CN109039508B - 无线多径衰落信道仿真***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例涉及仿真测试技术领域，公开了一种无线多径衰落信道仿真***及方法。该***包括：上位机、变频单元以及基带处理单元；上位机包括：用户控制单元以及信道系数生成单元；用户控制单元用于设置信道模型参数，信道系数生成单元用于根据信道模型参数计算信道衰落模型的冲击响应系数；变频单元用于将射频测试信号转换成预设频段的信号，并传输至基带处理单元；基带处理单元用于对预设频段的信号进行多径延时处理，并根据冲击响应系数以及经多径延时处理的预设频段的信号计算得到衰落的基带信号。采用本发明实施方式可对设备的无线通信性能进行全面测试、测试方便、且成本低。
Description
技术领域
本发明实施例涉及仿真测试技术领域，特别涉及一种无线多径衰落信道仿真***及方法。
背景技术
列车或云轨等高机动目标在行进过程中，通过无线电磁环境与地面站台进行信息和数据的交互。车地通信链路中信号的无线电磁环境因素复杂多样，对车地通信链路设备的测试工作提出极大挑战。例如，由于列车或云轨等高机动目标的快速移动，会引起通信信号的多普勒频移现象，导致发射端和接收端信号频点不一致；列车在小区边缘带的快速切换，从一个工况到另外一个工况，通信信道特征也随之改变，导致通信信号切换时延现象，可能造成通信信号传输的丢包；车地通信链路中信号的传输实时性也是需要重点考虑的因素，涉及车地通信链路中信号传输时延现象；在车地通信交互过程中，来自外界的干扰，例如噪声等，同样会对车地通信链路信号的传输质量带来严重影响。
发明人发现现有技术中至少存在如下问题：现有一般通过外场试验对车地通信链路设备进行测试，测试成本高、难度大、周期长，且无法对设备的无线通信性能进行全面测试。
发明内容
本发明实施方式的目的在于提供一种无线多径衰落信道仿真***及方法，可对设备的无线通信性能进行全面测试、测试方便、且成本低。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种无线多径衰落信道仿真***，包括：上位机、变频单元以及基带处理单元；所述上位机包括：用户控制单元以及信道系数生成单元；所述用户控制单元用于设置信道模型参数，所述信道系数生成单元用于根据所述信道模型参数计算信道衰落模型的冲击响应系数；所述变频单元用于将射频测试信号转换成预设频段的信号，并传输至所述基带处理单元；所述基带处理单元用于对所述预设频段的信号进行多径延时处理，并根据所述冲击响应系数以及经多径延时处理的预设频段的信号计算得到衰落的基带信号。
本发明的实施方式还提供了一种无线多径衰落信道仿真方法，包括：设置信道模型参数；根据所述信道模型参数计算信道衰落模型的冲击响应系数；将接收到的射频测试信号转换成预设频段的信号；对所述预设频段的信号进行多径延时处理；根据所述冲击响应系数以及经多径延时处理的预设频段的信号计算得到衰落的基带信号。
本发明实施方式相对于现有技术而言，通过上位机设置信道模型参数，并根据信道模型参数计算得到信道衰落模型的冲击响应系数，通过变频单元将射频测试信号转换成预设频段的信号，以及通过基带处理单元对预设频段的信号进行多径延时处理，并根据冲击响应系数以及经多径延时处理的预设频段的信号计算得到衰落的基带信号，从而实现无线多径信号的衰落，进而为车地等通信链路测试设备提供仿真测试环境，不仅能够对其无线性能进行全面测试，而且测试方便、成本低。
另外，所述信道系数生成单元具体用于根据以下公式计算得到所述冲击响应系数：
其中，
所述
表示冲击响应系数，N表示频点的数量，所述Ni表示第i个频点，所述θ是相位角，所述Δfi是相邻频点的间隔大小；π为常数，n表示第n个谐波，所述ci,n表示第n个谐波在第i个频点的系数，所述fi,n表示第n个谐波在第i个频点频率值，所述
表示谐波功率，t表示时间。
另外，所述基带处理单元还用于对所述衰落的基带信号进行干扰叠加，从而可仿真更复杂工况下的信道环境。
另外，所述基带处理单元具体用于以移位寄存器方式实现多径延时。
