周生奎+朱秋明+呂衛(wèi)華+徐大專

摘 要：針對(duì)航空通信背景，建立了航空數(shù)據(jù)鏈復(fù)合衰落信道模型，并提出了一種基于諧波 疊加思想且易于FPGA硬件實(shí)現(xiàn)的定點(diǎn)模型。該模型利用不同諧波疊加產(chǎn)生高斯隨機(jī)過程，并通 過非線性變換分別獲得Nakagami衰落和對(duì)數(shù)正態(tài)分布衰落。最后，通過數(shù)值仿真選取合適的定點(diǎn) 參數(shù)，并利用Xilinx公司的FPGA芯片進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。實(shí)測結(jié)果表明，該硬件模擬器的輸出衰落 統(tǒng)計(jì)特性與理論值吻合，可用于實(shí)際航空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的模擬測試。

關(guān)鍵詞：航空數(shù)據(jù)鏈；無線信道；信道模擬器；復(fù)合衰落；Nakagami分布

中圖分類號(hào)：TN919；V217+.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1673-5048（2014）01-0061-04

ANewChannelEmulatorforAerospaceDataLinkBasedonFPGA

ZHOUShengkui1，ZHUQiuming1，LüWeihua1，2，XUDazhuan1

（1.NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Nanjing210016，China； 2.ChinaAirborneMissileAcademy，Luoyang471009，China）

Abstract：Consideringtheaeronauticalcommunicationscenario，anewcompositefadingchannel modelfortheaerospacedatalinksystemisestablishedinthispaper.Andonthisbasis，afixedpoint realizablemodelbasedonSumofSinusoids（SoS）methodisproposedwhichiseasytobeachievedby FPGA.ItgeneratesGaussianrandomprocessesusingdifferentSoSmodelsandthenobtainstheNakaga mifadingprocessandlognormalfadingprocessthroughsomenonlineartransformations.Finally，the suitablefixedpointparametersareselectedbynumericalsimulationandimplementedbasedonFPGA producedbyXilinx.Theexperimentalresultsshowthatthestatisticalcharacteristicsofthischannelem ulatorareconsistentwiththetheoreticalvalue，anditcanbeusedforthetestofaerospacedatalinksys tem.

Keywords：aerospacedatalink；wirelesschannel；channelemulator；compositefading；Nakagami distribution

0 引 言

戰(zhàn)場環(huán)境下無線信道非常惡劣，數(shù)據(jù)鏈信號(hào) 傳輸過程中會(huì)受到飛行器高速飛行、姿態(tài)變換以 及復(fù)雜多變的地面狀況等多種因素影響，文獻(xiàn)[1]分析了不同地面狀況下的反射波情況，文獻(xiàn)[2- 3]則利用實(shí)測數(shù)據(jù)，分析了各種場景下航空信道 的特征參數(shù)。在移動(dòng)通信領(lǐng)域，無線信道模擬器 已被廣泛應(yīng)用于通信產(chǎn)品的測試驗(yàn)證，如伊萊比 特公司PropsimC8信道仿真器。然而，目前針對(duì) 航空數(shù)據(jù)鏈信道的專用硬件信道模擬器還未見報(bào) 道。本文在航空數(shù)據(jù)鏈信道理論模型基礎(chǔ)上，提 出了一種易于FPGA實(shí)現(xiàn)的高效硬件模型，并利 用Xilinx公司Virtex-4FPGA芯片進(jìn)行硬件實(shí) 現(xiàn)。

1 系統(tǒng)模型

1.1 理論模型

航空數(shù)據(jù)鏈通信環(huán)境非常復(fù)雜，信號(hào)傳輸過 程中會(huì)受到路徑損耗、陰影衰落、多徑衰落和噪聲 等因素影響，如圖1所示。由于路徑損耗一般為確 定值，多徑和陰影衰落為隨機(jī)值，二者級(jí)聯(lián)可等價(jià) 為一種新的復(fù)合衰落。文獻(xiàn)[4-6]分別研究了基 于Suzuki模型、Loo模型以及Rice-Lognormal復(fù) 合衰落的信道特性，文獻(xiàn)[7]總結(jié)了幾種典型復(fù)合 衰落下信號(hào)包絡(luò)統(tǒng)計(jì)特性。

2 基于FPGA的定點(diǎn)模型分析

2.1 定點(diǎn)參數(shù)分析

本文提出的復(fù)合衰落信道實(shí)現(xiàn)模型如圖2所 示。由于FPGA硬件適合于進(jìn)行定點(diǎn)型運(yùn)算，實(shí)現(xiàn) 過程中需將浮點(diǎn)模型轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)模型，并通過 Matlab軟件對(duì)該定點(diǎn)模型的參數(shù)性能進(jìn)行仿真驗(yàn) 證。

