CN112968742B - 一种宽带信道模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带信道模拟装置及方法。该装置包括信号调理模块、低通滤波器、数据采集卡和阻抗分配器，所述数据采集卡包括数据采集模块和信道运算模块；所述数据采集模块用于采集至少2个周期的波形数据并发送给所述信道运算模块；所述信道运算模块用于实现多普勒频移模拟运算和多径效应模拟运算。本发明实现了无线通信过程中基带信号的多普勒频移、多径效应模拟与仿真。

Description

一种宽带信道模拟装置及方法

技术领域

本发明属于无线通信信号处理技术领域，更具体地，涉及一种宽带信道模拟装置及方法。

背景技术

众所周知，无线通信在军民领域都得到了非常广泛的应用。由于无线通信信道较为复杂，地形、温度、海拔等因素均会对无线通信的质量产生较大的影响，当无线信号在山林间传播时，由于障碍物群的影响，其多径效应会特别明显；而当无线通信的两个对象相互高速运动时，其多普勒频移效应显得尤为突出。随着软件无线电技术的应运而生，海军无线通信设备的调制方式正由模拟向数字演变，使得无线通信设备的频段、带宽更加丰富与多样。

以往，对于无线通信技术的研究，科研人员往往采用现场测试的技术手段来验证无线通信设备的通信质量与效果，而这种方式存在如下几个问题：

1)效率低下。无线通信技术的研究是长期且复杂的过程，科研人员需要根据实际应用环境对无线通信设备进行反复调试，频繁的往返科研场所与应用现场无疑极大降低了科研效率，延长的研制周期；

2)数据单一。对于甚低频通信而言，其覆盖面极广，通过单点环境数据采集难以覆盖无线通信链路上所有的应用环境，造成所采集数据的单一性与局限性较大；

3)成本较高。相较于民用场所，军用通信场所往往处于山林、海岛等重要战略位置，频繁的现场数据采集耗费的人力、物力较大，无疑提高了科研成本。

随着无线通信技术的成熟，传统信道模拟器也应运而生。传统信道模拟器主要通过硬件实现信道模拟，由于物理条件的限制，其在考虑相对运动物体之间的通讯时，只能按照同向、逆向等量运动方式进行模拟。然而，在实际无线通信过程中，物体间的相对运动往往呈现为非对称与不规则形式，从而造成对基带信号正、反向的多普勒频移、扫频速率不相等，以及分段扫频现象，无法真实、有效的模拟多普勒频移效应。因此，研究一种满足无线通信现场需求的信道模拟技术并形成一套有效的装置显得尤为重要。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了无线通信信号处理，实现了无线通信过程中基带信号的多普勒频移、多径效应模拟与仿真。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种宽带信道模拟装置，包括数据采集卡，所述数据采集卡包括数据采集模块和信道运算模块；所述数据采集模块用于采集至少2个周期的波形数据并发送给所述信道运算模块；所述信道运算模块用于实现如下步骤：

获取预设置参数，所述预设置参数包括时间t、起始频率f₁、截止频率f₂和频移速率f_V；

根据所述起始频率f₁、所述截止频率f₂和所述频移速率f_V根据计算频率偏移量，根据所述频率偏移量和时间获得频偏因子；

对所述波形数据进行希尔伯特变换，获得复数信号，将所述频偏因子和所述复数信号相乘，获得模拟的多普勒频移信号。

优选的，所述信道运算模块还用于实现如下步骤：获取路径数量N以及每条路径的频率放大倍数x_fn和幅值放大倍数x_vn(1≤n≤N)，将所述多普勒频移信号作为每条路径的原始模拟输入数据，将所述多普勒频移信号记为f'(t)，计算得到每条路径的模拟输出信号，第n条路径的模拟输出信号为x_fn·x_vn·f'(t)，最后每条路径的输出信号进行叠加，获得模拟的多径效应信号。

优选的，所述数据采集卡提供了多种信号接入模式，所述接入模块包括噪声消除模式和非接地单端模式。

优选的，宽带信道模拟装置还包括信号调理模块和低通滤波器，所述信号调理模块用于接收输入信号，并将所述输入信号处理为所述数据采集卡能处理的标准信号，所述低通滤波器用于接收所述标准信号，并对所述标准信号进行滤波处理后发送给所述数据采集模块。

