基于FPGA的航空数据链信道模拟器

2022.09.02

周生奎+朱秋明+吕卫华+徐大专

摘要：针对航空通信背景，建立了航空数据链复合衰落信道模型，并提出了一种基于谐波叠加思想且易于FPGA硬件实现的定点模型。该模型利用不同谐波叠加产生高斯随机过程，并通过非线性变换分别获得Nakagami衰落和对数正态分布衰落。最后，通过数值仿真选取合适的定点参数，并利用Xilinx公司的FPGA芯片进行编程实现。实测结果表明，该硬件模拟器的输出衰落统计特性与理论值吻合，可用于实际航空数据链系统的模拟测试。

关键词：航空数据链；无线信道；信道模拟器；复合衰落；Nakagami分布

中图分类号：TN919；V217+.1文献标识码：A文章编号：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

战场环境下无线信道非常恶劣，数据链信号传输过程中会受到飞行器高速飞行、姿态变换以及复杂多变的地面状况等多种因素影响，文献[1]分析了不同地面状况下的反射波情况，文献[2- 3]则利用实测数据，分析了各种场景下航空信道的特征参数。在移动通信领域，无线信道模拟器已被广泛应用于通信产品的测试验证，如伊莱比特公司PropsimC8信道仿真器。然而，目前针对航空数据链信道的专用硬件信道模拟器还未见报道。本文在航空数据链信道理论模型基础上，提出了一种易于FPGA实现的高效硬件模型，并利用Xilinx公司Virtex-4FPGA芯片进行硬件实现。

1 系统模型

1.1 理论模型

航空数据链通信环境非常复杂，信号传输过程中会受到路径损耗、阴影衰落、多径衰落和噪声等因素影响，如图1所示。由于路径损耗一般为确定值，多径和阴影衰落为随机值，二者级联可等价为一种新的复合衰落。文献[4-6]分别研究了基于Suzuki模型、Loo模型以及Rice-Lognormal复合衰落的信道特性，文献[7]总结了几种典型复合衰落下信号包络统计特性。

2 基于FPGA的定点模型分析

2.1 定点参数分析

本文提出的复合衰落信道实现模型如图2所示。由于FPGA硬件适合于进行定点型运算，实现过程中需将浮点模型转换为定点模型，并通过 Matlab软件对该定点模型的参数性能进行仿真验证。

对数正态衰落幅值起伏非常大，实测表明航空环境下阴影衰落参数一般为σs∈（0，0.9）和μs ∈（0，1）。为方便FPGA硬件实现，本文采用查表法实现对数运算，对数表位宽设置为13位。综合考虑各者的精度影响，首先对SoS模型产生的高斯随机变量截断为8位，分析可得阴影衰落参数σs， μs均可转换为5位定点数。特别注意，为满足高斯随机变量ui（t）～N（0，1），需要对SoS模型输出定点高斯随机过程归一化后才能得到阴影衰落理论模型。

2.2 数值仿真与验证

为验证定点模型的正确性，以下利用Matlab 软件对该模型输出的Nakagami和对数正态衰落随机过程的统计特性分别进行仿真验证。仿真中， Nakagami衰落因子m取为0.5的整数倍，阴影衰落参数σs=0.5和μs=0.03。由统计结果表1和表 2可见，利用SoS模型和非线性变换获得的 Nakagami衰落和对数正态衰落的统计特性与理论值非常吻合。

3.2 资源及性能测试

本方案设计所用FPGA为Virtex-4系列的 XC4VSX25芯片，该芯片集成了4个DCM模块、 128个XtremeDSP、128个18KB的BLOCKRAM，最大的BLOCKRAM容量为2304KB。利用ISE1 2.1对实现后的VerilogHDL代码综合后，FPGA资源开销如表3所示。

在此基础上，利用Matlab软件对输出幅值进行统计分析，并与公式中所得理论值相比较。由于公式（4）中定义Nakagami衰落平均功率为1，同时采用查表法产生对数正态分布时均值也发生了固定偏移。因此，需先对图5衰落波形进行功率归一化并纠正幅度偏移，然后进行幅值统计，如图6所示。由图可见，硬件模拟器输出衰落幅值的概率分布与定点仿真及理论分布一致。

4 结论

本文研究了航空无线数据链衰落信道的理论模型及硬件实现，提出了一种基于SoS原理的硬件实现方案并进行实验验证。实测数据表明，该硬件模拟器输出衰落的统计分布与Matlab定点仿真及理论分布相吻合，可用于战场环境下航空数据链通信设备的测试开发，以缩短研发周期，降低研发成本。

参考文献：

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

[2]HoeherP，HaasE.AeronauticalChannelModelingat VHF-Band[C]∥IEEEVIS50thVehicularTechnology Conference（VTC1999-Fall），1999：1961-1966.

[3]HaasE.AeronauticalChannelModeling[J].IEEE TransactionsonVehicularTechnology，2002，51（2）： 254-264.

[4]SuzukiH.AStatisticalModelforUrbanMultipathPropa gation[J].IEEETransactionsonCommunications， 1977，25（7）：673-680.

[5]LooC.StatisticalModelforaLandMobileSatelliteLink [J].IEEETransactionsonVehicularTechnology，1985， 34（8）：122-127.

[6]VatalaroF，MazzengaF，DeMaioG，etal.TheGeneral izedRiceLognormalChannelModel-FirstandSecond OrderStatisticalCharacterizationandSimulation[J].In ternationalJournalofSatelliteCommunications，2002，20 （1）：29-45.

[7]王晓东.复合衰落信道的衰落统计分析[J].电子与信息学报，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.

4 结论

参考文献：

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

[2]HoeherP，HaasE.AeronauticalChannelModelingat VHF-Band[C]∥IEEEVIS50thVehicularTechnology Conference（VTC1999-Fall），1999：1961-1966.

[3]HaasE.AeronauticalChannelModeling[J].IEEE TransactionsonVehicularTechnology，2002，51（2）： 254-264.

[4]SuzukiH.AStatisticalModelforUrbanMultipathPropa gation[J].IEEETransactionsonCommunications， 1977，25（7）：673-680.

[5]LooC.StatisticalModelforaLandMobileSatelliteLink [J].IEEETransactionsonVehicularTechnology，1985， 34（8）：122-127.

[7]王晓东.复合衰落信道的衰落统计分析[J].电子与信息学报，2008，30（3）：643-647

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

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

4 结论

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[2]HoeherP，HaasE.AeronauticalChannelModelingat VHF-Band[C]∥IEEEVIS50thVehicularTechnology Conference（VTC1999-Fall），1999：1961-1966.

[3]HaasE.AeronauticalChannelModeling[J].IEEE TransactionsonVehicularTechnology，2002，51（2）： 254-264.

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[5]LooC.StatisticalModelforaLandMobileSatelliteLink [J].IEEETransactionsonVehicularTechnology，1985， 34（8）：122-127.

[7]王晓东.复合衰落信道的衰落统计分析[J].电子与信息学报，2008，30（3）：643-647

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

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