CN117097417B - 一种逻辑资源动态分配的信道模拟器及信道模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种逻辑资源动态分配的信道模拟器及信道模拟方法，属于通信领域，信道模拟器包括：信号检测装置、频率带宽追踪装置、多个射频输入端口、多个逻辑接口及多个射频输出端口；逻辑接口的数量比射频输入端口的数量少；信号检测装置用于实时检测各射频输入端口处是否有信号输入；频率带宽追踪装置用于在任一射频输入端口处有信号输入时，追踪对应射频输入端口处输入信号的频率和带宽，并根据输入信号的频率和带宽，为射频输入端口分配逻辑接口，使输入信号进入信道场景回放模拟阶段；射频输出端口用于输出经过信道场景回放模拟后的信号。本发明减少了信道模拟器的逻辑链路，动态分配计算资源，节省了信道模拟器多链路模拟时的计算资源。

Description

一种逻辑资源动态分配的信道模拟器及信道模拟方法

技术领域

本发明涉及通信领域，特别是涉及一种逻辑资源动态分配的信道模拟器及信道模拟方法。

背景技术

日前公开的“斗兽场”是一个256×256的射频通道模拟器，可以实时计算和模拟超过256个无线设备之间65000多个通道的交互，此射频模拟器的带宽比目前商用系统可用的总射频带宽高20倍。为了复制一系列复杂的射频环境（如从开放的场地到密集的城市），“斗兽场”依靠128个双天线软件定义无线电和64个现场可编程门阵列（Field ProgrammableGate Array，FPGA）实现。

信道模拟器正在朝着越来越多的射频通道发展，传统信道模拟器的射频通道与FPGA逻辑资源都是一一对应的，主要采用固定分配的方式，如图1所示，按照传统的固定分配逻辑资源的方式难以满足未来信道模拟对通道数量的需求，灵活性较低且成本高。

发明内容

本发明的目的是提供一种逻辑资源动态分配的信道模拟器及信道模拟方法，可减少信道模拟器的逻辑链路，动态分配计算资源，以节省信道模拟器多链路模拟时的FPGA计算资源。

为实现上述目的，本发明提供了一种逻辑资源动态分配的信道模拟器，包括信号检测装置、频率带宽追踪装置、多个射频输入端口、多个逻辑接口及多个射频输出端口。

所述逻辑接口的数量比所述射频输入端口的数量少。

所述信号检测装置用于实时检测各射频输入端口处是否有信号输入。

所述频率带宽追踪装置用于在任一射频输入端口处有信号输入时，追踪对应射频输入端口处输入信号的频率和带宽，并根据输入信号的频率和带宽，为所述射频输入端口分配逻辑接口，使所述输入信号进入信道场景回放模拟阶段。

所述射频输出端口用于输出经过信道场景回放模拟后的信号。

可选地，所述射频输入端口的数量与所述射频输出端口的数量相同。

可选地，所述信号检测装置的数量及所述频率带宽追踪装置的数量均与所述射频输入端口的数量相同；每个信号检测装置对应一个射频输入端口，每个频率带宽追踪装置对应一个射频输入端口。

可选地，所述信号检测装置采用匹配滤波的方式实时检测各射频输入端口处是否有信号输入。

可选地，所述信号检测装置以下模块。

信号采样模块，用于针对任一射频输入端口，实时检测所述射频输入端口处的信号，并对所述射频输入端口处的信号采样，得到所述射频输入端口处输入信号的离散样本。

统计量计算模块，与所述信号采样模块连接，用于针对任一射频输入端口，根据参考信号的离散样本及所述射频输入端口处输入信号的离散样本，计算所述射频输入端口的检验统计量。

判断模块，与所述统计量计算模块连接，用于针对任一射频输入端口，判断所述射频输入端口的检验统计量是否大于设定门限值，若是，则判定所述射频输入端口处有信号输入，否则，判定所述射频输入端口处无信号输入。

