CN110971314A - 一种多路输入多路输出的无线信道监测与模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多路输入多路输出的无线信道监测与模拟装置，包括：无线信道监测仪用于采集各种典型环境下的无线信道的特征参数，根据典型环境下的无线信道特征参数建立模型；模型数据库用于存储典型环境下的无线信道特征参数模型并配置参数；原始信号用于输入N种不同的原始信号；无线信道模拟器用于根据模型数据库配置模拟典型信道环境，使原始信号如同在真实的典型信道环境中一样；无线信道模拟器采用N路输出；N通道示波器用于观察N路已模拟信号的具体波形；上位机软件用于对N路输出信号进行处理、分析和存储。本发明具有输入输出通道多、模拟信道路径数多、可观察信号变化情况多、设计灵活和信号处理速度快的特点。

Description

一种多路输入多路输出的无线信道监测与模拟装置

技术领域

本发明涉及无线通信和FPGA开发技术领域，尤其涉及一种多路输入多路输出的无线信道监测与模拟装置。

背景技术

无线通信产品的研发过程中需要研究无线信号在各种典型信道中的变化情况，但是这些典型信道在实验室环境下不易搭建，这就需要无线通信设备到实际环境中去测试，增加了测试成本并且延长研发周期。但是无线信道的特征非常复杂，无线信道会对原始信号有噪音干扰和各种延时衰落影响，如瑞利衰落、莱斯衰落、Nakagami衰落、对数正太衰落、Suzuki衰落等。如果在实验室中能够准确模拟无线信道对原始信号的影响可以有效地缩短研发周期，降低研发成本。

现有技术中采用的无线网络信道模拟方式，大多采用单一信道模拟，并不能同时模拟多个信道的多个路径；且对输入信号进行处理时，如果有多路信号，大多需要有对应的多路硬件单元对其分别进行处理，没有做到输入信号的扩展处理，造成硬件资源的浪费，硬件数量过多，也会造成设备运行不稳定。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中。的缺陷，提供一种多路输入多路输出的无线信道监测与模拟装置，该装置输入输出通道多、模拟信道路径可扩展、可观察信号变化情况多、设计灵活和信号处理速度快。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种多路输入多路输出的无线信道监测与模拟装置，该装置包括：无线信道监测仪、模型数据库、原始信号、无线信道模拟器、N通道示波器和上位机软件；其中：

所述无线信道监测仪，用于采集各种典型环境下的无线信道的特征参数，根据典型环境下的无线信道特征参数建立模型，并将建立的参数模型存储到模型数据库中；

所述模型数据库，用于存储典型环境下的无线信道特征参数模型，并对无线信道模拟器进行参数配置；

所述原始信号，用于输入经过无线信道模拟器的待模拟信号，其为无线射频信号，采用N路输入，同时输入N种不同的原始信号；

所述无线信道模拟器，用于接收模型数据库的参数配置，并且接收原始信号，经过模型数据库配置的无线信道模拟器为原始信号模拟典型信道环境，使原始信号如同在真实的典型信道环境中一样；无线信道模拟器采用N路输出；

所述N通道示波器，用于观察从无线信道模拟器输出的N路已模拟信号的具体波形，并将这N路输出传送到上位机软件；

所述上位机软件，用于接收来自无线信道模拟器的N路输出，并对N路输出信号进行处理、分析和存储。

进一步地，本发明的所述各种典型环境下的无线信道中，典型环境包括且不限于强电磁环境、暴风雨环境、高原环境、高速铁路运行环境。

进一步地，本发明的所述无线信道模拟器包括射频信号接收与量化模块、信号选通模块、信道模拟模块和信号综合模块；其中：

所述射频信号接收与量化模块，用于接收原始无线射频信号，对原始无线射频信号进行下变频和模数转换处理，并将处理后的数字信号传送到信号选通模块；

所述信号选通模块，用于将N路被射频信号接收与量化模块处理后的信号，选通到2N个路径上，并将这2N径信号传送到信道模拟模块；

所述信道模拟模块，用于接收选通模块传送的2N径信号，并对每一径接收信号按照模型数据库的配置进行信道模拟操作，信道模拟模块最多模拟2N种不同的信道，并将处理后的信号传送到信号综合模块；

所述信号综合模块，用于接收通过信道模拟模块处理的2N径信号，并对接收的信号进行叠加操作，用于模拟多种典型环境同时出现或一种环境下多路径信道叠加的情况，叠加后的信号有N个输出通道。