优选的，宽带信道模拟装置还包括阻抗分配器，所述阻抗分配器用于将所述信道运算模块的输出信号转换为多路信号并使得所述多路信号的输出满足阻抗匹配要求。

优选的，所述数据采集卡被布置在加固计算机上。

按照本发明的第二方面，提供了一种宽带信道模拟方法，包括步骤：

获取预设置参数，所述预设置参数包括时间t、起始频率f₁、截止频率f₂和频移速率f_V；

采集至少2个周期的波形数据；

根据所述起始频率f₁、所述截止频率f₂和所述频移速率f_V根据计算频率偏移量，根据所述频率偏移量和时间获得频偏因子；

对所述波形数据进行希尔伯特变换，获得解析信号，将所述频偏因子和所述解析信号相乘，获得模拟的多普勒频移信号。

总体而言，本发明的基于LabVIEW的宽带信道模拟技术，实现无线通信过程中基带信号的多普勒频移、多径效应模拟与仿真，模拟无线通信信号的传输过程与结果，很好地解决了无线通信设备的现场测试与验证难题，极大降低了科研周期与成本，为无线通信系统的设计与验证提供了良好的技术支撑。并且还具有以下几个特点：

1)频率范围广。该信道模拟器可对频率范围为30Hz～3kHz的基带信号进行运算处理，并可根据需要扩展至5MHz，以电信行业的信道模拟需求；

2)带宽高。该信道模拟器的扫频范围可从－125Hz到+125Hz，满足多样化的环境模拟需求；

3)采样精度高。该信道模拟器的多径延时的最小刻度可达0.001ms，满足两个通信设备同向小幅位移时的极端环境模拟；

4)功能强。该信道模拟器具有模拟多普勒频移、扫频，多径扩展、延迟、衰落等多项功能，很好的满足了科研人员的仿真需求；

5)自动化程度高。该信道模拟器采用LabVIEW平台进行设计，可实现实时信道模拟，并在参数修改后继续自动运行。

附图说明

图1是本发明实施例的宽带信道模拟装置的组成示意图；

图2是本发明实施例的加固计算机示意图；

图3是本发明实施例的低通滤波器的电路图；

图4是本发明实施例的阻抗分配器的电路图；

图5是本发明实施例的多普勒效应模拟的工作原理示意图；

图6是本发明实施例的多径效应模拟的工作原理示意图；

图7是本发明实施例的多普勒频移信号示意图。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例的一种宽带信道模拟装置，优选基于LabVIEW平台开发，的实现对无线通信设备的基带信号进行多普勒效应和/或多径效应的模拟。可对无线通信设备信道的适应能力、校正能力进行试验和验证，具有多普勒频移、扫频，多径扩展、延迟、衰落等功能。优选采用如下技术指标。

a)具有模拟多普勒频移、扫频，多径扩展、延迟、衰落功能；

b)频率范围：30Hz～3kHz，可扩展至5MHz；

c)动态范围：±10V输出；

d)多径延迟：0～11.6ms、步进0.001ms；

e)多径扩展：0Hz～200Hz任选；

f)多径衰落：0dB～20dB任选；

g)多普勒频移：-125Hz～+125Hz任选；

h)多普勒扫频速率：每秒0.001～3.5Hz/s任选；

i)多普勒扫频范围：－125Hz～125Hz。

本发明实施例的一种宽带信道模拟装置，如图1所示，包括信号调理模块、低通滤波器、数据采集卡和阻抗分配器。

信号调理模块用于接收输入信号，并将输入信号处理为数据采集卡能处理的标准信号。

低通滤波器用于接收标准信号，并对标准信号进行滤波处理后发送给数据采集模块。

数据采集卡包括数据采集模块和信道运算模块。数据采集模块用于采集至少2个周期的波形数据并发送给信道运算模块。信道运算模块用于实现多普勒效应和/或多径效应的模拟运算。数据采集卡具有高速双向传输数据和自动缓存功能，实现了数据的采样－处理－输出的连续实时仿真工作方式。

