CN114465684B - 一种Bi-Gaussian信道的仿真方法及装置 - Google Patents

一种Bi-Gaussian信道的仿真方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种Bi‑Gaussian信道仿真方法及装置，属于无线通信信道模型技术领域。该仿真方法包括以下步骤：获取待仿真的通信信号；并将所述模拟信号形式的通信信号进行模数转换，转换为数字信号形式的通信信号；获取Bi‑Gaussian信道模型；将所述数字信号形式的通信信号输入Bi‑Gaussian信道模型，进行信号仿真，获得数字信号形式的输出信号；将数字信号形式的输出信号转换为模拟信号形式的输出信号并输出。该仿真方法不仅解决了对于功率谱不对称的信道不易仿真的技术问题，还可计算出移动通信中天线摇摆引起的增益变化。

Description

一种Bi-Gaussian信道的仿真方法及装置
技术领域
本发明涉及一种Bi-Gaussian信道仿真方法及装置，属于无线通信信道模型技术领域。
背景技术
为了适应我国现代信息化的需求，充分发挥信息技术的主导作用，最大限度的配置和使用信息化装备，我国继续对信息系统提供实验、验证和评估的手段。信道的仿真在通信理论研究、信道建模研究及应用的关键步骤，对无线通信技术的发展具有决定性的影响。
瑞利信道模型是一种小尺度衰落模型，主要描述无线信道的多径效应和多普勒效应，是无线通信信道的基础模型。然而当前几乎没有非对称功率谱的瑞利信道仿真，而且这种信道模型只能体现没有直射路径的移动无线信道模型无法计算出移动通信中天线摇摆引起的增益变化问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种Bi-Gaussian信道仿真方法，不仅可以仿真功率谱不对称的瑞利信道，也可计算出移动通信中天线摇摆引起的增益变化。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
第一方面，本发明提供了一种Bi-Gaussian信道仿真方法及装置，包括以下步骤：
获取待仿真的通信信号；并将所述模拟信号形式的通信信号进行模数转换，转换为数字信号形式的通信信号；
获取Bi-Gaussian信道模型；
将所述数字信号形式的通信信号输入Bi-Gaussian信道模型，进行信号仿真，获得数字信号形式的输出信号；
将数字信号形式的输出信号转换为模拟信号形式的输出信号并输出；
所述待仿真的通信信号为正弦波信号；所述输出信号为该正弦波信号通过 Bi-Gaussian信道，发生了小尺度衰落后的仿真信号，包括：信道系数的多普勒功率谱形状和通信信号发生小尺度衰落后的幅度分布相位分布。
进一步的，获取Bi-Gaussian信道模型的方法如下：
生成多普勒参数模型，Bi-Gaussian信道的功率谱理论值如下
Figure BDA0003542871150000021
其中σg1和σg2为标准差，fg1和fg2为中心频率，Cg1和Cg2为功率增益，
Figure BDA0003542871150000022
Figure BDA0003542871150000023
为归一化系数；
按照需求设置信道参数：σg1、σg2、fg1、fg2、Cg1和Cg2；得到多普勒功率谱S_f；
将功率谱S_f开方得到频谱作为滤波器s_f；
通过正弦波叠加法得到产生两组高斯噪声h1(t)和h2(t)；
将两组高斯信号组成一组复数信号,h3(t)＝h1(t)+j*h2(t)；
将h3(t)作傅里叶变换，将时域换到频域，得到频域上的H3(ω)；
多普勒滤波器s_f接受傅里叶变换后的H3(ω)，得到了滤波后的高斯噪声 H3′(ω)；
将高斯滤波后的高斯噪声H3′(ω)作傅里叶逆变换，将频域转换到时域上，得到h3′(t)；
将h3′(t)取共轭，得到
Figure BDA0003542871150000031
即Bi-Gaussian信道模型。
进一步的，将所述待仿真的通信信号输入Bi-Gaussian信道模型，获得输出信号的方法包括配置信道模型参数。
进一步的，配置信道模型参数包括：
设定BiGaussian信道仿真中最大多普勒频移fd＝277Hz，标准差σg1＝ 0.1*fd、σg2＝0.15*fd；中心频率fg1＝-0.7*fd、fg2＝0.4*fd；功率 Cg1＝101.5、Cg2＝1，采样时间Ts＝50s。
进一步的，所述方法还包括：对输出信号进行分析，验证Bi-Gaussian信道的准确性。
进一步的，对输出信号分析的方法包括：
分析输出信号的一阶特性，所述一阶特性包括幅值概率密度分布和相位概率密度分布；
利用自相关函数对输出信号做二阶特性分析，计算Bi-Gaussian信道的自相关性和功率谱密度。
第二方面，本发明提供一种Bi-Gaussian信道仿真装置，所述装置包括：
第一射频模块：用于获取待仿真的通信信号；将所述模拟信号形式的通信信号进行模数转换，转换为数字信号形式的通信信号；
