基于MATLAB SIMULINK的衛星通信仿真系統

馮延青， 徐 慨， 任 佳， 張四起

（①海軍工程大學 電子工程學院，湖北 武漢 430033；②湛江保障基地通信雷達聲納修理廠，廣東 湛江 524016）

0 引言

在通信系統的設計中,采用軟件仿真技術已成為通信系統設計過程中所采用的最主要的技術手段。Math Works公司的MATLAB的圖形仿真工具－－SIMULINK是一種用來對系統進行可視化建模、動態仿真與分析的集成環境,為用戶提供了用框圖進行建模仿真的圖形接口。

本文分析了數字衛星通信系統的主要環節，在MATLAB/SIMULINK環境下給出了簡化的數字衛星通信基帶系統仿真平臺。

1 衛星通信系統模型的建立

1.1 衛星通信系統方框圖[1-2]

地球站的基帶信號,經過調制器(數字的或模擬的)對中頻載波進行調制,然后經過上變頻器變換為微波頻率f 1的射頻信號,再經過功率放大器和天線發向衛星。這一信號經過大氣層和宇宙空間,信號強度將受到很大衰減,并引入一定的噪聲,最后到達衛星。在衛星轉發器中,首先將載波頻率f 1的上行信號經低噪聲接收機進行放大,并變換為載波頻率較低的下行頻率f 2的信號,再經功率放大,由天線發向收端地球站。由衛星轉發器發向地球站的載波頻率f 2的信號,同樣要經過宇宙空間和大氣層,也要受到很大的衰減。簡化的衛星通信系統總圖如下頁圖1所示。

1.2 基帶等效仿真模型[3]

衛星鏈路常常傳送射頻信號，這就要求將數據調制到一個射頻載波上來傳輸，但基帶信號比解析信號使用起來很方便，因為基帶信號不含載波，解析信號含載波，而載波的作用只是作為信息信號一種載體，不含有任何有用的信息。在MatLab/Simulink平臺下直接進行頻帶仿真，系統的復雜度和計算機的運算量將會很大，故一般采用基帶等效模型，將頻帶通信系統轉化為等效的基帶通信系統進行仿真。

圖1 衛星通信系統框圖

設帶通信道的響應線性時不變，為 ()h t，其低通等效的沖擊響應為則信道輸出()y t為：

根據上述低通等效模型，我們可以利用信源端的低通等效信號以及低通等效的信道等模型獲得衛星通信基帶系統模型。

2 衛星通信仿真系統的實現

本衛星通信仿真系統主要涉及到如下工具箱和模塊庫：通信、信號處理、射頻等。這些工具箱提供了常見通信模塊的低通等效模型[4-7]。

地球站發送端包括了：信源、調制、脈沖成形、功率放大，天線輻射。傳輸的數據采用Bernoulli分布的隨機序列進行模擬，QPSK模塊完成信號的基帶調制，即僅僅完成星座映射功能；脈沖成形濾波器采用均方根升余弦濾波器，滾降系數為0.3，內插系數為8；高功放用Saleh模型的仿真放大器代替[8]，AM/AM系數為2.1587 和1.1517，AM/PM系數為 4.0330和 9.1040；天線增益根據下列公式計算得到：式中，D是圓形孔徑天線的直徑，單位為米，本仿真試驗 D=7 m，λ為工作波長，單位為米,上行頻率取14.15 G，故式中，R為發送端與接收端之間的距離，單位為米，假設衛星為靜止軌道衛星，R=35786.030 km。

目前,通信衛星中常用的轉發器有透明轉發器(非再生式轉發器或彎管型轉發器)和處理轉發器(再生式轉發器)兩大Aη是天線的孔徑效率，Aη取68%，故G=58.6 dB；上行自由空間損耗根據下列公式計算得到：類。本文中應用得是透明轉發器，透明轉發器收到地面發來的信號后,除進行低噪聲放大、變頻、功率放大外,不做任何加工處理,只是單純地完成轉發的任務;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，假設衛星轉發器接收和發射天線增益都為31 dB，接收系統的噪聲溫度為500 K。

下行信道包括：下行自由空間衰減，下行頻率采用11.45 G。接受端包括了接收天線，假設接收天線直徑D=2.14 m,故增益為46.9 dB，接收端噪聲溫度為110 K、均方根升余弦接收濾波器，QPSK解調器等模塊。

3 系統仿真示例與分析

基于上述仿真系統模型，我們可以得到若干模擬結果。圖2、圖3、圖4和下頁圖5分別給出了信源端和信宿端的星座圖和眼圖，由圖可以看出星座圖出現了旋轉，這是由于放大器的非線性和相位噪聲引起的。

圖2 信源端的星座圖

圖3 信宿端的眼圖

圖6和圖7給出了地球站功率放大器前后的星座圖，因為在地球站應用的主要是Saleh放大器的線性部分，所以星座圖沒有大的變化，只是對信號進行了放大。圖8給出了發送端和接收端的功率譜，由圖可以看出傳輸中由于噪聲的影響系統的信噪比下降了20 dB左右。

圖6 地球站功率放大器前的星座圖

圖7 地球站功率放大器后的星座圖

圖8 發送端和接受端的功率譜

4 結語

本文采用MATLAB SIMULINK動態仿真環境實現了衛星通信仿真系統, 以上的示例分析只是仿真結果的一部分,通過此結果分析,可以更加形象地理解衛星通信原理的基本理論。同時,還可以按照此仿真系統改造其中的某些部分 ,如可以將調制方式改變; 加入Doppler頻率模塊,擴頻模塊等，進而分析系統的性能。

[1] Dinnis R．衛星通信[M]．北京：人民郵電出版社，2002．

[2] 陳振國，楊鴻文．衛星通信系統與技術[M]．北京：北京郵電大學出版社，2003．

[3] 張賢達．現代信號處理[M]．北京：清華大學出版社，2002．

[4] 陳杰．MATLAB寶典[M]．北京：電子工業出版社，2007．

[5] 李建新，劉乃安，劉繼平．現代通信系統分析與仿真[M]．西安：西安電子科技大學出版社，2000．

[6] 鄧華．MATLAB通信仿真及應用實例詳解[M]．北京：人民郵電出版社，2003．

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