本实用新型涉及低轨卫星通信系统仿真技术领域，具体涉及一种基于软件无线电的低轨卫星通信系统的物理层模拟系统。
背景技术：
随着低轨卫星通信系统复杂度的日益上升，使用传统的分析方法来评估和设计卫星通信系统变得十分困难，由于采用硬件原型测试的方法实现起来成本高、难度大，所以在系统开发前期往往采用软件设计和验证手段，软件建模仿真方法能够使研究和开发人员在节省人力物力的情况下，获得接近真实系统的评估能力。目前，无线通信系统的建模仿真主要通过matlab、labview、spw等软件实现，但对于特性变化快、易受干扰的卫星信道传输环境来说，上述基于纯软件的建模仿真手段难以对系统实现快速和准确的测试、分析和评估。
此外，现有技术中多是单端进行仿真模拟，并未对包含星间链路、信关站等的整个卫星通信系统进行全链路仿真，没有将特性复杂、仿真困难的实际无线信道纳入系统仿真模型中，无法进行链路误码率等指标估计。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本实用新型的目的是提供一种基于软件无线电的低轨卫星通信系统的物理层模拟系统。
为了实现本实用新型的上述目的，本实用新型提供了一种基于软件无线电的低轨卫星通信系统的物理层模拟系统，包括模拟终端、模拟信关站和至少一个模拟卫星；所述模拟终端包括终端基带模块、与所述终端基带模块连接通信的终端无线电平台、以及与所述终端无线电平台连接的终端天线模块；所述模拟信关站包括信关站基带模块、与所述信关站基带模块连接通信的信关站无线电平台、以及与所述信关站无线电平台连接的信关站天线模块；所述模拟卫星包括卫星载荷模块、与所述卫星载荷模块连接通信的卫星无线电平台、以及与所述卫星无线电平台连接的卫星天线模块，所述卫星天线模块可与其它模拟卫星的卫星天线模块、所述终端天线模块、所述信关站天线模块三者中的全部或部分无线连接。
上述技术方案：本系统基于软件无线电思想设计，提出软硬件结合的方式模拟卫星系统，具有标准化、模块化、高通用性和可扩展的特点，因此能够兼容绝大多数现有的通信协议标准，并且可以根据需要在无线电平台自行定义通信系统的收发频段和通信带宽，进行无线通信系统的定制化设计，将极大促进卫星通信向智能化方向发展。本系统实现了分布式低轨卫星系统物理层的全链路模拟，突破了传统卫星通信系统必须以专用硬件为核心的设计模式，使实际卫星通信系统脱离复杂、用途单一的硬件组成设计方法，无线电平台充分体现了开放性、标准化、模块化的设计思想，尽量减少硬件模拟环节，能够快速构建仿真系统，极大缩减了低轨通信领域技术研究和产品开发的生命周期。在模拟终端、模拟信关站和模拟卫星中将数字基带和射频前端(无线电平台部分)分离，通过无线电平台尽可能多地由通用处理器上的软件实现无线通信功能，尽可能使用软件部分来处理数字信号，具有更大弹性的可编程性，使得系统的改进和升级非常方便和极小代价，且不同系统之间能够互联和兼容，同时支持多频点、多模式的通信制式，既节省系统硬件成本又提高系统灵活性。
在本实用新型的一种优选实施方式中，还包括网络控制器，所述网络控制器与所述信关站基带模块连接。
上述技术方案：通过网络控制器实现卫星接口数据、随路测控数据的路由转发功能，以及实现卫星网络控制。
在本实用新型的一种优选实施方式中，当模拟卫星大于1时，模拟卫星之间通过卫星天线模块建立星间链路，所有模拟卫星通过星间链路相互连接构成分布式通信网络。
上述技术方案：更加真实的模拟卫星通信网络，并通过构建的分布式通信网络便于模拟时钟同步技术。
在本实用新型的一种优选实施方式中，还包括终端上位机、信关站上位机和卫星上位机，所述终端上位机与终端无线电平台连接，所述信关站上位机与信关站无线电平台连接，所述卫星上位机与卫星无线电平台连接。
上述技术方案：每个无线电平台通过对应的上位机配置频点、通信制式和带宽，实现了可重构模拟。
在本实用新型的一种优选实施方式中，所述终端无线电平台/信关站无线电平台/卫星无线电平台包括可编程逻辑器件、至少一个发射子板、至少一个接收子板，所述可编程逻辑器件与对应的基带模块连接，所述可编程逻辑器件通过发射子板/接收子板与对应的天线模块连接。