阻抗分配器用于将信道运算模块的输出信号转换为多路信号并使得多路信号的输出满足阻抗匹配要求。

优选的，如图2所示，数据采集卡布置在加固计算机上。加固计算机又称抗恶劣环境计算机，可以适应各种恶劣环境。在加固计算机设计时，对影响计算机性能的各种因素，如系统结构、电气特性和机械物理结构等，采取相应保证措施。加固计算机上配备显示及参数设置模块，例如显示器、键盘、触摸板等。加固计算机上还配备BNC输入接口、4路BNC输出接口、4路USB、HDMI视频端口等。

特别说明的是，除了数据采集卡模块外，其他模块都可以根据实际需要灵活调整、增加或删减。

宽带信道模拟装置的工作原理是，通过低通滤波器滤除输入信号中噪声及杂散信号，利用数据采集卡对该信号进行数据处理，模拟多普勒频移、扫频，多径扩展、延迟、衰落等功能，并实时输出与显示模拟结果，从而模拟了信号在空间传输时会经历的各种状态。之后，通过前端与后端设备的通信状态与误码情况判断该信号的抗干扰能力，即在经过上述状态模拟后依然可以有效实现无线通信。

下面具体说明宽带信道模拟装置的每个模块的优选实现方式。

1.1、加固计算机

考虑到信道模拟器的使用要求，优选采用定制加固计算机作为系统载体，该加固计算机具备PCIe总线接口，可同时接入2块PCIe数据采集卡。由于数据运算量较大，加固计算机配备I7处理器，独立显卡、集成电源与冷却风扇，便于维修更换。

1.2、PCIe数据采集卡

在信道模拟实现中，数据采集起到了关键的作用，数据采集卡是实现对基带信号操作的硬件核心。为满足技术指标要求，优选采用满足下列技术要求的采集卡PXI-6374或其它模块。

(1)2MBPS采样率、32位的16路模拟输入、输出；

(2)8条数字I/O线(5VTTL/CMOS)；

(3)2路24位的定时/计数器；

(4)8组不同的模拟输入/输出；

(5)输入电压范围±10V。

PCIE-6374数据采集卡有100GΩ的输入高阻抗，而输出为＜0.1Ω低阻抗。保证模拟的插入干扰不会影响模拟中的基带信号流，从而大大地提高信道参量的模拟精度。这一高输入阻抗和低输出阻抗性能还简化许多问题，而这些是在设计外部电路时普遍存在的典型问题。采集卡能探测到模拟信号4μV范围内的变化，从而提供了高质量的模数转换(AD)与数模转换(DA)。为了更大程度减少数字化误差，提供了多种连接信号的方法，包括最大程度的噪声消除以及非接地单端模式等。

1.3、低通滤波器

前端模拟滤波器对后续模数转换后的数字信号在所关心的带宽内的信噪比有很大的影响。随着前端模拟滤波器的阶数的增加，对带外噪声的抑制也越来越好；使采样后数字信号在所关心的带宽内噪声电平减少。

但由于模拟滤波器具有一定的设计难度、制造困难。如果采用标准的商用电阻和电容，将对角频率和过渡带造成较大的误差，选用集成滤波器可有效的提高仿真精度。集成滤波器采用一种能用外接的模拟电压来设定截止(中心)频率的有源滤波器。其主要技术规范见表1。

表1滤波器主要技术规范

特性	衰减斜率	截止(中心)频率范围	频率设定	电源电压
					低通4阶巴特沃兹	24dB/oct	100Hz～100kHz	+10mV～+10V	±15V

优选的，如图3所示，集成滤波器由多级运算放大器组成和数字直流电源组成(VCRCONTROLLER)，通过给数字直流电源提供高电平或低电平来控制数字直流电源的输出，通过电压偏压使得运算放大器实现预设的功能。

滤波器模块具有高的输入阻抗，截止频率的选择只需要计算四只电容就能很方便的决定，电容C_F由下式计算

如截止频率为3000Hz，可计算出所需要的电容为：

设计时确定好电容C_F，可以直接到电路中将电容固定为该值。

1.4、阻抗分配器

阻抗分配器的功能主要是实现信号运算模块输出的单路信号分成多路信号同时输出，其主要目的是为了满足多路设备同时模拟与验证。输入信号经过处理后，要满足实际需要的四路输出，且满足阻抗要求需要由一个分配及转换电路。

