CN105049142A - 一种双通道静态基带信道模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种适用于多种通信场景的双通道静态基带信道模拟装置及方法，通过用户分别选择各通道信道模型并设置计算信道参数，通过DSP将信道参数定点化并利用EMIF将定点化参数传递到FPGA中，在FPGA中对AD采集到的双通道数字基带信号分别叠加多径衰落、阴影衰落以及高斯噪声，其中，多径衰落类型包含常数、纯多普勒、瑞利、莱斯等，阴影衰落则服从对数正态分布，最后通过DA输出模拟信号，并对模拟信号进行信号调理，主要包括消除信号镜像分量、控制信号衰减。本发明的信道模拟装置及方法具有衰减类型多、操作简单等优点。

Description

一种双通道静态基带信道模拟装置及方法

技术领域

本发明涉及无线信息传输技术领域，特别涉及一种双通道静态基带信道模拟装置，还涉及一种双通道静态基带信道模拟方法，针对多种通信场景时的基带信道模拟。

背景技术

信道模拟器可以在实验室中模拟实际通信场景对无线信号传播的影响，广泛应用于通信设备的研发与测试。

随着科学技术的高速发展，人们对无线通信的可靠性和实时性要求越来越高。由于无线通信设备之间的相对运动产生多普勒频移，同时无线信号传输过程中受周围传播环境的反射、散射等影响产生多径效应，从而造成信号包络随机起伏，即产生多径衰落，一般服从瑞利、莱斯分布；此外，由于周围障碍物的遮挡使得接收信号平均功率随机起伏变化，即产生阴影衰落，一般服从对数正态分布。

信道模拟器可以用于评估通信设备的有效性、可靠性等，为通信设备的优化设计提供可靠地科学依据，同时，还可以降低研发成本，缩短研发周期。

由于无线传播信号受周围障碍物反射、散射等的影响，经过多条路径到达接收端，因此一般采用延迟抽头模型建立信道模型，表示为

$\tilde{y}\left(t\right)=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\tilde{x}(t-{\mathrm{\τ}}_l)*{\tilde{h}}_l(t-{\mathrm{\τ}}_l)+\tilde{n}\left(t\right)$

其中，L表示路径数目，分别表示收发基带信号；表示第l条路经基带信道冲击响应，包括路径损耗、多径衰落和阴影衰落；表示等效的基带信道噪声。

信道衰落模拟产生方法主要有滤波器发和谐波叠加法。其中，滤波器法实现精度受滤波器阶数影响，设计算法复杂，仅适用于软件仿真；谐波叠加法结构简单，易于软硬件实现，该模型可表示为

其中，N表示散射支路数，f_d表示多普勒频率θ_n，分别表示各散射路径入射角和相位，N→∞时，u(t)服从高斯分布。

在现有仪器设备中，伊莱比特公司的PropsimC8，它可以支持几何模型(SCM)、SCM扩展模型(SCME)等3GPP推荐的信道模型，可满足大部分场景下移动通信信道的模拟测试需求；AEROFLEX公司的宽带通道模拟器CS8007，可仿真多普勒频率和多普勒加速度，能够模拟通带幅度、相位畸变及各种衰落；思博伦公司的SR5500可针对具有多样性波束形成和MIMO的先进接收机，准确的仿真复杂的宽带无线信道特征，能够实现复杂的MIMO信道测试。

然而大多数设备是将射频或中频信号下变频到基带，再在基带信号上模拟信道衰落，该方法在下变频过程中容易产生信号失真。

发明内容

针对现有技术的上述缺点，本发明提出了一种基于软件无线电技术的双通道静态基带信道模拟装置及方法，对基带信号进行信道模拟，可以实现多种信道模型，满足多种信道衰落类型及多普勒频谱要求，具有操作简单，成本低等优点。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种双通道静态基带信道模拟装置，各通道均包括PC机中的参数配置计算单元、DSP中的参数定点化及传递单元、信号输入输出单元、FPGA中的信道模拟单元、信号调理单元；

