CN102916755B - 隧道环境多径与多普勒效应信道仿真器及仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道环境多径与多普勒效应信道仿真器及方法。本仿真器包括数模转换电路、低通滤波电路、加法电路、压控振荡器、混频器、低通滤波器和高通滤波器。本仿真方法首先根据多径和多普勒效应的数据模型输出多径、信道、多普勒参数；将多径、信道、多普勒数据的数字电平转换成模拟电平；再经过低通滤波、加法运算、压控振荡器把电压转换成振荡信号，用于混频、混频、低通滤波、混频、高通滤波，滤除混频产生的低频信号，最终得到通过多径信道后的信号。本发明避免了在数字电路中处理造成的延时，提高了处理速度。

Description

隧道环境多径与多普勒效应信道仿真器及仿真方法

技术领域

本发明涉及一种隧道环境多径与多普勒效应信道仿真器及方法，建造模拟无线信号在隧道中传输的多径效应和多普勒效应环境，可用于无线系统性能的规范化测试。

背景技术

近年来，无线通信设备数量越来越多，无线通信已在各行各业得到广泛应用，并且逐渐应用于城市轨道交通，但是多径效应和多普勒效应会对无线通信的质量造成不良影响，而且在狭窄的隧道空间内，影响更加严重。多径效应主要表现为小尺度衰落效应。其主要表现为：

1.    经过短距和短时传播后信号强度的急速变化。

2.    在不同的多径信号上，存在着时变的多普勒（Doppler）频移所引起的随机频率调制。

3.    多径传播时延引起的时间弥散（回音）。

在隧道环境中，无线信号的多径效应明显，主要体现在延时不同的多个信号在接收端的叠加造成幅度的随机变化和频率调制，若信道的最大多径时延扩展为Tm，那么信道的相干带宽为：

                           (1)

若发射信号的射频带宽B<Bc，那么认为接收信号经历的是平坦衰落，此时接收信号的包络起伏变化，但是一般不存在码间串扰，其信号模型为：

                      (2)

其中h(t)一般为瑞利分布的随机变量；若发射信号的射频带宽B>Bc，那么认为接收信号经历的是频率选择性衰落，此时除了接收信号的包络起伏变化，一般还存在码间串扰，其信号模型为：

          (3)

其中t0、t1、...等为可分辨多径的时延，每个为瑞利分布的随机变量。

一般而言，隧道环境内最大多径时延扩展可由以下公式得到：

                        (4)

其中Lm为最大时延的信号经过多次折射到达接收端的总路程，Ld为直射信号到达接收端的距离，c为电磁波的传播速度。

根据式(1)可得信道的相干带宽为：

                         (5)

因此，若信号的带宽大于相干带宽Bc，信道为频率选择性信道，信道使信号严重失真。

若信道是时变信道，信号将发生多普勒扩展Bd，信道相干时间为：

                          (6)

    慢变信道具有大的相干时间，或等效为小的多普勒扩展，反之，快变信道具有小的相干时间，等效为大的多普勒扩展。

为了模拟隧道环境并测试无线设备在隧道环境中的传输性能，需要一种信道仿真仪测试多径效应与多普勒效应对无线通信质量的影响。

目前，商用信道仿真仪大多数采用变频后数字信号处理的信道处理方法，主要手段是将射频信号下变频到基带，然后模数转换成为数字信号，通过数字处理过程模拟高速移动下的信道衰落，最后再上变频还原为射频信号。这种方法的缺点是基带数字处理过程受限于计算机的处理速度，能够处理的信道频带只能达到70MHz，并且整个计算过程将产生微秒级时延，使得无线通信系统不能正常通信，信道仿真仪无法真实地模拟现实的无线电传输环境。

发明内容

    为了克服上述基带数字处理带来的时延以及可处理频带窄的缺点，本发明提供了一种隧道环境多径与多普勒效应信道仿真器及方法。该仿真器不使用传统的将射频信号变频到基带，使用数字电路在基带对信号处理的方法，而直接在射频段对信号进行处理，消除基带处理时延，提高了处理速度。

