CN101098198A - 一种宽带无线信道模拟装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带无线信道模拟装置及其方法，其中，该装置包括：至少一个信号通道、一计算机控制单元、一计算机及一通道数据交换单元；所述信号通道用于完成射频信号的接收处理及发送，所述计算机控制单元用于接收并缓存所述计算机产生的信道参数和控制命令，并将该数据分别转发至所述各信号通道；所述计算机用于承载进行宽带无线信道模拟的操控模块，该操控模块用于负责生成信道参数数据以及与所述计算机控制单元进行通信；所述通道数据交换单元用于实现所述各信号通道的数据交换。本发明实现了对宽带信道的快速、精确模拟，尤其适用于模拟在发送和/或接收通过无线信道传播的信号时使用若干天线的情形，且本发明的装置结构简单，易于实现。

Description

一种宽带无线信道模拟装置及其方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别是涉及一种用于模拟无线电信道的方法和一种用于实施该方法的信道模拟设备。

背景技术

无线通信是通信领域的一个重大分支，随着数字信号处理能力的提高，数字无线通信逐渐成为无线通信的主流。数字无线通信系统设计的重要目标之一是要系统具有很强的抗干扰能力。通常，设计人员需要在实验室对无线信道可能存在的各种干扰(如多径、噪声、同频信号等)进行虚拟实现，以便对所设计的系统进行调测，而为了更好地评估无线通信设备的性能，往往需要在实际通信环境中进行反复实验，这必将耗费大量人力物力。为了缩短研制周期，节省研制费用，并且更加方便容易地评估无线通信设备的性能，在无线通信设备的研制过程中，广泛采用了各种信道模拟装置。

但是，无线系统存在的问题是无线信道的特征是其作为时间函数快速变化的，无线信道的衰减和脉冲响应则在大的相位和幅度范围内变化，甚至每秒几千次。当然，无线信道变化存在若干原因，当射频信号从发射机通过无线信道被发射到接收机时，信号经过一个或多个路径进行传播，信号的相位和幅度在每条传播路径上变化，相位变化特别地给信号造成不同的持续时间和强度的衰落。由其他发射机造成的噪声和干扰也会干扰无线连接。这些都使得要被使用的无线连接和设备更难设计。

在实际条件下进行系统测试是困难的，例如，在室外进行的测试会受到天气和季节的影响，且天气和季节始终都在改变，使得测试更为困难。即使在同一个位置进行的测量在不同的时间也会得出不同的结果。而且，在一个环境(如城市A)下进行的测试不能完全应用到类似的环境(如城市B)中。最坏的可能情形也不能经常在实际条件下测试得到。

无线信道可以在实际条件下或通过使用模拟实际条件的模拟装置来模拟，模拟无线信道的设备可被使用以自由地、方便地模拟在两个无线设备之间的、具有想要特性的无线信道，以使得无线设备以它们本身的传输速率运行，正如在实际运行情形中那样。

然而，在发射机与接收机之间存在用于传播信号的若干传播路径，如果使用若干发射和/或接收天线，则情形变得很难模拟，例如，假定包括M个发射天线、无线信道和N个接收天线的装置，在这样的情形下，信道是多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)无线信道。

在现有技术解决方案中，为了模拟所显示的情形，每个模拟系统单元由时变的、可控的移相器、衰减器或者矢量控制器来模拟。这种方法存在一定的问题：不能生成一种精确、适时、宽带的信道模拟；并且当发送和接收天线的数目增加时，处理需要的复杂性急剧地增加；另一方面，这种模拟方法对信号的带宽有一定的要求，宽带信号不能被适时准确地反映出来，而且随着信号带宽的增加，精度会变地越来越差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种宽带无线信道模拟装置及其方法，用于快速、精确地对宽带信道进行模拟。

为了实现上述目的，本发明提供了一种宽带无线信道模拟装置，其特征在于，包括：至少一个信号通道、一计算机控制单元、一计算机及一通道数据交换单元；

所述信号通道用于完成射频信号的接收处理及发送，所述计算机控制单元用于接收并缓存所述计算机产生的信道参数和控制命令，并将该数据分别转发至所述各信号通道；所述计算机用于承载进行宽带无线信道模拟的操控模块，该操控模块用于负责生成信道参数以及与所述计算机控制单元进行通信；所述通道数据交换单元用于实现所述各信号通道的数据交换。

