[发明专利]一种实时相位噪声硬件发生器的并行实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及卫星通信系统模拟、相位噪声建模技术领域，具体涉及一种实时相位噪声硬件发生器的并行实现方法。

背景技术

卫星通信系统模拟技术由于可在地面复现出一个理想、恶化、甚至近乎真实的电波传播环境，模拟卫星通信链路中各种时、空变化对信号传播的影响，早已成为通信、测控等技术领域不可缺少的验证测试手段。无线电波在卫星通信链路传输过程中，会不可避免受到噪声干扰、信道衰落、电离层闪烁、转发器非线性等随机非理想特性的影响。其中，影响卫星通信系统传输误码率的一个主要因素是星上转发器本振信号的相位噪声恶化情况。为了研究本振信号相位噪声的影响，国内外学者通常以白噪声建模为基础，通过各种线性或非线性的复杂变换，得到具有幂律谱特性的噪声，仿真相位噪声特性。可见，研究相位噪声理论及实现方法对卫星通信链路建模、仿真及模拟均具有重要意义。

研究资料表明，白噪声的产生方法主要包括线性同余算法、延迟斐波那契法、线性移位寄存器法及细胞自动机理论等。线性同余法与延迟斐波那契法相比，前者在随机数分布的均匀性、子序列依赖关系等性能测试中效果较差，但后者却需要较多的乘法器资源，FPGA(Field Programmable Gate Array)硬件资源消耗大。线性移位寄存器法是目前应用最广泛的一种方法，具有算法简单、速度快、可重复性强及易于FPGA硬件实现等突出优点。然而，由于该方法存在线性反馈结构，会导致其产生的伪随机数具有较强的相关性，均匀白噪声产生质量相对较差。相比而言，细胞自动机理论是近些年才用于均匀白噪声的产生，由于其产生的噪声具有周期长、速度快、统计特性好、实现占用硬件资源少等突出优点，一经问世就受到了国内外学者的广泛关注。

国内外关于相位噪声模拟方法，主要有基于小波变换的方法、基于分数阶积分的方法、基于逆FFT变换的方法以及时域滤波的方法等。由于小波变换的级数有限，幂律谱曲线有波纹现象。分数阶积分方法需在布朗运动的基础上作相应的限制使产生的离散噪声序列在时域收敛，由于布朗运动的时域非平稳性，无法得到与布朗运动对应的有理系统函数。基于逆FFT变换方法需要对实际相位噪声的功率谱密度进行精确刻画，且逆变换过程需要闭式解，由于相位噪声时域不确定性，很难求出闭式解。相比而言，时域滤波的方法通过改变IIR滤波器的系数增益并将其组合产生幂率特性曲线，以噪声成型理论基础将白噪声通过滤波来产生相位噪声。然而，现有的基于时域滤波方法实现相位噪声模拟时存在的实时性差、速率低。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种实时相位噪声硬件发生器的并行实现方法，基于细胞自动机理论和时域滤波方法，能够在FPGA处理器上实现实时、高速、并行的相位噪声模拟。

本发明的实时相位噪声硬件发生器的并行实现方法，包括如下步骤：

步骤1，选定细胞自动机规则为零边界90/150细胞自动机规则，在该规则下，根据拟生成白噪声的周期长度计算获得细胞自动机的阶次M及规则向量d，其中，d＝{d(m),m＝1,2,...,M}，规则向量中的元素d(m)为0或1；

步骤2，设定细胞自动机的初始向量s₀为s₀＝{s₀(m),m＝1,2,3...,M}，且初始向量为非零向量；其中，元素s₀(m)为0或1；

步骤3，在FPGA内部产生一组并行实现的均匀白噪声，具体包括如下子步骤：

步骤3.1，根据实际应用系统的采样频率f_s和FPGA的工作时钟f_clk，计算并行路数其中表示向上取整；

步骤3.2根据规则向量d和初始向量s₀，得到规则向量d下的并行各路的初始向量s_p＝{s_p(m),m＝1,2,...,M}，p＝1,2,…,N；

其中，并行第1路初始向量s₁中任意元素s₁(m)为：

其中，符号表异或运算，m＝1,2,3,...,M；s₀(0)≡0，s₀(M+1)≡0；

任意并行第p路初始向量s_p中元素s_p(m)为：

且s_p(0)≡0和s_p(M+1)≡0