[发明专利]面向台风探测应用的临空无线信道模拟机

说明书

本发明提供了一种面向台风探测应用的临空无线信道模拟机，基于CPU+FPGA架构实现，属于无线通信领域。本发明的模拟机包括初始化配置部分、参数计算部分、数据通信部分和信道生成部分；参数计算部分包括系统初始化模块、发射机状态模块、接收机状态模块、信道参数计算模块和通道参数生成模块；数据通信部分包括数据下发模块、中断控制模块、数据接收模块和数据解析存储模块；信道生成部分包括信道生成模块、芯片管理模块和中断产生模块。本发明的模拟器可实现台风环境下，探空仪上发射机与机载接收机的多种运动模式的模拟，并提供尽可能接近于真实的信道环境，基于模块化开发，具有良好的升级和扩展空间，适用范围广。

技术领域

本发明涉及一种面向台风探测应用的临空无线信道模拟机，此模拟机基于CPU(Central Processing Unit,中央处理器)+FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)架构，通过PCIE(Peripheral Component Interface Express，总线和接口标准)完成数据交互，具体涉及临空无线信道模拟机各关键参数的计算、数据传输和中断响应以及信道衰落模型的硬件模拟方法，属于无线通信领域。

背景技术

我国地处西北太平洋西岸，台风(西北太平洋范围内的一种热带气旋)登陆十分频繁，年均有7～9次台风登陆我国大陆，造成人员伤亡与直接经济损失，因此防台减灾是一项十分重要的工作。影响台风运动路径和强度变化的主要因素有大尺度环境场、下垫面和台风自身结构等。近年来，天气尺度数值预报和资料同化技术的进步已有效降低了我国台风运动路径的预报误差，而台风强度变化的预报精度的提高，尚还需要足够的台风内部精细结构的观测资料。事实上，台风内部不同时刻不同区域的温度、湿度、气压、风速等基本气象参数直接观测资料的匮乏，已成为制约台风数值模式(路径和强度变化)预报能力进一步提高的主要因素。

为精确获取台风内部结构的直接观测资料，如台风内部不同时刻不同区域的温度、湿度、气压、风速等基本气象参数，目前国内外多采用飞机下投探空方式。飞机下投探测系统包括下投式探空仪、释放机构、机载信号转发装置和地面接收装置。飞机携带下投式探空系统飞行至目标上空，根据控制命令释放探空仪，探空仪主要受重力和风力作用。探空仪探测温度、湿度、气压、风速和位置等数据，并通过无线发射机将探测资料传送至机载信号转发装置。机载信号转发装置接收探空仪发送的探测数据，并转发至地面接收装置。其中，对于探空仪上无线发射机与机载信号转发装置间的点对点通信链路，即临空无线信道，需要进行模拟，实现各关键参数的计算、数据传输和中断响应以及信道衰落模型的模拟，实现对机载接收机接收信号准确性和有效性的评估，进而推动台风探测系统的建设和发展。

现有的无线信道模拟系统架构包括软件、硬件以及软硬结合三种形式，其中软件架构主要通过软件仿真模拟信道或数字信道，硬件架构主要使用DSP(Digital SignalProcessing，数字信号处理)和FPGA实现数字信道，软硬结合架构分为软硬件两部分，其中软件部分计算信号收发机运动状态信息和信道相关参数，硬件部分在软件部分的控制下产生数字信道。

软件架构模拟机是开发者根据用户需求，使用专业开发软件开发的能够仿真某种特定参数信道效果的软件系统，这种模拟机并不能产生实际信道，仅将信道对发射信号的理论影响作用于接收信号，因此并不能模拟实际的信号传输过程，并且程序运算量随着仿真数据增大而增大，无法保证仿真的实时性。硬件架构模拟机是以DSP集成电路、ARM、单片机等为核心，基于软硬协同的设计思想，将软件与硬件作为整体进行并行开发，最终能够实时产生数字信道。这种设计架构能够最大程度地实现模拟机的性能优势，但软硬件的功能模块不能分离，模拟机的功能相对固定，模拟机的维护、更新与升级受硬件设备的影响较大。软硬结合架构模拟机是以CPU和FPGA为核心，软硬件功能模块分别进行开发。此种架构的信道模拟机可充分利用CPU强大的数据处理能力以及简洁明快的用户界面开发环境，将各信道参数通过PCIE传输至板卡，之后利用FPGA的高速计算能力实时产生数字信道。这种架构的模拟机虽大多针对特定的应用与平台开发，价格相对昂贵且易受到平台限制，但可以摆脱硬件的诸多限制，系统移植成本低，模拟机的维护、更新与升级更为方便。