另外，所述基带处理单元采用现场可编程门阵列实现，从而可保证仿真的实时性。
另外，所述信道系数生成单元通过PCIe总线与所述基带处理单元通信连接，PCIe总线传输速率高，可保证仿真的实时性。
另外，所述信道模型参数包括以下之一或其任意组合：相对延时、相对功率、多普勒扩展、信道衰落路径的径数、多普勒频移、输入输出信号参考电平以及通道频点。通过对信道模型参数进行灵活设置，从而可以模拟各种工况下的信道环境。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是根据本发明第一实施方式的无线多径衰落信道仿真***的结构示意图；
图2是根据本发明第一实施方式的谐波叠加模型模拟信道模型结构示意图；
图3是根据本发明第二实施方式的无线多径衰落信道仿真方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
本发明的第一实施方式涉及一种无线多径衰落信道仿真***。该无线多径衰落信道仿真***包括上位机以及下位机。上位机包括：用户控制单元以及信道系数生成单元。用户控制单元用于设置信道模型参数，信道系数生成单元用于根据设置的信道模型参数计算信道衰落模型的冲击响应系数。下位机包括：变频单元以及基带处理单元。变频单元用于将射频测试信号转换成预设频段的信号，并传输至基带处理单元。基带处理单元用于对预设频段的信号进行多径延时处理，并根据冲击响应系数以及经多径延时处理的预设频段的信号计算得到衰落的基带信号。本实施方式通过上位机设置信道模型参数，并根据信道模型参数计算得到信道衰落模型的冲击响应系数，通过变频单元将射频测试信号转换成预设频段的信号，以及通过基带处理单元对预设频段的信号进行多径延时处理，并根据冲击响应系数以及经多径延时处理的预设频段的信号计算得到衰落的基带信号，从而实现无线多径信号的衰落，进而为车地等通信链路测试设备提供仿真测试环境，不仅能够对其无线性能进行全面测试，而且测试方便、成本低。下面对本实施方式的无线多径衰落信道仿真***的实现细节进行具体的说明，以下内容仅为方便理解提供的实现细节，并非实施本方案的必须。
本实施方式中的无线多径衰落信道仿真***如图1所示，上位机包括：用户控制单元以及信道系数生成单元。上位机可以采用PC、平板电脑等，然不限于此。用户控制单元包括硬件参数配置子单元、输入信号测量子单元以及模型参数设置子单元，输入信号测量子单元具体用于测量输入射频信号的大小，硬件参数配置子单元可以对测量的输入射频信号的大小以及输入参考电平进行比较判断，从而实现放大缩小自动增益的功能。硬件参数配置子单元还可以对下位机的本振频率、射频通道数量、参考电平、增益控制等进行设置，然不限于此。其中每个通道具有独立本振，在下位机变频单元对进入通道的信号混频处理，实现进入每个通道信号的上下变频处理，从而使得下位机支持多通道信号传输。
模型参数设置子单元用于设置信道模型参数，其中，信道模型参数例如包括以下之一或其任意组合：相对延时、相对功率、多普勒扩展、信道衰落路径的径数、多普勒频移、输入输出信号参考电平以及通道频点，然不限于此。基于用户设置的信道模型参数，即可改变信道衰落模型的冲击响应系数，该冲击响应系数加载到基带处理单元时，就可产生不同的信道衰落效果，因而可以对高架、地面、隧道、小区段等复杂多样的工况下的通信信号传输信道特征进行模拟。
信道系数生成单元具体用于接收模型参数设置子单元输入的信道模型参数，并计算得到不同工况下车地通信链路中信道衰落模型的冲击响应系数，并通过PCIe总线传输至下位机中的基带处理单元。具体地，信道系数生成单元包括信道参数生成子单元以及冲击响应系数计算子单元。其中，信道参数生成子单元具体用于接收模型参数设置子单元设置的信道参数，冲击响应系数计算子单元具体用于对信道系数生成子单元接收的信道参数进行计算，得到信道的冲击响应系数，并传输到下位机的基带处理单元。
其中，预先在上位机中建立信道的基本模型，并通过将多条径的信号进行合成得到一种工况下的某个通道的模拟信道环境。本实施方式基于谐波叠加法提出了一种信道模型建立方法，其可以用于建立通用信道模型，通过参数配置可以使得每条径服从相应的信道模型，例如：瑞利信道模型，莱斯信道模型等。在实际应用中，可以根据不同的通信协议，例如3GPP等通信协议针对车地通信信道要求配置车地信道模型。