    为达到上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种隧道环境多径与多普勒效应仿真器，包括数模转换电路、低通滤波电路、加法电路、压控振荡器、混频器、低通滤波器和高通滤波器，其特征在于，所述仿真器包括：数模转换电路、低通滤波电路、加法电路、压控振荡器、混频器、低通滤波器和高通滤波器，其特征在于所述数模转换电路连接计算机，而有三个输出口分别连接低通滤波电路、加法电路、和一个压控振荡器2的输入口，所述低通滤波电路的输出口连接加法电路的另一个输入口，所述加法电路的输出口依次经压控振荡器1、混频器1、低通滤波器、一个混频器2连接到高通滤波器的输入口，所述压控振荡器2的输出口连接混频器2的另一个输入口，所述混频器1的另一个输入口连接原始信号，所述高通滤波器的输出口输出信号。

    上述数模转换电路，用于转换多径和多普勒模型输出的多径、信道和多普勒参数，将其从数字信号转换为模拟信号，并通过端子板输出模拟信号；低通滤波电路用于滤除数模转换器输出的多普勒参数的高频噪声，留取低频信号；加法电路，用于将经过低通滤波的多普勒参数与数模转换器输出的信道参数叠加，使信道参数产生随机电压偏移；压控振荡器进一步包括压控振荡器1和压控振荡器2，分别用于将输入的带有多普勒参数特征和多径参数特征的电压信号转换成频率具有相应特性的振荡信号；混频器进一步包括混频器1和混频器2，混频器1用于将输入的原始无线信号从射频段搬移至中频段，同时使原始信号产生频谱扩展，模拟多径信道中的多普勒频谱扩展，混频器2用于将中频信号搬移至射频段，同时使原始信号发生频谱偏移，模拟多径信道中的频谱偏移；低通滤波器，用于对混频器1输出的信号进行滤波，滤除在混频时产生的无用的高频信号；高通滤波器，用于对混频器2输出的射频信号进行滤波，滤除在混频时产生的无用的低频信号。

采用上述仿真器进行仿真，其特征在于一种隧道环境多径与多普勒效应仿真方法，使用射频电路的方法对无线信号进行处理，模拟隧道中的多径环境的方法，其具体步骤如下：

(1)、        根据多径和多普勒效应的数据模型输出多径、信道、多普勒参数：从计算机模型中读取多径信道的多普勒参数、信道参数和多径参数，通过PCI接口输出到数模转换电路，多普勒参数为高斯白噪声，信道参数和多径参数为直流电平，两者存在微小的电压差；

(2)、        将多径、信道、多普勒数据的数字电平转换成模拟电平：从计算机的PCI接口接收多径、信道、多普勒参数，通过数模转换电路的计算，从数字信号转换为模拟信号，以电压的形式分别从三个输出口输出；

(3)、        低通滤波电路对数模转换电路输出的多普勒参数进行滤波，滤除信号的高频部分，留取低频部分，其输出为低频的高斯白噪声；

(4)、        加法电路将数模转换电路输出的信道参数和低通滤波电路输出的噪声相加，使信道参数输出的直流电平受到噪声的影响产生随机电压偏移；

(5)、        压控振荡器1将包含窄带高斯白噪声的信道参数的电压信号转换为震荡信号，输出信号的频率在一定频率范围内随机变化，压控振荡器2将多径参数的电压信号转换成为振荡信号，其输出信号频率在某一频点附近小幅振动；

(6)、        混频器1将输入的无线信号与压控振荡器1输出的信号进行混频，由于压控振荡器1的输出频率在一定频率范围内随机变化，其具有一定的频谱宽度，经混频器1混频后无线信号将产生频谱扩展；

(7)、        低通滤波器将混频器1输出的无用的高频部分滤除，保留信号的低频部分；

(8)、        混频器2将输入的低频信号与压控振荡器2输出的信号混频，由于严控振荡器1与压控振荡器2的输出信号存在频率的偏移，使得混频后的信号与输入系统的原始信号出现频谱偏移；

(9)、        高通滤波器将混频器2输出的无用的低频部分滤除，保留信号的高频部分，最终输出的即是通过多径信道后的信号。

本发明的隧道环境多径与多普勒效应仿真器及方法与现有技术相比较具有如下优点：

本发明的一种隧道环境多径与多普勒效应仿真器及方法，使用射频电路对无线信号进行处理，与传统的将射频信号变频到基带、输入数字电路进行处理、 再变频到射频段的方法相比，避免了在数字电路中处理造成的延时，大大提高了信号处理的实时性，更具有实用价值。

