CN106506104A - 一种手持式无线信道模拟装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无线信息传输技术领域，具体涉及一种手持式无线信道模拟装置，包括通过数据总线连接的上位机控制模块、信号处理模块和射频收发模块，射频收发模块采用双通道收发一体的正交调制与解调的高集成技术，实现双通道射频收发；信号处理模块采用高性能的FPGA+DSP的超高速信号处理技术，实现信道衰落模拟，衰落类型丰富，衰落频谱形状多样；上位机控制模块采用ARM嵌入式的低功耗、小型化技术，实现整个无线信道模拟装置的高速数据传输和控制等功能；本发明的手持式无线信道模拟装置实现模块化，体积小，简便易操作，能够灵活快速的实现信道模拟。

Description

一种手持式无线信道模拟装置
技术领域
本发明涉及无线信息传输技术领域，具体涉及一种手持式无线信道模拟装置。
背景技术
信道模拟器可以在实验室中模拟实际通信场景时无线信道的特征，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。
在现有仪器设备中，伊莱比特公司的Propsim C8，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。目前大多数设备都是采用数量庞大的模块及电子元器件对基带信号调制收发，如附图1所示，采用各种放大器、衰减器、滤波器、混频器、振荡器、数模转换器、模数转换器、可编程处理器对信号进行一系列处理。对射频信号、中频信号、基带信号进行处理的所需的分立元器件数量种类极其繁多，对不同频段的信号需要切换相关的信号通路进行处理，这对设备的开发及维护人员带来了极大的挑战；虽然功能丰富信道模型种类多，但是体积规模庞大、功耗巨大，这对使用人员带来了诸多不便。
现有的信道模拟装置的原理框图如附图1所示，此处为收发双通道的信道模拟装置。其中，101-104为放大器及衰减器，实际应用中可能有多种放大衰减器，用于满足不同的信号功率要求；201-204为滤波器，用于对发射及接收信号进行滤波；301-304为混频器，完成信号的频谱搬移，对于发射信号而言，实现信号的上混频，对接收信号而言，实现信号的下混频；401、402为本地振荡器，为混频器提供参考载波信号；501-504为数模及模数转换器，完成信号的模拟数字转换；20为信号处理单元，是进行信道模拟的处理单元，信道模拟有各种算法来实现。现有的信道模拟装置大多电路结构复杂，功耗大，体积大，开发维护成本高，而且现有装置大多操作复杂。
发明内容
针对现有技术的缺点，本发明提供了一种手持式无线信道模拟装置，基于ARM嵌入式技术、FPGA与DSP信号处理技术、软件无线电技术，支持双通道模式，实现信道模拟装置的简易模块化，射频收发软件可配置，信道模拟装置体积小且操作灵活快捷。
本发明的射频收发模块采用软件无线电技术，采用双通道收发一体的正交调制与解调的高集成技术，实现双通道射频收发，对射频信号直接频谱搬移到基带信号，然后在基带信号进行信道模拟；信号处理模块采用高性能的FPGA+DSP的超高速信号处理技术，实现信道衰落模拟，衰落类型丰富，衰落频谱形状多样，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；上位机控制模块采用ARM嵌入式的低功耗、小型化技术，具有操作简单，成本低、功耗低、体积小等优点。
本发明的手持式无线信道模拟装置，包括通过数据总线互联的上位机控制模块、信号处理模块和射频收发模块，所述信号处理模块包括DSP单元和第一FPGA单元，所述射频收发模块包括第二FPGA单元和控制收发器单元。
所述上位机控制模块采用ARM架构的嵌入式系统，用于为用户提供信道模型和配置参数选择，根据所述信道模型和配置参数计算信道参数，并将该信道参数传输到信号处理模块中的DSP单元。
所述DSP单元用于接收所述上位机控制模块传输的信道参数，将所述信道参数定点化，并将该定点化的信道参数传输到第一FPGA单元。
当进行信号接收时，所述控制收发器单元从接收端口接收模拟射频信号，将所述模拟射频信号进行放大、滤波、模拟解调和模数转换后变换为数字基带信号，并传送到所述第二FPGA单元；所述第二FPGA单元对所述数字基带信号进行数字解调和解码后，将该数字基带信号输入到所述第一FPGA单元；所述第一FPGA单元根据所述信道参数对所述数字基带信号进行数字处理，得到经过信道衰落并叠加噪声后的数字信号。
当进行信号发射时，第一FPGA单元根据所述信道参数对数字基带信号进行数字处理，得到经过信道衰落并叠加噪声后的数字信号，并将该数字信号输出到所述第二FPGA单元；所述第二FPGA单元对该数字信号进行数字调制与编码，并将该数字信号传递到所述控制收发器单元；所述控制收发器单元对该数字信号进行数模转换、滤波和放大后，从发射端口输出模拟射频信号。
