CN101282181A - 带衰落信道仿真器的实现方法 - Google Patents

Abstract

带衰落信道仿真器的实现方法，利用成型滤波器法对瑞利平坦衰落信道的Clarke模型进行仿真得到具有功率谱密度的可分辨径信道的复随机变量；采用多个可分辨径信道，频率选择性衰落信道可由以上各独立子信道的线性加权a_l和线性延迟τ_l的加权组合得到；根据给出的Cost207信道环境及信道模型，采用Matlab及CCS Simulation仿真出相应的衰落信道；对仿真出的衰落信道利用DSP6000进行实现，通过改变输入参数获得具有不同精度的输出结果；将DSP6000的输出结果经过D/A转换将其变为模拟周期信号，利用示波器对此信号进行观察；最后将示波器输出的波形与理论波形进行对比即可得到带衰落信道的仿真结果。本发明具有很好的仿真参考价值，加之在利用DSP6000实现之前首先进行了软件仿真，因此本发明所得结果与理论结果一致。

Description

带衰落信道仿真器的实现方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域的衰落信道的仿真方法，具体涉及一种带衰落信道仿真器的实现方法。

背景技术

在过去的二十年里，无线通信技术作为一种发展极为迅猛的科学技术，在该领域内不断产生新体制、新技术。衰落信道仿真器能对无线信道可能存在的各种干扰进行虚拟实现，从而为从理论上、实践上探究这些体制和技术的优缺点提供了一个很重要的手段。无线移动信道复杂多变，目前已有多种数学模型可供参考。

无线移动信道由于传输过程中的多径效应，电波到达接收端时会产生反射、散射、绕射等现象，故其接收到的信号是沿各个方向到达电波的叠加，同时，移动台的运动性使得信号产生多普勒扩展。综合考虑这些因素，典型的无线信道可以表示成各条路径上都有瑞利衰落的多径信道。为评价移动设备在复杂无线信道下的性能，需要在实际通信环境中反复实验，这些工作将耗费大量的人力、物力。为了节约成本、缩短开发测试周期，各种信道仿真器被广泛使用在通信系统的研发过程中。而常规的信道仿真器通常只能添加高斯白噪声(AWGN)信道，能够模拟复杂无线环境的信道仿真器非常少见，而且也均是由国外的生产商提供的。

与此同时电波传播的特性是研究任何通信系统首先要遇到的问题，移动传播环境的特性不仅是所有移动通信理论研究的基础，也更直接关系到工程设计中通信设备的能力、天线高度的确定、通信距离的计算，以及为实现优质可靠的通信所必须采用的技术措施等一系列通信设计问题。而现阶段，人们研究电波传播的特性主要是通过对无线信道的建模以及软件仿真来完成的。无线信道是移动通信的传播媒体，所有的信息都在信道中传输。信道性能的好坏直接影响着移动通信的质量，因此要想在有限的频谱资源上高质量、大容量、高速率(多天线MIMO的引入)的传输有用信息，就要求必须十分清楚的了解无线信道的特性，根据信道的特性采取适当的抗干扰和衰落的措施，来保证通信的质量、容量和速率。因此对无线信道的数学建模以及仿真是十分必要的。无线信道的传输模型可以分为大尺度传播模型和小尺度衰落模型，大尺度传播模型主要用来描述收发机之间长距离上信号的强度变化。小尺度衰落模型用于描述短距离(几个波长)或者短时间(秒级)内接收信号强度的快速变化。在一个无线信道中，大尺度路径损耗和小尺度衰落是同时存在的，但是由于多径效应和多普勒效应的存在，接收信号会产生衰落失真，即信号经过短时间或短距离传播后其幅度快速变化，以致大尺度路径损耗的影响可以忽略不计。

