CN107566064A - 一种巴特沃兹复衰落瑞利信道仿真方法 - Google Patents

Abstract

一种巴特沃兹复衰落瑞利信道仿真方法，首先，通过计算机仿真出巴特沃兹复衰落瑞利信道，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，以及巴特沃兹滤波器相关参数；然后产生巴特沃兹复衰落瑞利信道，通过两路高斯白噪声输入巴特沃兹滤波器，从而分别产生具有巴特沃兹多普勒功率谱的有色高斯白噪声序列，并分别组成了巴特沃兹复衰落瑞利信道的实部和虚部；最后，对巴特沃兹复衰落瑞利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巴特沃兹滤波器，便于实现瑞利信道巴特沃兹多普勒功率谱，且包络服从瑞利分布。

Description

一种巴特沃兹复衰落瑞利信道仿真方法

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巴特沃兹复衰落瑞利信道仿真方法。

背景技术

经典瑞利信道模型描述了市区无直射路径环境下的移动无线通信信道状态，包括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。该信道模型的相角统计特性服从瑞利分布，相角统计服从均匀分布，而多普勒功率谱为经典 Jakes功率密度函数，表现为U型谱。然而，在固定无线通信信道中，由于发射器和接收器的相对运动，造成了很小的多普勒扩展，在这种情况下，多普勒功率谱的功率主要集中在一定频率范围内，此时，多普勒功率谱表现为巴特沃兹谱。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巴特沃兹复衰落瑞利信道仿真方法进行相关论述，因此，有必要提出一种巴特沃兹复衰落瑞利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巴特沃兹复衰落瑞利信道仿真方法，旨在解决现有仿真方法中无法准确描述巴特沃兹衰落信道的问题。

本发明解决其技术问题采取的技术方案是：

一种巴特沃兹复衰落瑞利信道仿真方法，包括以下步骤：

步骤一，程序开始，初始化参数；

步骤二，产生巴特沃兹复衰落瑞利信道；

步骤三，对巴特沃兹复衰落瑞利信道进行统计分析，程序结束；

步骤四，设计巴特沃兹复衰落瑞利信道硬件仿真系统。

进一步，所述步骤一包括以下步骤：

程序开始后，即可进行初始化参数，设定巴特沃兹复衰落瑞利信道的最大多普勒频移f_d，系统采样频率f_s，系统采样点数N，以及巴特沃兹滤波器阶数M。

进一步，所述步骤二包括以下步骤：

参数设置完成后，即可产生巴特沃兹复衰落瑞利信道。将两路高斯白噪声输入巴特沃兹滤波器，从而产生两路具有巴特沃兹多普勒功率谱的有色高斯白噪声序列，分别组成巴特沃兹复衰落瑞利信道的实部和虚部，该巴特沃兹复衰落瑞利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巴特沃兹复衰落瑞利信道的实部如下：

第2-1步，时域复高斯白噪声经过FFT变换后，转换至频域。

第2-2步，巴特沃兹滤波器对频域复高斯白噪声进行滤波，并且该巴特沃兹滤波器的数学表达式可由频率f的多项式给出：

其中，巴特沃兹复衰落瑞利信道的最大多普勒频移f_d、滤波器阶数M由初始化参数过程定义。

第2-3步，频域复高斯白噪声经滤波处理后，由IFFT变换将频域信号转换至时域信号，即可得到巴特沃兹复衰落瑞利信道的实部 h_I(t)。同理，另一路的频域复高斯白噪声由IFFT变换，并通过换向器换向处理后，即可得到巴特沃兹复衰落瑞利信道的虚部h_Q(t)，且实部h_I(t)和虚部h_Q(t)相互正交，实部h_I(t)和虚部h_Q(t)相加得到巴特沃兹复衰落瑞利信道，即h(t)＝h_I(t)+jh_Q(t)。

进一步，所述步骤三包括以下步骤：

产生巴特沃兹复衰落瑞利信道后，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巴特沃兹复衰落瑞利信道幅值分布和相角分布分析，二阶统计分析包括对巴特沃兹复衰落瑞利信道自相关函数和多普勒功率谱分析，通过与理论值相比较，验证该方法的准确性与实用性。

