CN107370551A - 一种时域自相关平坦衰落信道建模方法 - Google Patents

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Abstract

一种时域自相关平坦衰落信道建模方法,包括以下步骤：首先，通过计算机仿真出平坦衰落信道，并对其进行验证，主要包括以下步骤：首先进行初始化参数，包括最大多普勒频移、系统采样频率、系统采样点数N，以及平坦滤波器相关参数；产生平坦衰落信道的方法是，通过两路高斯白噪声随机序列输入平坦滤波器，从而分别产生具有平坦多普勒功率谱的有色高斯白噪声随机序列，并分别组成了平坦衰落信道的实部和虚部；最后，对平坦衰落信道进行一阶和二阶统计分析，然后，设计该信道硬件仿真系统。本发明采用成形滤波器即平坦滤波器，便于实现瑞利信道平坦多普勒功率谱，且包络服从瑞利分布。

Description

一种时域自相关平坦衰落信道建模方法
技术领域
本发明涉及无线信道建模领域，更具体的说是涉及一种时域自相关平坦衰落信道建模方法。
背景技术
经典瑞利信道模型描述了小尺度范围内无线信道多径效应和多普勒效应，是无线通信信道最重要、最基础的仿真模型。该信道模型能很好地描述市区无直射路径环境下的移动无线通信信道状态，并且在该模型下，信道相角统计特性服从瑞利分布，相角统计服从均匀分布，且其多普勒功率谱为经典Jakes功率密度函数，表现为U型谱。然而，在室内环境，特别是在楼层之间发生无线通信时，可以假设电磁波从所有水平和垂直角度均匀到达接收端，此时，多普勒功率谱表现为平坦谱。该信道模型也是经典瑞利信道模型的一个重要分支，但鉴于相关文献和专利并未对平坦衰落信道仿真方法进行相关论述，因此，有必要提出一种平坦衰落信道建模和仿真方法。
发明内容
本发明的目的是在于提供一种时域自相关平坦衰落信道建模方法，旨在解决现有仿真方法中无法准确描述平坦衰落信道的问题。
本发明解决其技术问题采取的技术方案是：
一种时域自相关平坦衰落信道建模方法，包括以下步骤：
步骤一，程序开始、进行相关参数初始化；
步骤二，产生平坦衰落信道；
步骤三，对平坦衰落信道进行统计分析、程序结束；
步骤四，设计平坦衰落信道硬件仿真系统。
进一步，所述步骤一包括以下步骤：
程序开始后，即可进行参数初始化，设定平坦衰落信道的最大多普勒频移fd，系统采样频率fs，系统采样点数N。
进一步，所述步骤二包括以下步骤：
参数设置完成后，即可产生平坦衰落信道。将两路高斯白噪声随机序列输入具有平坦滤波器，从而分别产生具有平坦多普勒功率谱的有色高斯白噪声随机序列，分别组成平坦衰落信道的实部和虚部，该平坦衰落信道的包络服从瑞利分布，相角服从均匀分布。两路信号即实部和虚部的产生原理一致，以其中一路为例加以说明，通过高斯白噪声生成平坦衰落信道的实部如下：
第2-1步，时域高斯白噪声随机序列经过FFT变换后，转换至频域。
第2-2步，平坦滤波器对频域高斯白噪声随机序列进行滤波，并且该滤波器的数学表达式由频率f的多项式给出：
其中：平坦衰落信道的最大多普勒频移fd由参数初始化过程定义。
第2-3步，频域高斯白噪声随机序列经滤波处理后，由IFFT变换将频域信号转换至时域信号，即可得到平坦衰落信道的实部 hI(t)。
同理，另一路的频域高斯白噪声随机序列由IFFT变换，并通过转向器换向处理后，即可得到平坦衰落信道的虚部hQ(t)，且实部 hI(t)和虚部hQ(t)相互正交，实部hI(t)和虚部hQ(t)相加得到平坦衰落信道，即h(t)＝hI(t)+jhQ(t)。
进一步，所述步骤三包括以下步骤：
产生平坦衰落信道后，即可分别对其进行一阶和二阶统计分析。其中一阶统计分析包括对平坦衰落信道幅值分布和相角分布的分析，二阶统计分析包括对平坦衰落信道自相关函数和多普勒功率谱密度函数分析，通过与理论值相比较，验证该方法的准确性与科学性。
一阶、二阶统计分析为业内现有通用技术，属于信号分析的范畴，如专利号为201410288810.1公开的《一种Nakagami复衰落信道建模方法》。