對(duì)數(shù)正態(tài)衰落幅值起伏非常大，實(shí)測表明航 空環(huán)境下陰影衰落參數(shù)一般為σs∈（0，0.9）和μs ∈（0，1）。為方便FPGA硬件實(shí)現(xiàn)，本文采用查表 法實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)運(yùn)算，對(duì)數(shù)表位寬設(shè)置為13位。綜合 考慮各者的精度影響，首先對(duì)SoS模型產(chǎn)生的高斯 隨機(jī)變量截?cái)酁?位，分析可得陰影衰落參數(shù)σs， μs均可轉(zhuǎn)換為5位定點(diǎn)數(shù)。特別注意，為滿足高斯 隨機(jī)變量ui（t）～N（0，1），需要對(duì)SoS模型輸出定 點(diǎn)高斯隨機(jī)過程歸一化后才能得到陰影衰落理論 模型。

2.2 數(shù)值仿真與驗(yàn)證

為驗(yàn)證定點(diǎn)模型的正確性，以下利用Matlab 軟件對(duì)該模型輸出的Nakagami和對(duì)數(shù)正態(tài)衰落隨 機(jī)過程的統(tǒng)計(jì)特性分別進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真中， Nakagami衰落因子m取為0.5的整數(shù)倍，陰影衰落 參數(shù)σs=0.5和μs=0.03。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果表1和表 2可見，利用SoS模型和非線性變換獲得的 Nakagami衰落和對(duì)數(shù)正態(tài)衰落的統(tǒng)計(jì)特性與理論 值非常吻合。

3.2 資源及性能測試endprint

本方案設(shè)計(jì)所用FPGA為Virtex-4系列的 XC4VSX25芯片，該芯片集成了4個(gè)DCM模塊、 128個(gè)XtremeDSP、128個(gè)18KB的BLOCKRAM， 最大的BLOCKRAM容量為2304KB。利用ISE1 2.1對(duì)實(shí)現(xiàn)后的VerilogHDL代碼綜合后，F(xiàn)PGA資 源開銷如表3所示。

在此基礎(chǔ)上，利用Matlab軟件對(duì)輸出幅值進(jìn) 行統(tǒng)計(jì)分析，并與公式中所得理論值相比較。由于 公式（4）中定義Nakagami衰落平均功率為1，同時(shí) 采用查表法產(chǎn)生對(duì)數(shù)正態(tài)分布時(shí)均值也發(fā)生了固 定偏移。因此，需先對(duì)圖5衰落波形進(jìn)行功率歸一 化并糾正幅度偏移，然后進(jìn)行幅值統(tǒng)計(jì)，如圖6所 示。由圖可見，硬件模擬器輸出衰落幅值的概率分 布與定點(diǎn)仿真及理論分布一致。

4 結(jié) 論

本文研究了航空無線數(shù)據(jù)鏈衰落信道的理論模 型及硬件實(shí)現(xiàn)，提出了一種基于SoS原理的硬件實(shí) 現(xiàn)方案并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)測數(shù)據(jù)表明，該硬件模 擬器輸出衰落的統(tǒng)計(jì)分布與Matlab定點(diǎn)仿真及理論 分布相吻合，可用于戰(zhàn)場環(huán)境下航空數(shù)據(jù)鏈通信設(shè) 備的測試開發(fā)，以縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]RiceM，DavisA，BettweiserC.WidebandChannelMod elforAeronauticalTelemetry[J].IEEETransactionson AerospaceandElectronicSystem，2004，40（1）：57-69.

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[7]王曉東.復(fù)合衰落信道的衰落統(tǒng)計(jì)分析[J].電子與信 息學(xué)報(bào)，2008，30（3）：643-647

[8]ZhangKeli，SongZhefeng，GuanYongliang.Simulation ofNakagamiFadingChannelswithArbitraryCross-Corre lationandFadingParameters[J].IEEETransactionson WirelessCommunications，2004，3（5）：1463-1468.

[9]PatzoldM.MobileFadingChannel[M].NewYork：Wi ley，2002：51-81.