所述参数配置计算单元通过数据总线与DSP相连，用户利用PC机选择信道模型，配置信道参数，参数配置计算单元根据用户配置参数计算信道参数；

所述参数定点化及传递单元的输入端与参数配置计算单元相连，输出端通过数据总线与FPGA相连，把信道参数定点化并传递给信道模拟单元；

所述信号输入输出单元与信道模拟单元相连，信号输入单元将模拟基带信号转换为数字基带信号，信号输出单元将数字基带信号转换为模拟基带信号；

所述信道模拟单元的输入端分别与参数定点化及传递单元以及信号输入单元相连，输出端与信号输出单元相连，产生信道时延、损耗、衰落以及噪声；

所述信号调理单元的输入端与信号输出单元相连，用于消除信号镜像分量，并利用FPGA接收到的信道参数控制输出信号衰减。

可选地，所述信道参数包括：路径数目、各径时延、损耗、移动速度、多普勒频率、信噪比、频谱形状、衰落类型。

可选地，所述衰落类型包括：

纯多普勒：

$\widetilde{\mathrm{\ω}}\left(t\right)=e^{j2\mathrm{\π}{f}_{d}t}---\left(1\right)$

其中，f_d表示多普勒频率；

瑞利分布：

其中，u_I(t)，u_Q(t)为统计不相关的高斯随机变量；

莱斯分布：

$\widetilde{\mathrm{\ξ}}\left(t\right)=u_I\left(t\right)+{\mathrm{ju}}_Q\left(t\right)+\tilde{m}\left(t\right)---\left(3\right)$

其中，表示视距路径分量，A，θ_ρ，分别表示视距路径的幅度、入射角和相位；

对数正态分布：

$\mathrm{\ζ}\left(t\right)=e^{\mathrm{\σu}\left(t\right)+\mathrm{\μ}}---\left(4\right)$

其中，σ，μ分别表示衰落方差和平均功率。

可选地，根据所述衰落类型，复基带信道衰落包络表示为：

$\tilde{r}\left(t\right)=[\mathrm{\α}\tilde{u}\left(t\right)+\mathrm{\β}\tilde{m}\left(t\right)]\mathrm{\ζ}\left(t\right)---\left(5\right)$

其中， $\tilde{u}\left(t\right)=u_I\left(t\right)+{\mathrm{ju}}_Q\left(t\right)$

可选地，信道多普勒功率谱形状包括：

经典6dB：

$S_{\mathrm{cl}6}\left(f\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}{\mathrm{\&pi;\&Delta;f}\sqrt{1-{\left(\frac{f-f_0}{\mathrm{\&Delta;f}}\right)}^2}}& |f-f_0|<\mathrm{\&Delta;f}\\ 0& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(6\right)$

经典3dB：

$S_{\mathrm{cl}3}\left(f\right)=\left\{\begin{array}{cc}\sqrt{\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}{\mathrm{\&pi;\&Delta;f}\sqrt{1-{\left(\frac{f-f_0}{\mathrm{\&Delta;f}}\right)}^2}}}& |f-f_0|<\mathrm{\&Delta;f}\\ 0& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(7\right)$

平坦：

$S_{\mathrm{flat}}\left(f\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}{2\mathrm{\&Delta;f}}& |f-f_0|\&le;\mathrm{\&Delta;f}\\ 0& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(8\right)$

Jakes圆形：

$S_{\mathrm{jrod}}\left(f\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{{2\mathrm{\&sigma;}}_0^2}{\mathrm{\&pi;\&Delta;f}}\sqrt{1-{\left(\frac{f-f_0}{\mathrm{\&Delta;f}}\right)}^2}& |f-f_0|\&le;\mathrm{\&Delta;f}\\ 0& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(9\right)$

圆形：

$S_{\mathrm{rod}}\left(f\right)=\left\{\begin{array}{cc}{C}_r[a_0+a_2{\left(\frac{f}{\mathrm{\&Delta;f}}\right)}^2+a_4{\left(\frac{f}{\mathrm{\&Delta;f}}\right)}^4]& \left|f\right|\&le;\mathrm{\&Delta;f}\\ 0& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(10\right)$