所述的宽带无线信道模拟装置，其中，所述信号通道包括：一综合控制处理单元，用于根据所述计算机控制单元转发的数据对多径接收的数据进行模拟并输出模拟后的数据。

所述的宽带无线信道模拟装置，其中，所述计算机通过一网络接口或一通用串行总线接口与所述计算机控制单元连接；所述计算机控制单元通过板间数据信号线、控制信号线或时钟信号线与所述各信号通道连接；所述各信号通道通过一板间接口信号线与所述通道数据交换单元连接。

所述的宽带无线信道模拟装置，其中，所述计算机控制单元与所述通道数据交换单元设置于一单板上。

所述的宽带无线信道模拟装置，其中，所述通道数据交换单元为一菊花链式数据交换单元或一数据共享总线交换单元。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种宽带无线信道模拟方法，其特征在于，包括：

步骤61，通过计算机控制单元对各信号通道进行初始化配置，并与计算机建立通信；

步骤62，所述计算机通过所述计算机控制单元向所述各信号通道下发信道参数和控制命令；

步骤63，所述各信号通道根据所述信道参数和控制命令对接收的射频信号进行处理；及

步骤64，所述各信号通道接收通道数据交换单元的合成数据，进行多信道数据合成处理，并发送合成处理后的数据。

所述的宽带无线信道模拟方法，其中，所述步骤63中，还包括：所述各信号通道把接收到的数据按照一设定格式送入一移位寄存器，并根据由所述计算机事先设置的信道参数，取出所述移位寄存器中的信道采样数，将所述信道采样数与所述信道参数相乘后，再进行单个天线的多径信号合成的步骤。

所述的宽带无线信道模拟方法，其中，还包括将合成后的多径信号发送至其它天线通道的步骤。

所述的宽带无线信道模拟方法，其中，还包括将所有天线的合成后的多径信号进行再合成并发送的步骤。

所述的宽带无线信道模拟方法，其中，所述信道参数的数据结构由延时、衰减和移相组成。

本发明的技术效果在于：

采用本发明方法和装置，实现方便，结构简单，可以精确、适时地模拟宽带的无线信道；并且当发送和接收天线的数目增加时，其处理需要的复杂程度不会急剧地增加；另一方面，本方法对信号的带宽没有要求，只要信号通道足够宽，宽带信道就能被适时准确的反映出来。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明宽带信道模拟装置的完整单元结构示意图；

图2为本发明以八通道为例的菊花链式多通道信道模拟装置的结构图；

图3为本发明总线型多通道宽带信道模拟装置的结构示意图；

图4为本发明信道模拟装置单个通道的内部结构图；

图5为本发明综合控制处理单元的内、外部结构示意图；

图6为本发明宽带无线信道模拟方法流程图；

图7为本发明单个天线信道数据生成处理结构框图；

图8为本发明信道参数数据结构图；

图9为本发明菊花链式通道数据交换示意图；

图10为本发明菊花链式数据交换帧结构图；

图11为本发明8天线数据合成结构框图。

具体实施方式

请参阅图1所示，为本发明宽带信道模拟装置的完整单元结构示意图；图2为本发明以8通道为例的菊花链式多通道信道模拟装置的结构图，图3为本发明总线型多通道宽带信道模拟装置的结构示意图。

如图1所示，完整单元结构主要由信号通道11、计算机控制单元12、计算机13和通道数据交换单元14四部分构成。

计算机13通过网络接口或USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)口等高速接口和计算控制单元12相连，而计算机控制单元12通过板间数据、控制、时钟等信号线与各信号通道11相连。各信号通道11和通道数据交换单元14通过板间接口信号线相连。计算机控制单元12和通道数据交换单元14可以设置在一块单板上。

信号通道11又称为通道数据处理单元，其个数大于等于1，信号通道11在现有技术的解决方案中形成了固定的单元，包括射频、中频和基带部分，主要完成从射频信号的接收，信号被转换到基带，在基带部分将信道衰减、移相和时延的影响加入到信号中，再把基带信号转换到射频，在射频部分信号被发送出去。当然在本发明中，信号可以以射频或中频的形式被送给信道模拟装置的输入端，当是后者时信道中的射频部分被旁路。

