CN102025428B - 金属封闭空间内装转动反射器构成的多径信道仿真器 - Google Patents

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Abstract

一种金属封闭空间内装转动反射器构成的多径信道仿真器。它包括一个高反射材料构成隔离的封闭空间，其特征在于在所述封闭空间内顶部悬挂一个扇形金属片将该封闭空间分为上下两个空腔，在下空腔内装有一个金属短桨；通过一个步进电机旋转所述扇形金属片，通过另一个步进电机驱动诉述金属短浆；通过控制所述扇形金属片和金属短浆桨叶的位置来实现多个独特且可重复的多路环境，两个电机的连续步进可营造一个时变的环境，在所述扇形金属片的上下方分别装有一个发射天线和一个接收天线，并分别将其连接输入端和输出端；从而模拟出时间选择性衰落。该仿真器简易、可控、经济、方便，信道的时延与实际无线电传输环境相当，不仅能模拟出LOS传播信道，也可重复模拟出从Rice到hyper-Raleigh之间的所有衰落环境，可以用于无线系统性能的测试。

Description

金属封闭空间内装转动反射器构成的多径信道仿真器
技术领域
本发明涉及一种信道仿真器，特别是一种金属封闭空间内装转动反射器构成的多径信道仿真器。
背景技术
近年来，无线数字通信新的设备越来越多，需要提供对这些设备性能进行测试的信道仿真仪器(Channel Emulator)。该仿真器可以产生链路信道特性h(t)（式（1）），在实验室条件下构造模拟通信环境，输入信号                                                
Figure 112042DEST_PATH_IMAGE001
经过该仿真器以后，得到输出信号如式（2）所示。这样就对无线信道可能存在的各种干扰进行虚拟实现，从理论上、实践上探究无线通信体制和技术性能提供一个很重要的手段：
                  （1）
Figure 266445DEST_PATH_IMAGE004
                             （2）。
目前，商用信道仿真仪大多采用变频的信道处理方法（图1），主要手段就是将射频信号下变频到基带然后通过模数转换以后变成数字信号，通过基带数字处理过程模拟高速移动下的信道衰落，然后再上变频还原为射频信号。这种方式的缺点是在计算速度的限制下，目前信道频带只能达到70M。并且，基带数字处理产生的时延和变频处理产生的时延都很大，时延至少是微秒级，这造成了信道仪不能完全仿真真实的无线电传输环境。
发明内容
为了克服基带数字处理产生的时延和AD转换速率以及处理位数的限制，本发明的目的在于提供一种金属封闭空间内装转动反射器构成的多径信道仿真器。该仿真器简易、可控、经济、方便，不仅能模拟出LOS传播信道，也能模拟出从Rice到hyper-Raleigh之间的多种衰落环境。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种金属封闭空间内装转动反射器构成的多径信道仿真器，包括一个高反射材料构成隔离的封闭空间，其特征在于在所述封闭空间内顶部悬挂一个扇形金属片将该封闭空间分为上下两个空腔，在下空腔内装有一个金属短桨；通过一个步进电机旋转所述扇形金属片，通过另一个步进电机驱动诉述金属短浆连续改变位置；通过控制所述扇形金属片和金属短浆桨叶的位置来实现多个独特且可重复的多路环境，两个电机的连续步进可营造一个时变的环境，在所述扇形金属片的上下方分别装有一个发射天线和一个接收天线，并分别将其连接输入端和输出端；从而模拟出时间选择性衰落。发射端连接发射机发射信号，通过改变搅拌短桨和扇形金属片的位置，对输入信号进行反射，从而产生多路信号，在接收端由测试仪器来对信号进行接收和分析。
