信道仿真模型。 图中高斯过程1和高斯过程2为2个相互独立的带限、零均值高斯随机过程，其方差分别等于σ′2和σ＂2。高斯过程1与实常数产生器1产生的m′相加后，生成均值为m′、方差为σ′2的高斯随机过程a。同理可产生高斯随机过程φ。φ经指数产生器生成exp(jφ)后，与a相乘，得到C(t)＝aexp(jφ)乘性干扰矢量。AWGN表示信道加性高斯白噪声z(t)。 2 在Matlab环境下建立仿真模型 根据图1在Matlab环境下可以建立如图2所示的仿真原理图。 由数据源产生Bernoulli二进制序列模拟输入数据经BPSK调制器调制后进入信道。同样的，假设信道的衰落足够慢、无星上处理、发射机及转发器功放均无非线性失真。 2．1 矢量和标量的相互转换 在通信系统工具包里的所有模块的连接中都必须要考虑到矢量和标量的相互转换，否则建立的模型就无法运行。在建立模型之后要对各个模块的输入输出要求进行匹 配。要正确运行图2所示模型，还需要在Bernoulli二进制序列产生器之后接入一个复解模块(Demux)将产生的二维矢量信号进行分离和变换以适合BPSK调制器输入标量的要求。同样在2个高斯噪声发生器的输出端也应该接入Demux模块对输出信号进行变换。 2．2 在Demux输出端选择所需的输出 信号源所输出的矢量在经过Demux模块分离和变换后，需要选择所需要的输出。最简单的办法就是使用示波器观察。Matlab在Simulink环境里提供了这样的工具，以分离高斯噪声产生器的输出为例，建立如图3所示的模型。 用示波器SignalSelector窗口分别观察Demux模块的输出(观察波形如图4所示)。为了便于观察，先将高斯发生器的取样时间(Sample time)设定为0．1。然后改变均值和方差，可以发现，测试点3处的输出波一直保持不变，测试点2处的波形正是需要的输出。同样的方法，对数据源也要进行相同的测试和观察。 2．3 仿真模型 通过以上工作，就得到如图5所示的系统仿真模型。 3 仿真结果 3．1 各模块参数设定 设定Bernoulli二进制序列发生器、高斯噪声发生器、AWGN信道的采样值为0．000 000 1 0 仿真图表 在以上的设定条件下，仿真结果如图6所示(为具可比性，Es／No参数选取与文献［1］相同)。 3．3 结论 将仿真结果与文献［1］进行比较(相位变化曲线、包络相位变化曲线在这里就不再表述了)就可以发现结果是一致的。 由此也印证了本文所得出来的Ka波段卫星通信系统的仿真模型是正确、实用的。 4 结语 本文所建立的模型没有考虑Ka波段卫星通信信道受雨衰减的瞬时影响，只是对其信道长期性能的仿真。如果在该模型的基础上引入一个降雨时变控制系统模型并结 合进化神经网络的地空路径雨衰减模型［2］就可以模拟降雨事件引起的信道质量变化。 参考文献 ［1］王爱华，罗伟雄．Ka频段卫星通信信道建模及系统性能仿真［J］．通信学报，2001，22(9)：61-69. ［2］杨红卫，何晨．基于进化神经网络的低空路径雨衰减模型［J］．通信学报，2001，22(9)：20-27. ［3］约翰．G．普罗克斯，马苏德．萨勒赫．现代通信系统——使用Matlab［J］．刘树棠译．西安：西安交通大学出版社，2001．