本实施方式的信道系数生成单元具体用于根据以下公式计算得到冲击响应系数：
fi,n＝n*Δfi (三)；
所述
表示冲击响应系数，N表示频点的数量，所述Ni表示第i个频点，所述θ是相位角，所述Δfi是相邻频点的间隔大小；π为常数，n表示第n个谐波，所述ci,n表示第n个谐波在第i个频点的系数，所述fi,n表示n个谐波在第i个频点频率值，所述
表示谐波功率，t表示时间。
上述公式(一)是由公式
演变而来，由于在计算机上不能模拟N趋向于无穷，所以将公式(四)转换为N不趋向于无穷的公式(一)。通过上述公式(一)可以非常真实地反映信道环境。
下面对本实施例的冲击响应系数的计算原理进行说明如下：
信道模拟器的衰落信道(即冲击响应系数计算子单元)是采用谐波叠加法原理来实现，可以实现多种信道模型的仿真设计，如经典的瑞利、莱斯等信道模型。
实高斯随机过程可以用谐波叠加模型模拟，通过一对谐波叠加模型(SOS)模拟复高斯随机过程。利用无限的具有等距频率和随机相位加权谐波函数的叠加，建立随机过程μi(t)。
式中
fi,n＝n*Δfi (3)
其中，相位fi,n＝n·Δfi(n＝1,2,3,…,Ni)是在区间(0,2π]上服从均匀分布的随机变量，参量Δfi的选择是为了使式(1)涵盖整个相应的频率范围，且假设它满足下面的特性：当Ni→∞时，有Δfi→0。Sμμ(f)表示接收信号的功率谱。
如果仅由有限数量Ni的谐波函数来生成信道，可得到另一个随机过程
为：
假设此时的参数ci,n和fi,n分别由上式已给出，且θi,n是服从均匀分布的随机变量，当满足Ni→∞时，
此时，
是一个确定性过程或者确定性函数。因此由图2随机仿真模型得到一个确定性仿真模型。在Ni→∞的条件下，确定性过程
趋向于随机过程μi(t)的一个抽样函数。
最终，完成冲击响应系数
的生成，实现一对谐波叠加模型(SOS)模拟信道过程。
变频单元用于实现射频信号与基带处理单元所需的中频信号的搬移处理。具体地，变频单元包括上变频器以及下变频器。上变频器用于对输入的射频测试信号(例如车地链路中射频频率为5.9GHz)进行滤波、低噪放、混频、带通滤波、AGC(自动增益控制)等一系列处理，从而将射频测试信号转换为基带处理单元所需的中频信号。上变频器用于对基带处理单元输出的中频信号进行AGC、带通滤波等一系列处理后发射出去，从而为车地通信链路设备提供测试信号。
基带处理单元用于实现中频信号的采集、生成以及整个***信道算法等核心处理程序。基带处理单元可以采用现场可编程门阵列FPGA实现。
基带处理单元包括：数字下变频子单元、第一采样率变换子单元、多径生成子单元、多个信号路径对应的时延生成子单元以及信道衰落子单元、干扰加载子单元、第二采样率变换子单元、数字上变频子单元。
在接收阶段，数字下变频子单元对经过模数转换器处理过的中频原始量化数字信号进行数字下变频(DDC)，第一采样率变换子单元用于实现采样率变换处理。其中，数字下变频子单元具体用于对量化的中频信号进行混频、滤波等从而实现数字下变频功能。多径生成子单元用于将进入一个通道中的多条路径的信号解析出来得到多径信号。其中，多径信号与上位机生成的冲击响应系数中的多径径数相同，例如为24条。其中，延时包含固有延时和各路径之间的相对延时。各条路径之间的相对延时是由于通信信号通过不同传输路径进行传输时的传输距离不同，因此到达基站的时间不同。具体地，两条路径之间的最大延时间隔可以设置为10微秒。第一采样率变换子单元用于实现相对延时，具体地，第一采样率变换子单元用于变换数字采样率到相应数值，在实际应用中，可以利用Xilinx公司的IP Core(知识产权核)生成变采样率滤波器，实现对量化数字信号的延时处理，然后进行数字处理。相对延时的具体实现原理是，在利用Xilinx IP Core生成变采样率滤波器时，要使得滤波器正常工作需要一个初始化时间，而初始化时间和采样率的值相关，因此，初始化时间可以用于表征相对延时。固有延时为输入和输出信号之间的延时，例如为1.2秒(20MHz带宽)。具体地，时延生成子单元用于生成每条路径的固有时延。本实施方式中，多个时延生成子单元可以利用时钟驱动基带处理单元的FPGA板卡上的Broad RAM，以移位寄存器方式得到多条路径的时延，从而可以同时得到多个路径的固有延时。