作为优选，所述上位机控制模块与信号处理模块、射频收发模块之间采用PCIE数据总线互联，所述信号处理模块与射频收发模块之间采用RapidIO数据总线互联。
作为优选，所述上位机控制模块中可配置的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，频谱状态和衰落类型。
作为优选，所述上位机控制模块配置信道参数的具体步骤为：
S1:根据用户选择信道模型确定衰落路径数目；
S2:设置各径时延、损耗、移动速度等参数；
S3:根据用户选择各径衰落类型确定加权因子；
S4:根据用户设置移动速度及公式(1)计算多普勒频率，
其中，fc，ν，c分别表示通信频率、移动速度和光速；
S5:根据用户选择各径频谱形状，计算各散射支路入射角；
S6:通过数据总线传递信道参数给信号处理模块中的DSP单元。
作为优选，所述上位机控制模块的CPU型号为Apalis iMX6Q。
作为优选，所述信号处理模块中的DSP单元的芯片型号为TMS320C6455。
作为优选，所述第一FPGA单元和第二FPGA单元的芯片型号均为XC7K325T。
作为优选，所述射频收发模块的控制收发器单元的芯片型号为AD9371。
作为优选，所述射频收发模块的接收与发射频段均为300MHz～6000MHz，发射带宽250MHz，接收带宽100MHz。
本发明还公开了一种无线信道模拟方法，采用上述手持式无线信道模拟装置，进行如下步骤：
S1:DSP单元接收上位机控制模块传输过来的信道参数；
S2:DSP单元将接收过来的信道参数定点化；
S3:第一FPGA单元接收DSP单元产生的定点化的信道参数与射频收发模块采集到的数字基带信号；
S4:第一FPGA单元接收的数字基带信号经过信道时延模块产生路径时延；
S5:第一FPGA单元根据用户设置参数产生各径损耗；
S6:第一FPGA单元根据用户所选的衰落模型以及接收到的信道参数，产生信道衰落；
S7:第一FPGA单元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，产生满足信噪比要求的高斯白噪声；
S8:第一FPGA单元根据公式(2)得到经过信道衰落并叠加噪声后的信号；
其中，表示经过信道衰落并叠加噪声的数字基带信号，表示输入的数字基带信号，L表示路径数目，τl表示各路径时延，表示各路径的基带信道冲击响应，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；
S9:第一FPGA单元将经过信道衰落并叠加噪声后的信号输出到射频收发模块。
本发明的手持式无线信道模拟装置，具有如下优点：
(1)射频收发模块采用双通道收发一体的正交调制与解调的高集成技术，采用了一片集成了信号的模数转换、数模转换、混频、滤波、放大等功能的高集成芯片，实现双通道射频收发。
(2)信号处理模块采用高性能的FPGA+DSP的超高速信号处理技术，实现信道衰落模拟，衰落类型丰富，衰落频谱形状多样。
(3)上位机控制模块采用ARM嵌入式的低功耗、小型化技术，实现整个无线信道模拟装置的高速数据传输和控制等功能。
(4)本发明的手持式无线信道模拟装置实现模块化，体积小，简便易操作，能够灵活快速的实现信道模拟。
附图说明
图1为现有技术的信道模拟装置原理框图；
图2为本发明的整体结构原理框图；
图3为本发明的内部结构原理框图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明，为了描述的方便，描述以上系统或装置时以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
实施例1：
如图2、3所示，本实施例的手持式无线信道模拟装置，包括通过数据总线互联的上位机控制模块(10)、信号处理模块(20)和射频收发模块(30)；其中，上位机控制模块(10)与信号处理模块(20)、射频收发模块(30)之间采用PCIE数据总线互联，所述信号处理模块(20)与射频收发模块(30)之间采用RapidIO数据总线互联。整个信道模拟装置实现模块化和小型化，简便易操作，能够灵活快速的实现信道模拟。
上位机控制模块(10)采用ARM架构的Apalis iMX6Q处理器，用于为用户提供信道模型和配置参数选择，根据所述信道模型和配置参数计算信道参数，并将该信道参数传输到信号处理模块(20)中的DSP单元(21)。
上位机控制模块(10)中可配置的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，频谱状态和衰落类型。
上位机控制模块(10)配置信道参数的具体步骤为：
S1:根据用户选择信道模型，确定衰落路径数目；
S2:设置各径时延、损耗、移动速度等参数；
S3:根据用户选择各径衰落类型确定加权因子；
S4:根据用户设置移动速度及公式(1)计算多普勒频率，
其中，fc，ν，c分别表示通信频率、移动速度和光速；
S5:根据用户选择各径频谱形状，计算各散射支路入射角；