下面给出这两种无线信道的基本模型：

1、小尺度衰落模型

考虑多径效应和多普勒效应，假设当移动台以恒定速率v运动时接收到来自远源S发出的信号时，θ_i为入射角度。则由路程差造成的接收信号相位变化为

由此得到频率变化量，即多普勒频移为

f_m称为最大多普勒频移， $f_m=\frac{v}{\mathrm{\λ}}.$

当有多条路径时，路径长度的变化量是移动台速度和时间的函数即Δx_i＝-vtcosθ_i，这就使得每条路径的频率都发生变化，在这种情况下信道的输出信号复包络为

$y\left(t\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{a}_i{e}^{-j2\mathrm{\π}\frac{x+{\mathrm{\Δx}}_i}{\mathrm{\λ}}}s(t-\frac{x+{\mathrm{\Δx}}_i}{c})$

$=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{a}_i{e}^{-j2\mathrm{\π}\frac{x_i}{\mathrm{\λ}}}{e}^{j2\mathrm{\π}\frac{v}{\mathrm{\λ}}t\cos {\mathrm{\θ}}_i}s(t-\frac{x_i}{c}+\frac{\mathrm{vt}\cos {\mathrm{\θ}}_i}{c})$

对上式进行简化，首先，将相位2πx_i/λ包含在a_i中。其次，信号的时延变化量vtcosθ_i/c比s(t)的调制时间量级小很多，因此可以忽略，即上式变为

$y\left(t\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{a}_i{e}^{j2\mathrm{\π}\frac{v}{\mathrm{\λ}}t\cos {\mathrm{\θ}}_i}s(t-\frac{x_i}{c})=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{a}_i{e}^{j2\mathrm{\π}{f}_{m}t\cos {\mathrm{\θ}}_i}s(t-{\mathrm{\τ}}_i)=s\left(t\right)*h(t,\mathrm{\τ})$

式中h(t，τ)为信道的冲激响应。设最大和最小时延分别是τ₁和τ_N，如果相对时延Δτ＝τ_N-τ₁比信号带宽B_s的倒数小很多，即Δτ＜＜B_s ^-1，则信号是窄带的，可以把介于τ₁和τ_N之间的多径称为不可分离径，那么接收信号复包络可以写为

$y\left(t\right)=s(t-{\mathrm{\τ}}_1)\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{e}^{j2\mathrm{\π}{f}_{m}t\cos {\mathrm{\θ}}_i}=s(t-{\mathrm{\τ}}_1)\mathrm{\β}\left(t\right)$

式中 $\mathrm{\β}\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{e}^{j2\mathrm{\π}{f}_{m}t\cos {\mathrm{\θ}}_i},$ 由此可以得到信道冲激响应为

$h(t,\mathrm{\τ})=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{e}^{j2\mathrm{\π}{f}_m\cos {\mathrm{\θ}}_i}\mathrm{\δ}(\mathrm{\τ}-{\mathrm{\τ}}_i)$

如果信号带宽增加使得Δτ近似于B_s ^-1时，信号变为宽带信号，信号经过信道后接收信号就是发送信号的多个副本综合，将这些多径称为可分离径。

此时

$y\left(t\right)=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}s(t-{\mathrm{\τ}}_l){\mathrm{\β}}_l(t-{\mathrm{\τ}}_l)$

则可以得出宽带信道的基带等效信道的冲激响应为

$h(t,\mathrm{\τ})=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{e}^{j2\mathrm{\π}{f}_m\cos {\mathrm{\θ}}_{i,l}}\mathrm{\δ}(\mathrm{\τ}-{\mathrm{\τ}}_i)$

从而可知如果各径的时延超过了B_s ^-1，则这些路径在接收处互相叠加，若在数字通信中，就形成了码间干扰。从以上的式子可以看出，无线信道中的多径有以下两个主要效应：

(a)时间选择性衰落，是指信道冲激响应随观察时间的不同产生变化，它与信号经历的各径多普勒频移有关，是由于移动台在散射环境中运动造成的；

(b)频率选择性衰落，是指信道冲激响应随输入频率的不同而产生变化，它与信号经历的各径时延有关，是由于散射体位置不同而导致各径路径长度不同而造成的。

2.大尺度衰落模型

无线信道的大尺度衰落模型可以用于预测信号长距离传输的接收场强，一个典型的模型就是Hata模型。该模型适用于150-1500MHz，城市地区的传播损耗表示成一个标准公式为：L(urban)(dB)＝69.55+26.16logfc-13.82loghte-a(hre)+(44.9-6.55loghte)logd式中，f_c是载波频率；h_te是发射天线高度(米)；h_re是接收天线高度(米)；d为收发距离(千米)。通过该模型，信道仿真器就可能仿真出信号经过长距离传播后，接收端信号的场强变化。

