基于MATLAB SIMULINK的卫星通信仿真系统

冯延青， 徐 慨， 任 佳， 张四起

（①海军工程大学 电子工程学院，湖北 武汉 430033；②湛江保障基地通信雷达声纳修理厂，广东 湛江 524016）

0 引言

在通信系统的设计中,采用软件仿真技术已成为通信系统设计过程中所采用的最主要的技术手段。Math Works公司的MATLAB的图形仿真工具－－SIMULINK是一种用来对系统进行可视化建模、动态仿真与分析的集成环境,为用户提供了用框图进行建模仿真的图形接口。

本文分析了数字卫星通信系统的主要环节，在MATLAB/SIMULINK环境下给出了简化的数字卫星通信基带系统仿真平台。

1 卫星通信系统模型的建立

1.1 卫星通信系统方框图[1-2]

地球站的基带信号,经过调制器(数字的或模拟的)对中频载波进行调制,然后经过上变频器变换为微波频率f 1的射频信号,再经过功率放大器和天线发向卫星。这一信号经过大气层和宇宙空间,信号强度将受到很大衰减,并引入一定的噪声,最后到达卫星。在卫星转发器中,首先将载波频率f 1的上行信号经低噪声接收机进行放大,并变换为载波频率较低的下行频率f 2的信号,再经功率放大,由天线发向收端地球站。由卫星转发器发向地球站的载波频率f 2的信号,同样要经过宇宙空间和大气层,也要受到很大的衰减。简化的卫星通信系统总图如下页图1所示。

1.2 基带等效仿真模型[3]

卫星链路常常传送射频信号，这就要求将数据调制到一个射频载波上来传输，但基带信号比解析信号使用起来很方便，因为基带信号不含载波，解析信号含载波，而载波的作用只是作为信息信号一种载体，不含有任何有用的信息。在MatLab/Simulink平台下直接进行频带仿真，系统的复杂度和计算机的运算量将会很大，故一般采用基带等效模型，将频带通信系统转化为等效的基带通信系统进行仿真。

图1 卫星通信系统框图

设带通信道的响应线性时不变，为 ()h t，其低通等效的冲击响应为则信道输出()y t为：

根据上述低通等效模型，我们可以利用信源端的低通等效信号以及低通等效的信道等模型获得卫星通信基带系统模型。

2 卫星通信仿真系统的实现

本卫星通信仿真系统主要涉及到如下工具箱和模块库：通信、信号处理、射频等。这些工具箱提供了常见通信模块的低通等效模型[4-7]。

地球站发送端包括了：信源、调制、脉冲成形、功率放大，天线辐射。传输的数据采用Bernoulli分布的随机序列进行模拟，QPSK模块完成信号的基带调制，即仅仅完成星座映射功能；脉冲成形滤波器采用均方根升余弦滤波器，滚降系数为0.3，内插系数为8；高功放用Saleh模型的仿真放大器代替[8]，AM/AM系数为2.1587 和1.1517，AM/PM系数为 4.0330和 9.1040；天线增益根据下列公式计算得到：式中，D是圆形孔径天线的直径，单位为米，本仿真试验 D=7 m，λ为工作波长，单位为米,上行频率取14.15 G，故式中，R为发送端与接收端之间的距离，单位为米，假设卫星为静止轨道卫星，R=35786.030 km。

目前,通信卫星中常用的转发器有透明转发器(非再生式转发器或弯管型转发器)和处理转发器(再生式转发器)两大Aη是天线的孔径效率，Aη取68%，故G=58.6 dB；上行自由空间损耗根据下列公式计算得到：类。本文中应用得是透明转发器，透明转发器收到地面发来的信号后,除进行低噪声放大、变频、功率放大外,不做任何加工处理,只是单纯地完成转发的任务;在仿真中低噪放和功放用Saleh模型仿真放大器的AM/AM、AM/PM特性，假设卫星转发器接收和发射天线增益都为31 dB，接收系统的噪声温度为500 K。

下行信道包括：下行自由空间衰减，下行频率采用11.45 G。接受端包括了接收天线，假设接收天线直径D=2.14 m,故增益为46.9 dB，接收端噪声温度为110 K、均方根升余弦接收滤波器，QPSK解调器等模块。

3 系统仿真示例与分析

基于上述仿真系统模型，我们可以得到若干模拟结果。图2、图3、图4和下页图5分别给出了信源端和信宿端的星座图和眼图，由图可以看出星座图出现了旋转，这是由于放大器的非线性和相位噪声引起的。

图2 信源端的星座图

图3 信宿端的眼图

图6和图7给出了地球站功率放大器前后的星座图，因为在地球站应用的主要是Saleh放大器的线性部分，所以星座图没有大的变化，只是对信号进行了放大。图8给出了发送端和接收端的功率谱，由图可以看出传输中由于噪声的影响系统的信噪比下降了20 dB左右。

图6 地球站功率放大器前的星座图

图7 地球站功率放大器后的星座图

图8 发送端和接受端的功率谱

4 结语

本文采用MATLAB SIMULINK动态仿真环境实现了卫星通信仿真系统, 以上的示例分析只是仿真结果的一部分,通过此结果分析,可以更加形象地理解卫星通信原理的基本理论。同时,还可以按照此仿真系统改造其中的某些部分 ,如可以将调制方式改变; 加入Doppler频率模块,扩频模块等，进而分析系统的性能。

[1] Dinnis R．卫星通信[M]．北京：人民邮电出版社，2002．

[2] 陈振国，杨鸿文．卫星通信系统与技术[M]．北京：北京邮电大学出版社，2003．

[3] 张贤达．现代信号处理[M]．北京：清华大学出版社，2002．

[4] 陈杰．MATLAB宝典[M]．北京：电子工业出版社，2007．

[5] 李建新，刘乃安，刘继平．现代通信系统分析与仿真[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2000．

[6] 邓华．MATLAB通信仿真及应用实例详解[M]．北京：人民邮电出版社，2003．

[7] 李贺冰．Simulink通信仿真教程[M]．北京：国防工业出版社，2006．

[8] 沈超，裘正定．基于MatLab/Simulink的GPS系统仿真[J]．系统仿真学报，2006,18(07)：57-60.