S6:通过数据总线传递信道参数给信号处理模块中的DSP单元。
本实施例的上位机控制模块采用ARM嵌入式的低功耗、小型化技术，实现整个无线信道模拟装置的高速数据传输和控制等功能。
信号处理模块(20)包括DSP单元(21)和第一FPGA单元(22)，DSP单元(21)的芯片为TMS320C6455，DSP单元(21)用于接收所述上位机控制模块(10)传输的信道参数，将所述信道参数定点化，并将该定点化的信道参数传输到第一FPGA单元(22)。
射频收发模块(30)包括第二FPGA单元(31)和控制收发器单元(32)，本实施例中的第一FPGA单元(21)和第二FPGA单元(31)的芯片均为XC7K325T。
射频收发模块(30)的控制收发器单元(32)的芯片型号为AD9371，射频收发模块(30)采用软件无线电的思想设计完成射频收发。射频收发模块(30)中的第二FPGA单元(31)从信号处理模块(20)接收叠加了信道衰落的数字基带信号，根据设置的数字调制方式及信道编码方式对信号进行数字调制及信道编码。然后将经过调制及编码后的信号送到射频收发模块(30)中的控制收发器单元(32)AD9371芯片。AD9371芯片集成了图1中的(101)-(104)，(201)-(204)，(301)-(304)，(401)-(402)，(501)-(504)各电路结构的功能。控制收发器单元(32)接受经过数字调制及编码后的数字基带信号进行数模转换、频谱搬移、滤波输出等过程，最后控制收发器单元(32)输出射频信号经过相应调理后输出。
本实施例的射频收发模块采用双通道收发一体的正交调制与解调的高集成技术，采用了一片集成了信号的模数转换、数模转换、混频、滤波、放大等功能的高集成芯片，实现双通道射频收发，射频收发模块(30)的接收频率与发射频率均为300MHz～6000MHz，发射带宽250MHz，接收带宽100MHz。
当进行信号接收时，所述控制收发器单元(32)从接收端口接收模拟射频信号，将所述模拟射频信号进行放大、滤波、模拟解调和模数转换后变换为数字基带信号，并传送到所述第二FPGA单元(31)；第二FPGA单元(31)对所述数字基带信号进行数字解调和解码后，将该数字基带信号输入到第一FPGA单元；所述第一FPGA单元(22)根据所述信道参数对所述数字基带信号进行数字处理，得到经过信道衰落并叠加噪声后的数字信号；
当进行信号发射时，第一FPGA单元(22)根据所述信道参数对数字基带信号进行数字处理，得到经过信道衰落并叠加噪声后的数字信号，并将该数字信号输出到所述第二FPGA单元(31)；第二FPGA单元(31)对该数字信号进行数字调制与编码，并将该数字信号传递到所述控制收发器单元(32)；控制收发器单元(32)对该数字信号进行数模转换、滤波和放大后，从发射端口输出模拟射频信号。
实施例2：
本实施例为采用实施例1的手持式无线信道模拟装置进行无线信道模拟的方法，包括如下步骤：
S1:DSP单元(21)接收上位机控制模块(10)传输过来的信道参数；
S2:DSP单元(21)将接收过来的信道参数定点化，将信道参数的小数部分转换成16位二进制整数；
S3:第一FPGA单元(22)接收DSP单元(21)产生的定点化的信道参数与射频收发模块(30)采集到的数字基带信号；
S4:第一FPGA单元(22)接收的数字基带信号经过信道时延模块产生路径时延；
S5:第一FPGA单元(22)中的路径损耗模块根据用户设置参数产生各径损耗；
S6:第一FPGA单元(22)中的信道衰落模块根据用户所选的衰落模型以及接收到的信道参数，产生信道衰落；
S7:第一FPGA单元(22)中的噪声叠加模块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，产生满足信噪比要求的高斯白噪声；
S8:第一FPGA单元(22)得到经过信道衰落并叠加噪声后的信号；
其中，表示经过信道衰落并叠加噪声的数字基带信号，表示输入的数字基带信号，L表示路径数目，τl表示各路径时延，表示各路径的基带信道冲击响应，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；
S9:第一FPGA单元(22)将经过信道衰落并叠加噪声后的信号输出到射频收发模块(30)。
本实施例的信号处理模块采用高性能的FPGA+DSP的超高速信号处理技术，实现信道衰落模拟，衰落类型丰富，衰落频谱形状多样。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明，对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的。
应当理解的是，本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。

Claims (10)