其中，IEEE802.16信道模型标准中令a₀＝1，a₂＝-1.72，a₄＝0.785；

Jakes经典：

$S_{\mathrm{jcl}}\left(f\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}{\mathrm{\&pi;\&Delta;f}\sqrt{1-{\left(\frac{f}{\mathrm{\&Delta;f}}\right)}^2}}& \left|f\right|\&le;\mathrm{\&Delta;f}\\ 0& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(11\right)$

高斯：

$S_{\mathrm{gau}}\left(f\right)=\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}{f_c}\sqrt{\frac{\ln 2}{\mathrm{\&pi;}}}\exp [-\ln 2{\left(\frac{f}{f_c}\right)}^2]---\left(12\right).$

基于上述模拟装置，本发明还提供了一种双通道静态基带信道模拟方法，用户选择信道模型并配置信道参数，然后利用DSP计算信道参数并将参数定点化，然后通过数据接口传递到FPGA中，FPGA中对AD采集的双通道数字基带信号分别进行信号处理，最后通过DA输出模拟信号，并对模拟信号进行信号调理。

可选地，FPGA中对AD采集的双通道数字基带信号分别进行信号处理的步骤，包括多径时延、损耗、衰落以及叠加噪声，最后通过DA输出模拟信号，并对模拟信号进行信号调理，包括消除信号镜像分量以及信号衰减。

可选地，在FPGA中对AD采集到的双通道数字基带信号分别叠加多径衰落、阴影衰落以及高斯噪声，其中，多径衰落类型包含常数、纯多普勒、瑞利、莱斯，阴影衰落服从对数正态分布。

可选地，所述信道参数的计算步骤包括：

7)根据用户选择信道模型确定衰落路径数目；

8)设置各径时延、损耗、移动速度参数；

9)根据用户选择各径衰落类型以及公式(5)确定加权因子α，β，，衰落方差及均值σ，μ，

$\tilde{r}\left(t\right)=[\mathrm{\&alpha;}\tilde{u}\left(t\right)+\mathrm{\&beta;}\tilde{m}\left(t\right)]\mathrm{\&zeta;}\left(t\right)---\left(5\right)$

具体步骤如下：

(a)判断是否存在阴影衰落，若存在，则设置衰落方差及均值σ，μ，若不存在，则衰落方差及均值为0；

(b)判断用户选择多径衰落类型，若选择纯多普勒，则衰落因子α＝1，β＝0；若选择瑞利分布，α＝0，β＝1；若选择莱斯分布，需满足莱斯因子k＝α²/β²；

10)根据用户设置移动速度及公式(13)计算多普勒频率，

$f_d=\frac{f_{c}v}{c}---\left(13\right)$

其中，f_c，v，c分别表示通信频率、移动速度和光速；

11)根据用户选择各径频谱形状，计算各散射支路入射角，

${\&Integral;}_{f_{n-1}}^{f_n}S\left(f\right)\mathrm{df}=\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}{2N}---\left(14\right)$

其中，S(f)表示多普勒频谱，f_n＝f_dcosθ_n，表示各径多普勒频率，θ_n为各散射支路入射角；

12)通过数据总线传递信道参数给DSP。

可选地，信道模拟单元的工作步骤如下：

9)信道模拟单元接收参数定点化及传递单元传输过来的定点化信道参数；

10)信道模拟单元接收信号输入单元采集到的数字基带信号；

11)基带信号经过信道时延模块产生路径时延；信道时延采用双端口RAM组实现，双端口RAM组共用一个写地址信号，该写地址在时钟信号驱动下递增，各路径读地址则设置为

d_R＝d_W-τ_l·f_clk(15)

其中，d_R，d_W分别表示读写地址，τ_l，f_clk分别表示各径时延和系统时钟；

12)根据用户设置参数产生各径损耗；

13)根据公式(5)所述衰落模型以及接收到的信道参数，产生信道衰落，

$\tilde{r}\left(t\right)=[\mathrm{\&alpha;}\tilde{u}\left(t\right)+\mathrm{\&beta;}\tilde{m}\left(t\right)]\mathrm{\&zeta;}\left(t\right)---\left(5\right);$