可选地，所述统计量计算模块采用以下公式计算射频输入端口的检验统计量：；其中，Y为射频输入端口的检验统计量，x(n)为射频输入端口处输入信号在时间点n处的离散样本值，/>为参考信号在时间点n处的离散样本值，N为离散样本值的数量。

可选地，所述频率带宽追踪装置包括以下模块。

频率跟踪模块，用于在任一射频输入端口处有信号输入时，采用相位锁相环跟踪所述射频输入端口处输入信号的频率。

带宽追踪模块，用于在任一射频输入端口处有信号输入时，对所述射频输入端口处的输入信号进行自相关运算，得到所述输入信号的自相关函数，并计算所述自相关函数在零时延处的衰减速度，根据所述衰减速度确定所述输入信号的带宽；输入信号的带宽为衰减速度的倒数。

资源分配模块，分别与所述频率跟踪模块及所述带宽追踪模块连接，用于实时检测各逻辑接口的状态，在任一射频输入端口处有信号输入时，判断是否存在空闲的逻辑接口；若存在空闲的逻辑接口，则根据所述射频输入端口处输入信号的频率和带宽，为对应的射频输入端口分配逻辑接口，使所述输入信号进入信道场景回放模拟阶段；若不存在空闲的逻辑接口，则使所述射频输入端口处的输入信号进入等待模拟状态，当检测到任一逻辑接口释放时，根据所述射频输入端口处输入信号的频率和带宽，为对应的射频输入端口分配逻辑接口，使所述输入信号进入信道场景回放模拟阶段。

可选地，所述带宽追踪模块采用以下公式得到输入信号的自相关函数：；其中，/>为输入信号延迟k时刻的自相关函数，N为离散样本值的数量，x(n)为射频输入端口处输入信号在时间点n处的离散样本值，k为时间延迟。

可选地，所述带宽追踪模块采用以下公式计算自相关函数在零时延处的衰减速度：；其中，m为自相关函数在零时延处的衰减速度，/>为时间延迟的增量，/>为输入信号无延迟的自相关函数，/>为输入信号延迟/>时刻的自相关函数。

为实现上述目的，本发明还提供了一种逻辑资源动态分配的信道模拟方法，包括以下步骤。

实时检测各射频输入端口处是否有信号输入。

在任一射频输入端口处有信号输入时，追踪对应射频输入端口处输入信号的频率和带宽。

根据输入信号的频率和带宽，为所述射频输入端口分配逻辑接口，使所述输入信号进入信道场景回放模拟阶段；所述逻辑接口的数量比所述射频输入端口的数量少。

输出经过信道场景回放模拟后的信号。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的信道模拟器的逻辑接口的数量比射频输入端口的数量少，减少了信道模拟器的逻辑链路，通过信号检测装置实时检测各射频输入端口处是否有信号输入，在任一射频输入端口处有信号输入时，通过频率带宽追踪装置追踪对应射频输入端口处输入信号的频率和带宽，并根据输入信号的频率和带宽为射频输入端口分配逻辑接口，使输入信号进入信道场景回放模拟阶段，为射频输入信号动态分配计算资源，节省了信道模拟器多链路模拟时的FPGA计算资源。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统信道模拟器的逻辑结构图。

图2为本发明提供的信道模拟器的结构示意图。

图3为本发明提供的信道模拟器的逻辑结构图。

图4为信号检测过程的示意图。

图5为本发明提供的逻辑资源动态分配的信道模拟方法的流程图。

符号说明：1-射频输入端口，2-信号检测装置，3-频率带宽追踪装置，4-逻辑接口，5-射频输出端口。

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。

本发明的目的是提供一种逻辑资源动态分配的信道模拟器及信道模拟方法，通过减少信道模拟器的逻辑链路，动态分配计算资源，节省信道模拟器多链路模拟时的FPGA计算资源，具有高灵活度和低成本的特点。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图2所示，本发明提供的逻辑资源动态分配的信道模拟器包括信号检测装置2、频率带宽追踪装置3、多个射频输入端口1、多个逻辑接口4及多个射频输出端口5。