1.一种手持式无线信道模拟装置，其特征在于：包括通过数据总线互联的上位机控制模块、信号处理模块和射频收发模块，所述上位机控制模块包括计算控制单元，所述信号处理模块包括DSP单元和第一FPGA单元，所述射频收发模块包括第二FPGA单元和控制收发器单元；
所述上位机控制模块采用ARM架构的嵌入式系统，用于为用户提供信道模型和配置参数选择，根据所述信道模型和配置参数计算信道参数，并将该信道参数传输到信号处理模块中的DSP单元；
所述DSP单元用于接收所述上位机控制模块传输的信道参数，将所述信道参数定点化，并将该定点化的信道参数传输到第一FPGA单元；
当进行信号接收时，所述控制收发器单元从接收端口接收模拟射频信号，将所述模拟射频信号进行放大、滤波、模拟解调和模数转换后变换为数字基带信号，并传送到所述第二FPGA单元；所述第二FPGA单元对所述数字基带信号进行数字解调和解码后，将该数字基带信号输入到所述第一FPGA单元；所述第一FPGA单元根据所述信道参数对所述数字基带信号进行数字处理，得到经过信道衰落并叠加噪声后的数字信号；
当进行信号发射时，第一FPGA单元根据所述信道参数对数字基带信号进行数字处理，得到经过信道衰落并叠加噪声后的数字信号，并将该数字信号输出到所述第二FPGA单元；所述第二FPGA单元对该数字信号进行数字调制与编码，并将该数字信号传递到所述控制收发器单元；所述控制收发器单元对该数字信号进行数模转换、滤波和放大后，从发射端口输出模拟射频信号。
2.如权利要求1所述的一种手持式无线信道模拟装置，其特征在于：所述上位机控制模块与信号处理模块、射频收发模块之间采用PCIE数据总线互联，所述信号处理模块与射频收发模块之间采用RapidIO数据总线互联。
3.如权利要求1所述的一种手持式无线信道模拟装置，其特征在于：所述上位机控制模块中可配置的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，频谱形状和衰落类型。
4.如权利要求1-3中任一项所述的一种手持式无线信道模拟装置，其特征在于：所述上位机控制模块配置信道参数的具体步骤为：
S1:用户选择信道模型，确定衰落路径数目；
S2:设置各径时延、损耗、移动速度参数；
S3:选择各径衰落类型，确定加权因子；
S4:设置移动速度，通过公式(1)计算多普勒频率，
f d = f c v c - - - ( 1 )
其中，fc，ν，c分别表示通信频率、移动速度和光速；
S5:选择各径频谱形状，计算各散射支路入射角；
S6:通过数据总线传递信道参数给信号处理模块中的DSP单元。
5.如权利要求1-4中任一项所述的一种手持式无线信道模拟装置，其特征在于：所述上位机控制模块的CPU型号为Apalis iMX6Q。
6.如权利要求1-4中任一项所述的一种手持式无线信道模拟装置，其特征在于：所述信号处理模块中的DSP单元的芯片型号为TMS320C6455。
7.如权利要求1-4中任一项所述的一种手持式无线信道模拟装置，其特征在于：所述第一FPGA单元和第二FPGA单元的芯片型号均为XC7K325T。
8.如权利要求1-4中任一项所述的一种手持式无线信道模拟装置，其特征在于：所述射频收发模块的控制收发器单元的芯片型号为AD9371。
9.如权利要求1-4中任一项所述的一种手持式无线信道模拟装置，其特征在于：所述射频收发模块的接收与发射频段均为300MHz～6000MHz，发射带宽250MHz，接收带宽100MHz。
10.一种无线信道模拟方法，其特征在于：采用如权利要求1-9中任一项所述的手持式无线信道模拟装置，进行如下步骤：
S1:DSP单元接收上位机控制模块传输过来的信道参数；
S2:DSP单元将接收过来的信道参数定点化；
S3:第一FPGA单元接收DSP单元产生的定点化的信道参数与射频收发模块采集到的数字基带信号；
S4:第一FPGA单元接收的数字基带信号经过信道时延模块，产生路径时延；
S5:第一FPGA单元中的路径损耗模块根据用户设置参数，产生各径损耗；
S6:第一FPGA单元中的信道衰落模块根据用户所选的衰落模型以及接收到的信道参数，产生信道衰落；
S7:第一FPGA单元中的噪声叠加模块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，产生满足信噪比要求的高斯白噪声；
S8:第一FPGA单元得到经过信道衰落并叠加噪声后的信号；
y ~ ( t ) = Σ l L x ~ ( t - τ l ) * h ~ l ( t - τ l ) + n ~ ( t ) - - - ( 2 )
其中，表示经过信道衰落并叠加噪声的数字基带信号，表示输入的数字基带信号，L表示路径数目，τl表示各路径时延，表示各路径的基带信道冲击响应，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；
S9:第一FPGA单元将经过信道衰落并叠加噪声后的信号输出到射频收发模块。
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