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，巴特沃兹复衰落瑞利信道硬件仿真系统，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软件创建并生成巴特沃兹复衰落瑞利信道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；h_k(t)＝h_I(t)+jh_Q(t)为第k条路径下的巴特沃兹复衰落瑞利信道，且h_k(t)均由计算机产生的巴特沃兹复衰落瑞利信道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；τ_k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)采用成形滤波器即巴特沃兹滤波器，便于实现瑞利信道巴特沃兹多普勒功率谱，从而实现巴特沃兹复衰落瑞利信道。

(2)成形滤波器法是用随机噪声产生信道的，比正弦波叠加法更具随机性，其一阶和二阶仿真结果更为精确，具有明显优势。

(3)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。

(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为本发明巴特沃兹复衰落瑞利信道仿真方法流程图。

图2为本发明巴特沃兹复衰落瑞利信道的生成流程图。

图3为本发明仿真结果之巴特沃兹复衰落瑞利信道时域幅值波动图。

图4为本发明仿真结果之巴特沃兹复衰落瑞利信道一阶统计特性图。

图5为本发明仿真结果之巴特沃兹复衰落瑞利信道二阶统计特性图。

图6为本发明巴特沃兹复衰落瑞利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，本发明巴特沃兹复衰落瑞利信道仿真方法，包括以下步骤：程序开始、初始化参数U1、产生巴特沃兹复衰落瑞利信道U2、对巴特沃兹复衰落瑞利信道进行统计分析U3、程序结束。

程序开始后，即可进行初始化参数U1，不失一般的，我们设定巴特沃兹复衰落瑞利信道的最大多普勒频移f_d＝500Hz，系统采样频率f_s＝15000Hz，系统采样点数N＝10⁶，巴特沃兹滤波器阶数M＝2。

参数设置完成后，即可产生巴特沃兹复衰落瑞利信道U2。将两路高斯白噪声输入巴特沃兹滤波器，从而分别两路具有巴特沃兹多普勒功率谱的有色高斯白噪声序列，并分别组成了巴特沃兹复衰落瑞利信道的实部和虚部，该巴特沃兹复衰落瑞利信道的包络服从瑞利分布，相角服从均匀分布。

产生巴特沃兹复衰落瑞利信道后，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巴特沃兹复衰落瑞利信道幅值分布和相角分布分析，二阶统计分析包括对巴特沃兹复衰落瑞利信道自相关函数和多普勒功率谱分析，通过与理论值相比较，验证该方法的准确性与实用性。

参照图2，产生巴特沃兹复衰落瑞利信道U2，主要包括复高斯白噪声U21和U25、FFT变换U22和U26、巴特沃兹滤波器U23和U27、 IFFT变换U24和U28、换向器U29、巴特沃兹复衰落瑞利信道U30。其中，复高斯白噪声U21、FFT变换U22、巴特沃兹滤波器U23、IFFT 变换U24产生信道巴特沃兹复衰落瑞利信道U30的实部h_I(t)；复高斯白噪声U25、FFT变换U26、巴特沃兹滤波器U27、IFFT变换U28、换向器U29产生巴特沃兹复衰落瑞利信道U30的虚部h_Q(t)，并且实部h_I(t)和虚部h_Q(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。

时域复高斯白噪声U21经过FFT变换U22后，转换至频域。

巴特沃兹滤波器U23和U27对频域复高斯白噪声进行滤波，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，巴特沃兹复衰落瑞利信道的最大多普勒频移f_d、滤波器阶数M由初始化参数过程定义。

频域复高斯白噪声经滤波处理后，由IFFT变换U24将频域信号转换至时域信号，即可得到巴特沃兹复衰落瑞利信道U30的实部 h_I(t)。同理，另一路的频域复高斯白噪声由IFFT变换U28，并通过换向器U29换向处理后，即可得到巴特沃兹复衰落瑞利信道U30的虚部h_Q(t)，且实部h_I(t)和虚部h_Q(t)相互正交，实部h_I(t)和虚部 h_Q(t)相加得到巴特沃兹复衰落瑞利信道U30，即 h(t)＝h_I(t)+jh_Q(t)。

本发明对巴特沃兹复衰落瑞利信道进行了仿真，其中，相关参数分别为：最大多普勒频移f_d＝500Hz，系统采样频率f_s＝15000Hz，系统采样点数N＝10⁶，以及巴特沃兹滤波器阶数M＝2，相应的仿真结果如图3、图4和图5所示。其中，图3为时域巴特沃兹复衰落瑞利信道U30的幅值波形图，描述了信道在不同时刻的衰落情况。图4描述了巴特沃兹复衰落瑞利信道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描述了巴特沃兹复衰落瑞利信道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与理论值均能很好的吻合。