上述技术方案：利用可编程逻辑器件可灵活编程的特点，实现了无线电平台的通信频点、通信制式、带宽的灵活配置和重构。
在本实用新型的一种优选实施方式中，所述终端天线模块、信关站天线模块和卫星天线模块均采用结构一，所述结构一包括至少一个天线单元，所述天线单元的有线端与对应的无线电平台的天线连接端连接。
上述技术方案：实现了无线信号的接收和发送。
在本实用新型的一种优选实施方式中，所述终端无线电平台/信关站无线电平台/卫星无线电平台采用结构二；所述结构二包括至少一个数字上变频单元、至少一个数字下变频单元、与所述数字上变频单元对应的dac单元和发射子板、以及与所述数字下变频单元对应的adc单元和接收子板，所述数字上变频单元的输出端与对应dac单元的输入端连接，dac单元的输出端与对应发射子板的输入端连接，发射子板的输出端与天线单元的有线端连接，数字下变频单元的输入端与对应adc单元的输出端连接，adc单元的输入端与对应接收子板的输出端连接，对应接收子板的输入端与天线单元的有线端连接。
上述技术方案：采用结构二的无线电平台便于通过软件编程实现。
在本实用新型的一种优选实施方式中，所述终端基带模块/信关站基带模块/卫星载荷模块采用结构三；所述结构三包括依次连接的编码单元、基带调制单元和成型滤波单元，以及依次连接的匹配滤波单元、定时同步单元、载波同步单元、基带解调单元和译码单元，所述成型滤波单元的输出端与数字上变频单元的输入端连接，所述匹配滤波单元的输入端与数字下变频单元的输出端连接。
上述技术方案：实现基带信号处理。
在本实用新型的一种优选实施方式中，还包括时钟单元，所述时钟单元位于模拟终端或模拟信关站或任一模拟卫星上，当所述时钟单元位于模拟终端上时，所述时钟单元与终端基带模块连接，当所述时钟单元位于模拟信关站上时，所述时钟单元与信关站基带模块连接，当所述时钟单元位于模拟卫星上时，所述时钟单元与卫星载荷模块连接。
上述技术方案：仅需设置一个时钟单元，并且以该时钟单元为时间基准通过网络广播方式更新其它节点的时间，实现模拟系统所有节点的时钟同步。
本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本实用新型一种优选实施方式中物理层模拟系统的结构框图；
图2是本实用新型一种优选实施方式中基带模块和无线电平台的硬件结构框图。
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本实用新型提供了一种基于软件无线电的低轨卫星通信系统的物理层模拟系统，在一种优选实施方式中，如图1所示，该物理层模拟系统包括模拟终端、模拟信关站和至少一个模拟卫星；模拟终端包括终端基带模块、与终端基带模块连接通信的终端无线电平台、以及与终端无线电平台连接的终端天线模块；模拟信关站包括信关站基带模块、与信关站基带模块连接通信的信关站无线电平台、以及与信关站无线电平台连接的信关站天线模块；模拟卫星包括卫星载荷模块、与卫星载荷模块连接通信的卫星无线电平台、以及与卫星无线电平台连接的卫星天线模块，卫星天线模块可与其它模拟卫星的卫星天线模块、终端天线模块、信关站天线模块三者中的全部或部分无线连接。
在本实施方式中，终端基带模块、信关站基带模块、卫星载荷模块优选但不限于为现有的基带芯片及其外围电路，具体电路结构可参考基带芯片的数据手册，在此不再赘述。终端基带模块与终端无线电平台之间，信关站基带模块与信关站无线电平台之间，卫星载荷模块与卫星无线电平台之间优选但不限于通过pcie总线连接。
在本实施方式中，优选的，终端无线电平台、信关站无线电平台和卫星无线电平台包括可编程逻辑器件、多个发射子板和多个接收子板，可编程逻辑器件与对应的基带模块连接，可编程逻辑器件通过发射子板/接收子板与对应的天线模块连接。具体的，终端无线电平台的可编程逻辑器件与终端基带模块连接，终端无线电平台的可编程逻辑器件通过发射子板/接收子板与终端天线模块连接；信关站无线电平台的可编程逻辑器件与信关站基带模块连接，信关站无线电平台的可编程逻辑器件通过发射子板/接收子板与信关站天线模块连接；卫星无线电平台的可编程逻辑器件与卫星载荷模块连接，卫星无线电平台的可编程逻辑器件通过发射子板/接收子板与卫星天线模块连接。
