相位噪声模拟器实现技术研究

张　晖，王洪锋，张海滨

（1.北京空间信息中继传输技术研究中心，北京 100094；2.北京理工大学 信息与电子学院，北京 100083）

相位噪声模拟器实现技术研究

张晖1，王洪锋1，张海滨2

（1.北京空间信息中继传输技术研究中心，北京 100094；2.北京理工大学 信息与电子学院，北京 100083）

研究Ka频段通信卫星系统信道相位噪声模拟方法与硬件实现技术。提出在中频采用多级IIR滤波器并联的形式产生幂律分布噪声，用于实现相位噪声特性模拟的方法。给出IIR滤波器组的设计方法以及相位噪声的模拟精度，并基于FPGA+DSP硬件平台实现了相位噪声模拟器，实测曲线表明其模拟范围优于Aeroflex信道模拟器。

信道模拟器；相位噪声；数字滤波器设计；Ka频段卫星通信

0　引言

Ka频段卫星信道非线性将引起数传信号扭曲，导致误码率升高。为解决用户终端入网验证中大量占用卫星资源的缺陷，申请了国防研究专项课题，提出研制信道模拟器，在中频频段模拟相位噪声、时延、多普勒、杂散、噪声、幅频、群时延、信道衰落，与变频链路配合使用可检验用户终端与卫星信道的匹配性。本文研究相位噪声的模拟实现技术，目前法国Aeroflex的CS80000是功能最完善的信道模拟器，其相位噪声模拟范围-40～-110 dBc/Hz，但模拟精度没有要求，依据用户实测结果确定。目前研究多数集中在数学模型上，并指出相位噪声的功率谱密度服从幂律分布[1-2]，然而在硬件实现层面上未见公开报道，本文将开展相位噪声模拟实现技术方面的研究工作。

1　相位噪声特性模拟

相位噪声一般是指振荡器或变频器内部热噪声、闪烁噪声引起的随机相位起伏，研究表明[1-2]，相位噪声的单边功率谱密度曲线分布为幂律谱（1/fα）形式。

1.1相位噪声产生模型

相位噪声的产生可采用多级IIR滤波器并联的形式对高斯噪声进行滤波，得到幂律分布噪声，然后将幂律噪声调制到信号上以实现相位噪声的模拟。幂律分布的噪声可通过白噪声色化生成，具体实现方法如下：

(1)产生一组白噪声序列；

(2)设计相应的成型滤波器组；

(3)将白噪声序列通过成型滤波器进行滤波，产生一组服从幂律分布的有色噪声。相位噪声产生模型如图1所示。从幂律噪声功率谱曲线出发，可以得到各一阶低通滤波器的相互关系如图2所示。不同频程的噪声功率分布由白噪声通过不同的成型滤波器产生，图2中H1，H2，…Hk表示产生幂律噪声的成型滤波器组。将各滤波器产生的噪声序列叠加，合成后得到功率谱密度服从幂律分布的色噪声序列。在实现中，为产生幂律分布的噪声，可充分利用IIR滤波器的通带窄、过渡带较平滑的特点，采用IIR滤波器进行成型滤波器设计。

图1　相位噪声产生模型

图2　各一阶低通滤波器相互之间幅频特性

1.2成型滤波器设计

相位噪声的实现是由若干个一阶IIR滤波器对输入白噪声滤波后的输出进行叠加得到，白噪声由自由状态机方法生成。本设计目的是使成型滤波器的综合幅频响应的模平方|H(jw)|2去逼近 f-S。在模拟时，设定的各十倍程频点的功率密度值可变换成每个十倍频程的斜率。并设法设计各IIR滤波器对各段进行逼近。假设两相邻滤波器的转角频率为 fk+1和 fk(k为滤波器编号)，由输入可得到，对应各转角频率处的幅频响应，然后得到两滤波器的增益（幅频响应的通带增益）差为A，A值如下：

由A值及转角频率 fk+1和 fk，可求得频响的斜率 S，则 S=A/(lgfk+1-lgfk)。假设成型滤波器组中各个一阶 IIR滤波器的最终传递函数为 H(z)=茁/(1+琢·z-1)，对应差分方程为y[k]=茁·x[k]-琢·y[k-1]。另假设成型滤波器组中每个IIR滤波器无增益时频响对应的传递函数为 H(z)= b/(1+琢·z-1)。综合滤波器组中各个IIR滤波器的最终系数琢、茁由各个IIR滤波器无增益时频响对应的系数 a、b以及各个滤波器之间的增益差A(k)决定。此时，对相位噪声的模拟已转化为如何求解IIR滤波器参数a、b。上述一阶 IIR滤波器需满足H(0)=1，以及|H(jwk)|2=0.5，由上述条件可以推导出关系式 b=1-a，a=1-wk，其中，wk= 2仔fk/fs，fk为转角频率，fs为采样频率。因而可求解出 IIR滤波器参数 a、b值，代入式(1)，得到：