进一步地，本发明的所述信号综合模块接收了2N径被信道模拟模块处理的信号，若只模拟一种典型的信道，则有

种输出；若模拟两种信道的叠加，则有

种输出；同理，若模拟2N种信道的叠加，则有

种输出；每一路输出通道最多输出

种原始信号的变化情况。

进一步地，本发明的所述射频信号接收与量化模块包括N条信号接收和量化处理路径，其中每一路都包括天线、下变频和ADC模块；其中：

所述天线，用于接收原始无线射频信号；

所述下变频，用于去除原始无线射频信号的载波，得到中频信号；

所述ADC模块，用于对中频信号进行模数转化处理，将中频信号转换为数字基带信号。

进一步地，本发明的所述信号选通模块包括N个2×2选通器、一个2N×2N选通器和MCU模块；其中：

所述2×2选通器，用于将射频信号接收与量化模块输出的1路数字基带信号扩展成两路信号；

所述2N×2N选通器，用于将N个2×2选通器的2N个输出，按照需求选通到2N路输出中的任意一路；

所述MCU模块用于控制2N×2N选通器内部开关的通断，进而控制2N×2N选通器的输出。

进一步地，本发明的所述信道模拟模块包括2N个FPGA板卡，分别与2N×2N选通器的2N路输出相连，每一个FPGA板卡都由模型数据库进行参数配置，模拟一种无线信道，每1径信号经过对应的FPGA板卡处理后，被传送到信号综合模块中。

进一步地，本发明的所述信道模拟模块的FPGA板卡，包括存储器、Delay IP核、Fading IP核、Doppler IP核和Noise IP核；其中：

所述存储器用于存储输入信号，起到调整时延的作用；

所述Delay IP核根据模型数据库配置的信道延迟参数，模拟无线信道对信号的延迟作用；

所述Fading IP核根据模型数据库配置的信道衰减参数，模拟无线信道对信号的衰减作用；

所述Doppler IP核根据模型数据库配置的信道多普勒频移参数，模拟无线信道对信号的多普勒频移作用；

所述Noise IP核根据模型数据库配置的信道噪声参数，模拟无线信道对信号的噪声作用。

进一步地，本发明的所述N路输入信号中，N为4的整数倍。

本发明产生的有益效果是：本发明的多路输入多路输出的无线信道监测与模拟装置：(1)本发明最大MIMO(Many Input Many Output)为4×4，最大模拟信道路径数为8，最大输出信号变化情况为255种。根据需要，4路输入信号可以扩展到8路、16路甚至更多的路径上，因此本发明具有输入输出通道多，模拟信道路径可扩展，可观察信号变化情况多的特点。(2)本发明的关键部件采用FPGA板卡，具有设计灵活的特点，根据不同的需求可以模拟不同的信道衰落类型，也就是说只要改变Fading IP核，可以模拟信道的瑞利衰落、莱斯衰落、Nakagami衰落、对数正态衰落、Suzuki衰落等。(3)本发明硬件连接采用对称设计方法，具有处理速度快的特点，8径信号采用8个FPGA板卡同时处理，降低各个路径信号之间的时延差，加快信道模拟的速度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例的多路输入多路输出的无线信道监测与模拟装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的多路输入多路输出的无线信道监测与模拟装置的无线信道模拟器的功能模块图；

图3为本发明实施例的多路输入多路输出的无线信道监测与模拟装置的无线信道模拟器的射频信号接收与量化模块的结构示意图；

图4为本发明实施例的多路输入多路输出的无线信道监测与模拟装置的无线信道模拟器的结构示意图；

图5为本发明实施例的无线信道模拟器之信道模拟模块的FPGA板卡的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的多路输入多路输出的无线信道监测与模拟装置包括无线信道监测仪U1、模型数据库U2、原始信号U3、无线信道模拟器U4、4通道示波器U5和上位机软件U6。

所述无线信道监测仪U1用于采集各种典型环境下(如强电磁环境、暴风雨环境、高原环境、高速铁路运行)无线信道的特征参数，将典型环境下的无线信道特征参数建立模型，并将建立的参数模型存储到模型数据库U2中；

所述模型数据库U2用于存储典型环境下的无线信道特征参数模型，并对无线信道模拟器U4进行参数配置；

所述原始信号U3为需要经过无线信道模拟器U4的待模拟信号，其为无线射频信号，不失一般性地，本发明采用4路输入，即可以同时输入4种不同的原始信号；

所述无线信道模拟器U4接受模型数据库U2的参数配置，并且接收原始信号U3，经过模型数据库U2配置的无线信道模拟器U4可以给原始信号U3模拟典型信道环境，使原始信号U3如同在真实的典型信道环境中一样。不是一般性地，无线信道模拟器U4采用4路输出；