在本实施方式中，优选的，无线电平台实现对基带输出的单路或多路数据进行上变频、da转换、信号放大、天线匹配等处理，以及实现对单路或多路天线接收信号的输入匹配、滤波、低噪声放大、ad转换、下变频等处理，其中涉及的方法均为现有技术，如公开号为cn110266325a的中国专利中公开的现场逻辑门阵列，在此不再赘述。
在本实施方式中，优选的，终端天线模块、信关站天线模块和卫星天线模块均采用结构一，结构一包括至少一个天线单元，天线单元的有线端与对应的无线电平台的天线连接端连接。
在本实施方式中，当结构一只包括一个天线单元时，优选的，该天线单元为全频段天线，并且收发共用。当结构一中包括多个天线单元时，还包括一个开关模块，开关模块的一端连接对应无线电平台的天线连接端，开关模块的另一端分别与所有天线单元的有线端连接，每个天线单元的通信频段各不相同，开关模块的控制端与无线电平台的天线控制端连接，通过控制开关模块实现每次只接通一个天线单元至无线电平台的天线连接端，开关模块优选但不限于为多个开关元件或者电控的一刀多掷开关。
在本实施方式中，卫星天线模块可与其它模拟卫星的卫星天线模块、终端天线模块、信关站天线模块三者中的全部或部分无线连接，卫星天线模块可与其它模拟卫星的卫星天线模块无线连接构成星间链路，卫星天线模块可与终端天线模块或信关站天线模块无线连接构成馈电电路。
在一种优选实施方式中，还包括网络控制器，网络控制器与信关站基带模块连接。
在本实施方式中，网络控制器优选但不限于为与外部控制台连接的网卡或者pc电脑，网络控制器与信关站基带模块优选但不限于通过以太网口和光纤连接，网络控制器实现对模拟的卫星通信网络进行控制，具体控制方法均为现有技术，在此不再赘述。
在一种优选实施方式中，当模拟卫星大于1时，模拟卫星之间通过卫星天线模块建立星间链路，所有模拟卫星通过星间链路相互连接构成分布式通信网络。
在本实施方式中，模拟卫星之间的组网技术可参照现有的地面无线自组网技术，在此不再赘述。
在一种优选实施方式中，终端上位机、信关站上位机和卫星上位机，终端上位机与终端无线电平台连接，信关站上位机与信关站无线电平台连接，卫星上位机与卫星无线电平台连接。
在本实施方式中，上位机优选但不限于为pc电脑，pc电脑可通过串口连接线与对应的无线电平台连接。
在一种优选实施方式中，如图2所示，终端无线电平台/信关站无线电平台/卫星无线电平台采用结构二；结构二包括至少一个数字上变频单元、至少一个数字下变频单元、与数字上变频单元对应的dac单元和发射子板、以及与数字下变频单元对应的adc单元和接收子板，数字上变频单元的输出端与对应dac单元的输入端连接，dac单元的输出端与对应发射子板的输入端连接，发射子板的输出端与天线单元的有线端连接，数字下变频单元的输入端与对应adc单元的输出端连接，adc单元的输入端与对应接收子板的输出端连接，对应接收子板的输入端与天线单元的有线端连接。
在本实施方式中，每个数字上变频单元对应分配一个dac单元和一个发射子板，每个数字下变频单元对应分配一个adc单元和一个接收子板。dac单元为数模转换单元，adc单元为模数转换单元。
在一种优选实施方式中，如图2所示，终端基带模块/信关站基带模块/卫星载荷模块采用结构三；结构三包括依次连接的编码单元、基带调制单元和成型滤波单元，以及依次连接的匹配滤波单元、定时同步单元、载波同步单元、基带解调单元和译码单元，成型滤波单元的输出端与数字上变频单元的输入端连接，匹配滤波单元的输入端与数字下变频单元的输出端连接。
在本实施方式中，编码单元、基带调制单元和成型滤波单元，以及匹配滤波单元、定时同步单元、载波同步单元、基带解调单元和译码单元均为通信领域的常规处理单元，均可采用现有技术，在此不再赘述。
在一种优选实施方式中，还包括时钟单元，时钟单元位于模拟终端或模拟信关站或任一模拟卫星上，当时钟单元位于模拟终端上时，时钟单元与终端基带模块连接，当时钟单元位于模拟信关站上时，时钟单元与信关站基带模块连接，当时钟单元位于模拟卫星上时，时钟单元与卫星载荷模块连接。