进一步，所述步骤四中，平坦衰落信道硬件仿真系统主要包括发射器模块、模数转换模块、FPGA信道仿真器、计算机、数模转换模块、接收器模块。发射器模块通过模数转换模块与FPGA信道仿真器相连，计算机亦与FPGA信道仿真器相连，FPGA信道仿真器通过数模转换模块与接收器模块相连。
其中，发射器模块产生基带发射信号s(t)，发送至模数转换模块，并将数字化的基带发射信号s(t)传输至FPGA信道仿真器作为输入信号。同时，计算机产生平坦衰落信道h(t)的IP核，将IP核导入至FPGA信道仿真器作为模拟信道。经FPGA信道仿真器后，得到离散化的模拟接收器接收信号r(t)，并由数模转换模块转换为连续信号，最终传输至接收器模块。
离散化的模拟接收器接收信号r(t)表示为：
式中，n为无线信道多径数目；hk(t)＝hI(t)+jhQ(t)为第k条路径下的平坦衰落信道，且hk(t)均由计算机产生的平坦衰落信道h(t) 给出，具有时变性；s(t)为基带发射信号，由发射器模块产生；τk为时延，由计算机进行定义。
通过FPGA实现多径时变频率选择性衰落信道时，离散化的模拟接收器接收信号r(t)可表示为多径时变频率选择性衰落信道。
其中，所述步骤一至步骤三可在计算机MATLAB完成。所述步骤四可联合计算机和FPGA板卡等实现巴特沃兹复衰落瑞利信道仿真的功能。
本发明与现有仿真方法相比较具有以下优点：
(1)采用成形滤波器即平坦滤波器，便于实现瑞利信道平坦多普勒功率谱，从而实现平坦衰落信道。
(2)该仿真方法可以通过优化成形滤波器的相关参数，从而能便捷地改善仿真模型的性能。
(3)该建模方法实现简单，具有良好的扩展性，为后续研究其他无线信道衰落模型提供了思路；
(4)该信道硬件仿真系统装置简洁、易于实现，能应用于城区的移动通信无线信道的仿真和测试中。
附图说明
图1为本发明平坦衰落信道建模方法流程图。
图2为本发明平坦衰落信道的生成流程图。
图3为本发明仿真结果之平坦衰落信道时域幅值波动图。
图4为本发明仿真结果之平坦衰落信道一阶统计特性图。
图5为本发明仿真结果之平坦衰落信道二阶统计特性图。
图6为本发明平坦衰落信道硬件仿真系统结构图。
图7为本发明模拟接收器接收信号r(t)生成原理图。
具体实施方式
以下结合附图和实施方法对本发明作进一步说明。
参照图1，本发明平坦衰落信道建模方法，包括以下步骤：程序开始、参数初始化U1、产生平坦衰落信道U2、对平坦衰落信道进行统计分析U3、程序结束。
程序开始后，即可进行参数初始化U1，不失一般的，我们设定平坦衰落信道的最大多普勒频移fd＝500Hz，系统采样频率 fs＝15000Hz，系统采样点数N＝106。
参数设置完成后，即可产生平坦衰落信道U2。将两路高斯白噪声随机序列输入平坦滤波器，从而分别产生具有平坦多普勒功率谱的有色高斯白噪声随机序列，并分别组成了平坦衰落信道的实部和虚部，该平坦衰落信道的包络服从瑞利分布，相角服从均匀分布。
产生平坦衰落信道后，即可分别对其进行一阶和二阶统计分析。其中一阶统计分析包括对平坦衰落信道幅值分布和相角分布分析，二阶统计分析包括对平坦衰落信道自相关函数和多普勒功率谱密度函数分析，通过与理论值相比较，验证该方法的准确性与科学性。
参照图2，产生平坦衰落信道U2，主要包括高斯白噪声随机序列 U21和U25、FFT变换U22和U26、平坦滤波器U23和U27、IFFT变换 U24和U28、转向器U29、平坦衰落信道U30。其中，高斯白噪声随机序列U21、FFT变换U22、平坦滤波器U23、IFFT变换U24产生信道平坦衰落信道U30的实部hI(t)；高斯白噪声随机序列U25、FFT变换U26、平坦滤波器U27、IFFT变换U28、转向器U29产生平坦衰落信道U30的虚部hQ(t)，并且实部hI(t)和虚部hQ(t)相互正交。两路信号的产生原理一致，以其中一路为例加以说明。
时域高斯白噪声随机序列U21经过FFT变换U22后，转换至频域。