如图4所示，阻抗分配器优选采用如下的电路结构，可以将一路信号分成四路信号同时输出。各路运放的输入可由开关转换。

1.5、信号运算模块

信号运算模块通过对输入信号进行运算处理来模拟多普勒效应模拟和/或多径效应。

多普勒效应模拟的工作原理如图5所示。首先，通过希尔伯特变换得到输入信号的解析信号，之后，将频率参量与解析信号相乘，得到最终的频移信号，通过连续不断的频移实现多普勒扫频。

多径效应模拟的工作原理如图6所示。首先，通过信号函数对输入信号进行延迟、衰落与扩展处理，从而得到解析信号，之后，将频率参量与解析信号相乘，得到最终的输出信号。

多普勒效应模拟的算法处理步骤如下：

1)初始化。当允许该系统时，软件首先会对时间t、、起始频率f₁、截止频率f₂、频移速率f_V进行初始化。

起始频率f₁可以根据步骤(2)采集的波形数据的频率设置，也可以人为设置输入波形频率f₀，将输入波形频率f₀加减一个范围(例如20HZ)作为起始频率f₁和截止频率f₂。

2)数据预存。系统预留1000ms的缓存时间，用于采集至少2个周期的波形数据。

3)计算偏移量。通过时间t、起始频率f₁、截止频率f₂、频移速率f_V实时计算频率偏移量f'＝f₁+f_v，当频率偏移量超过起始频率f₁、截止频率f₂时，则将频移速率f_V置为负数，改变扫频方向进行反向扫频，其频偏因子为e^j2πf't’，这里t为根据预设值t变化的当前时间值。

4)多普勒频移。对步骤2预存的波形数据进行希尔伯特变换，构成其复数信号：

data_c＝hilbert(data)

data_c是希尔伯特变换后的复数信号，约定初始相位为零，则仅含有幅度和频率成分。

进行多普勒频移时，将复数信号data_c与频偏因子为e^j2πf't相乘得到模拟多普勒频移信号f'(t)，公式如下：

具体算法处理为，对频偏因子复数信号带入欧拉公式变换为三角函数，分解为实部与虚部两个部分，将复数信号data_c与频偏因子虚部相乘再与实部相加，从而得到频移偏移后的波形数据，如图7所示。

系统在做多普勒扫频时，信号的幅度不变，相位连续。

5)多径效应。

获取路径数量N以及每条路径的频率放大倍数x_fn和幅值放大倍数x_vn(1≤n≤N)，将步骤(4)得到的多普勒频移信号作为每条的路径的原始模拟输入数据，将所述多普勒频移信号记为f'(t)，则第n条路径模拟输出信号为x_fn·x_vn·f'(t)，最后每条路径的模拟输出信号进行叠加，获得模拟的多径效应信号。

6)波形输出。将运算后的波形数据通过采集卡输出。

7)重复步骤3)～5)，当系统运行过程中，起始频率f₀、截止频率f_n、频移速率f_V等配置参数发生改变时，可实时进行算法更新，无需停止设备。

本发明实施例的一种宽带信道模拟方法，包括步骤：

获取预设置参数，所述预设置参数包括时间t、起始频率f₁、截止频率f₂和频移速率f_V；

采集至少2个周期的波形数据；

根据所述起始频率f₁、所述截止频率f₂和所述频移速率f_V根据计算频率偏移量，获得频偏因子；

对所述波形数据进行希尔伯特变换，获得解析信号，将所述频偏因子和所述解析信号相乘，获得模拟的多普勒频移信号。

优选的，宽带信道模拟方法还包括步骤,获取路径数量N以及每条路径的频率放大倍数x_fn和幅值放大倍数x_vn(1≤n≤N)，将所述多普勒频移信号作为每条的路径的原始模拟输入数据，将多普勒频移信号记为f'(t)，则第n条路径模拟输出信号为x_fn·x_vn·f'(t)，最后每条路径的输出信号进行叠加，获得模拟的多径效应信号。