计算机控制单元12，其主要用于完成从通讯端口接收计算机13产生并下载的信道参数数据、控制命令等，缓存并分别送给各个信号通道11，计算机控制单元12一般由CPU最小系统模块和时钟控制模块构成；

计算机13，其用于承载宽带信道模拟装置的操控软件，该操控软件系统主要负责生成信道参数数据以及完成系统的控制等功能，其可为PC(PersonalComputer)机；

通道数据交换单元14用于实现各信号通道11的数据交换，其可为菊花链式数据交换单元或数据共享总线交换单元。

如图2所示，给出了8通道为优选例的菊花链式多通道信道模拟装置，该装置包含信号通道11、一个计算机控制单元12、一台计算机13和通道数据交换单元14，其中，信号通道11包括8个信号通道，分别为第一通道、第二通道…第八通道，计算机13为PC机，通道数据交换单元14为菊花链式数据交换单元。

如图3所示，给出了总线型多通道宽带信道模拟装置，该装置包括信号通道11、计算机控制单元12、PC机13和数据共享总线交换单元14。其中，信号通道11包括N个通道，分别连接至计算机控制单元12、数据共享总线交换单元14，N大于等于2。

计算机控制单元12主要完成从通讯端口接收PC机13产生并下载的信道参数数据，缓存并分别送给各个模拟通道。它实际上应该包含一个嵌入式CPU处理器系统，实现计算机控制单元12与PC机13之间通过以太网接口或其它接口方式的连接；实现对各数字下变频器和数字上变频器的控制和初始化；实现对各射频电路的各种配置、控制和各种告警检测；实现给各综合控制处理单元送出信道参数数据。它还应该包含有时钟处理电路部分，实现对各信号通道送出控制时钟等。

请参阅图4所示，为本发明信道模拟装置单个通道的内部结构图。该图中，每个信号通道11的结构包括：一个收射频通道RF(Radio frequency)112、一个模数转换模块113、一个数字下变频处理模块114、一个综合控制处理单元115、一个数字上变频处理模块116、一个数模转换模块117以及一个发射频通道RF 118。

综合控制处理单元115一般用FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)承载完成。

请参阅图5所示，为本发明综合控制处理单元的内、外部结构示意图。结合图3、4，综合控制处理单元115包括：上下行数据处理模块151、信道数据合成模块152、接口信号处理模块153、公共RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)154、上行信道参数FIFO(First In First Out，先进先出)155、下行信道参数FIFO 156以及与计算机控制单元12连接的CPU接口模块157等。上下行数据处理模块151通过芯片管脚分别连接到数字下变频处理模块114和数字上变频处理模块116的器件上。接口信号处理模块153在优选例中选用LVDS(Low Voltage Differential Signaling，低电压差分信号)接口与数据共享总线交换单元14交互数据。

综合控制处理单元115是本信道模拟装置的核心部分，就是在该部分信道衰减、移相和时延的影响被加入到信号中，才得以模拟信道。结合图4所示，上下行数据处理模块151把接收到的数据按一定的格式送入信道数据合成模块152，而本发明在信道数据合成模块152中设置了一种延时输入信号的移位寄存器或者延时线，它允许以高性能的方式模拟多条路径的接收数据而无需利用其它太多复杂的系统，并且是经由单个延时线生成多条传播路径的。因为发射信号可能花费作为它所取的路由的函数的或多或少的时间到达接收机，接收机是通过叠加来自不同的传播路径的发送信息的各种信号而组成接收信号的，那么本发明在接收机侧设置一种延时输入信号的移位寄存器或延时线，可以通过这个移位寄存器或延时线上的接收数据并乘以各个路径的信道参数(此参数事先已通过计算机生成，并已经发送到综合控制处理单元115的上行信道参数FIFO 155、下行信道参数FIFO 156中)，最后输出合成，从而模拟出多径接收的数据。

请参阅图6所示，为本发明宽带无线信道模拟方法流程图；并结合图1、4、5所示，该流程具体包括如下步骤：

步骤601，计算机控制单元12对各信号通道11进行初始化配置，和计算机13进行相关通信，给各信号通道11提供工作时钟和工作命令；

步骤602，计算机13下发控制命令，监测当前系统状态，当系统反馈的状态信息一切正常后等待信道模拟操作，当信道模拟开始后，计算机13不间断地通过计算机控制单元12分别向各信号通道11发送多径信道参数；

