CN112165367A - 多路独立信号并行的无线衰落信道模拟方法及信道模拟器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种多路独立信号并行的无线衰落信道模拟方法及信道模拟器，该方法色噪声的获得方法是通过读取RAM中存储的不同谱型的色噪声数据，每组数据对应不同的多普勒扩展与不同的成型滤波器谱型，为使生成的色噪声的采样率适应数百路不同采样率的信号，对其进行FARROW插值滤波。较传统方法的生成方式，色噪声的产生只需存储少量数据，其他采样率的数据通过适当的插值来实现速率的匹配，极大地节约了资源。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信同步技术领域，尤其是一种多路独立信号并行的无线衰落信道模拟方法。
背景技术
无线信道作为通信系统的重要组成部分，它的传输性能的优劣直接影响通信质量的好坏。在无线信道中，电磁波传输过程中由于受周围环境影响，存在衰落的现象。为更为逼真地模拟外场试验环境，提出了一种适应强、参数可变、范围广的多信道模拟方法，搭建了一种谱型可变的多信道模拟系统。
无线信道衰落分为大尺度衰落和小尺度衰落。大尺度衰落是长距离传输之后信号衰落的表现（包括路径损耗、阴影效应），小尺度衰落是传输过程中瞬时的衰耗的一个表现。本信道模拟器应用包含大尺度衰落和小尺度衰落情况。多径效应是信号在多径传输时，由于各条多径信号到达接收机的时间不同而引起的干涉延时效应，主要表现为多普勒扩展与多径时延扩展。
目前市场上现有的信道模拟器，由于受到FPGA器件规模的限制，大多产品仅针对有限数量的无线信道进行模拟。
发明内容
为解决现有技术中的技术问题，本发明提供了一种多路独立信号并行的无线衰落信道模拟方法。
本发明的技术方案为：一种多路独立信号并行的无线衰落信道模拟方法，包括以下步骤：
S1 多径延迟：对输入信号的每一路进行多径延迟；
S2 幅相调整：对每个独立的信道模拟单元时延后的每一路信号进行幅度相位调整；
S3 色噪声生成
（1）上位机下发参数，
（2）读取RAM存储的不同谱型的数据，
（3）色噪声通过读取RAM存储的数据经过FARROW适当的插值来实现与不同路信号的速率匹配，生成与路径信号采样率匹配的色噪声；
S4 多普勒频移：不同路径的信号与速率匹配的色噪声相乘；
S5 将每一路信号叠加后合并成一路信号；
S6 大尺度衰落：将合并后的信号经过大尺度衰落；
S7 数据输出。
优选地，所述下发参数包括多普勒谱型、小尺度衰落参数、符号速率、多普勒频移，所述小尺度衰落参数包括各径延迟点数、各径瑞利噪声幅度和快慢变化。
优选地，所述RAM存储的不同谱型包括U型谱、高斯谱与平坦谱。
优选地，还包括上位机控制模块，主要用于控制整个过程中的每一个步骤。
一种信道模拟器，包括上位机控制模块、多径延迟模块、幅相调整模块、色噪声生成模块、多普勒频移模块、大尺度衰落模块以及FARROW插值模块。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
一、色噪声的获得方法是通过读取RAM中存储的不同谱型的色噪声数据。每组数据对应不同的多普勒扩展与不同的成型滤波器谱型。为使生成的色噪声的采样率适应数百路不同采样率的信号，对其进行FARROW插值滤波。较传统方法的生成方式，色噪声的产生只需存储少量数据，其他采样率的数据通过适当的插值来实现速率的匹配，极大地节约了资源。
二、该信道模拟器每一个机构都是可以异步处理多个不同路不同参数的信号。并且，该信道模拟器可以模拟大尺度衰落、瑞利衰落、莱斯衰落幅度特性。
三、可以覆盖大尺度衰落和小尺度衰落，覆盖范围广；实现多通道并行结构，在资源受限的情况下，可以节约资源并提高资源利用率；与此同时，多种谱型滤波器可切换使用，较以往增添了选择性和灵活性；选用了FARROW插值滤波器，可实现任意分数倍插值，插值以适应输入信号的速率。
附图说明
图1为待存储的色噪声数据产生方法示意图；