可得各个 IIR滤波器的最终系数 琢、茁，琢、茁和 A(k)的关系如下：

对应转角频率为wk的滤波器的传递函数为；

2　相位噪声模拟精度分析

仿真条件设置如下：白噪声的量化位数为12位；滤波器系数量化位数为第一组 30，第二组24；滤波器组综合频响修正因子量化位数为13；单载波信号量化位数12位，输入信号中心频率1 MHz，输入信号功率 0 dBm；采样频率10 MHz，量化取整方式为舍入。

仿真方法：(1)将量化后的滤波器系数向量记为[b，a] (b为分子系数，a为分母系数)，将当前时刻的白噪声输入以及前一时刻的滤波器输出记为[x(k)，y(k-1)]；(2)将上述两向量进行一次矩阵相乘即可得到单路滤波器输出y(k)，对每次相乘运算结果进行截位处理并取整后参与下次运算；(3)最后将各路滤波器的输出进行求和后与修正因子相乘，将相乘的结果作为滤波器组最终的输出(对此输出进行取整运算)；(4)将量化后的输入信号与滤波器输出复乘，相乘结果截去修正因子扩大位数以及输入白噪声扩大位数并取整，对取整后的结果输出；(5)以上所有取整方式为舍入。

仿真精度结果如表1和表2所示。通过仿真分析，第一个倍程范围内10 Hz～100 Hz与设定值存在较大偏差，该偏差和设定的第一个倍频斜率有关，正常情况下误差在2.62～5.95 dB。其主要原因是，在计算滤波器增益时为了保证后面倍程的准确性，对参数进行了修正，最后选择滤波器系数量化位数24位。从仿真结果看，Aeroflex相位噪声指标仅给出范围，而没有精度，需要根据用户实际测试结果确定，其原因可能在此。

表1　相位噪声精度仿真结果1（滤波器系数30）

表2　相位噪声精度仿真结果2（滤波器系数24）

3　硬件设计及测试结果

图3和图4分别为信道模拟器的功能原理框图和电路原理框图。

图3　信道模拟器功能原理框图

图4　信道模拟器电路原理框图

模拟器包括中心中频接收单元、中频发射单元以及信号处理单元，信号处理单元由工控机、DSP和FPGA板组成。系统采用高性能的 FPGA芯片(Xilinx V7 690T)和DSP(TI C6455)处理器在数字基带上实现对信道模拟的数字处理。其中FPGA选型主要考虑的是乘法器数量，经分析数字滤波器设计所需的乘法器为2 424个，Xilinx V7 690T具有3 600个乘法器，具有一定的设计冗余。该模拟器的相位噪声模拟范围：-25 dBc/Hz～-120 dBc/Hz，能够提供多种典型相位噪声特性供选。当模拟器开机后，用户可基于 Windows的接口界面进行信道模拟参数设置及模拟进程控制，几种信道特性可同时进行实时模拟。

信道模拟器实测结果如表3所示。图5为模拟器的第3组相位噪声频谱仪测试曲线图。

表3　信道模拟器相位噪声模拟测试结果

图5　模拟器第3组相位噪声频谱仪测试曲线

4　结论

信道模拟能够应用于验证测试、系统设计环节，能够将测试环境与模拟环境很好地结合起来，代表着航天测控通信系统设计和测试技术的一个发展方向。相位噪声模拟是模拟器设计的一个难点，本文提出了相位噪声的模拟方法和实现技术，并研制出模拟器样机，测试结果表明该模拟器具有一定的先进性。

[1]Dong Xiyan，Li Xue，Yang Yikang，et al.The generation ofphase noise based on wavelet transform[C].International Conference on Computational Problem-Solving，2011：1-5.

[2]ROBERT B S，CHAN F，PORAS T B.Event-driven simulation and modeling of phase noise of an RF oscillator[J].IEEE Trans.Circuit and Systems-I，2005，52(4)：723-733.

Research on implementation of phase noise simulator

Zhang Hui1，Wang Hongfeng1，Zhang Haibin2
(1.Beijing Space Information Relay and Transmition Technology Research Center，Beijing 100094，China；2.Institute of Information and Electronic，Beijing Institute of Technology，Beijing 100083，China)

In this paper,a method for simulation and hardware implementation of phase noise channel of Ka-band communication satellite is investigated by adopting multiple-level IIR filter in IF to realize power-law distributed noise and obtain simulation of phase noise.The design method of IIR filter and simulation precision of phase noise are also discussed.Finally，a phase noise simulator is realized based on FPGA+DSP hardware and measurement result shows that its simulation range is superior to that of Aeroflex channel simulation.

channel emulator；phase noise；digital filter design；Ka-band satellite communication

TP391

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.09.009

2015-03-25)

张晖（1969-），男，博士，高级工程师，主要研究方向：无线通信、航天测控。

王洪锋（1977-），男，博士，高级工程师，主要研究方向：卫星通信。

张海滨（1990-），男，硕士，主要研究方向：信号与信息处理。

中文引用格式：张晖，王洪锋，张海滨.相位噪声模拟器实现技术研究[J].电子技术应用，2015，41(9)：36-38，41.

英文引用格式：Zhang Hui，Wang Hongfeng，Zhang Haibin.Research on implementation of phase noise simulator[J].Application of Electronic Technique，2015，41(9)：36-38，41.