在本实施方式中，时钟单元优选但不限于为有源晶振，有源晶振的输出端与所在位置的基带模块或卫星载荷模块的晶振输入端连接。实现卫星通信系统全网时钟同步，采用时钟单元的时间为时钟基准，向全网广播当前时钟信号，实现全网的时钟同步，时钟基准节点广播本机的时钟信号，接收节点接收到时钟信号后，根据该时钟信号更新本地时间，其中涉及的方法均为现有技术。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。
1.一种基于软件无线电的低轨卫星通信系统的物理层模拟系统，其特征在于，包括模拟终端、模拟信关站和至少一个模拟卫星；
所述模拟终端包括终端基带模块、与所述终端基带模块连接通信的终端无线电平台、以及与所述终端无线电平台连接的终端天线模块；
所述模拟信关站包括信关站基带模块、与所述信关站基带模块连接通信的信关站无线电平台、以及与所述信关站无线电平台连接的信关站天线模块；
所述模拟卫星包括卫星载荷模块、与所述卫星载荷模块连接通信的卫星无线电平台、以及与所述卫星无线电平台连接的卫星天线模块，所述卫星天线模块可与其它模拟卫星的卫星天线模块、所述终端天线模块、所述信关站天线模块三者中的全部或部分无线连接。
2.如权利要求1所述的基于软件无线电的低轨卫星通信系统的物理层模拟系统，其特征在于，还包括网络控制器，所述网络控制器与所述信关站基带模块连接。
3.如权利要求1所述的基于软件无线电的低轨卫星通信系统的物理层模拟系统，其特征在于，当模拟卫星大于1时，模拟卫星之间通过卫星天线模块建立星间链路，所有模拟卫星通过星间链路相互连接构成分布式通信网络。
4.如权利要求1所述的基于软件无线电的低轨卫星通信系统的物理层模拟系统，其特征在于，还包括终端上位机、信关站上位机和卫星上位机，所述终端上位机与终端无线电平台连接，所述信关站上位机与信关站无线电平台连接，所述卫星上位机与卫星无线电平台连接。
5.如权利要求1所述的基于软件无线电的低轨卫星通信系统的物理层模拟系统，其特征在于，所述终端无线电平台/信关站无线电平台/卫星无线电平台包括可编程逻辑器件、至少一个发射子板、和至少一个接收子板，所述可编程逻辑器件分别与对应的基带模块连接，所述可编程逻辑器件通过发射子板/接收子板与对应的天线模块连接。
6.如权利要求1所述的基于软件无线电的低轨卫星通信系统的物理层模拟系统，其特征在于，所述终端天线模块、信关站天线模块和卫星天线模块均采用结构一，所述结构一包括至少一个天线单元，所述天线单元的有线端与对应的无线电平台的天线连接端连接。
7.如权利要求6所述的基于软件无线电的低轨卫星通信系统的物理层模拟系统，其特征在于，所述终端无线电平台/信关站无线电平台/卫星无线电平台采用结构二；
所述结构二包括至少一个数字上变频单元、至少一个数字下变频单元、与所述数字上变频单元对应的dac单元和发射子板、以及与所述数字下变频单元对应的adc单元和接收子板，所述数字上变频单元的输出端与对应dac单元的输入端连接，dac单元的输出端与对应发射子板的输入端连接，发射子板的输出端与天线单元的有线端连接，数字下变频单元的输入端与对应adc单元的输出端连接，adc单元的输入端与对应接收子板的输出端连接，对应接收子板的输入端与天线单元的有线端连接。
8.如权利要求7所述的基于软件无线电的低轨卫星通信系统的物理层模拟系统，其特征在于，所述终端基带模块/信关站基带模块/卫星载荷模块采用结构三；
所述结构三包括依次连接的编码单元、基带调制单元和成型滤波单元，以及依次连接的匹配滤波单元、定时同步单元、载波同步单元、基带解调单元和译码单元，所述成型滤波单元的输出端与数字上变频单元的输入端连接，所述匹配滤波单元的输入端与数字下变频单元的输出端连接。
9.如权利要求1所述的基于软件无线电的低轨卫星通信系统的物理层模拟系统，其特征在于，还包括时钟单元，所述时钟单元位于模拟终端或模拟信关站或任一模拟卫星上，当所述时钟单元位于模拟终端上时，所述时钟单元与终端基带模块连接，当所述时钟单元位于模拟信关站上时，所述时钟单元与信关站基带模块连接，当所述时钟单元位于模拟卫星上时，所述时钟单元与卫星载荷模块连接。
技术总结