上述多信道仿真器中，一个PC机联接一个控制器，该控制器控制所述两个步进电机。
上述多信道仿真器中，所述封闭空间相当于一个滤波器，产生从Rice到hyper-Raleigh的频率选择性衰落；信道的时延与实际无线电传输环境相当。
一种金属封闭空间内装转动反射器构成的多径信道仿真器，包括一个高反射材料构成隔离的封闭空间，其特征在于在所述封闭空间内顶部悬挂一个扇形金属片将该封闭空间分为上下两个空腔，该扇形金属片由一个步进电机驱动旋转，在所述扇形金属片的上下方分别装有一个发射天线和一个接收天线，发射天线固定安装于封闭空间的筒壁上而连接输入端，接收天线由另一个步进电机驱动旋转，并连接输出端；用步进电机控制接收天线做圆周运动，得到从Rice到hyper-Raleigh的空间选择性衰落环境。
本发明的有益效果是，为无线设备的传输提供不同的衰落环境，信道的时延与实际无线电传输环境相当，可以用于无线系统性能的测试。
附图说明
图1是典型数字型信道仿真仪的结构框图。
图2是本发明一个实施例的结构示意图。
图3是本发明应用于系统仿真的结构框图。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图说明如下：
实施例一：参见图2，本金属封闭空间内装转动反射器构成的多径信道仿真器。它包括一个高反射材料构成隔离的封闭空间9，所述封闭空间9内顶部悬挂一个扇形金属片1将该封闭空间9分为上下两个空腔，在下空腔内装有一个金属短桨7；通过一个步进电机2旋转所述扇形金属片1，通过另一个步进电机8驱动所述金属短桨7；通过控制所述扇形金属片1和金属短桨7桨叶的位置来实现多个独特且可重复的多路环境，两个电机2、8的连续步进可营造一个时变的环境，在所述扇形金属片1的上下方分别装有一个发射天线3和一个接收天线4，并分别将其连接输入端5和输出端6；从而模拟出时间选择性衰落。有一个PC机11联接一个控制器10。该控制器10控制所述两个步进电机2、8。所述封闭空间9相当于一个滤波器，产生从Rice到hyper-Raleigh的频率选择性衰落；信道的时延与实际无线电传输环境相当。
工作原理如下：在图2所示的反射腔里，确定的输入场由输入端5输入，由电机不断搅拌扇形金属片，当扇形金属片的缺口部分正对着发射天线和接收天线，就会形成一个直射路径。再由步进电机连续改变搅拌短桨的位置，就会对输入的无线电信号产生不同的反射，形成多径衰落。从而，接收天线接收到的场可以看作是各个方向上的许多互相独立的平面波的叠加，每一路波都有各自的幅度和相位，信号由输出端6输出。
一般而言，接收到的线性极化电磁场E可以看作是一个直射的高斯场和反射的高斯场
Figure 965597DEST_PATH_IMAGE006
的叠加，这些场具有非零均值和标准方差
Figure 232630DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 431530DEST_PATH_IMAGE008
；
   