PC模块：用于获取Bi-Gaussian信道模型和配置Bi-Gaussian信道模型参数；
基带处理模块：用于将所述数字信号形式的通信信号输入Bi-Gaussian信道模型，进行数据仿真，获得数字信号形式的输出信号；
第二射频模块：用于将数字信号形式的输出信号转换为模拟信号形式的输出信号并输出；
所述待仿真的通信信号为正弦波信号；所述输出信号为该正弦波信号通过 Bi-Gaussian信道，发生了小尺度衰落后的仿真信号，包括：信道系数的多普勒功率谱形状和通信信号发生小尺度衰落后的幅度分布相位分布。
所述装置还包括基带控制模块：用于和PC模块通信、负责射频模块的管理和控制调度以及负责基带处理模块的信道仿真驱动。
第三方面，本发明提供一种Bi-Gaussian信道仿真装置，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行第一方面所述方法的步骤。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
1、本发明利用Bi-Gaussian信道模型、数模转换进行仿真，能够计算出移动通信中天线摇摆引起的增益变化；
2、本发明还对输出信号进行分析，进一步提高仿真的正确率和准确度；
3、本发明提供的信道模型参数，根据分析和试验，其信道模型参数所取得的仿真效果最好，能够尽可能；
4、本发明的仿真装置包括：射频模块、基带处理模块、PC模块；利用PC 模块配置好Bi-Gaussian各个参数，通过基带控制模块令基带处理模块产生 Bi-Gaussian信道，信号源产生通信信号s(t)，射频模块接收到s(t)并将模拟信号转换为数字信号，基带处理模块将通信信号与Bi-Gaussian信道进行处理，使通信信号通过Bi-Gaussian信道，通过射频模块将数字信号转化为模拟信号发出，可通过计算机设备自动完成，调整方便，较为灵活；
5、另外使用本发明的信道产生流程，可以仿真非对称功率谱的瑞利信道。
附图说明
图1是生成Bi-Gaussian信道的流程图。
图2是本发明实施例提供fd＝277Hz时的Bi-Gaussian信道幅值概率密度分布图。
图3是本发明实施例提供fd＝277Hz时的Bi-Gaussian信道相位概率密度分布图。
图4是本发明实施例提供fd＝277Hz时的Bi-Gaussian信道自相关函数仿真结果图。
图5是本发明实施例提供fd＝277Hz时的Bi-Gaussian信道功率谱密度仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一：
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细描述。
本实施例的Bi-Gaussian信道仿真方法包括以下步骤：
(1).获取信号源产生的通信信号s(t)；并进行模数转换；
(2).生成Bi-Gaussian信道；本发明是仿真方法，使用的Bi-Gaussian 信道就是Bi-Gaussian信道模型；
(3).对Bi-Gaussian信道进行仿真：通信信号s(t)通过Bi-Gaussian 信道，得到输出信号，并对输出信号进行数模转换并输出；输出信号包含信息：信道系数的多普勒功率谱形状；输入信号发生小尺度衰落后的幅度分布相位分布；
(4).对输出信号进行分析，验证Bi-Gaussian信道的准确性。
本方法的初始输入是一个正弦波信号(模拟信号)；输出是该正弦波信号通过Bi-Gaussian信道(发生了小尺度衰落)后的信号；分析最终输出可以验证Bi-Gaussian信道是否正确(通过以下四个方面分析：1输出信号的幅度分布；2输出信号的相位分布；3输出信号的功率谱；4输出信号的自相关函数)。
输出信号包含信息：信道系数的多普勒功率谱形状；输入信号发生小尺度衰落后的幅度分布相位分布。
注意，验证这个步骤不是必要的，只是为了说明信道仿真无误；实际使用中可以直接使用输出信号。
参照图1，步骤(2)中，生成Bi-Gaussian信道(模型)的方法如下：
(2-1).生成多普勒参数模型，Bi-Gaussian信道的功率谱理论值如下
Figure BDA0003542871150000071
其中σg1和σg2为标准差，fg1和fg2为中心频率，Cg1和Cg2为功率增益，
Figure BDA0003542871150000072
为归一化系数。
(2-2).按照需求设置信道参数：σg1、σg2、fg1、fg2、Cg1和Cg2。得到多普勒功率谱S_f。
(2-3).将功率谱S_f开方得到频谱作为滤波器s_f。
(2-4).通过正弦波叠加法得到产生两组高斯噪声h1(t)和h2(t)。
(2-5).将两组高斯信号组成一组复数信号,h3(t)＝h1(t)+j*h2(t)。
(2-6).将h3(t)作傅里叶变换，将时域换到频域，得到频域上的H3(ω)。
(2-7).多普勒滤波器s_f接受傅里叶变换后的H3(ω)，得到了滤波后的高斯噪声H3′(ω)。