步骤603，信道模拟工作开启后，天线接收信号，进入接收射频通道112，再经过模数转换模块113和数字下变频处理模块114处理后送入综合控制处理单元115；

在综合控制处理单元115中，把接收到的数据按一定的格式送入信道数据合成模块152中的移位寄存器或者延时线。根据在先前就通过计算机生成好了的，并已经发送到综合控制处理单元115的上行信道参数FIFO 155、下行信道参数FIFO 156中的信道参数，取出相应移位寄存器或者延时线中的信道采样数，与信道参数相乘后把多径信号进行合成，其结果就是单个天线上的多个径接收的合成数据。然后把这个合成送到通道数据交换单元14；

步骤604，各信号通道11从通道数据交换单元14上得到其它信号通道的合成数据后，进行多信道数据合成，生成的合成数据就可以从综合控制处理单元115送出，进入数字上变频处理模块116、数模转换模块117、发送射频通道118直至从天线发出。

请参阅图7所示，为本发明单个天线信道数据生成处理的结构框图。该图是模拟一个天线上接收到的六个径(对应六个信道参数)信号并处理的过程。事先已通过一定的方法生成了这些径的信道参数(这些信道参数每个包含延时、衰减和移相，其结构如图8)并下发；在接收机端输入信号被采样，将采样后的输入信号进行移位寄存(单方向的移位寄存)，直到多径中最后的接收到达(考虑到最坏情形，移位寄存器要足够长，以使得采样频率的倒数乘以移位寄存器样本数不小于在第一符号与最后接收的符号之间存在的最大时间)；根据每个信道参数中的延时τ(为采样周期的倍数)选定移位寄存器或者延时线中的采样样本(为采样周期的几倍就选定从移位寄存的始端数第几个采样样本)，再对该采样样本进行对应的衰减和移相处理(相乘)，最后把六个径处理完的数相加在一起输出，便模拟到真正的多径接收。它的最后输出就是单个天线上的六个径的多径接收数据。

请参阅图8所示，为本发明信道参数数据结构图。信道参数包括延时τ、衰减和相移，其中衰减和相移可组合成Ae^jθ，A为衰减参数，θ为相移参数。

请参阅图9所示，为本发明菊花链式通道数据交换示意图，图10为本发明菊花链式数据交换帧结构图；结合图2所示。

菊花链式数据交换单元14，是指基于菊花链式连接结构实现各通道数据交换的处理单元模块。其可以是单独的一块背板，也可以和计算机控制单元12一起组成一个单板或者背板。对单板硬件上没有特殊的要求，只是通过相对高速的端口串接和软件的支持，最终实现构建一个多通道数据交换的结构单元。通常针对每一通道使用两个高速端口的模式，在两个端口分别收发上行数据和下行数据，最终形成一个环形结构，任何两个通道的数据交换都可绕环一周，经过所有通道的交换端口。其处理示意图如图9所示，包括8个信号通道，在对应的位置上分别设置有1号通道数、2号通道数…8号通道数。

菊花链式数据交换单元14上可设有相应位置的相应通道号，其通道数可以灵活配置，位置也可灵活选择，但各通道必须相互靠拢，首尾通道之间的连接可以手动连通。使用两个高速端口实施菊花链式连接，由于占用更多的高速端口，可以选择实现环形的冗余，并且不存在拓扑管理。

软件上，对此数据收发结构做了规定，对优选例来说，其数据帧结构如图10所示，在一次数据交换过程中，数据被定义成八个部分，第一部分为1通道的合成数据，第二部分为2通道的合成数据，依次类推，相应通道只能向对应位置上写数，但可读取非自身位置上的信道数。