所述4通道示波器U5用于观察从无线信道模拟器U4输出的4路已模拟信号的具体波形，并将这4路输出传送到上位机软件U6；

所述上位机软件U6用于接收来自无线信道模拟器U4的4路输出，并对4路输出信号进行处理、分析和存储。

如图2所示，无线信道模拟器U4按功能划分包括射频信号接收与量化模块U41、信号选通模块U42、信道模拟模块U43和信号综合模块U44。

所述射频信号接收与量化模块U41用于接收原始无线射频信号，对原始无线射频信号进行下变频和模数转换处理，并将处理后的数字信号传送到信号选通模块U42；

所述信号选通模块U42最多可以将4路经过射频信号接收与量化模块U41处理后的数字信号选通到8个路径上，并将这8径信号传送到信道模拟模块U43；

所述信道模拟模块U43最多接收8径信号选通模块U42传送的信号，并对每一径接收信号按照模型数据库U2的配置进行信道模拟操作，信道模拟模块U43最多模拟8种不同的信道，并将处理后的信号传送到信号综合模块U44；

所述信号综合模块U44最多可以接收到8径被信道模拟模块U43处理的信号，并对接收的信号进行∑操作，信号综合模块U44有4路输出。换言之，信号综合模块U44可以对经过信道模拟模块U43处理的信号进行叠加处理，用于模拟多种典型环境同时出现时，原始信号的变化情况；也可以直接输出其中的一种情况出现时，原始信号的变化情况。

假设信号综合模块U44接收了8径被信道模拟模块U43处理的信号，若只模拟一种典型的信道，则由

种输出；若模拟两种信道的叠加，则有

种输出；若模拟三种信道的叠加，则有

种输出；若模拟四种信道的叠加，则有

种输出；若模拟五种信道的叠加，则有

种输出；若模拟六种信道的叠加，则有

种输出；若模拟七种信道的叠加，则有

种输出；若模拟八种信道的叠加，则有

种输出。

每一路输出最多可以输出

种原始信号的变化情况。

所述信号综合模块U44可以每次从255种原始信号的变化情况中选出4种，通过4路输出传送给4通道示波器U5进行观察。

如图3所示，射频信号接收与量化模块U41可以对4路原始信号进行处理，以第1路为例，包括1号天线U411、1号下变频U412和1号ADC模块U413。

1号天线U411用于接收第1路原始无线射频信号；

1号下变频U412用于去除原始无线射频信号的载波，得到中频信号；

1号ADC模块U413对中频信号进行模数转化处理，将中频信号转换为数字的基带信号；

如图4所示，信号选通模块U42包括1号2×2选通器U421、2号2×2选通器U422、3号2×2选通器U423、4号2×2选通器U424、8×8选通器U425和MCU模块U426。

所述1号2×2选通器U421、2号2×2选通器U422、3号2×2选通器U423、4号2×2选通器U424都只使用一个输入端，2个输出端可以将一路输入分为2路相同的输出，这样就可以将4路输入扩展为8个路径，其中每1路输入扩展为2个路径。

所述8×8选通器U425，输入端连接4个2×2选通器的8个输出，输出端最多有8径输出，每一径输出信号都会传送到信道模拟模块U43中对应的FPGA板卡中进行处理；

所述MCU模块U426用来控制8×8选通器U425中开关的通断，使每一个输出端都可以按照要求输出8径输入中的任意一路；

信道模拟模块U43包括1号FPGA板卡U431、2号FPGA板卡U432、3号FPGA板卡U433、4号FPGA板卡U434、5号FPGA板卡U435、6号FPGA板卡U436、7号FPGA板卡U437和8号FPGA板卡U438，每一个FPGA板卡都由模型数据库U2进行参数配置，用来模拟一种无线信道。每1径信号经过对应的FPGA板卡处理后，会被传送到信号综合模块U44中。

参照图5，信道模拟模块U43中的8个FPGA板卡的内部结构都是相同的，以1号FPGA板卡U431为例，1号FPGA板卡U431包括存储器U4311、Delay IP核U4312、Fading IP核U4313、Doppler IP核U4314和Noise IP核U4315。

存储器U4311用于存储第1径的输入信号，起到调整时延的作用；

Delay IP核U4312根据配置的信道延迟参数，模拟无线信道对信号的延迟作用；

Fading IP核U4313根据配置的信道衰减参数，模拟无线信道对信号的衰减作用；

Doppler IP核U4314根据配置的信道多普勒频移参数，模拟无线信道对信号的多普勒频移作用；

Noise IP核U4315根据配置的信道噪声参数，模拟无线信道对信号的噪声作用。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种多路输入多路输出的无线信道监测与模拟装置，其特征在于，该装置包括：无线信道监测仪、模型数据库、原始信号、无线信道模拟器、N通道示波器和上位机软件；其中：

