CN112040499A - 无线信道时延和衰落精确模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线信道时延和衰落精确模拟装置及方法，模拟装置包括PC机子系统、信道模拟子系统、模数转换单元以及数模转换单元，PC机子系统包括用户交互单元和参数计算单元，信道模拟子系统包括时延模块单元、信道衰落产生单元、乘法单元、截位单元、自动增益控制单元和内插单元。本发明可以根据用户输入的场景参数，精确地模拟动态非平稳多径衰落信道的状况，包括时延、多径衰落、多普勒频率等，可用于无线通信系统和通信设备的性能测试和验证。

Description

无线信道时延和衰落精确模拟装置及方法

技术领域：

本发明涉及一种无线信道时延和衰落精确模拟装置及方法，特别针对大规模多支路动态非平稳信道高精度时延和衰落的模拟，属于无线信息传输领域。

背景技术：

电磁波信号在无线环境中传播，楼宇、山坡或者树木等障碍物都有可能吸收或者反射信号，对其幅度和相位产生明显影响。由于反射、散射和折射的作用，发射机和接收机之间会存在多个传播路径，即多径传播现象。各个传播路径的传播距离和入射角度均不同，因此各径到达接收机的时延、幅值和相位也各不相同。不同传播路径的各个信号在接收端进行叠加，相位相同时信号增强，相位相反时信号减弱，即存在衰落现象。

为了有效地验证和评估无线通信系统和设备的性能，同时减少研发成本、缩短开发测试周期，需要在实验室环境下快速、低成本地复现真实世界的无线传播场景，逼真模拟无线信道的随机特性，最关键的就是对信道时延和衰落的精确模拟。其中，时延在频域上体现了信道的多普勒特性，由于移动台和基站的相对运动，其时延在不断改变，对应的多普勒频率也在不断变化。衰落体现了信道功率的随机变化，如何用硬件精确高效地产生随机衰落因子，是模拟多径衰落信道的核心。

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无线信道时延和衰落精确模拟装置及方法，可以根据用户输入的场景参数，精确地模拟动态非平稳多径衰落信道的状况，包括时延、多径衰落、多普勒频率等，可用于无线通信系统和通信设备的性能测试和验证。

本发明采用如下技术方案：一种无线信道时延和衰落精确模拟装置，包括PC机子系统、信道模拟子系统、模数转换单元以及数模转换单元；

所述PC机子系统包括用户交互单元和参数计算单元，所述信道模拟子系统包括时延模块单元、信道衰落产生单元、乘法单元、截位单元、自动增益控制单元和内插单元；

所述用户交互单元的输出接口与参数计算单元的输入接口相连，参数计算单元的输出接口与时延模块单元以及信道衰落产生单元的输入接口以PCIE总线相连，所述模数转换单元的输出接口与时延模块单元的输入接口相连，时延模块单元的输出接口和信道衰落产生单元的输出接口与乘法单元的输入接口相连，所述乘法单元的输出接口与截位单元的输入接口相连，截位单元的输出接口与自动增益控制单元的输入接口相连，所述自动增益控制单元的输出接口与内插单元的输入接口相连，内插单元的输出接口与数模转换单元的输入接口相连。

本发明还采用如下技术方案：一种无线信道时延和衰落精确模拟方法，步骤如下：

第一步，用户在PC机上通过用户交互单元设置通信场景参数，包括基站的位置坐标参数、移动台的位置坐标和速度参数，并将这些参数传输到参数计算单元；

第二步，参数计算单元根据用户交互单元输入的通信场景进行参数计算，得到时延，多普勒频率信道参数并对其进行定点化，通过PCIE总线将定点化后的参数传输到时延模块单元和信道衰落产生单元；

第三步，时延模块单元根据参数计算单元传输过来的时延参数，将其分为长时延、粗时延和高精度时延三部分，分别对多径信号进行时延模拟，然后将延时后的信号输出到乘法单元；

第四步，信道衰落产生单根据参数计算单元传过来的多普勒频率参数，产生信道衰落因子，然后将衰落因子输出到乘法单元；

第五步，将时延模块的输出结果与信道衰落产生单元的输出结果送入乘法单元相乘，然后将得到的结果送入截位单元进行截位，再将截位后的结果送入自动增益单元进行调整，最后通过内插单元将数据速率内插到数模转换单元速率输出。