附图说明

图1是信道仿真器的结构示意图。

图2是信道仿真器对无线信号的射频处理过程示意图。

图3是本发明应用于系统仿真的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

实施例一：

如图1所示，本隧道环境多径与多普勒效应仿真器，该仿真器包括：数模转换电路（2）、低通滤波电路（3）、加法电路（4）、压控振荡器（5、6）、混频器（7、9）、低通滤波器（8）、高通滤波器（10）。

上述数模转换电路（2），型号为Art Control PCI8103,用于转换多径和多普勒模型输出的多径、信道和多普勒参数，将其从数字信号转换为模拟信号，其结构为一块印刷电路板，共有一个PCI插槽以及一个25针的并行接口，PCI插槽用于连接电路板与计算机主板，接收计算机的指令，可使用25针的并行连接线将其与端子板连接，端子板将输出信号导出到25个单独的导线接口，可分别使用导线与其他电路连接，在本系统中，分别将三个输出接口与后级的低通滤波电路（3）、加法电路（4）、压控振荡器1（5）连接；

低通滤波电路（2），其功能为滤除数模转换器输出的多普勒参数的高频噪声，留取低频信号，结构为一块印刷电路板，电路板上焊接了对模拟信号进行滤波的电路，包含一个输入端和一个输出端，使用导线与加法电路（4）连接；

加法电路，用于将经过低通滤波的多普勒参数与数模转换器输出的信道参数叠加，使信道参数产生随机电压偏移，其结构为一块印刷电路板，电路板上焊接了用于对模拟信号做加法运算的电路，可将两个模拟信号进行叠加并输出，电路板上包含两个输入端和一个输出端，输入端与低通滤波电路（3）的输出端和数模转换电路（2）的输出端连接，输出端用于与后级的压控振荡器1（5）连接；

压控振荡器1（5）用于将输入的带有多普勒参数特征的电压信号转换成频率具有相应特性的振荡信号，其型号为Mini Circuits ZX05-1750W+，包含一个SMA型输入端口和一个SMA型输出端口，输入端口与前级加法电路（4）连接，输出端口与混频器1（7）的LO口连接；

压控振荡器2（6）用于将输入的带有多径参数特征的电压信号转换成频率固定的振荡信号，其型号为Mini Circuits ZX05-1750W+，包含一个SMA型输入端口和一个SMA型射频输出端口，输入端口与前级数模转换电路（2）连接，输出端口与混频器2（9）的LO口连接；

混频器1（7）用于将输入的原始无线信号从射频段搬移至中频段，同时使原始信号产生频谱扩展，模拟多径信道中的多普勒频谱扩展，其型号为Mini Circuits ZX05-30W+，包含两个SMA型射频输入端口和一个SMA型射频输出端口，原始无线信号从输入端口RF输入混频器1（7），输入端口LO与压控振荡器1（5）的输出端口连接，输出端口IF与低通滤波器（8）连接；

低通滤波器（8），用于对混频器1（7）输出的信号进行滤波，滤除在混频时产生的无用的高频信号，其型号为Mini Circuits VLF530,包含一个SMA型射频输入端口和一个SMA型输出端口，输入端口与混频器1（7）的IF端口连接，输出端口与混频器2（9）的IF口连接；

混频器2（9）用于将中频信号搬移至射频段，同时使原始信号发生频谱偏移，模拟多径信道中的频谱偏移,其型号为Mini Circuits ZX05-30W+，包含两个SMA型射频输入端口和一个SMA型射频输出端口，输入端口IF与低通滤波器（8）的输出端口连接，输入端口LO与压控振荡器2（6）的输出端口连接，输出端口IF与高通滤波器（10）连接；

高通滤波器（10），用于对混频器2输出的射频信号进行滤波，滤除在混频时产生的无用的低频信号，其型号为Mini Circuits VHP-19，包含一个SMA型射频输入端口和一个SMA型输出端口，输入端口与混频器2（9）的RF端口连接，输出端口用于输出经过多径信道后的无线信号。

实施例二：

本隧道环境多径与多普勒效应仿真方法，采用上述仿真器进行仿真，具体步骤如下：

(1)、        根据多径和多普勒效应的数据模型输出多径、信道、多普勒参数：从计算机（1）中读取多径信道的多普勒参数、信道参数和多径参数，通过PCI接口输出到数模转换电路，多普勒参数为高斯白噪声，信道参数和多径参数为直流电平，两者存在微小的电压差；