其中，如图3所示，所述逻辑接口4的数量比所述射频输入端口1的数量少。即射频输入端口1的数量为i个，逻辑接口4的数量为j个，i>j。所述射频输入端口1的数量与所述射频输出端口5的数量相同。本发明射频输入端口1与逻辑接口4不再采用一对一的方式，减少了逻辑接口4的数量。

信号检测装置2用于实时检测各射频输入端口1处是否有信号输入。具体地，所述信号检测装置2采用匹配滤波的方式实时检测各射频输入端口1处是否有信号输入。匹配滤波的方式可以精确匹配信号的特征，提高信号的检测性能。

信号检测装置2包括：信号采样模块、统计量计算模块及判断模块。

其中，信号采样模块用于针对任一射频输入端口1，实时检测所述射频输入端口1处的信号，并对所述射频输入端口1处的信号采样，得到所述射频输入端口1处输入信号的离散样本。

统计量计算模块与所述信号采样模块连接，统计量计算模块用于针对任一射频输入端口1，根据参考信号的离散样本及所述射频输入端口1处输入信号的离散样本，计算所述射频输入端口1的检验统计量：。其中，Y为射频输入端口的检验统计量，x(n)为射频输入端口处输入信号在时间点n处的离散样本值，/>为参考信号在时间点n处的离散样本值，即滤波器的冲击响应，N为离散样本值的数量。具体地，对参考信号的离散样本s(n)进行时间翻转，得到滤波器的冲击响应/>。

判断模块与所述统计量计算模块连接，判断模块用于针对任一射频输入端口1，判断所述射频输入端口1的检验统计量是否大于设定门限值λ，若是，则判定所述射频输入端口1处有信号输入，否则，判定所述射频输入端口1处无信号输入。如图4所示为信号检测的过程，首先检测射频输入端口1处的信号x(t)，通过模拟数字转换器转换为离散样本x(n)，再计算检验统计量并与设定门限值λ进行比较，以判断是否有信号输入。

本发明的信号检测装置2可以实现最佳信噪比性能，最大化信号的相关性，并最小化噪声的影响，可以精确匹配信号的特征，提高信号的检测性能，不会引入额外的形变或失真，并克服传输路径中的衰落和噪声干扰问题。

频率带宽追踪装置3用于在任一射频输入端口1处有信号输入时，追踪对应射频输入端口1处输入信号的频率和带宽，并根据输入信号的频率和带宽，为所述射频输入端口1分配逻辑接口4，使所述输入信号进入信道场景回放模拟阶段。

除了信号检测之外，射频输入端口1处还设置频率和带宽追踪功能的装置，自动识别输入信号的频率和带宽，根据输入信号的带宽为其分配对应带宽的计算资源。

具体地，频率带宽追踪装置3包括：频率跟踪模块、带宽追踪模块及资源分配模块。

其中，频率跟踪模块用于在任一射频输入端口1处有信号输入时，采用相位锁相环（Phase Locked Loop，PLL）跟踪所述射频输入端口1处输入信号的频率。

PLL为现有常用的频率追踪技术，它是一种基于反馈的频率跟踪技术。通过比较输入信号与本地参考信号的相位差，并根据反馈控制信号的频率和相位，使输入信号与本地参考信号保持同步。PLL可以实现高精度的频率跟踪和同步。

PLL包括相位检测器、低通滤波器和振荡器。其中，相位检测器用于比较输入信号和本地参考信号的相位差，并根据相位差生成控制信号。低通滤波器用于平滑相位检测器输出的控制信号，去除高频噪声和不必要的频率成分，得到调整信号。低通滤波器的作用是确保控制信号的变化相对较缓慢，以避免不稳定和过大的调整。振荡器用于根据低通滤波器输出的调整信号产生本地参考信号。振荡器的频率和相位受调整信号的大小和极性而变化，它的输出作为相位锁定环的参考信号。

