CN107484197A - 任意多普勒功率谱的无线衰落信道模拟装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种任意多普勒功率谱的无线衰落信道模拟装置及方法，其中装置包括相互对称的下行链路与上行链路模拟装置，所述上行链路模拟装置包括PC机用户交互单元，信道参数处理单元，信道产生叠加单元，信号输入单元以及信号输出单元。本发明提出的信道模拟器具有通用性，不仅支持当前无线信道标准定义的多种多普勒功率谱，同时支持用户自定义的任意多普勒功率谱形状，本发明提出的信道模拟器支持不同形状多普勒功率谱的动态时间平滑演进。
Description
技术领域：
本发明涉及一种任意多普勒功率谱的无线衰落信道模拟装置及方法，属于无线信息 传输领域，特别针对任意散射环境下具有不同多普勒功率谱形状的无线衰落信道的模拟 装置及产生方法。
背景技术：
在无线通信系统中，无线衰落信道是重要组成部分，具有极高的随机性和复杂性。为了研究无线通信系统在不同传输环境下的性能，进行大量的外场实验往往要花费大量的时间和成本。一种更加切实可行的方法是利用信道模拟器来模拟复杂的电波传输环 境，以此评估无线通信系统的性能。
无线通信在传输过程中往往会有多径效应，电波在接收器处相互叠加。由于发射器 与接收器间的相对运动导致部分电波的多普勒频移。不同波的多普勒频移互相叠加得到 多普勒频率的一个连续谱，称为多普勒功率谱。不同场景下由于电磁波到达接收器的入射角的不同，多普勒功率谱密度往往是不同的。一般情况下我们假设到达角是均匀分布的，多普勒功率谱为Jakes功率谱。但由于散射环境的复杂性，多普勒功率谱往往不一 定符合Jakes功率谱形状。例如，远回声的多普勒功率谱密度已经大大偏离了Jakes功 率谱形状，航空信道的多普勒功率谱具有高斯形状。此外，安捷伦生产的基带发生器和 信道仿真器N5106A支持经典3dB、经典6dB、平坦、圆形、Jakes经典、Jakes圆形、 高斯七种功率谱形状，而EB公司研发的Propsim F8无线信道模拟器也支持平坦、圆 拱、高斯、Jakes、和巴特沃兹等多种多普勒功率谱形状。
需要指出的是，实际中发射机和接收机的位置和姿态处于不断变化之中，因而无线 信号到达接收机的角度也具有时变性，从而造成多普勒功率谱的形状时刻发生改变。现有的无线信道模拟器仅支持特定形状的多普勒功率谱，或者多普勒功率谱不能随时间动态的变化。为了应对更加复杂多变的通信环境，同时减少研发成本，缩短研发周期，有 必要设计一种具有任意多普勒形状且多普勒形状能动态变化的信道模拟器。
发明内容：
本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种任意多普勒功率谱的无线 衰落信道模拟装置及方法。
本发明采用如下技术方案：一种任意多普勒功率谱的无线衰落信道模拟装置，包括 相互对称的下行链路与上行链路，所述上行链路模拟装置包括PC机用户交互单元，信道参数处理单元，信道产生叠加单元，信号输入单元以及信号输出单元；
所述PC机用户交互单元与信道参数处理单元相连，PC机用户交互单元包括参数设置模块和参数计算模块，参数设置模块根据用户选择需要预先设置好不同时刻的多普勒功率谱形状，参数计算模块根据用户的设置，计算不同时刻的信道参数，通过PCIE总 线实时的传输到信道参数处理单元；
所述信道参数处理单元与信道产生叠加单元相连，所述信道参数处理单元包括参数 缓存模块、参数内插模块以及参数随机游走模块，所述参数缓存模块用于缓存PCIE总线传输的信道参数，参数随机游走模块对信道参数施加一个随机的微小偏移，参数内插 模块对每一组信道参数进行线性内插；
所述信道产生叠加单元包括第一时延、第二时延和信道衰落产生模块，所述第一时 延、第二时延对两路基带信号延时产生多径信号，所述信道衰落产生模块接收信道参数处理单元的信道参数产生两路正交的多径衰落信道；
所述信号输入单元包括下混频、模数转换和下变频，信号输入单元用于将模拟的射 频信号转换为基带的数字信号进入信道产生叠加单元；
所述信号输出单元包括上变频、数模转换和上混频，信号输出单元用于将信道产生 叠加单元输出的数字基带信号转换为射频信号输出。
本发明还采用如下技术方案：一种任意多普勒功率谱的无线衰落信道模拟方法，包 括如下步骤：
第一步，用户在PC机用户交互单元设置参数，参数计算模块根据输入的参数计算信道参数并进行定点量化得到硬件所需的信道参数；
第二步，PC机用户交互单元通过PCIE总线实时的将每一时刻的信道参数传输到信道参数处理单元的参数缓存模块中；
第三步，参数缓存模块中存储的信道参数经过参数内插模块和参数随机游走模块后 传输给信道衰落产生模块；
