CN105577302A - 天线分集信道模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天线分集信道模拟装置及方法。本发明能够、实时地根据天线分集模式以及其衰落类型，对数字基带信号进行衰落模拟，适用于对天线分集模式的模拟测试，具有结构简单、扩展性好等优点。

Description

天线分集信道模拟装置及方法

技术领域

本发明属于无线信息传输技术领域，特别涉及一种天线分集信道模拟装置，针对多种通信场景时的天线分集信道模拟。

背景技术

移动通信网中如何保证信号传输链路的可靠性，是一项重要指标。为了达到这一目的，可以通过多种技术来实现，从影响接收端信号功率的三个主要因素来分析：第一、自由空间的传播损耗和弥散，这可通过加大发射机功率来改善；第二、地形起伏、建筑物及障碍物的遮挡引起的阴影衰落，这可通过“宏分集”技术来改善；第三、在传输路径中各种物体产生的直射波、反射波和散射波的相互影响，即多径衰落，以及多普勒频移产生的损耗，这可通过“微分集”技术来改善。从以上的分析可以看出，分集技术对改善无线传输链路的性能可以起到很大的作用。分集技术就是利用两个或更多的不相关信号进行处理，不相关信号的采集可以通过空域、时域和频域三种方式实现。

其中空间分集，即天线分集，是移动通信中使用较多的分集形式，简单的说，就是采用多付接收天线来接收信号，然后进行合并。为保证接收信号的不相关性，这就要求天线之间的距离足够大，在理想情况下，接收天线之间的距离只要波长λ的一半就可以了。

随着通信技术的发展，人们更加追求高质量、高速率的移动多媒体传输。然而，无线信号传播过程中，容易受周围环境、天气、移动速度等因素的影响，产生随机衰落。多天线分集是一种简单高效的抗衰落技术，但是，各天线接收信号衰落之间的相关性不可忽略，因此相关衰落分集信道的理论分析和建模仿真对辅助研究分集技术、系统容量和误码性能等具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是克服或减缓至少上述缺点中的部分，特此提供一种天线分集信道模拟方法，其包括：

(1)根据模拟的通信场景，确定衰落模型；

(2)选择发射天线分集模式或接收天线分集模式；

(3)根据选择的发射天线分集模式或接收天线分集模式，建立相关系数；

(4)根据衰落模型建立不相关衰落因子；

(5)根据相关系数对不相关的衰落因子进行矩阵运算，取得对应衰落模型以及天线分集模式的相关衰落因子；

(6)对采集的数字基带信号与相关衰落因子进行复数运算后输出。

根据权利要求1所述的天线分集信道模拟方法，其特征在于，

于(1)中，所述衰落模型为瑞利衰落模型或莱斯衰落模型或纯多普勒衰落模型。

优选地，于(3)中，所述发射或接收天线分集模式的相关系数为ρ，其相关信道，

$\tilde{H}\left(t\right)={\left[\begin{array}{cc}1& \mathrm{\ρ}\\ \mathrm{\ρ}& 1\end{array}\right]}^{\frac{1}{2}}\left[\begin{array}{c}{\tilde{h}}_a\left(t\right)\\ {\tilde{h}}_b\left(t\right)\end{array}\right];$

其中，h_a(t)，h_b(t)均为不相关的不相关衰落因子。

优选地，于(4)中，所述不相关衰落因子

其中，α，β为系数因子，表示视距路径分量；

分别是视距路径的幅度、入射角和相位；

u_I(t)，u_Q(t)为统计不相关的高斯随机变量；

α＝0，β≠0时，为纯多普勒信道对应的不相关衰落因子；

α≠0，β＝0时，为瑞利信道对应的不相关衰落因子；

α，β≠0时，为莱斯信道对应的不相关衰落因子。

本发明示范性的公开了一种天线分集信道模拟装置，其包括：

参数配置计算单元，

一功能，设立衰落模型及其相关参数，

另一功能，选择天线分集模式，并设置选择的天线分集模式对应的相关系数，根据所述相关系数计算选择的天线分集模式对应的相关信道；

相关衰落因子产生单元，

一功能，根据所述参数配置计算单元中设立的衰落模型以及相关参数，取得不相关衰落因子，

另一功能，根据不相关衰落因子以及选择的天线分集模式对应的相关信道，取得相关衰落因子；

衰落模拟单元，对相关衰落因子以及输入的数字基带信号进行复数运算后输出。

优选地，所述参数配置计算单元为PC机，用户在PC机根据模拟的通信场景选择合适的利衰落模型或莱斯衰落模型或纯多普勒衰落模型，并键入相关参数；再选择天线发射分集模式或者天线接收分集模式，并键入相关系数，以取得天线发射分集模式或者天线接收分集模式的相关信道；