14)根据接收到的信噪比参数以及经过信道衰落后的信号功率，实时计算噪声系数，通过截位调整噪声功率，产生满足信噪比要求的高斯白噪声；

15)根据公式(16)得到经过信道衰落并叠加噪声后的模拟结果；

$\tilde{y}\left(t\right)=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}\tilde{x}(t-{\mathrm{\&tau;}}_l)*{\tilde{h}}_l(t-{\mathrm{\&tau;}}_l)+\tilde{n}\left(t\right)---\left(16\right)$

将经过信道衰落并叠加噪声后的信号输出到信号输出单元。

本发明的有益效果是：

(1)采用软件无线电技术，在PC端计算信道参数，在FPGA中模拟信道衰落，可以实现多种信道模型，满足多种衰落类型及多普勒频谱形状；

(2)基于谐波叠加模型产生信道衰落，结构简单、扩展性好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种双通道静态基带信道模拟装置原理框图；

图2为本发明的信道参数计算流程图；

图3为本发明的信道模拟实现原理框图；

图4为本发明的信道衰落实现原理框图；

图5为本发明的噪声功率控制实现原理框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有的信道模拟装置多在中频、射频上进行，在频谱搬移过程中容易造成信号失真，此外，现有装置大多操作复杂，成本较高。

本发明直接对基带信号进行处理，可以支持多种预定义信道模型以及用户自定义模型，信道衰落可以支持常数、纯多普勒、瑞利、莱斯、对数正态等衰落类型，衰落频谱可以满足经典3dB、经典6dB、Jakes圆形、Jakes经典、平坦、圆形、高斯等。

如图1所示，本发明的双通道静态基带信道模拟装置，基于软件无线电技术，支持双通道模式，各通道均包括PC机中的参数配置计算单元、DSP中的参数定点化及传递单元、信号输入输出单元、FPGA中的信道模拟单元、信号调理单元。

参数配置计算单元通过数据总线与DSP相连，用户利用PC机选择信道模型，配置信道参数，主要包括：路径数目，各径时延、损耗，移动速度，多普勒频率，信噪比，频谱形状，衰落类型等，根据用户配置参数计算信道参数。

参数定点化及传递单元，该单元输入端与参数配置计算单元相连，输出端通过数据总线与FPGA相连，用于把信道参数定点化并传递给信道模拟单元。

信号输入输出单元，该单元与信道模拟单元相连，信号输入单元用于将模拟基带信号转换为数字基带信号，信号输出单元用于将数字基带信号转换为模拟基带信号。

信道模拟单元，该单元输入端分别与参数定点化及传递单元以及信号输入单元相连，输出端与信号输出单元相连，用于产生信道时延、损耗、衰落以及噪声。

信号调理单元，该单元输入端与信号输出单元相连，用于消除信号镜像分量，并利用FPGA接收到的信道参数控制输出信号衰减。

本发明的双通道静态基带信道模拟装置在工作时，首先，用户选择信道模型并配置信道参数，然后利用DSP计算信道参数并将参数定点化，然后通过数据接口传递到FPGA中，FPGA中对AD采集的双通道数字基带信号分别进行信号处理，主要包括多径时延、损耗、衰落以及叠加噪声，最后通过DA输出模拟信号，并对模拟信号进行信号调理，主要包括消除信号镜像分量以及信号衰减。

其中，在FPGA中对AD采集到的双通道数字基带信号分别叠加多径衰落、阴影衰落以及高斯噪声，多径衰落类型包含常数、纯多普勒、瑞利、莱斯等，阴影衰落则服从对数正态分布。

本发明的主要衰落类型包括：

1)纯多普勒

$\widetilde{\mathrm{\&omega;}}\left(t\right)=e^{j2\mathrm{\&pi;}{f}_{d}t}---\left(1\right)$

其中，f_d表示多普勒频率。

2)瑞利分布

其中，u_I(t)，u_Q(t)为统计不相关的高斯随机变量。

3)莱斯分布

$\widetilde{\mathrm{\&xi;}}\left(t\right)=u_I\left(t\right)+{\mathrm{ju}}_Q\left(t\right)+\tilde{m}\left(t\right)---\left(3\right)$