第四步，信号输入单元将射频输入的模拟信号通过下混频得到中频信号，经过模数 转换、下变频转换为两路基带数字信号，转换后的数字基带信号经过时延后与信道衰落产生模块产生的多径衰落卷积得到具有衰落特性的信号；
第五步，信道产生叠加单元输出的复基带信号经过上变频转换为中频信号，经过数 模转换和上混频转换为射频信号输出。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明提出的信道模拟器具有通用性，不仅支持当前无线信道标准定义的多种多普勒功率谱，同时支持用户自定义的任意多普勒功率谱形状；
(2)本发明提出的信道模拟器支持不同形状多普勒功率谱的动态时间平滑演进。
附图说明：
图1为任意多普勒功率谱的无线衰落信道模拟装置系统框图。
图2中2(a)、2(b)、2(c)、2(d)、2(e)、2(f)、2(g)为静态场景不同功率 谱形状仿真结果。
图3中3(a)为动态场景一时三维多普勒功率谱仿真结果。
图3中3(b)为动态场景一时离散时刻多普勒功率谱仿真结果。
图4中4(a)为动态场景二时三维多普勒功率谱仿真结果。
图4中4(b)为动态场景二时离散时刻多普勒功率谱仿真结果。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的说明。以下实施案例用于解释本发明，但不限制 本发明的应用范围。
本发明公开一种任意多普勒功率谱的无线衰落信道模拟装置，包括相互对称的下行 链路与上行链路的模拟装置，下面仅对上行链路进行描述。上行链路模拟装置包括PC机用户交互单元1-1，信道参数处理单元1-2，信道产生叠加单元1-3，信号输入单元1-4 以及信号输出单元1-5。因为下行链路与上行链路相互对称，所以以下仅对上行链路加 以描述。
PC机用户交互单元1-1与信道参数处理单元1-2相连，PC机用户交互单元1-1包 括参数设置模块1-6和参数计算模块1-7。用户选择根据场景需要预先设置好不同时刻 的多普勒功率谱形状，支持自定义的形状输入。软件根据用户的设置，计算不同时刻的 信道参数，通过PCIE总线实时的传输到信道参数处理单元1-2。
信道参数处理单元1-2与信道产生叠加单元1-3相连，两个单元的功能都在Xilinx公司的XC7K325TFFG900-2FPGA芯片上完成。信道参数处理单元1-2包括参数缓存模 块1-8、参数内插模块1-9以及参数随机游走模块1-10。参数缓存模块1-8用于缓存PCIE 总线传输的信道参数，参数随机游走模块1-10对信道参数施加一个随机的微小偏移， 参数内插模块1-9对每一组信道参数进行线性内插。
信道产生叠加单元1-3包括第一时延1-14、第二时延1-15和信道衰落产生模块1-16。 第一时延1-14、第二时延1-15对两路基带信号延时产生多径信号。信道衰落产生模块1-16接收信道参数处理单元1-2的信道参数产生两路正交的多径衰落信道。
信号输入单元1-4包括下混频1-11、模数转换1-12和下变频1-13，用于将模拟的射频信号转换为基带的数字信号进入信道产生叠加单元1-3。
信号输出单元1-5包括上变频1-17、数模转换1-18和上混频1-19，用于将信道产生叠加单元1-3输出的数字基带信号转换为射频信号输出。
本发明任意多普勒功率谱的无线衰落信道模拟方法，包括如下步骤：
第一步，用户在PC机用户交互单元1-1设置参数，主要包括多径数目、路径损耗、多径时延、多普勒功率谱等参数。对于多普勒功率谱用户既可以在界面上选择一些常见 的多普勒功率谱形状并指定其最大多普勒频移fmax也可以直接输入多普勒功率谱密度 S(f)。参数计算模块1-7根据输入的参数计算信道参数并进行定点量化得到硬件所需的 信道参数。其中最主要的部分是计算信道衰落产生模块1-16所需的离散多普勒频率fn和具体方法如下：
(11)若用户直接输入多普勒功率谱密度S(f)则进行步骤(12)，若用户没有直接输入多普勒功率谱密度S(f)，则根据用户输入的多普勒功率谱形状和最大多普勒频移 fmax确定多普勒功率谱密度S(f)；
(12)将多普勒功率谱密度S(f)围成的面积等分为N份，即
其中fv为各区间的端点；
(13)利用公式(2)将步骤(12)中由fv-1fv围成的子区间二等分
式中fn即为所需的离散多普勒频率，将其定点量化；
(14)随机产生(-π,π]内均匀分布的初始相位并定点量化；
(15)重复步骤(11)到(14)得到每个多普勒功率谱形状对应的fn和
第二步，PC机用户交互单元1-1通过PCIE总线实时的将每一时刻的信道参数传输到信道参数处理单元1-2的参数缓存模块1-8中。
第三步，参数缓存模块1-8中存储的信道参数经过参数内插模块1-9和参数随机游走模块1-10后传输给信道衰落产生模块1-16。以离散多普勒频率fn为例，具体步骤如 下：