(2-8).将高斯滤波后的高斯噪声H3′(ω)作傅里叶逆变换，将频域转换到时域上，得到h3′(t)。
(2-9).将h3′(t)取共轭，得到
Figure BDA0003542871150000073
即Bi-Gaussian信道模型。
具体的，步骤(3)中，设定BiGaussian信道仿真中最大多普勒频移fd＝277 Hz，标准差σg1＝0.1*fd、σg2＝0.15*fd；中心频率fg1＝-0.7*fd、fg2＝ 0.4*fd；功率Cg1＝101·5、Cg2＝1，采样时间Ts＝50s。
根据分析和试验，以上的信道模型参数所取得的仿真效果最好。
具体的，步骤(3)中，对输出信号分析的具体方法如下：
在获得输出信号后，对输出信号进行统计计算：具体为分析输出信号的一阶特性(幅值概率密度分布和相位概率密度分布)；利用自相关函数对输出信号做二阶特性分析，计算Bi-Gaussian信道的自相关性和功率谱密度。
步骤(3)中，得到的仿真结果图如图2、图3、图4、图5所示。图2是本发明实施例提供fd＝277Hz时的Bi-Gaussian信道幅值概率密度分布图。图3 是本发明实施例提供fd＝277Hz时的Bi-Gaussian信道相位概率密度分布图。图4是本发明实施例提供fd＝277Hz时的Bi-Gaussian信道自相关函数仿真结果图。图5是本发明实施例提供fd＝277Hz时的Bi-Gaussian信道功率谱密度仿真结果图。
本实施例利用Bi-Gaussian信道进行仿真，能够计算出移动通信中天线摇摆引起的增益变化。另外使用本发明的信道产生流程，可以仿真非对称功率谱的瑞利信道。
实施例二：
本实施例提供一种Bi-Gaussian信道仿真装置，所述装置包括：
第一射频模块：用于获取待仿真的通信信号；将所述模拟信号形式的通信信号进行模数转换，转换为数字信号形式的通信信号；
PC模块：用于获取Bi-Gaussian信道模型和配置Bi-Gaussian信道模型参数；
基带处理模块：用于将所述数字信号形式的通信信号输入Bi-Gaussian信道模型，进行数据仿真，获得数字信号形式的输出信号；
第二射频模块：用于将数字信号形式的输出信号转换为模拟信号形式的输出信号并输出；
基带控制模块：用于和PC模块通信、负责射频模块的管理和控制调度以及负责基带处理模块的信道仿真驱动。
所述待仿真的通信信号为正弦波信号；所述输出信号为该正弦波信号通过 Bi-Gaussian信道，发生了小尺度衰落后的仿真信号，包括：信道系数的多普勒功率谱形状和通信信号发生小尺度衰落后的幅度分布相位分布。
具体来说，各个模块的作用如下：
射频模块：用于接收发射信号、数模转换、模数转换等；
基带处理模块：用于接收来自射频模块的信号、完成信道仿真的运算和数据处理、将处理过的数据送到射频模块输出等；
PC模块：用于确定Bi-Gaussian信道的参数值、分析输出信号等；
基带控制模块：用于和PC模块通信、负责射频模块的管理和控制调度等功能、负责基带处理模块的信道仿真等。
本实施例的装置可用于实现实施例一所述的方法，其实施过程如下：
Bi-Gaussian信道仿真装置包括：射频模块、基带处理模块、PC模块、基带控制模块。利用PC模块配置好Bi-Gaussian信道模型各个参数，通过基带控制模块令基带处理模块产生Bi-Gaussian信道模型，信号源产生通信信号s(t)，射频模块接收到s(t)并将模拟信号转换为数字信号，基带处理模块将通信信号与 Bi-Gaussian信道进行处理，使通信信号通过Bi-Gaussian信道模型，通过射频模块将数字信号转化为模拟信号发出，PC模块对输出信号进行统计计算。
实施例三：
本发明实施例还提供了一种Bi-Gaussian信道仿真装置，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行实施例一所述方法的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和 /或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/ 或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种Bi-Gaussian信道仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取待仿真的通信信号；并将模拟信号形式的通信信号进行模数转换，转换为数字信号形式的通信信号；
获取Bi-Gaussian信道模型；
将所述数字信号形式的通信信号输入Bi-Gaussian信道模型，进行信号仿真，获得数字信号形式的输出信号；
将所述数字信号形式的输出信号转换为模拟信号形式的输出信号并输出；
所述待仿真的通信信号为正弦波信号；输出信号为该正弦波信号通过Bi-Gaussian信道，发生了小尺度衰落后的仿真信号，包括：信道系数的多普勒功率谱形状和通信信号发生小尺度衰落后的幅度分布相位分布；