其中，表示视距路径分量，A，θ_ρ，分别表示视距路径

的幅度，入射角和相位。

4)对数正态分布

ζ(t)＝e^σu(t)+μ(4)

其中，σ，μ分别表示衰落方差和平均功率。

根据上述衰落类型，复基带信道衰落包络可表示为

$\tilde{r}\left(t\right)=[\mathrm{\&alpha;}\tilde{u}\left(t\right)+\mathrm{\&beta;}\tilde{m}\left(t\right)]\mathrm{\&zeta;}\left(t\right)---\left(5\right)$

其中， $\tilde{u}\left(t\right)=u_I\left(t\right)+{\mathrm{ju}}_Q\left(t\right)$

信道多普勒功率谱形状包括如下：

1)经典6dB

$S_{\mathrm{cl}6}\left(f\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}{\mathrm{\&pi;\&Delta;f}\sqrt{1-{\left(\frac{f-f_0}{\mathrm{\&Delta;f}}\right)}^2}}& |f-f_0|<\mathrm{\&Delta;f}\\ 0& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(6\right)$

2)经典3dB

$S_{\mathrm{cl}3}\left(f\right)=\left\{\begin{array}{cc}\sqrt{\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}{\mathrm{\&pi;\&Delta;f}\sqrt{1-{\left(\frac{f-f_0}{\mathrm{\&Delta;f}}\right)}^2}}}& |f-f_0|<\mathrm{\&Delta;f}\\ 0& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(7\right)$

3)平坦

$S_{\mathrm{flat}}\left(f\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}{2\mathrm{\&Delta;f}}& |f-f_0|\&le;\mathrm{\&Delta;f}\\ 0& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(8\right)$

4)Jakes圆形

$S_{\mathrm{jrod}}\left(f\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{{2\mathrm{\&sigma;}}_0^2}{\mathrm{\&pi;\&Delta;f}}\sqrt{1-{\left(\frac{f-f_0}{\mathrm{\&Delta;f}}\right)}^2}& |f-f_0|\&le;\mathrm{\&Delta;f}\\ 0& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(9\right)$

5)圆形

$S_{\mathrm{rod}}\left(f\right)=\left\{\begin{array}{cc}{C}_r[a_0+a_2{\left(\frac{f}{\mathrm{\&Delta;f}}\right)}^2+a_4{\left(\frac{f}{\mathrm{\&Delta;f}}\right)}^4]& \left|f\right|\&le;\mathrm{\&Delta;f}\\ 0& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(10\right)$

其中，IEEE802.16信道模型标准中令a₀＝1，a₂＝-1.72，a₄＝0.785。

6)Jakes经典

$S_{\mathrm{jcl}}\left(f\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}{\mathrm{\&pi;\&Delta;f}\sqrt{1-{\left(\frac{f}{\mathrm{\&Delta;f}}\right)}^2}}& \left|f\right|\&le;\mathrm{\&Delta;f}\\ 0& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(11\right)$

7)高斯

$S_{\mathrm{gau}}\left(f\right)=\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}{f_c}\sqrt{\frac{\ln 2}{\mathrm{\&pi;}}}\exp [-\ln 2{\left(\frac{f}{f_c}\right)}^2]---\left(12\right)$

如图2所示，本发明的信道参数计算包括以下步骤：

1)根据用户选择信道模型确定衰落路径数目；

2)设置各径时延、损耗、移动速度等参数；

3)根据用户选择各径衰落类型以及公式(5)确定加权因子α，β，，衰落方差及均值σ，μ，具体方法如下：

(a)判断是否存在阴影衰落，若存在，则设置衰落方差及均值σ，μ，若不存在，则衰落方差及均值为0；

(b)判断用户选择多径衰落类型，若选择纯多普勒，则衰落因子α＝1，β＝0；若选择瑞利分布，α＝0，β＝1；若选择莱斯分布，需满足莱斯因子k＝α²/β²；

4)根据用户设置移动速度及公式(13)计算多普勒频率，

$f_d=\frac{f_{c}v}{c}---\left(13\right)$

其中，f_c，v，c分别表示通信频率、移动速度和光速；

5)根据用户选择各径频谱形状，参考非专利文献1[PatzoldM.MobileFadingChannel(SecondEdition)[M].NewYork：Wiley，2012：162-170]中的等面积法及公式(14)，计算各散射支路入射角，