PLL工作原理如下。

1）初始状态：相位锁定环初始时处于不稳定状态。振荡器产生的本地参考信号与输入信号存在相位差。

2）相位检测：相位检测器比较输入信号和本地参考信号的相位差，产生控制信号。

3）控制信号滤波：控制信号经过低通滤波器，平滑掉高频成分，得到平均值作为调整信号。

4）调整振荡频率：调整信号被输入到振荡器，控制振荡器的频率和相位。如果输入信号与本地参考信号存在相位差，则振荡器的频率将被调整，使得相位差逐渐减小。

5）相位锁定：经过一段时间的反馈和调整，相位差逐渐趋近于零，输入信号与本地参考信号的相位同步。此时，相位锁定环达到稳定状态，输出信号与输入信号相位和频率一致，进而通过检测本地参考信号的频率实现对输入信号的频率跟踪。

相位锁定环能够跟踪输入信号的相位和频率变化，适应不同信号的变化和扰动，可以实现高精度的相位和频率同步。由于具有反馈控制机制，相位锁定环对于一定程度的噪声和干扰具有抑制和补偿的能力，能够在较短的时间内实现锁定，并迅速适应输入信号的变化，它可以通过调整参数和反馈路径来适应不同的应用需求和信号特征。

带宽追踪模块用于在任一射频输入端口1处有信号输入时，对所述射频输入端口1处的输入信号进行自相关运算，得到所述输入信号的自相关函数，并计算所述自相关函数在零时延处的衰减速度，根据所述衰减速度确定所述输入信号的带宽。输入信号的带宽为衰减速度的倒数。

具体地，带宽追踪模块采用公式确定输入信号的自相关函数。采用公式/>计算自相关函数在零时延处的衰减速度。其中，/>为输入信号延迟k时刻的自相关函数，N为离散样本值的数量，x(n)为射频输入端口处输入信号在时间点n处的离散样本值，k为时间延迟，取决于对输入信号带宽的预期以及信号的周期性等特征，较小的延迟步长可以提供更精细的分析结果，同时会增加计算量，m为自相关函数在零时延处的衰减速度，/>为时间延迟的增量，取决于输入信号的周期性、带宽范围以及信号变化频率，如果输入信号的变化频率较高，则需要较小的时间延迟增量，通过调整不同的时间延迟以及时间延迟增量，观察结果的稳定性及准确性，确定最合适的时间延迟和时间延迟增量，/>为输入信号无延迟的自相关函数，/>为输入信号延迟/>时刻的自相关函数。

资源分配模块分别与所述频率跟踪模块及所述带宽追踪模块连接，资源分配模块用于实时检测各逻辑接口4的状态，在任一射频输入端口1处有信号输入时，判断是否存在空闲的逻辑接口4；若存在空闲的逻辑接口4，则根据所述射频输入端口1处输入信号的频率和带宽，为对应的射频输入端口1分配逻辑接口4，使所述输入信号进入信道场景回放模拟阶段；若不存在空闲的逻辑接口4，则使所述射频输入端口1处的输入信号进入等待模拟状态，当检测到任一逻辑接口4释放时，根据所述射频输入端口1处输入信号的频率和带宽，为对应的射频输入端口1分配逻辑接口4，使所述输入信号进入信道场景回放模拟阶段。

本实施例中，当有输入信号的射频输入端口1数量大于逻辑接口4的数量时，对应的射频输入端口1的指示灯变为红色，上位机软件提示已超出最大模拟端口，进入信号接入等待模拟状态。当有逻辑接口4释放时，按照射频输入端口1的编号顺序接入空闲的逻辑接口4，对应射频输入端口1的指示灯由红变绿，表示当前射频输入端口1正在进行信道模拟。

作为一种具体地实施方式，所述信号检测装置2的数量及所述频率带宽追踪装置3的数量均与所述射频输入端口1的数量相同。每个信号检测装置2对应一个射频输入端口1，每个频率带宽追踪装置3对应一个射频输入端口1。