进一步地，第二步参数计算具体实现步骤如下：

2.1)根据基站的位置L_BS，移动台的位置L_MS，和散射体分布的位置L_sca，计算时延参数，方法如下：

其中，l表示离散时间序号，c表示光速，D(l)表示在l时刻的时延；

2.2)根据移动台的速度

和到达角单位矢量

计算多普勒频率参数，方法如下：

其中，f_n,m表示第n条径内第m个支路的多普勒频率，k为波数，是一个常数，其值为k＝2πf_c/c，f_c为载波频率，

表示第n条径内第m个支路到达角的单位矢量。

进一步地，第三步具体实现步骤如下：

3.1)将模数转换单元输出的数字信号送入DDR，通过控制DDR的读写地址进行长时延模拟；

3.2)将DDR输出的信号送入双端口RAM，通过控制RAM的读写地址进行粗时延模拟；

3.3)将RAM输出的信号送入DELAY模块，通过与系数C₀、C₁、…C_Q-1、C_Q相乘叠加进行高精度时延模拟，其系数计算方法如下：

其中，B表示高精度时延值，Q表示系数的个数，取值与时延精度有关。

进一步地，第四步具体实现步骤如下：

4.1)读取存储器中第一个平稳间隔的初始值A₀，并将其送入乘法器，与前一个时刻的信道衰落因子相乘；其中，A₀的计算方法如下：

其中，U表示平稳间隔数目，

表示第i个平稳间隔内的多普勒频率；

4.2)将乘法器的输出结果mul_out与基准值作比较，基准值的大小由定点化后的信道衰落因子位宽F决定，其值等于2^F-1-1；

4.3)若4.2)中乘法器的输出结果mul_out大于基准值，则让输出结果加上误差因子；若输出结果小于基准值，则让输出结果减去误差因子，误差因子e的值可由下式表示：

4.4)将4.3)得到的结果送到寄存器缓存后输出，同时将结果送到乘法器；

4.5)重复步骤4.1)-4.4)，即可产生不同平稳间隔内的信道衰落因子。

本发明具有如下有益效果：本发明提出的动态非平稳衰落信道高精度长时延的模拟方法，既可以用来实现航空信道、星间链路信道等通信场景的长时延模拟，也可以用来实现卫星导航通信场景的高精度时延模拟。

附图说明：

图1为本发明无线信道时延和衰落精确模拟装置示意图。

图2为本发明无线信号典型传播场景。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明无线信道时延和衰落精确模拟装置，系统模拟实现框图如图1所示，主要包括PC机子系统、信道模拟子系统、模数转换单元1-3以及数模转换单元1-10。

PC机子系统包括用户交互单元1-1和参数计算单元1-2；信道模拟子系统包括时延模块单元1-4、信道衰落产生单元1-5、乘法单元1-6、截位单元1-7、自动增益控制单元1-8和内插单元1-9。

用户交互单元1-1的输出接口与参数计算单元1-2的输入接口相连，参数计算单元1-2的输出接口与时延模块单元1-4以及信道衰落产生单元1-5的输入接口以PCIE总线相连，模数转换单元1-3的输出接口与时延模块单元1-4的输入接口相连，时延模块单元1-4的输出接口和信道衰落产生单元1-5的输出接口与乘法单元1-6的输入接口相连，乘法单元1-6的输出接口与截位单元1-7的输入接口相连，截位单元1-7的输出接口与自动增益控制单元1-8的输入接口相连，自动增益控制单元1-8的输出接口与内插单元1-9的输入接口相连，内插单元1-9的输出接口与数模转换单元1-10的输入接口相连。

图2给出了无线信号典型传播场景，为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面以一个4径的衰落信道为例，对技术方案进行清楚、完整的描述。信道模拟器部分参数如下：系统时钟fs＝100MHz，信道平稳间隔Tu＝50ms，信道长度10s，支持最大多普勒频率1MHz。

具体实现步骤如下：

第一步，用户在PC机上通过用户交互单元1-1设置通信场景参数，包括基站的位置坐标参数，移动台的位置坐标和速度参数等，并将这些参数传输到参数计算单元1-2；本案例假设基站初始坐标位置L_BS＝[0,0]，移动台初始坐标位置L_MS＝[150.03,0]，移动台速度为