优选地，所述相关衰落因子产生单元根据衰落模型及其相关参数且采用谐波叠加法计算所述不相关衰落因子；所述不相关衰落因子与所述相关信道的矩阵运算，取得相关衰落因子。

优选地，所述衰落模拟单元通过A/D转换器采集数字基带信号，所述数字基带信号与相关衰落因子进行复数乘法运算，取得模拟衰落数据，所述模拟衰落数据通过D/A转换器输出至外部。

优选地，所述相关衰落因子产生单元和/或衰落模拟单元集成于FPGA，FPGA通过CPCI与PC机通讯。

本发明旨在于，(1)通过对不相关衰落以及相关信道进行的矩阵运算取得相关衰落因子，实时性高，可满足实际测试需要。(2)实时模拟发射天线分集模式的相关信道和接收天线分集模式的相关信道，其结构简单、扩展性好。

附图说明

现在将参照所附附图更加详细地描述本发明的这些和其它方面，其所示为本发明的当前优选实施例。其中：

图1为天线分集信道模拟装置的结构框图；

图2为天线分集信道模拟装置中相关衰落因子产生单元的原理框图。

图中：1、PC机；2、FPGA；21、相关衰落因子产生单元；22、衰落模拟单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，本实施例示范性的公开了一种天线分集信道模拟装置，至少包括PC机1以及通过CPCI与PC机1通讯的FPGA2。

在PC机1内预先地设定多种衰落模式及其相关参数，例如瑞利衰落模型、莱斯衰落模型和纯多普勒衰落模型；同时设定天线分集模式及其相关信道，例如天线发射分集模式和天线接收分集模式，并键入相关系数。

用户通过对PC机1进行设置，调用瑞利衰落模型、莱斯衰落模型和纯多普勒衰落模型中的任意一种，并通过键盘输入对应相关系数的数值；同时，设定天线分集模式为天线发射分集模式和天线接收分集模式。

在用户通过PC机1完成上述设置后，PC机1根据设定的衰落模型以及天线分集模式，运算取得定点化的相关信道；PC机1通过CPCI将选定的衰落模型、相关参数以及选择的天线分集模式对应的相关信道通讯至FPGA2。

如图2所示，FPGA2集成的相关衰落因子产生单元21，根据选择的衰落模型以及相关参数，计算取得不具有相关性的不相关衰落因子，再将不相关衰落因子代入相关信道的矩阵中运算，取得具有相关性的相关衰落因子；取得相关衰落因子后，其被传输至亦集成于FPGA2的衰落模拟单元22，衰落模拟单元22根据通过A/D转换器将外部输入的数字基带信号转换成数字信号后与相关衰落因子进行复数乘法运算，再由D/A转换器输出至外部，完成在特定衰落类型以及天线分集模式下，对数字基带信号的衰落模拟。

本实施例基于软件无线电技术，实现了发射天线分集和接收天线分集的实时衰落模拟。

对于发射天线分集模式，本实施例的发射天线相关系数为ρ_t，则相关信道H(t)则表示为：

$\tilde{H}\left(t\right)={\left[\begin{array}{cc}1& {\mathrm{\ρ}}_t\\ {\mathrm{\ρ}}_t& 1\end{array}\right]}^{\frac{1}{2}}\left[\begin{array}{c}{\tilde{h}}_a\left(t\right)\\ {\tilde{h}}_b\left(t\right)\end{array}\right],$

其中，h_a(t)，h_b(t)为的不相关衰落因子。

对于接收天线分集模式，本实施例的接收天线相关系数为ρ_r，则相关信道H(t)则表示为

$\tilde{H}\left(t\right)={\left[\begin{array}{cc}1& {\mathrm{\ρ}}_r\\ {\mathrm{\ρ}}_r& 1\end{array}\right]}^{\frac{1}{2}}\left[\begin{array}{c}{\tilde{h}}_a\left(t\right)\\ {\tilde{h}}_b\left(t\right)\end{array}\right],$

本实施例的不相关衰落因子，参考非专利文献1[PatzoldM.MobileFadingChannel(SecondEdition)[M].NewYork：Wiley，2012：162-170]中谐波叠加法产生，

瑞利衰落表示为.

