文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.09.009
中文引用格式： 張暉，王洪鋒，張海濱. 相位噪聲模擬器實現(xiàn)技術(shù)研究[J].電子技術(shù)應(yīng)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.
0 引言
Ka頻段衛(wèi)星信道非線性將引起數(shù)傳信號扭曲，導(dǎo)致誤碼率升高。為解決用戶終端入網(wǎng)驗證中大量占用衛(wèi)星資源的缺陷，申請了國防研究專項課題，提出研制信道模擬器，在中頻頻段模擬相位噪聲、時延、多普勒、雜散、噪聲、幅頻、群時延、信道衰落，與變頻鏈路配合使用可檢驗用戶終端與衛(wèi)星信道的匹配性。本文研究相位噪聲的模擬實現(xiàn)技術(shù)，目前法國Aeroflex的CS80000是功能最完善的信道模擬器，其相位噪聲模擬范圍-40~-110 dBc/Hz，但模擬精度沒有要求，依據(jù)用戶實測結(jié)果確定。目前研究多數(shù)集中在數(shù)學(xué)模型上，并指出相位噪聲的功率譜密度服從冪律分布[1-2]，然而在硬件實現(xiàn)層面上未見公開報道，本文將開展相位噪聲模擬實現(xiàn)技術(shù)方面的研究工作。
1 相位噪聲特性模擬
相位噪聲一般是指振蕩器或變頻器內(nèi)部熱噪聲、閃爍噪聲引起的隨機相位起伏，研究表明[1-2]，相位噪聲的單邊功率譜密度曲線分布為冪律譜（1/fα）形式。
1.1 相位噪聲產(chǎn)生模型
相位噪聲的產(chǎn)生可采用多級IIR濾波器并聯(lián)的形式對高斯噪聲進行濾波，得到冪律分布噪聲，然后將冪律噪聲調(diào)制到信號上以實現(xiàn)相位噪聲的模擬。冪律分布的噪聲可通過白噪聲色化生成，具體實現(xiàn)方法如下：
(1)產(chǎn)生一組白噪聲序列；
(2)設(shè)計相應(yīng)的成型濾波器組；
(3)將白噪聲序列通過成型濾波器進行濾波，產(chǎn)生一組服從冪律分布的有色噪聲。相位噪聲產(chǎn)生模型如圖1所示。從冪律噪聲功率譜曲線出發(fā)，可以得到各一階低通濾波器的相互關(guān)系如圖2所示。不同頻程的噪聲功率分布由白噪聲通過不同的成型濾波器產(chǎn)生，圖2中H1，H2，…Hk表示產(chǎn)生冪律噪聲的成型濾波器組。將各濾波器產(chǎn)生的噪聲序列疊加，合成后得到功率譜密度服從冪律分布的色噪聲序列。在實現(xiàn)中，為產(chǎn)生冪律分布的噪聲，可充分利用IIR濾波器的通帶窄、過渡帶較平滑的特點，采用IIR濾波器進行成型濾波器設(shè)計。
1.2 成型濾波器設(shè)計
相位噪聲的實現(xiàn)是由若干個一階IIR濾波器對輸入白噪聲濾波后的輸出進行疊加得到，白噪聲由自由狀態(tài)機方法生成。本設(shè)計目的是使成型濾波器的綜合幅頻響應(yīng)的模平方|H(jw)|2去逼近f-S。在模擬時，設(shè)定的各十倍程頻點的功率密度值可變換成每個十倍頻程的斜率。并設(shè)法設(shè)計各IIR濾波器對各段進行逼近。假設(shè)兩相鄰濾波器的轉(zhuǎn)角頻率為fk+1和fk(k為濾波器編號)，由輸入可得到，對應(yīng)各轉(zhuǎn)角頻率處的幅頻響應(yīng)，然后得到兩濾波器的增益（幅頻響應(yīng)的通帶增益）差為A，A值如下：
由A值及轉(zhuǎn)角頻率fk+1和fk，可求得頻響的斜率S，則S=A/(lgfk+1-lgfk)。假設(shè)成型濾波器組中各個一階IIR濾波器的最終傳遞函數(shù)為H(z)=/(1·z-1)，綜合濾波器組中各個IIR濾波器的最終系數(shù)?琢、?茁由各個IIR濾波器無增益時頻響對應(yīng)的系數(shù)a、b以及各個濾波器之間的增益差A(yù)(k)決定。此時，對相位噪聲的模擬已轉(zhuǎn)化為如何求解IIR濾波器參數(shù)a、b。上述一階IIR濾波器需滿足H(0)=1，以及|H(jwk)|2=0.5，由上述條件可以推導(dǎo)出關(guān)系式b=1-a，a=1-wk，其中，wk=2fk/fs，fk為轉(zhuǎn)角頻率，fs為采樣頻率。因而可求解出IIR濾波器參數(shù)a、b值，代入式(1)，得到：