${\&Integral;}_{f_{n-1}}^{f_n}S\left(f\right)\mathrm{df}=\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}{2N}---\left(14\right)$

其中，S(f)表示多普勒频谱，f_n＝f_dcosθ_n，表示各径多普勒频率，θ_n为各散射支路入射角；

6)通过数据总线传递信道参数给DSP。

如图3所示，信道模拟单元的具体工作步骤如下：

1)信道模拟单元接收上述参数定点化及传递单元传输过来的定点化信道参数；

2)信道模拟单元接收上述信号输入单元采集到的数字基带信号；

3)基带信号经过信道时延模块产生路径时延；信道时延采用双端口RAM组实现，双端口RAM组共用一个写地址信号，该写地址在时钟信号驱动下递增，各路径读地址则设置为

d_R＝d_W-τ_l·f_clk(15)

其中，d_R，d_W分别表示读写地址，τ_l，f_clk分别表示各径时延和系统时钟；

4)根据用户设置参数产生各径损耗；

5)根据公式(5)所述衰落模型以及接收到的信道参数，产生信道衰落，如图4所示；

6)根据接收到的信噪比参数以及经过信道衰落后的信号功率，实时计算噪声系数，通过截位调整噪声功率，产生满足信噪比要求的高斯白噪声，如图5所示；

7)根据公式(16)得到经过信道衰落并叠加噪声后的模拟结果；

$\tilde{y}\left(t\right)=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}\tilde{x}(t-{\mathrm{\&tau;}}_l)*{\tilde{h}}_l(t-{\mathrm{\&tau;}}_l)+\tilde{n}\left(t\right)---\left(16\right)$

8)将经过信道衰落并叠加噪声后的信号输出到信号输出单元。

本发明提出了一种基于软件无线电技术的双通道静态基带信道模拟装置及方法，采用软件无线电技术，在PC端计算信道参数，在FPGA中模拟信道衰落，可以实现多种信道模型，满足多种衰落类型及多普勒频谱形状；基于谐波叠加模型产生信道衰落，结构简单、扩展性好。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双通道静态基带信道模拟装置，其特征在于，各通道均包括PC机中的参数配置计算单元、DSP中的参数定点化及传递单元、信号输入输出单元、FPGA中的信道模拟单元、信号调理单元；

所述参数配置计算单元通过数据总线与DSP相连，用户利用PC机选择信道模型，配置信道参数，参数配置计算单元根据用户配置参数计算信道参数；

所述参数定点化及传递单元的输入端与参数配置计算单元相连，输出端通过数据总线与FPGA相连，把信道参数定点化并传递给信道模拟单元；

所述信号输入输出单元与信道模拟单元相连，信号输入单元将模拟基带信号转换为数字基带信号，信号输出单元将数字基带信号转换为模拟基带信号；

所述信道模拟单元的输入端分别与参数定点化及传递单元以及信号输入单元相连，输出端与信号输出单元相连，产生信道时延、损耗、衰落以及噪声；

所述信号调理单元的输入端与信号输出单元相连，用于消除信号镜像分量，并利用FPGA接收到的信道参数控制输出信号衰减。

2.如权利要求1所述的双通道静态基带信道模拟装置，其特征在于，所述信道参数包括：路径数目、各径时延、损耗、移动速度、多普勒频率、信噪比、频谱形状、衰落类型。

3.如权利要求2所述的双通道静态基带信道模拟装置，其特征在于，所述衰落类型包括：

纯多普勒：

$\widetilde{\mathrm{\&omega;}}\left(t\right)=e^{j2\mathrm{\&pi;}{f}_{d}t}---\left(1\right)$