所述射频输出端口用于输出经过信道场景回放模拟后的信号。

本发明为射频输入端口1配备了信号以及频率带宽检测的装置，当检测到射频输入端口1有信号输入时，为有信号输入的射频输入端口1自动分配空闲的逻辑接口4，同时检测输入信号的频率和带宽，为其分配相应的计算资源，节省计算资源的占用，从而实现输入通道到输出通道间的衰落模拟传输。

如图5所示，本发明提供的逻辑资源动态分配的信道模拟方法包括如下步骤。

步骤100：实时检测各射频输入端口处是否有信号输入。

步骤200：在任一射频输入端口处有信号输入时，追踪对应射频输入端口处输入信号的频率和带宽。

步骤300：根据输入信号的频率和带宽，为所述射频输入端口分配逻辑接口，使所述输入信号进入信道场景回放模拟阶段。所述逻辑接口的数量比所述射频输入端口的数量少。

步骤400：输出经过信道场景回放模拟后的信号。

为了更好地理解本发明的技术方案，下面以两通道的信道场景为例对模拟过程进行说明。输入信号接入信道模拟器的第一个射频输入端口和第二个射频输入端口，由于每个射频输入端口都配备信号检测装置和频率带宽追踪装置，因此当第一个射频输入端口和第二个射频输入端口有信号输入时，信号检测装置会检测到信号的输入，从而为这两路信号分配对应的第一个逻辑接口和第二个逻辑接口，频率带宽追踪装置会解析两路输入信号对应的频率和带宽，并根据这两路输入不同的频率和带宽为其分配相应的计算资源，然后两路信号进入信道场景回放模拟阶段，射频输出端口输出经过信道场景的信号。

综上，本发明提出的信道模拟器中射频输入端口跟逻辑接口不再采用一对一的方式，而是按需分配，当检测到有信号输入时，为有信号输入的射频输入端口自动分配逻辑接口，减少了计算资源的占用。此外，为射频输入端口配备了频率带宽追踪装置，当有信号输入时，解析其对应的频率和带宽，根据其频率和带宽为其分配对应的计算资源，提升了信道模拟器的宽带适应能力。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种逻辑资源动态分配的信道模拟器，其特征在于，所述逻辑资源动态分配的信道模拟器包括信号检测装置、频率带宽追踪装置、多个射频输入端口、多个逻辑接口及多个射频输出端口；所述逻辑接口的数量比所述射频输入端口的数量少；

所述信号检测装置用于实时检测各射频输入端口处是否有信号输入；

所述频率带宽追踪装置用于在任一射频输入端口处有信号输入时，追踪对应射频输入端口处输入信号的频率和带宽，并根据输入信号的频率和带宽，为所述射频输入端口分配逻辑接口，使所述输入信号进入信道场景回放模拟阶段；

所述频率带宽追踪装置包括：

频率跟踪模块，用于在任一射频输入端口处有信号输入时，采用相位锁相环跟踪所述射频输入端口处输入信号的频率；

带宽追踪模块，用于在任一射频输入端口处有信号输入时，对所述射频输入端口处的输入信号进行自相关运算，得到所述输入信号的自相关函数，并计算所述自相关函数在零时延处的衰减速度，根据所述衰减速度确定所述输入信号的带宽；输入信号的带宽为衰减速度的倒数；

资源分配模块，分别与所述频率跟踪模块及所述带宽追踪模块连接，用于实时检测各逻辑接口的状态，在任一射频输入端口处有信号输入时，判断是否存在空闲的逻辑接口；若存在空闲的逻辑接口，则根据所述射频输入端口处输入信号的频率和带宽，为对应的射频输入端口分配逻辑接口，使所述输入信号进入信道场景回放模拟阶段；若不存在空闲的逻辑接口，则使所述射频输入端口处的输入信号进入等待模拟状态，当检测到任一逻辑接口释放时，根据所述射频输入端口处输入信号的频率和带宽，为对应的射频输入端口分配逻辑接口，使所述输入信号进入信道场景回放模拟阶段；