朝基站方向移动，散射体分布在基站和移动台周围；

第二步，参数计算单元1-2根据用户交互单元1-1输入的通信场景进行参数计算，得到各径时延值，多普勒频率等信道参数并对其进行定点化，通过PCIE总线将定点化后的参数传输到时延模块单元1-4和信道衰落产生单元1-5；

进一步地，第二步参数计算具体实现步骤如下：

2.1)根据基站的位置L_BS，移动台的位置L_MS和散射体的位置L_sca，计算时延参数，方法如下：

其中，l表示离散时间序号，c表示光速，D(l)表示在l时刻的时延；将第一步中相关参数代入式(1)，可以得到各径初始时延值分别为D₀(0)＝5.001×10^-7s，D₁(0)＝1×10^-6s，D₂(0)＝1.5×10^-6s，D₃(0)＝2×10^-6s；

2.2)根据移动台的速度

和到达角单位矢量

计算多普勒频率参数，方法如下：

其中，f_n,m表示第n条径内第m个支路的多普勒频率，k为波数，是一个常数，其值为k＝2πf_c/c，f_c为载波频率，

表示第n条径内第m个支路到达角的单位矢量；将第一步中的移动台速度和位置矢量代入式(2)，即可得到多普勒频率；

第三步，时延模块单元1-4根据参数计算单元1-2送过来的时延参数，将其分为长时延、粗时延和高精度时延三部分，分别对多径信号进行时延模拟，然后将延时后的信号输出到乘法单元1-6；本案例以第一条径的时延值为例，其他径的操作类似；首先将时延值5.001×10^-7s分为三部分，其中长时延为0s，粗时延为500ns，高精度时延为0.1ns；

进一步地，第三步具体实现步骤如下：

3.1)将模数转换单元1-3输出的数字信号送入DDR，通过控制DDR的读写地址进行长时延模拟；

3.2)将DDR输出的信号送入双端口RAM，通过控制RAM的读写地址进行粗时延模拟；

3.3)将RAM输出的信号送入DELAY模块，通过与系数C₀、C₁、…C_Q-1、C_Q相乘叠加进行高精度时延模拟，其系数计算方法如下：

其中，B表示高精度时延值，Q表示系数的个数，取值与时延精度有关。此案例中B的值等于0.1ns，Q的取值为4，即可得到C₀＝0.8062，C₁＝0.3568，C₂＝-0.2527，C₃＝0.1101，C₄＝-0.0204。

第四步，信道衰落产生单元1-5根据参数计算单元1-2传过来的多普勒频率参数，产生信道衰落因子，然后将衰落因子输出到乘法单元1-6；

进一步地，第四步具体实现步骤如下：

4.1)读取存储器中第一个平稳间隔的初始值A₀，并将其送入乘法器，与前一个时刻的信道衰落因子相乘；其中，A₀的计算方法如下：

其中，U表示平稳间隔数目，

表示第i个平稳间隔内的多普勒频率；

4.2)将乘法器的输出结果mul_out与基准值作比较，基准值的大小由定点化后的信道衰落因子位宽F决定，其值等于2^F-1-1；此案例中F＝15，因此基准值为16383；

4.3)若4.2)中乘法器的输出结果mul_out大于基准值，则让输出结果加上误差因子；若输出结果小于基准值，则让输出结果减去误差因子；误差因子e的值可由下式表示：

4.4)将4.3)得到的结果送到寄存器缓存后输出，同时将结果送到乘法器；

4.5)重复步骤4.1)-4.4)，即可产生不同平稳间隔内的信道衰落因子。

第五步，将时延模块1-4的输出结果与信道衰落产生单元1-5的输出结果送入乘法单元1-6相乘，然后将得到的结果送入截位单元1-7进行截位，再将截位后的结果送入自动增益模块1-8进行调整，最后通过内插模块1-9将数据速率内插到数模转换单元1-10速率输出。

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)

1.一种无线信道时延和衰落精确模拟装置，其特征在于：包括PC机子系统、信道模拟子系统、模数转换单元(1-3)以及数模转换单元(1-10)；

所述PC机子系统包括用户交互单元(1-1)和参数计算单元(1-2)，所述信道模拟子系统包括时延模块单元(1-4)、信道衰落产生单元(1-5)、乘法单元(1-6)、截位单元(1-7)、自动增益控制单元(1-8)和内插单元(1-9)；