方法的实现原理及效果与上述装置类似，此处不再赘述。

必须说明的是，上述任一实施例中，方法并不必然按照序号顺序依次执行，只要从执行逻辑中不能推定必然按某一顺序执行，则意味着可以以其他任何可能的顺序执行。

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种宽带信道模拟装置，其特征在于，包括数据采集卡，所述数据采集卡包括数据采集模块和信道运算模块；所述数据采集模块用于采集至少2个周期的波形数据并发送给所述信道运算模块；所述信道运算模块用于实现如下步骤：

获取预设置参数，所述预设置参数包括时间t、起始频率f₁、截止频率f₂和频移速率f_V；

根据所述起始频率f₁、所述截止频率f₂和所述频移速率f_V根据计算频率偏移量，根据所述频率偏移量和时间获得频偏因子；其中，当频率偏移量超过起始频率f1与截止频率f2时，则将频移速率f_V置为负数，改变扫频方向进行反向扫频，以获得频偏因子；

对所述波形数据进行希尔伯特变换，获得复数信号，将所述频偏因子和所述复数信号相乘，获得模拟的多普勒频移信号；其中，对频偏因子复数信号带入欧拉公式变换为三角函数，分解为实部与虚部两个部分，将复数信号与频偏因子虚部相乘再与实部相加，从而得到频移偏移后的波形数据；

获取路径数量N以及每条路径的频率放大倍数x_fn和幅值放大倍数x_vn(1≤n≤N)，将所述多普勒频移信号作为每条路径的原始模拟输入数据，将所述多普勒频移信号记为f'(t)，计算得到每条路径的模拟输出信号，第n条路径的模拟输出信号为x_fn·x_vn·f'(t)，最后每条路径的输出信号进行叠加，获得模拟的多径效应信号。

2.如权利要求1所述的一种宽带信道模拟装置，其特征在于，所述数据采集卡提供了多种信号接入模式，所述接入模式包括噪声消除模式和非接地单端模式。

3.如权利要求1所述的一种宽带信道模拟装置，其特征在于，还包括信号调理模块和低通滤波器，所述信号调理模块用于接收输入信号，并将所述输入信号处理为所述数据采集卡能处理的标准信号，所述低通滤波器用于接收所述标准信号，并对所述标准信号进行滤波处理后发送给所述数据采集模块。

4.如权利要求1所述的一种宽带信道模拟装置，其特征在于，还包括阻抗分配器，所述阻抗分配器用于将所述信道运算模块的输出信号转换为多路信号并使得所述多路信号的输出满足阻抗匹配要求。

5.如权利要求1所述的一种宽带信道模拟装置，其特征在于，所述数据采集卡被布置在加固计算机上。

6.一种宽带信道模拟方法，其特征在于，包括步骤：

获取预设置参数，所述预设置参数包括时间t、起始频率f₁、截止频率f₂和频移速率f_V；

采集至少2个周期的波形数据；

根据所述起始频率f₁、所述截止频率f₂和所述频移速率f_V根据计算频率偏移量，根据所述频率偏移量和时间获得频偏因子；其中，当频率偏移量超过起始频率f1与截止频率f2时，则将频移速率f_V置为负数，改变扫频方向进行反向扫频，以获得频偏因子；

对所述波形数据进行希尔伯特变换，获得解析信号，将所述频偏因子和所述解析信号相乘，获得模拟的多普勒频移信号；其中，对频偏因子复数信号带入欧拉公式变换为三角函数，分解为实部与虚部两个部分，将复数信号与频偏因子虚部相乘再与实部相加，从而得到频移偏移后的波形数据；

获取路径数量N以及每条路径的频率放大倍数x_fn和幅值放大倍数x_vn(1≤n≤N)，将所述多普勒频移信号作为每条路径的原始模拟输入数据，将所述多普勒频移信号记为f'(t)，计算得到每条路径的模拟输出信号，第n条路径的模拟输出信号为x_fn·x_vn·f'(t)，最后每条路径的输出信号进行叠加，获得模拟的多径效应信号。

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