其中，u_I(t)，u_Q(t)为统计不相关的高斯随机变量。

莱斯衰落表示为：

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

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。

合并莱斯衰落以及瑞利衰落，不相关衰落因子可以表示为

$\tilde{h}\left(t\right)=\mathrm{\α}\left(u_I\right(t)+{\mathrm{ju}}_Q(t\left)\right)+\mathrm{\β}\tilde{m}\left(t\right),$

其中，α，β为系数因子，α＝0，β≠0时，为纯多普勒信道；α≠0，β＝0时，为瑞利信道；α，β≠0时，为莱斯信道。

另外，本实施例示范性的公开了一种天线分集信道模拟方法，其包括：

步骤一、根据模拟的通信场景，确定衰落模型；

步骤二、选择发射天线分集模式或接收天线分集模式；

步骤三、根据选择的发射天线分集模式或接收天线分集模式，建立相关系数并计算相关信道；

步骤四、根据衰落模型建立不相关衰落因子；

步骤五、根据相关系数、相关信道对不相关的衰落因子进行矩阵运算，取得对应衰落模型以及天线分集模式的相关衰落因子；

步骤六、对采集的数字基带信号与相关衰落因子进行复数运算后输出。

通过上述设计方案，本实施例所提及的天线分集信道模拟方法或装置能够实时地根据天线分集模式以及其衰落类型，对数字基带信号进行衰落模拟，适用于对天线分集模式的模拟测试，具有结构简单、扩展性好等优点。

Claims (9)

1.一种天线分集信道模拟方法，其特征在于包括：

(1)根据模拟的通信场景，确定衰落模型；

(2)选择发射天线分集模式或接收天线分集模式；

(3)根据选择的发射天线分集模式或接收天线分集模式，建立相关系数；

(4)根据衰落模型建立不相关衰落因子；

(5)根据相关系数对不相关的衰落因子进行矩阵运算，取得对应衰落模型以及天线分集模式的相关衰落因子；

(6)对采集的数字基带信号与相关衰落因子进行复数运算后输出。

2.根据权利要求1所述的天线分集信道模拟方法，其特征在于，

于(1)中，所述衰落模型为瑞利衰落模型或莱斯衰落模型或纯多普勒衰落模型。

3.根据权利要求2所述的天线分集信道模拟方法，其特征在于，

于(3)中，所述发射或接收天线分集模式的相关系数为ρ，其相关信道，

其中，h_a(t)，h_b(t)均为不相关的不相关衰落因子。

4.根据权利要求3所述的天线分集信道模拟方法，其特征征于，

于(4)中，所述不相关衰落因子

其中，α，β为系数因子，表示视距路径分量；

A，θ_ρ，分别是视距路径的幅度、入射角和相位；

u₁(t)，u_Q(t)为统计不相关的高斯随机变量；

α＝0，β≠0时，为纯多普勒信道对应的不相关衰落因子；

α≠0，β＝0时，为瑞利信道对应的不相关衰落因子；

α，β≠0时，为莱斯信道对应的不相关衰落因子。

5.一种天线分集信道模拟装置，其特征在于包括：

参数配置计算单元，

一功能，设立衰落模型及其相关参数，

另一功能，选择天线分集模式，并设置选择的天线分集模式对应的相关系数，根据所述相关系数计算选择的天线分集模式对应的相关信道；

相关衰落因子产生单元，

一功能，根据所述参数配置计算单元中设立的衰落模型以及相关参数，取得不相关衰落因子，

另一功能，根据不相关衰落因子以及选择的天线分集模式对应的相关信道，取得相关衰落因子；

衰落模拟单元，对相关衰落因子以及输入的数字基带信号进行复数运算后输出。

6.根据权利要求5所述的天线分集信道模拟装置，其特征在于，

所述参数配置计算单元为PC机，用户在PC机根据模拟的通信场景选择合适的利衰落模型或莱斯衰落模型或纯多普勒衰落模型，并键入相关参数；再选择天线发射分集模式或者天线接收分集模式，并键入相关系数，以取得天线发射分集模式或者天线接收分集模式的相关信道。

7.根据权利要求6所述的天线分集信道模拟装置，其特征在于，

所述相关衰落因子产生单元根据衰落模型及其相关参数且采用谐波叠加法计算所述不相关衰落因子；所述不相关衰落因子与所述相关信道的矩阵运算，取得相关衰落因子。

8.根据权利要求5所述的天线分集信道模拟装置，其特征在于，

所述衰落模拟单元通过A/D转换器采集数字基带信号，所述数字基带信号与相关衰落因子进行复数乘法运算，取得模拟衰落数据，所述模拟衰落数据通过D/A转换器输出至外部。

9.根据权利要求5所述的天线分集信道模拟装置，其特征在于，

所述相关衰落因子产生单元和/或衰落模拟单元集成于FPGA，FPGA通过CPCI与PC机通讯。