平坦滤波器U23和U27对频域高斯白噪声随机序列进行滤波，并且该滤波器的数学表达式均可由频率f的多项式给出：
其中：平坦衰落信道的最大多普勒频移fd由参数初始化过程定义。
频域高斯白噪声随机序列经滤波处理后，由IFFT变换U24将频域信号转换至时域信号，即可得到平坦衰落信道U30的实部hI(t)。同理，另一路的频域高斯白噪声随机序列由IFFT变换U28，并通过转向器U29换向处理后，即可得到平坦衰落信道U30的虚部hQ(t)，且实部hI(t)和虚部hQ(t)相互正交，实部hI(t)和虚部hQ(t)相加得到平坦衰落信道U30，即h(t)＝hI(t)+jhQ(t)。
本发明对平坦衰落信道进行了仿真，其中，相关参数分别为：最大多普勒频移fd＝500Hz，系统采样频率fs＝15000Hz，系统采样点数N＝106，相应的仿真结果如图3、图4和图5所示。其中，图3为时域平坦衰落信道U30的幅值波形图，描述了信道在不同时刻的衰落情况。图4描述了平坦衰落信道U30的一阶统计特性，可以看出，其幅值的概率密度分布服从瑞利分布，而相角的概率密度分布服从均匀分布，符合瑞利信道的一阶统计特性。图5描述了平坦衰落信道U30的二阶统计特性，可以看出本发明输出信道的二阶统计特性自相关函数和多普勒功率谱密度函数与理论值均能很好的吻合。
完成初始化参数U1、产生平坦衰落信道U2、对平坦衰落信道进行统计分析U3后，还包括设计平坦衰落信道硬件仿真系统。
参照图6，平坦衰落信道硬件仿真系统，主要包括发射器模块 6-1、模数转换模块6-2、FPGA信道仿真器6-3、计算机6-4、数模转换模块6-5、接收器模块6-6。发射器模块6-1通过模数转换模块6-2 与FPGA信道仿真器6-3相连，计算机6-4亦与FPGA信道仿真器6-3 相连，FPGA信道仿真器6-3通过数模转换模块6-5与接收器模块6-6 相连。
其中，发射器模块6-1产生基带发射信号s(t)，发送至模数转换模块6-2，并将数字化的基带发射信号s(t)传输至FPGA信道仿真器6-3作为输入信号。同时，计算机6-4的MATLAB和ISE软件创建并生成平坦衰落信道h(t)的IP核，并将IP核导入至FPGA信道仿真器6-3作为模拟信道。经FPGA信道仿真器进行相关数乘运算后，得到离散化的模拟接收器接收信号r(t)，并由数模转换模块6-5转换为连续信号，最终传输至接收器模块6-6进行相关分析。不失一般地， FPGA信道仿真器的板卡采用Xilinx公司Kintex-7系列的KC705型号。
参照图7，通过FPGA实现多径时变频率选择性衰落信道时，离散化的模拟接收器接收信号r(t)可表示为多径时变频率选择性衰落信道。离散化的模拟接收器接收信号r(t)表示为：
式中，n为无线信道多径数目；hk(t)＝hI(t)+jhQ(t)为第k条路径下的平坦衰落信道，且hk(t)均由计算机产生的平坦衰落信道h(t) 给出，具有时变性；s(t)为基带发射信号，由发射器模块产生；τk为时延，由计算机进行定义。
本发明之一种时域自相关平坦衰落信道建模方法及仿真器设计能实现对平坦衰落信道进行建模和仿真的功能，具有良好稳定性和准确性的特点，适用于需要对无线信道建模、仿真和特征参数提取的场合。
本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种时域自相关平坦衰落信道建模方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，程序开始、进行相关参数初始化；
步骤二，产生平坦衰落信道；
步骤三，对平坦衰落信道进行统计分析、程序结束；
步骤四，设计平坦衰落信道硬件仿真系统。
2.根据权利要求1所述的一种时域自相关平坦衰落信道建模方法，其特征在于，所述步骤一包括以下步骤：
程序开始后，即可进行参数初始化，设定平坦衰落信道的最大多普勒频移fd，系统采样频率fs，系统采样点数N。