目前对衰落信道的研究大多是建立在软件仿真的基础上的，或者是利用DSP和FPGA相结合来实现的仿真器，而且只能添加高斯白噪声信道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够模拟复杂无线环境的信道仿真器，得到符合理论和实测结果的衰落信道时域波形的带衰落信道仿真器的实现方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

1)首先，利用成型滤波器法对瑞利平坦衰落信道的Clarke模型进行仿真：

a、根据要求的仿真精度确定代表功率谱

的点的数目N及最大多普勒频移(f_m)，其中点数越多精度越高，N一般取2的幂，f为多普勒频移；

b、采用Δf＝2f_m/(N-1)得到相邻频域点的间隔，再根据T＝1/Δf得到衰落波形的时间周期；

c、利用随机数发生器在时域产生两组N点同相、正交的高斯随机序列，对此两组N点高斯随机序列分别做快速傅立叶变换(FFT)，即可得相互独立的具有同相和正交复数高斯样本形式的线谱；

同相和正交复数高斯线谱与滤波器的功率谱

相乘到频域信号；

在同相和正交两条通路上，对频域信号进行快速傅立叶反变换(IFFT)，得到两个长度为N点的时间序列；

将两个长度为N点的时间序列组合得到具有功率谱密度S_T(f)的可分辨径信道的复随机变量；

2)其次，采用步骤1)产生多个可分辨径信道，同时要保证每个可分辨径之间相互独立且为瑞利平坦衰落信道；频率选择性衰落信道可由以上各独立子信道的线性加权a_l和线性延迟τ_l的加权组合得到；

3)再次，根据给出的Cost207信道环境及信道模型，采用Matlab及CCSSimulation仿真出相应的衰落信道；

4)接着，根据仿真结果，对仿真出的衰落信道利用DSP6000进行实现，通过改变输入参数获得具有不同精度的输出结果；

5)将DSP6000的输出结果经过D/A转换将其变为模拟周期信号，利用示波器对此信号进行观察；

6)最后将示波器输出的波形与理论波形进行对比即可得到带衰落信道的仿真结果。

由于本发明是根据COST207模型确定的一系列无线环境的多径参数进行仿真的，该模型通过大量实验测试评估，具有很好的仿真参考价值，加之在利用DSP6000实现之前首先进行了软件仿真，因此本发明所得结果与理论结果一致。

附图说明

图1为以Jakes谱为例的成形滤波器法生成Clarke模型的基带框图；

图2为同时体现时间与频率衰落的信道模型，本发明主要是对此类信道进行了仿真实现；

图3为平坦衰落信道(Jakes)和(Rice)的DSP实现包络图，其中图3-1为平坦衰落信道Jakes的仿真包络衰落图，图3-2为平坦衰落信道Jakes的示波器检测的包络衰落图，图3-3为平坦衰落信道Rice的仿真包络衰落图，图3-4为平坦衰落信道Rice的示波器检测的包络衰落图；

图4为频率选择性信道的DSP实现包络图，其中图4-1为乡村地区包络衰落图，图4-2为典型城区I包络衰落图，图4-3为恶劣都市环境I包络衰落图，图4-4为多山环境I包络衰落图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，2，首先，利用Clarke建立的统计模型，采用成型滤波器法，利用多普勒功率谱，直接从频域上来仿真瑞利信道，再通过时域变换，求得时域信道。具体如下：E场用同相分量和正交分量表示为

E_Z＝T_c(t)cos(2πf_ct)-T_s(t)sin(2πf_ct)