图2 为M个结构信号并行输入时信道模拟器结构示意图；
图3 为异步信号多路复用的时隙图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的描述中，需要理解的是，术语中“前”、“后”、 “左”、“右”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了方便描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制，本发明中各实施例的技术方案可进行组合，实施例中的技术特征亦可进行组合形成新的技术方案。
请参阅附图1至图3所示，本发明提供如下技术方案：一种多路独立信号并行的无线衰落信道模拟方法，包括以下步骤：
S1 多径延迟：对输入信号的每一路进行多径延迟；
S2 幅相调整：对每个独立的信道模拟单元时延后的每一路信号进行幅度相位调整；
S3 色噪声生成
（1）上位机下发参数，
（2）读取RAM存储的不同谱型的数据，
（3）色噪声通过读取RAM存储的数据经过FARROW适当的插值来实现与不同路信号的速率匹配，生成与路径信号采样率匹配的色噪声；
S4 多普勒频移：不同路径的信号与速率匹配的色噪声相乘；
S5 将每一路信号叠加后合并成一路信号；
S6 大尺度衰落：将合并后的信号经过大尺度衰落；
S7 数据输出。
优选地，下发参数包括多普勒谱型、小尺度衰落参数、符号速率、多普勒频移，小尺度衰落参数包括各径延迟点数、各径瑞利噪声幅度和快慢变化。
优选地，RAM存储的不同谱型包括U型谱、高斯谱与平坦谱。
优选地，还包括上位机控制模块，主要用于控制整个过程中的每一个步骤。
一种信道模拟器，包括上位机控制模块、多径延迟模块、幅相调整模块、色噪声生成模块、多普勒频移模块、大尺度衰落模块以及FARROW插值模块。
信道模拟器可实现下述功能：
（1）单通道分时复用和路径延时实现；
（2）RAM存储不同谱型的高斯色噪声数据；
（3）FARROW插值滤波器实现；
（4）多通道并行结构信道模拟实现；
实施例1
取图2中的结构1信号输入为例，采用多路复用技术，不同的信号相互交织在不同的时间段内，沿着同一个信道传输。
现输入P个不同的信号，信号类型可以是基带窄带信号、OFDM、专用信号（塔康、LINK11/16）、敌我识别信号、基带宽带信号等。
P个信号的每一路划分为Q段，每一段占用固定序号的时隙，每段数据所占的时隙是周期性地出现，其周期就是时分复用帧的长度。
同一个信号相邻数据段存在信号交叠，交叠个数是动态可选的，由上位机设定。
设周期为T，主时钟速率为200MHz，异步复用方式生成结构，一个周期内时隙N=32，数据长度为1M，满足下式：
本发明的原理及过程：
步骤一：对输入信号的每一路进行多径延迟
每个独立的信道模拟单元包含P个延迟部分，在FPGA内基于BRAM实现，生成结构会输出包含交叠的数据，交叠数据长度指明了最大延迟点数不能超过叠长度，P个延迟RAM按照参数设置的各径延迟点数来进行存储。
设时延量为
，实际的时延量为
，时钟周期为
，它们之间的关系如下：
经过时延量
个时钟周期后，写入存储器的数据才开始被顺序读出，在输出端来看，就是数据被延迟了。延迟的大小由输入的时延量来具体控制，可以灵活改变。
步骤二：对P路信号进行幅度相位调整
对每个独立的信道模拟单元时延后的P路信号进行幅度相位调整，时延后的信号表达式如下：
其中
为发送信号，
为接收信号，
为路径增益，
为路径时延。
对每一路信号进行幅相调整，以第
（
）路为例，有
其中，
为第
条路径的输出信号，
为第
条路径增益，
为第
路径时延，
为第
条路径信号的幅度且满足
，
为第
条路径信号的入射角度。
步骤三：生成色噪声，通过FARROW适当的插值来实现与不同路径信号的速率匹配
传统的色噪声的产生方法有正弦波叠加法和成型滤波器法，由于其实现较复杂，占用过多资源，将其进行改进。
RAM中存储多种谱型的数据，谱型包括：U型谱、高斯谱、平坦谱等。读取RAM中的数据然后经过FARROW插值，生成与路径信号采样率匹配的色噪声。