2 相位噪聲模擬精度分析
仿真條件設(shè)置如下：白噪聲的量化位數(shù)為12位；濾波器系數(shù)量化位數(shù)為第一組30，第二組24；濾波器組綜合頻響修正因子量化位數(shù)為13；單載波信號量化位數(shù)12位，輸入信號中心頻率1 MHz，輸入信號功率0 dBm；采樣頻率10 MHz，量化取整方式為舍入。
仿真方法：(1)將量化后的濾波器系數(shù)向量記為[b，a](b為分子系數(shù)，a為分母系數(shù))，將當(dāng)前時刻的白噪聲輸入以及前一時刻的濾波器輸出記為[x(k)，y(k-1)]；(2)將上述兩向量進行一次矩陣相乘即可得到單路濾波器輸出y(k)，對每次相乘運算結(jié)果進行截位處理并取整后參與下次運算；(3)最后將各路濾波器的輸出進行求和后與修正因子相乘，將相乘的結(jié)果作為濾波器組最終的輸出(對此輸出進行取整運算)；(4)將量化后的輸入信號與濾波器輸出復(fù)乘，相乘結(jié)果截去修正因子擴大位數(shù)以及輸入白噪聲擴大位數(shù)并取整，對取整后的結(jié)果輸出；(5)以上所有取整方式為舍入。
仿真精度結(jié)果如表1和表2所示。通過仿真分析，第一個倍程范圍內(nèi)10 Hz～100 Hz與設(shè)定值存在較大偏差，該偏差和設(shè)定的第一個倍頻斜率有關(guān)，正常情況下誤差在2.62～5.95 dB。其主要原因是，在計算濾波器增益時為了保證后面倍程的準確性，對參數(shù)進行了修正，最后選擇濾波器系數(shù)量化位數(shù)24位。從仿真結(jié)果看，Aeroflex相位噪聲指標僅給出范圍，而沒有精度，需要根據(jù)用戶實際測試結(jié)果確定，其原因可能在此。
3 硬件設(shè)計及測試結(jié)果
圖3和圖4分別為信道模擬器的功能原理框圖和電路原理框圖。
模擬器包括中心中頻接收單元、中頻發(fā)射單元以及信號處理單元，信號處理單元由工控機、DSP和FPGA板組成。系統(tǒng)采用高性能的FPGA芯片(Xilinx V7 690T)和DSP(TI C6455)處理器在數(shù)字基帶上實現(xiàn)對信道模擬的數(shù)字處理。其中FPGA選型主要考慮的是乘法器數(shù)量，經(jīng)分析數(shù)字濾波器設(shè)計所需的乘法器為2 424個，Xilinx V7 690T具有3 600個乘法器，具有一定的設(shè)計冗余。該模擬器的相位噪聲模擬范圍：-25 dBc/Hz~-120 dBc/Hz，能夠提供多種典型相位噪聲特性供選。當(dāng)模擬器開機后，用戶可基于Windows的接口界面進行信道模擬參數(shù)設(shè)置及模擬進程控制，幾種信道特性可同時進行實時模擬。
信道模擬器實測結(jié)果如表3所示。圖5為模擬器的第3組相位噪聲頻譜儀測試曲線圖。
4 結(jié)論
信道模擬能夠應(yīng)用于驗證測試、系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié)，能夠?qū)y試環(huán)境與模擬環(huán)境很好地結(jié)合起來，代表著航天測控通信系統(tǒng)設(shè)計和測試技術(shù)的一個發(fā)展方向。相位噪聲模擬是模擬器設(shè)計的一個難點，本文提出了相位噪聲的模擬方法和實現(xiàn)技術(shù)，并研制出模擬器樣機，測試結(jié)果表明該模擬器具有一定的先進性。
參考文獻
[1] Dong Xiyan，Li Xue，Yang Yikang，et al.The generation of phase 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 simu-lation and modeling of phase noise of an RF oscillator[J].IEEE Trans.Circuit and Systems-I，2005，52(4)：723-733.