Figure 162726DEST_PATH_IMAGE009
             （3）
由此可得到Rice场幅度分布：
         （4）
其中，
Figure 910419DEST_PATH_IMAGE011
是阶跃函数，
Figure 709748DEST_PATH_IMAGE012
是修正的零阶Bessel函数，
Figure 233133DEST_PATH_IMAGE013
是未被搅拌的场分量的幅度，场E的相位
Figure 662978DEST_PATH_IMAGE014
的概率密度函数如下：
Figure 904603DEST_PATH_IMAGE015
        （5）
     
Figure 242043DEST_PATH_IMAGE016
                （6）
其中，erf(.)是误差函数。
信道特性由Rice因数k来衡量，k定义为未搅拌部分场和随机化部分场的比值：
 
Figure 885514DEST_PATH_IMAGE017
                  （7）
k因数同时也是反射腔和天线特性的函数：
Figure 220681DEST_PATH_IMAGE018
               （8）
Figure 949602DEST_PATH_IMAGE019
               （9）
其中，
Figure 28417DEST_PATH_IMAGE020
是波长，r是发射天线和接收天线之间的距离，V是反射腔的体积，Q是反射腔的质量因数，
Figure 588711DEST_PATH_IMAGE021
是反射腔内稳态电压，
Figure 360358DEST_PATH_IMAGE022
是反射腔内分散的功率，D是接收天线的散布图。
由此可得，通过改变反射腔的质量因数Q，体积V，收发天线距离r和接收天线散布图D，可以改变Rice因数k，从而可以模拟不同的衰落环境。k=0时，是Raleigh衰落；k>0时，可以得到Rice和hyper-Raleigh衰落环境。
实施例二：本实施例基本上与实施例一相同，只是去除金属短浆1，而有步进电机8控制接收天线4转动。具体结构是：包括一个高反射材料构成隔离的的封闭空间9，在所述封闭空间9内顶部悬挂一个扇形金属片将该封闭空间分为上下两个空腔，该扇形金属片1由一个步进电机2驱动旋转，在所述扇形金属片1的上下方分别装有一个发射天线3和一个接收天线4，发射天线3固定安装于封闭空间9的筒壁上而连接输入端5，接收天线由另一个步进电机8驱动旋转，并连接输出端6；用步进电机8控制接收天线4做圆周运动，得到从Rice到hyper-Raleigh的空间选择性衰落环境。
应用举例：特定环境下无线通信系统的信道仿真需求很大。例如城市轨道交通在隧道内行驶，对这种特定环境下通信系统性能测试具有迫切的要求。使用本发明可以构建这一特殊无线电传输环境，用于系统性能的测试。具体测试的方案如图3所示。是星座图的测试结果进行分析，就可以对通信系统性能的优劣进行评估。被测设备包括无线接入设备AP和移动终端STA。将无线接入设备AP和移动终端STA的天线都去掉，用射频电缆将AP、30dB耦合器、衰减器、本发明的仿真器、30dB耦合器、STA依次连接。用网线将PC1与AP连接，用RS232将PC2与控制器连接，用控制线将控制器与仿真器的两个电机连接，用射频电缆将30dB耦合器与DSO80604B存储示波器或者与E4447A频谱分析仪连接。构成了一个PC1与STA之间的通信系统。其中衰减器的功能是模拟无线电在空间传输的损耗。在STA上运行IxChriot软件测试在STA和AP间的无线链路带宽。AP输出的信号以及通过仿真器后信号的矢量图可以通过30dB耦合器在DSO80604B存储示波器上读取。AP输出的信号以及通过仿真器后信号的频谱可以通过30dB耦合器在E4447A频谱分析仪上读取。在PC2中设置了实际的传输环境参数，通过串口RS232将命令发给控制器，由控制器输出可变的电压控制扇形金属片和短桨的转动速度，从而模拟多径的传输环境。通过对无线链路带宽、信号频谱、信号星座图的测试结果进行分析，就可以对通信系统性能的优劣进行评估。

Claims (3)

1.一种金属封闭空间内装转动反射器构成的多径信道仿真器，包括一个高反射材料构成隔离的封闭空间（9），其特征在于在所述封闭空间（9）内顶部悬挂一个扇形金属片（1）将该封闭空间（9）分为上下两个空腔，在下空腔内装有一个金属短桨（7）；通过一个步进电机（2）旋转所述扇形金属片（1），通过另一个步进电机（8）驱动所述金属短桨（7）连续改变位置；通过控制所述扇形金属片（1）和金属短桨（7）桨叶的位置来实现多个独特且可重复的多路环境，两个电机（2、8）的连续步进营造一个时变的环境，在所述扇形金属片（1）的上下方分别固定安装有一个发射天线（3）和一个接收天线（4），并分别将其连接输入端（5）和输出端（6）；从而模拟出时间选择性衰落；一个PC机（11）联接一个控制器（10）；该控制器（10）控制所述两个步进电机（2、8）。
2.根据权利要求1所述的金属封闭空间内装转动反射器构成的多径信道仿真器，其特征在于所述封闭空间（9）相当于一个滤波器，产生从Rice到hyper-Raleigh的频率选择性衰落；信道的时延与实际无线电传输环境相当。
3.一种金属封闭空间内装转动反射器构成的多径信道仿真器，包括一个高反射材料构成隔离的封闭空间（9），其特征在于在所述封闭空间（9）内顶部悬挂一个扇形金属片将该封闭空间分为上下两个空腔，该扇形金属片（1）由一个步进电机（2）驱动旋转，在所述扇形金属片（1）的上下方分别装有一个发射天线（3）和一个接收天线（4），发射天线（3）固定安装于封闭空间（9）的筒壁上而连接输入端（5），接收天线由另一个步进电机（8）驱动旋转，并连接输出端（6）；用步进电机（8）控制接收天线（4）做圆周运动，得到从Rice到hyper-Raleigh的空间选择性衰落环境；一个PC机（11）联接一个控制器（10）。该控制器（10）控制所述两个步进电机（2、8）。
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