其中，f_d表示多普勒频率；

瑞利分布：

$\widetilde{\mathrm{\&zeta;}}\left(t\right)=u_I\left(t\right)+{\mathrm{ju}}_Q\left(t\right)---\left(2\right)$

其中，u_I(t)，u_Q(t)为统计不相关的高斯随机变量；

莱斯分布：

$\widetilde{\mathrm{\&xi;}}\left(t\right)=u_I\left(u\right)+{\mathrm{ju}}_Q\left(t\right)+\tilde{m}\left(t\right)---\left(3\right)$

其中，表示视距路径分量，分别表示视距路径的幅度、入射角和相位；

对数正态分布：

ζ(t)＝e^σu(t)+μ(4)

其中，σ，μ分别表示衰落方差和平均功率。

4.如权利要求3所述的双通道静态基带信道模拟装置，其特征在于，根据所述衰落类型，复基带信道衰落包络表示为：

$\tilde{r}\left(t\right)=[\mathrm{\&alpha;}\tilde{u}\left(t\right)+\mathrm{\&beta;}\tilde{m}\left(t\right)]\mathrm{\&zeta;}\left(t\right)---\left(5\right)$

其中， $\tilde{u}\left(t\right)=u_I\left(t\right)+{\mathrm{ju}}_Q\left(t\right)$

5.如权利要求2所述的双通道静态基带信道模拟装置，其特征在于，信道多普勒功率谱形状包括：

经典6dB：

$S_{\mathrm{cl}6}\left(f\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}{\mathrm{\&pi;\&Delta;f}\sqrt{1-{\left(\frac{f-f_0}{\mathrm{\&Delta;f}}\right)}^2}}& |f-f_0|<\mathrm{\&Delta;f}\\ 0& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(6\right)$

经典3dB：

$S_{\mathrm{cl}3}\left(f\right)=\left\{\begin{array}{cc}\sqrt{\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}{\mathrm{\&pi;\&Delta;f}\sqrt{1-{\left(\frac{f-f_0}{\mathrm{\&Delta;f}}\right)}^2}}}& |f-f_0|<\mathrm{\&Delta;f}\\ 0& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(7\right)$

平坦：

$S_{\mathrm{flat}}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}{2\mathrm{\&Delta;f}}& |f-f_0|\&le;\mathrm{\&Delta;f}\\ 0& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(8\right)$

Jakes圆形：

$S_{\mathrm{jrod}}\left(f\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{2{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}{\mathrm{\&pi;\&Delta;f}}\sqrt{1-{\left(\frac{f-f_0}{\mathrm{\&Delta;f}}\right)}^2}& |f-f_0|<\mathrm{\&Delta;f}\\ 0& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(9\right)$

圆形：

$S_{\mathrm{rod}}\left(f\right)=\left\{\begin{array}{cc}{C}_r[a_0+a_2{\left(\frac{f}{\mathrm{\&Delta;f}}\right)}^2+a_4{\left(\frac{f}{\mathrm{\&Delta;f}}\right)}^4]& \left|f\right|\&le;\mathrm{\&Delta;f}\\ 0& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(10\right)$

其中，IEEE802.16信道模型标准中令a₀＝1，a₂＝-1.72，a₄＝0.785；

Jakes经典：

$S_{\mathrm{jcl}}\left(f\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}{\mathrm{\&pi;\&Delta;f}\sqrt{1-{\left(\frac{f}{\mathrm{\&Delta;f}}\right)}^2}}& \left|f\right|<\mathrm{\&Delta;f}\\ 0& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(11\right)$

高斯：

$S_{\mathrm{gau}}\left(f\right)=\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}{f_c}\sqrt{\frac{\ln 2}{\mathrm{\&pi;}}}\exp [-\ln 2{\left(\frac{f}{f_c}\right)}^2]---\left(12\right).$

6.一种基于权利要求1-5任一项所述模拟装置的双通道静态基带信道模拟方法，其特征在于，用户选择信道模型并配置信道参数，然后利用DSP计算信道参数并将参数定点化，然后通过数据接口传递到FPGA中，FPGA中对AD采集的双通道数字基带信号分别进行信号处理，最后通过DA输出模拟信号，并对模拟信号进行信号调理。