式中

成型滤波器法是将白高斯随机过程通过具有多普勒功率谱的成型滤波器，从而实现对Clarke模型的仿真。

1)首先，利用成型滤波器法对瑞利平坦衰落信道的Clarke模型进行仿真：

a、根据要求的仿真精度确定代表功率谱

的点的数目N及最大多普勒频移(f_m)，其中点数越多精度越高，N一般取2的幂，f为多普勒频移；

b、采用Δf＝2f_m/(N-1)得到相邻频域点的间隔，再根据T＝1/Δf得到衰落波形的时间周期；

c、利用随机数发生器在时域产生两组N点同相、正交的高斯随机序列，对此两组N点高斯随机序列分别做快速傅立叶变换(FFT)，即可得相互独立的具有同相和正交复数高斯样本形式的线谱；

同相和正交复数高斯线谱与滤波器的功率谱相乘到频域信号；

在同相和正交两条通路上，对频域信号进行快速傅立叶反变换(IFFT)，得到两个长度为N点的时间序列；

将两个长度为N点的同相和正交时间序列组合得到具有功率谱密度S_T(f)的可分辨径信道的复随机变量S₀(t)；

2)其次，采用步骤1)产生多个可分辨径信道，同时要保证每个可分辨径之间相互独立且为瑞利平坦衰落信道；频率选择性衰落信道可由以上各独立子信道的线性加权a_l和线性延迟τ_l的加权组合得到；

3)再次，根据给出的Cost207信道环境及信道模型，采用Matlab及CCSSimulation仿真出相应的衰落信道；

4)接着，根据仿真结果，对仿真出的衰落信道利用DSP6000进行实现，通过改变输入参数获得具有不同精度的输出结果；

5)将DSP6000的输出结果经过D/A转换将其变为模拟周期信号，利用示波器对此信号进行观察；

6)最后将示波器输出的波形与理论波形进行对比即可得到带衰落信道的仿真结果。

硬件实现过程中一些问题的说明：

a.高斯随机数的产生：

在本发明中是利用种子函数来实现，实现过程可如下：首先给srand()提供一个种子，它是一个unsigned int类型，其取值范围从0～65535；然后调用rand()，它会根据提供给srand()的种子值返回一个随机数(在0到32767之间)，同时如果需要多次调用rand()，则可不间断地得到新的随机数；这样无论什么时候，都可以给srand()提供一个新的种子，从而进一步“随机化”rand()的输出结果。

b.仿真中程序使用空间的问题：

在CCS6000中进行硬件仿真则考虑DSP开发板的实际可用存储空间的大小，包括(ROM、SDRAM)，当程序中需要的堆、栈的空间超过开发板所能提供的最大空间时程序就会无法运行。因此，在此环境下进行仿真，必须切记程序中所使用的空间在使用完毕之后应当立即释放，否则将会造成空间不够。同时，在定义变量时尽可能使用局部变量，这样就不会造成程序同时占用太多的空间，也就能够更好的防止空间不够导致程序无法运行这一问题的发生。

c.cmd文件的编写

文件名后缀为.cmd的文件为命令文件，为链接程序提供程序和数据在具体DSP硬件中的位置分配信息。通过编制此命令文件，将某些特定的数据或程序按照设想放置在DSP所管理的内存中。命令文件同时也为链接程序提供了DSP外扩存储器的描述。在程序中使用cmd文件描述硬件存储区，可以只说明使用部分，但只要是说明的，就必须和硬件匹配，也就是只要说明的存储区必须是存在的和可用的。与此同时在硬件调试过程中，下载到DSP开发板的程序运行所需要的堆、栈空间一定要小于等于.cmd文件中所分配的空间，否则程序就不能正常运行。同时在.cmd文件中所分配的堆、栈空间既不能过大也不能过小，过大就会超过开发板的实际存储空间，过小则不能满足程序的需求。因此在整个调试过程中都必须反复修改.cmd文件。

d.多径的合并及时延问题

在仿真中每一路的信号都是复数而不是实数，因此合并时一定要注意不是将各路的包络直接合并，而是将所有各路复数信号相加之后再求合并信号的包络。对时延的理解，应分清是循环移位还是截断，考虑因为各径之间有时延，刚开始的时候就应该只有少数的几条径，而最后几路的末尾已经超过需要考察的点数，因此最后应该是截断。

e.信道点数问题

在本发明中，根据多普勒频移的大小调整采样点数。在实现中，若所取点数过多会造成程序运行时空间不够有两种途径解决此问题：对代码不断优化以减小程序所需资源和外扩开发板的SDRAM。