现举例说明，若输入信号的码速率为
，采样率为
且
，多普勒频移为
，经过成型滤波后的噪声的采样率为
，FARROW插值倍数为
，关系满足：
其中
，高斯白噪声经过成型滤波器卷积后采样率变成
。
以成型滤波器为U型谱举例说明。
多普勒功率谱形状为U型，称之为U型谱。其功率谱表达式如下：
其中，
为路径的多普勒功率谱，
为多普勒频移，
为该功率谱的方差，
为信号频率。
根据奈奎斯特采样定律，当采样频率
大于信号中最高频率
的2倍时(
)，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息。此处
。当输入的高斯白噪声长度L=1K时，每个串行结构包括8个延迟部分，分别对应一个BRAM，生成结构输出的I/Q各8bit，即每个复样点共16 bit，每个BRAM最大只能做1K深度的延迟。综合考虑，采样率
选取为多普勒频移
的
倍。
步骤四：不同路径的信号与速率匹配的色噪声相乘
其中，
为第
条路径的输出信号，
为与第
条路径输出信号匹配的色噪声，
为第
条路径的输出信号与色噪声相乘后的输出信号。
步骤五：将P路信号叠加后合并成一路信号
其中
为P路信号的叠加信号。
步骤六：合并后的信号经过大尺度衰落
大尺度衰落用来描述接收机和发射机之间的距离有大尺度变化时，接收信号平均功率值的变化规律。
理想情况下，接收机的功率与距离的平方成反比。但在实际应用中，传输损耗
与距离
的关系服从下式：
其中：
，是路径损耗系数，可取为3-4。一般认为实际的损耗服从对数正态分布。
步骤七：数据输出
实际应用中，会有几百路信号产生，传统方法在硬件实现中过于复杂，本专利提出了新的解决方案，简化色噪声的产生步骤，具体步骤如下：
（1） 上位机下发参数（参数包括：多普勒谱型、小尺度衰落参数（各径延迟点数、各径瑞利噪声幅度和快慢变化）、符号速率、多普勒频移
等）；
（2） 读取RAM存储的不同谱型的数据；
（3） 色噪声通过FARROW适当的插值来实现与不同路信号的速率匹配；
（4） 信号与速率匹配的色噪声相乘。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种多路独立信号并行的无线衰落信道模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1 多径延迟：对输入信号的每一路进行多径延迟；
S2 幅相调整：对每个独立的信道模拟单元时延后的每一路信号进行幅度相位调整；
S3 色噪声生成
（1）上位机下发参数，
（2）读取RAM存储的不同谱型的数据，
（3）色噪声通过读取RAM存储的数据经过FARROW适当的插值来实现与不同路信号的速率匹配，生成与路径信号采样率匹配的色噪声；
S4 多普勒频移：不同路径的信号与速率匹配的色噪声相乘；
S5 将每一路信号叠加后合并成一路信号；
S6 大尺度衰落：将合并后的信号经过大尺度衰落；
S7 数据输出。
2.根据权利要求1所述的一种多路独立信号并行的无线衰落信道模拟方法，其特征在于，所述下发参数包括多普勒谱型、小尺度衰落参数、符号速率、多普勒频移，所述小尺度衰落参数包括各径延迟点数、各径瑞利噪声幅度和快慢变化。
3.根据权利要求1所述的一种多路独立信号并行的无线衰落信道模拟方法，其特征在于，所述RAM存储的不同谱型包括U型谱、高斯谱与平坦谱。
4.根据权利要求1所述的一种多路独立信号并行的无线衰落信道模拟方法，其特征在于，还包括上位机控制模块，主要用于控制整个过程中的每一个步骤。
5.一种应用于权利要求1-4任一权利要求所述的一种多路独立信号并行的无线衰落信道模拟方法的信道模拟器，其特征在于：包括上位机控制模块、多径延迟模块、幅相调整模块、色噪声生成模块、多普勒频移模块、大尺度衰落模块以及FARROW插值模块。
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