(2)、        将多径、信道、多普勒数据的数字电平转换成模拟电平：从计算机（1）的PCI接口接收多径、信道、多普勒参数，通过数模转换电路（2）的计算，从数字信号转换为模拟信号，以电压的形式分别从三个输出口输出；

(3)、        低通滤波电路（3）对数模转换电路（2）输出的多普勒参数进行滤波，滤除信号的高频部分，留取低频部分，其输出为低频的高斯白噪声；

(4)、        加法电路（4）将数模转换电路（2）输出的信道参数和低通滤波电路（3）输出的噪声相加，使信道参数输出的直流电平受到噪声的影响产生随机电压偏移；

(5)、        压控振荡器1（5）将包含窄带高斯白噪声的信道参数的电压信号转换为震荡信号，输出信号的频率在一定频率范围内随机变化，压控振荡器2（6）将多径参数的电压信号转换成为振荡信号，其输出信号频率在某一频点附近小幅振动；

(6)、        混频器1（7）将输入的无线信号与压控振荡器1（5）输出的信号进行混频，由于压控振荡器1（5）的输出频率在一定频率范围内随机变化，其具有一定的频谱宽度，经混频器1（7）混频后无线信号将产生频谱扩展；

(7)、        低通滤波器（8）将混频器1（7）输出的无用的高频部分滤除，保留信号的低频部分；

(8)、        混频器2（9）将输入的低频信号与压控振荡器2（6）输出的信号混频，由于压控振荡器1（5）与压控振荡器2（6）的输出信号存在频率的偏移，使得混频后的信号与输入系统的原始信号出现频谱偏移；

(9)、        高通滤波器（10）将混频器2（9）输出的无用的低频部分滤除，保留信号的高频部分，最终输出的即是通过多径信道后的信号。

实施例三：

如图2所示，本隧道环境多径与多普勒效应仿真方法，采用上述仿真器进行仿真，使用射频电路的方法对无线信号进行处理，模拟隧道中的多径环境的方法，信道仿真器对无线信号的射频处理过程如下：

    多径效应仿真通过带限白噪声与原信号相乘的方法实现，多普勒效应仿真通过对原信号下变频再上变频的方法实现，若原信号是中心频率为fc的窄带信号，另有中心频率为LO的带限白噪声，如图2(a)所示；两者相乘后信号的频谱发生展宽，并且下变频到fc-LO处，如图2(b)所示；另有频率为LO+Δf的正弦信号，与下变频后的信号相乘，信号又上变频到fc+Δf处，原信号的频谱已经发生展宽，且信号的频谱发生了Δf的偏移，如图2(c)所示。

本信道仿真仪的应用举例：在城市轨道交通环境中，需要测试多径效应和多普勒效应对无线信号传输质量的影响，本发明可用于构建此类特定环境，并对无线通信系统的性能进行测试。具体测试方案如图3所示。

被测设备包括无线接入设备AP和终端设备STA，将AP和STA的天线都去除，使用射频电缆将AP、耦合器、衰减器、本发明的信道仿真器、STA和频谱分析仪依次连接起来，使用以太网线将PC1与AP连接，PC3与STA连接，就构成了一个测试系统。衰减器模拟了无线信号在空间中传播的损耗，本发明的信道仿真器对无线信号加入了多径效应和多普勒效应的干扰。在PC1和PC3上分别开启endpoint工具，并在PC1上开启IxChariot网络测试软件，测试无线链路的通信带宽。耦合器将射频信号接入MS2721B频谱分析仪，可以观察在发送端以及信号经过仿真器后的接收端的信号频谱。测试时，在PC2上位机中根据测试需求对仿真器进行参数设置，在信道仿真器的输出端输出受到多径效应和多普勒效应干扰的无线信号。通过以上方法，可完成多径信道环境无线通信系统的传输性能测试。

Claims (3)