(31)从参数缓存模块1-8读取相邻两个信道状态的离散多普勒频率fn[mI]、 fn[(m+1)I]；
(32)对离散多普勒频率fn[mI]、fn[(m+1)I]线性内插I倍，方法如下
(33)产生一种具有Brown运动特性的随机过程，方法如下
其中δ[0]＝0，Ts为信道参数的变化周期，D为扩散常数，当D＝1时为标准Brown 运动；
(34)对步骤(32)中内插后的每一个离散多普勒频率fn'[mI+k]添加步骤(33) 产生的偏移量δ[mI+k]
fn”[mI+k]＝fn'[mI+k]+δ[mI+k] (5)
将变换后的fn”[mI+k]作为fn；
(35)重复步骤(31)到(34)，实时计算下一状态的信道参数直到信道模拟结束。
第四步，信号输入单元1-4将射频输入的模拟信号通过下混频1-11得到中频信号，经过模数转换1-12、下变频1-13转换为两路基带数字信号。转换后的数字基带信号经 过时延后与信道衰落产生模块1-16产生的多径衰落卷积得到具有衰落特性的信号。信 道衰落产生模块1-16中每一径衰落的产生方法都是相同的，具体步骤如下：
(41)从信道参数处理单元1-2获得这一径的离散多普勒频率fn和初始相位
(42)采用分时复用的方法对fn进行累加并加上初始相位获得查找表的地址，并对地址进行变换分别得对应于[0,π/2]区间内的正弦地址和余弦地址；
(43)采用分时复用的方法用余弦地址查找余弦表得到N路不同频率相位的余弦信号，叠加后得到I支路低速率信道衰落；
(44)采用分时复用的方法用正弦地址查找余弦表得到N路不同频率相位的正弦信号，叠加后得到Q支路低速率信道衰落；
(45)对I、Q低速率信道衰落进行内插，内插方法如下：
其中，I＝2k为信号采样率与信道采样率的比值，具体实现步骤为：
(a)将原始低速率信道衰落记为y[m+1]，原始低速率信道衰落延时一个信道 采样周期后记为y[m]；
(b)将y[m+1]减去y[m]的值右移k位后作为累加器IP核的数据输入，将信 号采样率作为累加器IP核的时钟输入；
(c)累加器的输出加上初始值后通过低通滤波器滤除高频的镜像分量后即可 得到高速率信道衰落。
第五步，信道产生叠加单元1-3输出的复基带信号经过上变频1-17转换为中频信号， 经过数模转换1-18和上混频1-19转换为射频信号输出。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种任意多普勒功率谱的无线衰落信道模拟装置，包括相互对称的下行链路与上行链路模拟装置，其特征在于：所述上行链路模拟装置包括PC机用户交互单元(1-1)，信道参数处理单元(1-2)，信道产生叠加单元(1-3)，信号输入单元(1-4)以及信号输出单元(1-5)；
所述PC机用户交互单元(1-1)与信道参数处理单元(1-2)相连，PC机用户交互单元(1-1)包括参数设置模块(1-6)和参数计算模块(1-7)，用户选择根据场景需要预先设置好不同时刻的多普勒功率谱形状，参数计算模块(1-7)根据用户的设置，计算不同时刻的信道参数，通过PCIE总线实时的传输到信道参数处理单元(1-2)；
所述信道参数处理单元(1-2)与信道产生叠加单元(1-3)相连，所述信道参数处理单元(1-2)包括参数缓存模块(1-8)、参数内插模块(1-9)以及参数随机游走模块(1-10)，所述参数缓存模块(1-8)用于缓存PCIE总线传输的信道参数，参数随机游走模块(1-10)对信道参数施加一个随机的微小偏移，参数内插模块(1-9)对每一组信道参数进行线性内插；
所述信道产生叠加单元(1-3)包括第一时延(1-14)、第二时延(1-15)和信道衰落产生模块(1-16)，所述第一时延(1-14)、第二时延(1-15)对两路基带信号延时产生多径信号，所述信道衰落产生模块(1-16)接收信道参数处理单元(1-2)的信道参数产生两路正交的多径衰落信道；
所述信号输入单元(1-4)包括下混频(1-11)、模数转换(1-12)和下变频(1-13)，信号输入单元(1-4)用于将模拟的射频信号转换为基带的数字信号进入信道产生叠加单元(1-3)；
所述信号输出单元(1-5)包括上变频(1-17)、数模转换(1-18)和上混频(1-19)，信号输出单元(1-5)用于将信道产生叠加单元(1-3)输出的数字基带信号转换为射频信号输出。
2.一种任意多普勒功率谱的无线衰落信道模拟方法，其特征在于：包括如下步骤第一步，用户在PC机用户交互单元(1-1)设置参数，参数计算模块(1-7)根据输入的参数计算信道参数并进行定点量化得到硬件所需的信道参数；