完成初始化参数U1、产生巴特沃兹复衰落瑞利信道U2、对巴特沃兹复衰落瑞利信道进行统计分析U3后，还包括设计巴特沃兹复衰落瑞利信道硬件仿真系统。

参照图6，巴特沃兹复衰落瑞利信道硬件仿真系统，主要包括发射器模块6-1、模数转换模块6-1、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软件创建并生成巴特沃兹复衰落瑞利信道h(t)的IP核，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；h_k(t)＝h_I(t)+jh_Q(t)为第k条路径下的巴特沃兹复衰落瑞利信道，且h_k(t)均由计算机产生的巴特沃兹复衰落瑞利信道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；τ_k为时延，由计算机进行定义。

本发明之一种巴特沃兹复衰落瑞利信道仿真方法能实现对巴特沃兹复衰落瑞利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)

1.一种巴特沃兹复衰落瑞利信道仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，程序开始，初始化参数；

步骤二，产生巴特沃兹复衰落瑞利信道；

步骤三，对巴特沃兹复衰落瑞利信道进行统计分析，程序结束；

步骤四，设计巴特沃兹复衰落瑞利信道硬件仿真系统。

2.根据权利要求1所述的一种巴特沃兹复衰落瑞利信道仿真方法，其特征在于，所述步骤一包括以下步骤：

程序开始后，即可进行初始化参数，设定巴特沃兹复衰落瑞利信道的最大多普勒频移f_d，系统采样频率f_s，系统采样点数N，以及巴特沃兹滤波器阶数M。

3.根据权利要求1或2所述的一种巴特沃兹复衰落瑞利信道仿真方法，其特征在于，所述步骤二包括以下步骤：

将两路高斯白噪声输入巴特沃兹滤波器，从而产生两路具有巴特沃兹多普勒功率谱的有色高斯白噪声序列，分别组成巴特沃兹复衰落瑞利信道的实部和虚部，该巴特沃兹复衰落瑞利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巴特沃兹复衰落瑞利信道的实部如下：

第2-1步，时域复高斯白噪声经过FFT变换后，转换至频域；

第2-2步，巴特沃兹滤波器对频域复高斯白噪声进行滤波，并且该巴特沃兹滤波器的数学表达式由频率f的多项式给出：

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其中，巴特沃兹复衰落瑞利信道的最大多普勒频移f_d、滤波器阶数M由初始化参数过程定义；

第2-3步，频域复高斯白噪声经巴特沃兹滤波器滤波处理后，由IFFT变换将频域信号转换至时域信号，即可得到巴特沃兹复衰落瑞利信道的实部h_I(t)；

同理，另一路的频域复高斯白噪声由IFFT变换，并通过换向器换向处理后，即可得到巴特沃兹复衰落瑞利信道的虚部h_Q(t)，且实部h_I(t)和虚部h_Q(t)相互正交，实部h_I(t)和虚部h_Q(t)相加得到巴特沃兹复衰落瑞利信道，即h(t)＝h_I(t)+jh_Q(t)。

4.根据权利要求1或2所述的一种巴特沃兹复衰落瑞利信道仿真方法，其特征在于，所述步骤三包括以下步骤：

分别对巴特沃兹复衰落瑞利信道进行一阶和二阶统计分析；其中一阶统计分析包括对巴特沃兹复衰落瑞利信道幅值分布和相角分布分析，二阶统计分析包括对巴特沃兹复衰落瑞利信道自相关函数和多普勒功率谱分析。

5.根据权利要求1或2所述的一种巴特沃兹复衰落瑞利信道仿真方法，其特征在于，所述步骤四中，巴特沃兹复衰落瑞利信道硬件仿真系统，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软件创建并生成巴特沃兹复衰落瑞利信道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：

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式中，n为无线信道多径数目；h_k(t)＝h_I(t)+jh_Q(t)为第k条路径下的巴特沃兹复衰落瑞利信道，且h_k(t)均由计算机产生的巴特沃兹复衰落瑞利信道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；τ_k为时延，由计算机进行定义。