1.一种隧道环境多径与多普勒效应仿真器，其特征在于，所述仿真器包括：数模转换电路（2）、低通滤波电路（3）、加法电路（4）、压控振荡器（5、6）、混频器（7、9）、低通滤波器（8）和高通滤波器（10），其特征在于所述数模转换电路（2）连接计算机（1），该数模转换电路（2）的三个输出口分别连接低通滤波电路（3）、加法电路（4）、和一个压控振荡器2（6）的输入口，所述低通滤波电路（3）的输出口连接加法电路（4）的另一个输入口，所述加法电路（4）的输出口依次经压控振荡器1（5）、混频器1（7）、低通滤波器（8）、一个混频器2（9）连接到高通滤波器（10）的输入口，所述压控振荡器2（6）的输出口连接混频器2（9）的另一个输入口，所述混频器1（7）的另一个输入口连接原始信号，所述高通滤波器（10）的输出口输出信号；

 所述数模转换电路（2），用于转换多径和多普勒模型输出的多径、信道和多普勒参数，将其从数字信号转换为模拟信号，并通过端子板输出模拟信号；低通滤波电路（3）用于滤除数模转换器输出的多普勒参数的高频噪声，留取低频信号；加法电路（4），用于将经过低通滤波的多普勒参数与数模转换器（2）输出的信道参数叠加，使信道参数产生随机电压偏移；压控振荡器（5、6）包括压控振荡器1（5）和压控振荡器2（6），分别用于将输入的带有多普勒参数特征和多径参数特征的电压信号转换成频率具有相应特性的振荡信号；混频器（7、9）包括混频器1（7）和混频器2（9），混频器1（7）用于将输入的原始无线信号从射频段搬移至中频段，同时使原始信号产生频谱扩展，模拟多径信道中的多普勒频谱扩展，混频器2（9）用于将中频信号搬移至射频段，同时使原始信号发生频谱偏移，模拟多径信道中的频谱偏移；低通滤波器（8），用于对混频器1（7）输出的信号进行滤波，滤除在混频时产生的无用的高频信号；高通滤波器（10），用于对混频器2（9）输出的射频信号进行滤波，滤除在混频时产生的无用的低频信号。

2.一种隧道环境多径与多普勒效应仿真方法，采用根据权利要求1所述的隧道环境多径和多普勒效应仿真器进行仿真，其特征在于：使用射频电路的方法对无线信号进行处理，模拟隧道中的多径环境的方法，其具体步骤如下：

（1）、根据多径和多普勒效应的数据模型输出多径、信道、多普勒参数：从计算机（1）中读取多径信道的多普勒参数、信道参数和多径参数，通过PCI接口输出到数模转换电路，多普勒参数为高斯白噪声，信道参数和多径参数为直流电平；

（2）、将多径、信道、多普勒数据的数字电平转换成模拟电平：从计算机（1）的PCI接口接收多径、信道、多普勒参数，通过数模转换电路（2）的计算，从数字信号转换为模拟信号，以电压的形式分别从三个输出口输出；

（3）、低通滤波电路（3）对数模转换电路（2）输出的多普勒参数进行滤波，滤除信号的高频部分，留取低频部分，其输出为低频的高斯白噪声；

（4）、加法电路（4）将数模转换电路（2）输出的信道参数和低通滤波电路（3）输出的噪声相加，使信道参数输出的直流电平受到噪声的影响产生随机电压偏移；

（5）、压控振荡器1（5）将包含窄带高斯白噪声的信道参数的电压信号转换为震荡信号，输出信号的频率在一定频率范围内随机变化，压控振荡器2（6）将多径参数的电压信号转换成为振荡信号，其输出信号频率在某一频点附近小幅振动；

（6）、混频器1（7）将输入的无线信号与压控振荡器1（5）输出的信号进行混频，由于压控振荡器1（5）的输出频率在一定频率范围内随机变化，其具有一定的频谱宽度，经混频器1（7）混频后无线信号将产生频谱扩展；

（7）、低通滤波器（8）将混频器1（7）输出的无用的高频部分滤除，保留信号的低频部分；

（8）、混频器2（9）将输入的低频信号与压控振荡器2（6）输出的信号混频，由于压控振荡器1（5）与压控振荡器2（6）的输出信号存在频率的偏移，使得混频后的信号与输入系统的原始信号出现频谱偏移；

（9）、高通滤波器（10）将混频器2（9）输出的无用的低频部分滤除，保留信号的高频部分，最终输出的即是通过多径信道后的信号。

3.根据权利要求2所述的一种隧道环境多径与多普勒效应仿真方法，其特征在于：上述步骤（5）、步骤（6）、步骤（7）、步骤（8）和步骤（9）是在射频上对无线信号进行处理的方法。