3.根据权利要求2所述的一种时域自相关平坦衰落信道建模方法，其特征在于，所述步骤二包括以下步骤：
将两路高斯白噪声随机序列输入具有平坦滤波器，从而分别产生具有平坦多普勒功率谱的有色高斯白噪声随机序列，分别组成平坦衰落信道的实部和虚部，该平坦衰落信道的包络服从瑞利分布，相角服从均匀分布；通过高斯白噪声生成平坦衰落信道的实部如下：
第2-1步，时域高斯白噪声随机序列经过FFT变换后，转换至频域；
第2-2步，平坦滤波器对频域高斯白噪声随机序列进行滤波，并且该滤波器的数学表达式均可由频率f的多项式给出：
<mrow> <mi>H</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>f</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>f</mi> <mi>d</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> <mo>|</mo> <mi>f</mi> <mo>|</mo> <mo>&amp;le;</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>d</mi> </msub> <mo>;</mo> </mrow>
其中，平坦衰落信道的最大多普勒频移fd由参数初始化过程定义；
第2-3步，频域高斯白噪声随机序列经滤波处理后，由IFFT变换将频域信号转换至时域信号，即得到平坦衰落信道的实部hI(t)；
同理，另一路的频域高斯白噪声随机序列由IFFT变换，并通过转向器换向处理后，即可得到平坦衰落信道的虚部hQ(t)，且实部hI(t)和虚部hQ(t)相互正交，实部hI(t)和虚部hQ(t)相加得到平坦衰落信道，即h(t)＝hI(t)+jhQ(t)。
4.根据权利要求1或2所述的一种时域自相关平坦衰落信道建模方法，其特征在于，所述步骤三包括以下步骤：
分别对平坦衰落信道进行一阶和二阶统计分析；其中一阶统计分析包括对平坦衰落信道幅值分布和相角分布的分析，二阶统计分析包括对平坦衰落信道自相关函数和多普勒功率谱密度函数分析。
5.根据权利要求1或2所述的一种时域自相关平坦衰落信道建模方法，其特征在于，所述步骤四中，平坦衰落信道硬件仿真系统主要包括发射器模块、模数转换模块、FPGA信道仿真器、计算机、数模转换模块、接收器模块；发射器模块通过模数转换模块与FPGA信道仿真器相连，计算机亦与FPGA信道仿真器相连，FPGA信道仿真器通过数模转换模块与接收器模块相连；
其中，发射器模块产生基带发射信号s(t)，发送至模数转换模块，并将数字化的基带发射信号s(t)传输至FPGA信道仿真器作为输入信号；同时，通过计算机的MATLAB和ISE软件创建并生成平坦衰落信道h(t)的IP核，将IP核导入至FPGA信道仿真器作为模拟信道。经FPGA信道仿真器后，得到离散化的模拟接收器接收信号r(t)，并由数模转换模块转换为连续信号，最终传输至接收器模块；
离散化的模拟接收器接收信号r(t)表示为：
<mrow> <mi>r</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <msub> <mi>h</mi> <mi>k</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>s</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>;</mo> </mrow>
式中，n为无线信道多径数目；hk(t)＝hI(t)+jhQ(t)为第k条路径下的平坦衰落信道，且hk(t)均由计算机产生的平坦衰落信道h(t)给出，具有时变性；s(t)为基带发射信号，由发射器模块产生；τk为时延，由计算机进行定义。
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