所述无线信道监测仪，用于采集各种典型环境下的无线信道的特征参数，根据典型环境下的无线信道特征参数建立模型，并将建立的参数模型存储到模型数据库中；

所述模型数据库，用于存储典型环境下的无线信道特征参数模型，并对无线信道模拟器进行参数配置；

所述原始信号，用于输入经过无线信道模拟器的待模拟信号，其为无线射频信号，采用N路输入，同时输入N种不同的原始信号；

所述无线信道模拟器，用于接收模型数据库的参数配置，并且接收原始信号，经过模型数据库配置的无线信道模拟器为原始信号模拟典型信道环境，使原始信号如同在真实的典型信道环境中一样；无线信道模拟器采用N路输出；

所述N通道示波器，用于观察从无线信道模拟器输出的N路已模拟信号的具体波形，并将这N路输出传送到上位机软件；

所述上位机软件，用于接收来自无线信道模拟器的N路输出，并对N路输出信号进行处理、分析和存储。

2.根据权利要求1所述的多路输入多路输出的无线信道监测与模拟装置，其特征在于，所述各种典型环境下的无线信道中，典型环境包括且不限于强电磁环境、暴风雨环境、高原环境、高速铁路运行环境。

3.根据权利要求1所述的多路输入多路输出的无线信道监测与模拟装置，其特征在于，所述无线信道模拟器包括射频信号接收与量化模块、信号选通模块、信道模拟模块和信号综合模块；其中：

所述射频信号接收与量化模块，用于接收原始无线射频信号，对原始无线射频信号进行下变频和模数转换处理，并将处理后的数字信号传送到信号选通模块；

所述信号选通模块，用于将N路被射频信号接收与量化模块处理后的信号，选通到2N个路径上，并将这2N径信号传送到信道模拟模块；

所述信道模拟模块，用于接收选通模块传送的2N径信号，并对每一径接收信号按照模型数据库的配置进行信道模拟操作，信道模拟模块最多模拟2N种不同的信道，并将处理后的信号传送到信号综合模块；

所述信号综合模块，用于接收通过信道模拟模块处理的2N径信号，并对接收的信号进行叠加操作，用于模拟多种典型环境同时出现或一种环境下多路径信道叠加的情况，叠加后的信号有N个输出通道。

4.根据权利要求3所述的多路输入多路输出的无线信道监测与模拟装置，其特征在于，所述信号综合模块接收了2N径被信道模拟模块处理的信号，若只模拟一种典型的信道，则有

种输出；若模拟两种信道的叠加，则有

种输出；同理，若模拟2N种信道的叠加，则有

种输出；每一路输出通道最多输出

种原始信号的变化情况。

5.根据权利要求3所述的多路输入多路输出的无线信道监测与模拟装置，其特征在于，所述射频信号接收与量化模块包括N条信号接收和量化处理路径，其中每一路都包括天线、下变频和ADC模块；其中：

所述天线，用于接收原始无线射频信号；

所述下变频，用于去除原始无线射频信号的载波，得到中频信号；

所述ADC模块，用于对中频信号进行模数转化处理，将中频信号转换为数字基带信号。

6.根据权利要求3所述的多路输入多路输出的无线信道监测与模拟装置，其特征在于，所述信号选通模块包括N个2×2选通器、一个2N×2N选通器和MCU模块；其中：

所述2×2选通器，用于将射频信号接收与量化模块输出的1路数字基带信号扩展成两路信号；

所述2N×2N选通器，用于将N个2×2选通器的2N个输出，按照需求选通到2N路输出中的任意一路；

所述MCU模块用于控制2N×2N选通器内部开关的通断，进而控制2N×2N选通器的输出。

7.根据权利要求6所述的多路输入多路输出的无线信道监测与模拟装置，其特征在于，所述信道模拟模块包括2N个FPGA板卡，分别与2N×2N选通器的2N路输出相连，每一个FPGA板卡都由模型数据库进行参数配置，模拟一种无线信道，每1径信号经过对应的FPGA板卡处理后，被传送到信号综合模块中。

8.根据权利要求7所述的多路输入多路输出的无线信道监测与模拟装置，其特征在于，所述信道模拟模块的FPGA板卡，包括存储器、Delay IP核、Fading IP核、Doppler IP核和Noise IP核；其中：

所述存储器用于存储输入信号，起到调整时延的作用；

所述Delay IP核根据模型数据库配置的信道延迟参数，模拟无线信道对信号的延迟作用；

所述Fading IP核根据模型数据库配置的信道衰减参数，模拟无线信道对信号的衰减作用；

所述Doppler IP核根据模型数据库配置的信道多普勒频移参数，模拟无线信道对信号的多普勒频移作用；

所述Noise IP核根据模型数据库配置的信道噪声参数，模拟无线信道对信号的噪声作用。

9.根据权利要求3所述的多路输入多路输出的无线信道监测与模拟装置，其特征在于，所述N路输入信号中，N为4的整数倍。

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