7.如权利要求6所述的双通道静态基带信道模拟方法，其特征在于，FPGA中对AD采集的双通道数字基带信号分别进行信号处理的步骤，包括多径时延、损耗、衰落以及叠加噪声，最后通过DA输出模拟信号，并对模拟信号进行信号调理，包括消除信号镜像分量以及信号衰减。

8.如权利要求7所述的双通道静态基带信道模拟方法，其特征在于，在FPGA中对AD采集到的双通道数字基带信号分别叠加多径衰落、阴影衰落以及高斯噪声，其中，多径衰落类型包含常数、纯多普勒、瑞利、莱斯，阴影衰落服从对数正态分布。

9.如权利要求6所述的双通道静态基带信道模拟方法，其特征在于，所述信道参数的计算步骤包括：

1)根据用户选择信道模型确定衰落路径数目；

2)设置各径时延、损耗、移动速度参数；

3)根据用户选择各径衰落类型以及公式(5)确定加权因子α，β，，衰落方差及均值σ，μ，

$\tilde{r}\left(t\right)=[\mathrm{\&alpha;}\tilde{u}\left(t\right)+\mathrm{\&beta;}\tilde{m}\left(t\right)]\mathrm{\&zeta;}\left(t\right)---\left(5\right)$

具体步骤如下：

(a)判断是否存在阴影衰落，若存在，则设置衰落方差及均值σ，μ，若不存在，则衰落方差及均值为0；

(b)判断用户选择多径衰落类型，若选择纯多普勒，则衰落因子α＝1，β＝0；若选择瑞利分布，α＝0，β＝1；若选择莱斯分布，需满足莱斯因子k＝α²/β²；

4)根据用户设置移动速度及公式(13)计算多普勒频率，

$f_d=\frac{f_{c}v}{c}---\left(13\right)$

其中，f_c，v，c分别表示通信频率、移动速度和光速；

5)根据用户选择各径频谱形状，计算各散射支路入射角，

${\&Integral;}_{f_{n-1}}^{f_n}S\left(f\right)\mathrm{df}=\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}{2N}---\left(14\right)$

其中，S(f)表示多普勒频谱，f_n＝f_dcosθ_n，表示各径多普勒频率，θ_n为各散射支路入射角；

6)通过数据总线传递信道参数给DSP。

10.如权利要求6所述的双通道静态基带信道模拟方法，其特征在于，信道模拟单元的工作步骤如下：

1)信道模拟单元接收参数定点化及传递单元传输过来的定点化信道参数；

2)信道模拟单元接收信号输入单元采集到的数字基带信号；

3)基带信号经过信道时延模块产生路径时延；信道时延采用双端口RAM组实现，双端口RAM组共用一个写地址信号，该写地址在时钟信号驱动下递增，各路径读地址则设置为

d_R＝d_W-τ_l·f_clk(15)

其中，d_R，d_W分别表示读写地址，τ_l，f_clk分别表示各径时延和系统时钟；

4)根据用户设置参数产生各径损耗；

5)根据公式(5)所述衰落模型以及接收到的信道参数，产生信道衰落，

$\tilde{r}\left(t\right)=[\mathrm{\&alpha;}\tilde{u}\left(t\right)+\mathrm{\&beta;}\tilde{m}\left(t\right)]\mathrm{\&zeta;}\left(t\right)---\left(5\right);$

6)根据接收到的信噪比参数以及经过信道衰落后的信号功率，实时计算噪声系数，通过截位调整噪声功率，产生满足信噪比要求的高斯白噪声；

7)根据公式(16)得到经过信道衰落并叠加噪声后的模拟结果；

$\tilde{y}\left(t\right)=\underset{l}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}\tilde{x}(t-{\mathrm{\&tau;}}_l)*{\tilde{h}}_l(t-{\mathrm{\&tau;}}_l)+\tilde{n}\left(t\right)---\left(16\right)$

8)将经过信道衰落并叠加噪声后的信号输出到信号输出单元。