获取Bi-Gaussian信道模型的方法如下：
生成多普勒参数模型，Bi-Gaussian信道的功率谱理论值如下
Figure FDA0004168654840000011
其中σg1和σg2为标准差，fg1和fg2为中心频率，Cg1和Cg2为功率增益，
Figure FDA0004168654840000012
Figure FDA0004168654840000013
为归一化系数；
按照需求设置信道参数：σg1、σg2、fg1、fg2、Cg1和Cg2；得到多普勒功率谱S_f；
将功率谱S_f开方得到频谱作为滤波器s_f；
通过正弦波叠加法得到产生两组高斯噪声h1(t)和h2(t)；
将两组高斯信号组成一组复数信号，h3(t)＝h1(t)+j*h2(t)；
将h3(t)作傅里叶变换，将时域换到频域，得到频域上的H3(ω)；
多普勒滤波器s_f接受傅里叶变换后的H3(ω)，得到了滤波后的高斯噪声H3′(ω)；
将高斯滤波后的高斯噪声H3′(ω)作傅里叶逆变换，将频域转换到时域上，得到h3′(t)；
将h3′(t)取共轭，得到
Figure FDA0004168654840000021
即Bi-Gaussian信道模型。
2.根据权利要求1所述的Bi-Gaussian信道仿真方法，其特征在于，将所述待仿真的通信信号输入Bi-Gaussian信道模型，获得输出信号的方法包括配置信道模型参数。
3.根据权利要求2所述的Bi-Gaussian信道仿真方法，其特征在于，配置信道模型参数包括：
设定BiGaussian信道仿真中最大多普勒频移fd＝277Hz，标准差σg1＝0.1*fd、σg2＝0.15*fd；中心频率fg1＝-0.7*fd、fg2＝0.4*fd；功率Cg1＝101.5、Cg2＝1，采样时间Ts＝50s。
4.根据权利要求1所述的Bi-Gaussian信道仿真方法，其特征在于，所述方法还包括：对输出信号进行分析，验证Bi-Gaussian信道的准确性。
5.根据权利要求4所述的Bi-Gaussian信道仿真方法，其特征在于，对输出信号分析的方法包括：
分析输出信号的一阶特性，所述一阶特性包括幅值概率密度分布和相位概率密度分布；
利用自相关函数对输出信号做二阶特性分析，计算Bi-Gaussian信道的自相关性和功率谱密度。
6.一种Bi-Gaussian信道仿真装置，其特征在于，所述装置包括：
第一射频模块：用于获取待仿真的通信信号；将模拟信号形式的通信信号进行模数转换，转换为数字信号形式的通信信号；
PC模块：用于获取Bi-Gaussian信道模型和配置Bi-Gaussian信道模型参数；
基带处理模块：用于将数字信号形式的通信信号输入Bi-Gaussian信道模型，进行数据仿真，获得数字信号形式的输出信号；
第二射频模块：用于将数字信号形式的输出信号转换为模拟信号形式的输出信号并输出；
待仿真的通信信号为正弦波信号；输出信号为该正弦波信号通过Bi-Gaussian信道，发生了小尺度衰落后的仿真信号，包括：信道系数的多普勒功率谱形状和通信信号发生小尺度衰落后的幅度分布相位分布；
获取Bi-Gaussian信道模型的方法如下：
生成多普勒参数模型，Bi-Gaussian信道的功率谱理论值如下
Figure FDA0004168654840000041
其中σg1和σg2为标准差，fg1和fg2为中心频率，Cg1和Cg2为功率增益，
Figure FDA0004168654840000042
Figure FDA0004168654840000043
为归一化系数；
按照需求设置信道参数：σg1、σg2、fg1、fg2、Cg1和Cg2；得到多普勒功率谱S_f；
将功率谱S_f开方得到频谱作为滤波器s_f；
通过正弦波叠加法得到产生两组高斯噪声h1(t)和h2(t)；
将两组高斯信号组成一组复数信号，h3(t)＝h1(t)+j*h2(t)；
将h3(t)作傅里叶变换，将时域换到频域，得到频域上的H3(ω)；
多普勒滤波器s_f接受傅里叶变换后的H3(ω)，得到了滤波后的高斯噪声H3′(ω)；
将高斯滤波后的高斯噪声H3′(ω)作傅里叶逆变换，将频域转换到时域上，得到h3′(t)；
将h3′(t)取共轭，得到
Figure FDA0004168654840000044
即Bi-Gaussian信道模型。
7.根据权利要求6所述的Bi-Gaussian信道仿真装置，其特征在于，所述装置还包括基带控制模块：用于和PC模块通信、负责射频模块的管理和控制调度以及负责基带处理模块的信道仿真驱动。
8.一种Bi-Gaussian信道仿真装置，其特征在于，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行权利要求1-5任一项所述方法的步骤。
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