[10]GansMJ.APower-SpectralTheoryofPropagationin theMobile-RadioEnvironment[J].IEEETransactions onVehicularTechnology，1972，21（1）：27-38.endprint

本方案設(shè)計(jì)所用FPGA為Virtex-4系列的 XC4VSX25芯片，該芯片集成了4個(gè)DCM模塊、 128個(gè)XtremeDSP、128個(gè)18KB的BLOCKRAM， 最大的BLOCKRAM容量為2304KB。利用ISE1 2.1對(duì)實(shí)現(xiàn)后的VerilogHDL代碼綜合后，F(xiàn)PGA資 源開銷如表3所示。

在此基礎(chǔ)上，利用Matlab軟件對(duì)輸出幅值進(jìn) 行統(tǒng)計(jì)分析，并與公式中所得理論值相比較。由于 公式（4）中定義Nakagami衰落平均功率為1，同時(shí) 采用查表法產(chǎn)生對(duì)數(shù)正態(tài)分布時(shí)均值也發(fā)生了固 定偏移。因此，需先對(duì)圖5衰落波形進(jìn)行功率歸一 化并糾正幅度偏移，然后進(jìn)行幅值統(tǒng)計(jì)，如圖6所 示。由圖可見，硬件模擬器輸出衰落幅值的概率分 布與定點(diǎn)仿真及理論分布一致。

4 結(jié) 論

本文研究了航空無線數(shù)據(jù)鏈衰落信道的理論模 型及硬件實(shí)現(xiàn)，提出了一種基于SoS原理的硬件實(shí) 現(xiàn)方案并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)測數(shù)據(jù)表明，該硬件模 擬器輸出衰落的統(tǒng)計(jì)分布與Matlab定點(diǎn)仿真及理論 分布相吻合，可用于戰(zhàn)場環(huán)境下航空數(shù)據(jù)鏈通信設(shè) 備的測試開發(fā)，以縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。

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[8]ZhangKeli，SongZhefeng，GuanYongliang.Simulation ofNakagamiFadingChannelswithArbitraryCross-Corre lationandFadingParameters[J].IEEETransactionson WirelessCommunications，2004，3（5）：1463-1468.

[9]PatzoldM.MobileFadingChannel[M].NewYork：Wi ley，2002：51-81.

[10]GansMJ.APower-SpectralTheoryofPropagationin theMobile-RadioEnvironment[J].IEEETransactions onVehicularTechnology，1972，21（1）：27-38.endprint

本方案設(shè)計(jì)所用FPGA為Virtex-4系列的 XC4VSX25芯片，該芯片集成了4個(gè)DCM模塊、 128個(gè)XtremeDSP、128個(gè)18KB的BLOCKRAM， 最大的BLOCKRAM容量為2304KB。利用ISE1 2.1對(duì)實(shí)現(xiàn)后的VerilogHDL代碼綜合后，F(xiàn)PGA資 源開銷如表3所示。

在此基礎(chǔ)上，利用Matlab軟件對(duì)輸出幅值進(jìn) 行統(tǒng)計(jì)分析，并與公式中所得理論值相比較。由于 公式（4）中定義Nakagami衰落平均功率為1，同時(shí) 采用查表法產(chǎn)生對(duì)數(shù)正態(tài)分布時(shí)均值也發(fā)生了固 定偏移。因此，需先對(duì)圖5衰落波形進(jìn)行功率歸一 化并糾正幅度偏移，然后進(jìn)行幅值統(tǒng)計(jì)，如圖6所 示。由圖可見，硬件模擬器輸出衰落幅值的概率分 布與定點(diǎn)仿真及理論分布一致。

4 結(jié) 論

本文研究了航空無線數(shù)據(jù)鏈衰落信道的理論模 型及硬件實(shí)現(xiàn)，提出了一種基于SoS原理的硬件實(shí) 現(xiàn)方案并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)測數(shù)據(jù)表明，該硬件模 擬器輸出衰落的統(tǒng)計(jì)分布與Matlab定點(diǎn)仿真及理論 分布相吻合，可用于戰(zhàn)場環(huán)境下航空數(shù)據(jù)鏈通信設(shè) 備的測試開發(fā)，以縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。

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[8]ZhangKeli，SongZhefeng，GuanYongliang.Simulation ofNakagamiFadingChannelswithArbitraryCross-Corre lationandFadingParameters[J].IEEETransactionson WirelessCommunications，2004，3（5）：1463-1468.

[9]PatzoldM.MobileFadingChannel[M].NewYork：Wi ley，2002：51-81.

[10]GansMJ.APower-SpectralTheoryofPropagationin theMobile-RadioEnvironment[J].IEEETransactions onVehicularTechnology，1972，21（1）：27-38.endprint