第二步，PC机用户交互单元(1-1)通过PCIE总线实时的将每一时刻的信道参数传输到信道参数处理单元(1-2)的参数缓存模块(1-8)中；
第三步，参数缓存模块(1-8)中存储的信道参数经过参数内插模块(1-9)和参数随机游走模块(1-10)后传输给信道衰落产生模块(1-16)；
第四步，信号输入单元(1-4)将射频输入的模拟信号通过下混频(1-11)得到中频信号，经过模数转换(1-12)、下变频(1-13)转换为两路基带数字信号，转换后的数字基带信号经过时延后与信道衰落产生模块(1-16)产生的多径衰落卷积得到具有衰落特性的信号；
第五步，信道产生叠加单元(1-3)输出的复基带信号经过上变频(1-17)转换为中频信号，经过数模转换(1-18)和上混频(1-19)转换为射频信号输出。
3.如权利要求2所述的任意多普勒功率谱的无线衰落信道模拟方法，其特征在于：第一步中具体方法如下：
(11)若用户直接输入多普勒功率谱密度S(f)则进行步骤(12)，若用户没有直接输入多普勒功率谱密度S(f)，则根据用户输入的多普勒功率谱形状和最大多普勒频移fmax确定多普勒功率谱密度S(f)；
(12)将多普勒功率谱密度S(f)围成的面积等分为N份，即
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1
其中fv为各区间的端点；
(13)利用公式(2)将步骤(12)中由fv-1fv围成的子区间二等分
<mrow>
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</mrow>
式中fn即为所需的离散多普勒频率，将其定点量化；
(14)随机产生(-π,π]内均匀分布的初始相位n＝1,2,…,N，并定点量化；
(15)重复步骤(11)到(14)得到每个多普勒功率谱形状对应的fn和
4.如权利要求3所述的任意多普勒功率谱的无线衰落信道模拟方法，其特征在于：第三步中具体方法如下：
(31)从参数缓存模块(1-8)读取相邻两个信道状态的离散多普勒频率fn[mI]、fn[(m+1)I]；
(32)对离散多普勒频率fn[mI]、fn[(m+1)I]线性内插I倍，方法如下
<mrow>
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(33)产生一种具有Brown运动特性的随机过程，方法如下
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</mrow>
</mrow>
其中δ[0]＝0，Ts为信道参数的变化周期，D为扩散常数，当D＝1时为标准Brown运动；
(34)对步骤(32)中内插后的每一个离散多普勒频率fn'[mI+k]添加步骤(33)产生的偏移量δ[mI+k]
fn”[mI+k]＝fn'[mI+k]+δ[mI+k] (5)
将变换后的fn”[mI+k]作为fn；
(35)重复步骤(31)到(34)，实时计算下一状态的信道参数直到信道模拟结束。
5.如权利要求4所述的任意多普勒功率谱的无线衰落信道模拟方法，其特征在于：第四步中具体方法如下：
(41)从信道参数处理单元(1-2)获得这一径的离散多普勒频率fn和初始相位
(42)采用分时复用的方法对fn进行累加并加上初始相位获得查找表的地址，并对地址进行变换分别得对应于[0,π/2]区间内的正弦地址和余弦地址；
(43)采用分时复用的方法用余弦地址查找余弦表得到N路不同频率相位的余弦信号，叠加后得到I支路低速率信道衰落；
(44)采用分时复用的方法用正弦地址查找余弦表得到N路不同频率相位的正弦信号，叠加后得到Q支路低速率信道衰落；
(45)对I、Q低速率信道衰落进行内插，内插方法如下：
<mrow>
<mi>y</mi>
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<mi>m</mi>
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<mo>(</mo>
<mn>6</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，I＝2k为信号采样率与信道采样率的比值，具体实现步骤为：
(a)将原始低速率信道衰落记为y[m+1]，原始低速率信道衰落延时一个信道采样周期后记为y[m]；
(b)将y[m+1]减去y[m]的值右移k位后作为累加器IP核的数据输入，将信号采样率作为累加器IP核的时钟输入；
累加器的输出加上初始值后通过低通滤波器滤除高频的镜像分量后即可得到高速率信道衰落。
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