所述射频输出端口用于输出经过信道场景回放模拟后的信号。

2.根据权利要求1所述的逻辑资源动态分配的信道模拟器，其特征在于，所述射频输入端口的数量与所述射频输出端口的数量相同。

3.根据权利要求1所述的逻辑资源动态分配的信道模拟器，其特征在于，所述信号检测装置的数量及所述频率带宽追踪装置的数量均与所述射频输入端口的数量相同；每个信号检测装置对应一个射频输入端口，每个频率带宽追踪装置对应一个射频输入端口。

4.根据权利要求1所述的逻辑资源动态分配的信道模拟器，其特征在于，所述信号检测装置采用匹配滤波的方式实时检测各射频输入端口处是否有信号输入。

5.根据权利要求1所述的逻辑资源动态分配的信道模拟器，其特征在于，所述信号检测装置包括：

信号采样模块，用于针对任一射频输入端口，实时检测所述射频输入端口处的信号，并对所述射频输入端口处的信号采样，得到所述射频输入端口处输入信号的离散样本；

统计量计算模块，与所述信号采样模块连接，用于针对任一射频输入端口，根据参考信号的离散样本及所述射频输入端口处输入信号的离散样本，计算所述射频输入端口的检验统计量；

判断模块，与所述统计量计算模块连接，用于针对任一射频输入端口，判断所述射频输入端口的检验统计量是否大于设定门限值，若是，则判定所述射频输入端口处有信号输入，否则，判定所述射频输入端口处无信号输入。

6.根据权利要求5所述的逻辑资源动态分配的信道模拟器，其特征在于，所述统计量计算模块采用以下公式计算射频输入端口的检验统计量：

；

其中，Y为射频输入端口的检验统计量，x(n)为射频输入端口处输入信号在时间点n处的离散样本值，为参考信号在时间点n处的离散样本值，N为离散样本值的数量。

7.根据权利要求1所述的逻辑资源动态分配的信道模拟器，其特征在于，所述带宽追踪模块采用以下公式得到输入信号的自相关函数：

；

其中，为输入信号延迟k时刻的自相关函数，N为离散样本值的数量，x(n)为射频输入端口处输入信号在时间点n处的离散样本值，k为时间延迟。

8.根据权利要求7所述的逻辑资源动态分配的信道模拟器，其特征在于，所述带宽追踪模块采用以下公式计算自相关函数在零时延处的衰减速度：

；

其中，m为自相关函数在零时延处的衰减速度，为时间延迟的增量，/>为输入信号无延迟的自相关函数，/>为输入信号延迟/>时刻的自相关函数。

9.一种逻辑资源动态分配的信道模拟方法，其特征在于，所述逻辑资源动态分配的信道模拟方法包括：

实时检测各射频输入端口处是否有信号输入；

在任一射频输入端口处有信号输入时，追踪对应射频输入端口处输入信号的频率和带宽，具体包括：在任一射频输入端口处有信号输入时，采用相位锁相环跟踪所述射频输入端口处输入信号的频率；在任一射频输入端口处有信号输入时，对所述射频输入端口处的输入信号进行自相关运算，得到所述输入信号的自相关函数，并计算所述自相关函数在零时延处的衰减速度，根据所述衰减速度确定所述输入信号的带宽；输入信号的带宽为衰减速度的倒数；

根据输入信号的频率和带宽，为所述射频输入端口分配逻辑接口，使所述输入信号进入信道场景回放模拟阶段，具体包括：实时检测各逻辑接口的状态，在任一射频输入端口处有信号输入时，判断是否存在空闲的逻辑接口；若存在空闲的逻辑接口，则根据所述射频输入端口处输入信号的频率和带宽，为对应的射频输入端口分配逻辑接口，使所述输入信号进入信道场景回放模拟阶段；若不存在空闲的逻辑接口，则使所述射频输入端口处的输入信号进入等待模拟状态，当检测到任一逻辑接口释放时，根据所述射频输入端口处输入信号的频率和带宽，为对应的射频输入端口分配逻辑接口，使所述输入信号进入信道场景回放模拟阶段；所述逻辑接口的数量比所述射频输入端口的数量少；

输出经过信道场景回放模拟后的信号。