所述用户交互单元(1-1)的输出接口与参数计算单元(1-2)的输入接口相连，参数计算单元(1-2)的输出接口与时延模块单元(1-4)以及信道衰落产生单元(1-5)的输入接口以PCIE总线相连，所述模数转换单元(1-3)的输出接口与时延模块单元(1-4)的输入接口相连，时延模块单元(1-4)的输出接口和信道衰落产生单元(1-5)的输出接口与乘法单元(1-6)的输入接口相连，所述乘法单元(1-6)的输出接口与截位单元(1-7)的输入接口相连，截位单元(1-7)的输出接口与自动增益控制单元(1-8)的输入接口相连，所述自动增益控制单元(1-8)的输出接口与内插单元(1-9)的输入接口相连，内插单元(1-9)的输出接口与数模转换单元(1-10)的输入接口相连。

2.一种无线信道时延和衰落精确模拟方法，其特征在于：步骤如下：

第一步，用户在PC机上通过用户交互单元(1-1)设置通信场景参数，包括基站的位置坐标参数、移动台的位置坐标和速度参数，并将这些参数传输到参数计算单元(1-2)；

第二步，参数计算单元(1-2)根据用户交互单元(1-1)输入的通信场景进行参数计算，得到时延，多普勒频率信道参数并对其进行定点化，通过PCIE总线将定点化后的参数传输到时延模块单元(1-4)和信道衰落产生单元(1-5)；

第三步，时延模块单元(1-4)根据参数计算单元(1-2)传输过来的时延参数，将其分为长时延、粗时延和高精度时延三部分，分别对多径信号进行时延模拟，然后将延时后的信号输出到乘法单元(1-6)；

第四步，信道衰落产生单(1-5)根据参数计算单元(1-2)传过来的多普勒频率参数，产生信道衰落因子，然后将衰落因子输出到乘法单元(1-6)；

第五步，将时延模块(1-4)的输出结果与信道衰落产生单元(1-5)的输出结果送入乘法单元(1-6)相乘，然后将得到的结果送入截位单元(1-7)进行截位，再将截位后的结果送入自动增益单元(1-8)进行调整，最后通过内插单元(1-9)将数据速率内插到数模转换单元(1-10)速率输出。

3.如权利要求2所述的无线信道时延和衰落精确模拟方法，其特征在于：第二步参数计算具体实现步骤如下：

2.1)根据基站的位置L_BS，移动台的位置L_MS，和散射体分布的位置L_sca，计算时延参数，方法如下：

其中，l表示离散时间序号，c表示光速，D(l)表示在l时刻的时延；

2.2)根据移动台的速度

和到达角单位矢量

计算多普勒频率参数，方法如下：

其中，f_n,m表示第n条径内第m个支路的多普勒频率，k为波数，是一个常数，其值为k＝2πf_c/c，f_c为载波频率，

表示第n条径内第m个支路到达角的单位矢量。

4.如权利要求3所述的无线信道时延和衰落精确模拟方法，其特征在于：第三步具体实现步骤如下：

3.1)将模数转换单元(1-3)输出的数字信号送入DDR，通过控制DDR的读写地址进行长时延模拟；

3.2)将DDR输出的信号送入双端口RAM，通过控制RAM的读写地址进行粗时延模拟；

3.3)将RAM输出的信号送入DELAY模块，通过与系数C₀、C₁、…C_Q-1、C_Q相乘叠加进行高精度时延模拟，其系数计算方法如下：

其中，B表示高精度时延值，Q表示系数的个数，取值与时延精度有关。

5.如权利要求4所述的无线信道时延和衰落精确模拟方法，其特征在于：第四步具体实现步骤如下：

4.1)读取存储器中第一个平稳间隔的初始值A₀，并将其送入乘法器，与前一个时刻的信道衰落因子相乘；其中，A₀的计算方法如下：

其中，U表示平稳间隔数目，

表示第i个平稳间隔内的多普勒频率；

4.2)将乘法器的输出结果mul_out与基准值作比较，基准值的大小由定点化后的信道衰落因子位宽F决定，其值等于2^F-1-1；

4.3)若4.2)中乘法器的输出结果mul_out大于基准值，则让输出结果加上误差因子；若输出结果小于基准值，则让输出结果减去误差因子，误差因子e的值可由下式表示：

4.4)将4.3)得到的结果送到寄存器缓存后输出，同时将结果送到乘法器；

4.5)重复步骤4.1)-4.4)，即可产生不同平稳间隔内的信道衰落因子。

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