参见图3，4：3-1为多普勒功率谱为Jakes谱时在CCS环境下得到的平坦衰落信道的硬件仿真结果，从图中可以看出包络衰落值在【-25dB，10dB】之间波动，某些点处甚至可达-40dB的衰落；图3-2为其对应的示波器输出的硬件仿真结果的模拟信号，对其标度进行相应的转换，其结果与3-1均与理论包络衰落相符合，；图3-3为多普勒功率谱为Rice谱时在CCS环境下得到的平坦衰落信道的硬件仿真结果，功率谱为Rice谱时即在Jakes谱基础上增加了一条直达径，故其衰落幅度相对较小，从图中可以看出包络衰落值在【-1.65dB，1.65dB】之间波动；同理图3-4为其对应的示波器输出的硬件仿真结果的模拟信号，对其标度进行相应的转换，其结果与3-3也均与理论包络衰落相符合。图4-1为Cost207信道环境及信道模型标准中乡村地区的包络衰落图，大部分包络衰落值在【-11.2，5.6】之间波动，有个别点可达-23dB的衰落；图4-2为典型城区I的包络衰落图，大部分包络衰落值在【-21.9，21.9】之间波动，有个别点达-50dB的衰落；图4-3为恶劣都市环境I的包络衰落图，大部分包络衰落值在【-23.4，23.4】之间波动，有个别点达-40dB的衰落；图4-4为多山环境I的包络衰落图，大部分包络衰落值在【-19.4，19.4】之间波动，有个别点达-60dB的深度衰落。以上仿真结果均与理论上各种环境下的信道包络衰落值相符合。

本发明根据COST207模型及其确定的一系列无线环境的多径参数，利用DSP6000对衰落信道中平坦衰落信道和频选衰落信道进行了仿真实现。按照此方法得到的衰落信道的时频域波形符合理论和实测结果。

Claims (1)

1、带衰落信道仿真器的实现方法，其特征在于：

1)首先，利用成型滤波器法对瑞利平坦衰落信道的Clarke模型进行仿真：

a、根据要求的仿真精度确定代表功率谱

的点的数目N及最大多普勒频移(f_m)，其中点数越多精度越高，N一般取2的幂，f为多普勒频移；

b、采用Δf＝2f_m/(N-1)得到相邻频域点的间隔，再根据T＝1/Δf得到衰落波形的时间周期；

c、利用随机数发生器在时域产生两组N点同相、正交的高斯随机序列，对此两组N点高斯随机序列分别做快速傅立叶变换(FFT)，即可得相互独立的具有同相和正交复数高斯样本形式的线谱；

同相和正交复数高斯线谱与滤波器的功率谱

相乘到频域信号；

在同相和正交两条通路上，对频域信号进行快速傅立叶反变换(IFFT)，得到两个长度为N点的时间序列；

将两个长度为N点的时间序列组合得到具有功率谱密度S_T(f)的可分辨径信道的复随机变量；

2)其次，采用步骤1)产生多个可分辨径信道，同时要保证每个可分辨径之间相互独立且为瑞利平坦衰落信道；频率选择性衰落信道可由以上各独立子信道的线性加权a_l和线性延迟τ_l的加权组合得到；

3)再次，根据给出的Cost207信道环境及信道模型，采用Matlab及CCSSimulation仿真出相应的衰落信道；

4)接着，根据仿真结果，对仿真出的衰落信道利用DSP6000进行实现，通过改变输入参数获得具有不同精度的输出结果；

5)将DSP6000的输出结果经过D/A转换将其变为模拟周期信号，利用示波器对此信号进行观察；

6)最后将示波器输出的波形与理论波形进行对比即可得到带衰落信道的仿真结果。

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