计算机13则承载宽带信道模拟器操控软件，该操控软件系统主要负责生成信道模拟数据和与宽带信道模拟装置/设备的通信这两大功能。生成信道模拟数据的过程是对郊区型、市区宏小区型和市区微小区型等信道类型的信道参数数据的计算生成过程，并根据需要将信道参数数据发送到宽带信道模拟装置/设备，或交由信道数据文件处理，还可从信道数据文件中读取信道数据，为了便于某些特殊应用，还要实现信道模拟数据的用户输入及用户编辑修改功能。通信配置是实现对本地通信参数配置和宽带信道模拟装置/设备通信参数的配置过程，包括数据传输数据块大小配置、相邻信道数据之间的时间间隔配置、设备IP地址和端口配置等等。通信部分是实现与宽带信道模拟装置/设备之间的通信，包括信道数据发送，配置参数发送以及设备状态信道的接收等协议解析。

请参阅图11所示，为本发明8天线数据合成结构框图。并结合图1，当单个天线上的合成数据生成后还需作两种处理。一种处理是送给其它天线通道，优选实施例里，就是菊花链式数据交换单元14，其工作方式如图9所示；另一种处理是在送出自身的合成数据七个时钟周期后，其它天线上的合成数据也全部收到，然后把这八个合成数据进行再次合成并发送，其处理结构框图如图11所示，1号天线合成数据、2号天线合成数据…8号天线合成数据八个合成数据进行再次数据合成，并发送合成后的数据。

本发明提出的全新的宽带信道模拟方法以及相应的由该方法实现的宽带信道模拟装置，实现了对宽带信道的快速、精确模拟，尤其用于模拟在发送和/或接收通过无线信道传播的信号时使用若干天线的情形。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1、一种宽带无线信道模拟装置，其特征在于，包括：至少一个信号通道、一计算机控制单元、一计算机及一通道数据交换单元；

所述信号通道用于完成射频信号的接收处理及发送，所述计算机控制单元用于接收并缓存所述计算机产生的信道参数和控制命令，并将该数据分别转发至所述各信号通道；所述计算机用于承载进行宽带无线信道模拟的操控模块，该操控模块用于负责生成信道参数以及与所述计算机控制单元进行通信；所述通道数据交换单元用于实现所述各信号通道的数据交换。

2、根据权利要求1所述的宽带无线信道模拟装置，其特征在于，所述信号通道包括：一综合控制处理单元，用于根据所述计算机控制单元转发的数据对多径接收的数据进行模拟并输出模拟后的数据。

3、根据权利要求1或2所述的宽带无线信道模拟装置，其特征在于，所述计算机通过一网络接口或一通用串行总线接口与所述计算机控制单元连接；所述计算机控制单元通过板间数据信号线、控制信号线或时钟信号线与所述各信号通道连接；所述各信号通道通过一板间接口信号线与所述通道数据交换单元连接。

4、根据权利要求1或2所述的宽带无线信道模拟装置，其特征在于，所述计算机控制单元与所述通道数据交换单元设置于一单板上。

5、根据权利要求1或2所述的宽带无线信道模拟装置，其特征在于，所述通道数据交换单元为一菊花链式数据交换单元或一数据共享总线交换单元。

6、一种宽带无线信道模拟方法，其特征在于，包括：

步骤61，通过计算机控制单元对各信号通道进行初始化配置，并与计算机建立通信；

步骤62，所述计算机通过所述计算机控制单元向所述各信号通道下发信道参数和控制命令；

步骤63，所述各信号通道根据所述信道参数和控制命令对接收的射频信号进行处理；及

步骤64，所述各信号通道接收通道数据交换单元的合成数据，进行多信道数据合成处理，并发送合成处理后的数据。

7、根据权利要求6所述的宽带无线信道模拟方法，其特征在于，所述步骤63中，还包括：所述各信号通道把接收到的数据按照一设定格式送入一移位寄存器，并根据由所述计算机事先设置的信道参数，取出所述移位寄存器中的信道采样数，将所述信道采样数与所述信道参数相乘后，再进行单个天线的多径信号合成的步骤。

8、根据权利要求7所述的宽带无线信道模拟方法，其特征在于，还包括将合成后的多径信号发送至其它天线通道的步骤。

9、根据权利要求7所述的宽带无线信道模拟方法，其特征在于，还包括将所有天线的合成后的多径信号进行再合成并发送的步骤。

10、根据权利要求7、8或9所述的宽带无线信道模拟方法，其特征在于，所述信道参数的数据结构由延时、衰减和移相组成。

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