基带处理单元可以通过PCIe总线以DMA(Direct Memory Access，直接内存访问)方式读取信道系数生成单元输出的冲击响应系数，各信道衰落子单元用于将各个多径延时信号分别与冲击响应系数进行点积相乘，干扰加载子单元用于将点积相乘的结果加入干扰，例如AWGN(高斯白噪声干扰)或者CW(连续波干扰)等类型的干扰，从而实现信道衰落模型加载，得到衰落的基带信号。
在发射阶段，第二采样率变换子单元进行采样率变换，数字上变频子单元(DUC)处理得到量化数字信号，并传输给数模转换器，把数字信号转换为模拟信号，最后传输到上变频器进行上变频处理，输出模拟的衰落信号。
其中，基带处理单元可以采用FPGA模块实现，从而可以提高基带处理单元的仿真实时性。
本实施方式与现有技术相比，在实验室环境下，通过设置模型参数，可模拟极限信道环境，例如验证动车或云轨在极限速度下的通信质量，可以对不同工况下(高架、地面、隧道、小区段)信号传输环境进行快速验证，并且可以使设计人员在设计初始阶段对车地通信链路信号传输性能进行验证。
本发明第二实施方式涉及一种无线多径衰落信道仿真方法，应用于如第一实施方式所述的无线多径衰落信道仿真***。请参阅图3，本实施方式的仿真方法包括步骤301至步骤306。
步骤301：设置信道模型参数。
信道模型参数例如以下之一或其任意组合：相对延时、相对功率、多普勒扩展、信道衰落路径的径数、多普勒频移、输入输出信号参考电平以及通道频点，然不限于此。基于用户设置的信道模型参数，可以对高架、地面、隧道、小区段等复杂多样的工况下的通信信号传输信道特征进行模拟。
步骤302：根据信道模型参数计算信道衰落模型的冲击响应系数。
具体地，预先在上位机中建立信道的基本模型，并通过将多条径的信号进行合成得到一种工况下的某个通道的模拟信道环境。本实施方式基于谐波叠加法提出了一种信道模型建立方法，其可以用于建立通用信道模型，通过参数配置，可以使得每条径服从相应的信道模型，例如：瑞利信道模型，莱斯信道模型等。在实际应用中，可以根据不同的通信协议，例如3GPP等通信协议针对车地通信信道要求配置车地信道模型。
本实施方式的信道系数生成单元具体用于根据以下公式计算得到冲击响应系数：
fi,n＝n*Δfi (三)；
所述
表示冲击响应系数，N表示频点的数量，所述Ni表示第i个频点，所述θ是相位角，所述Δfi是相邻频点的间隔大小；π为常数，n表示第n个谐波，所述ci,n表示第n个谐波在第i个频点的系数，所述fi,n表示第n个谐波在第i个频点频率值，所述
表示谐波功率，t表示时间。上述公式(一)是由公式
演变而来，由于在计算机上不能模拟N趋向于无穷，所以将公式(四)转换为N不趋向于无穷的公式(一)。通过上述公式(一)可以在非常真实地反映信道环境，从而反映信道真实度。
步骤303：将接收到的射频测试信号转换成预设频段的信号。
具体地，可通过下变频器对输入的射频测试信号(例如车地链路中射频频率为5.9GHz)进行滤波、低噪放、混频、带通滤波、AGC(自动增益控制)等一系列处理，从而将射频测试信号转换为基带处理单元所需的中频信号。
步骤304：对预设频段的信号进行多径延时处理。
在接收阶段，对经过模数转换器处理过的中频原始量化数字信号进行数字下变频(DDC)以及采样率变换处理。其中，数字下变频子单元具体用于对量化的中频信号进行混频、滤波等从而实现数字下变频功能。多径生成子单元用于将进入一个通道中的多条路径的信号解析出来得到多径信号。其中，多径信号与上位机生成的冲击响应系数中的多径径数相同，例如为24条。其中，延时包含固有延时和各路径之间的相对延时。固有延时为输入和输出信号之间的延时，例如为1.2秒(20MHz带宽)。具体地，时延生成子单元用于生成每条路径的固有时延。本实施方式中，多个时延生成子单元可以利用时钟驱动基带处理单元的FPGA板卡上的Broad RAM，以移位寄存器方式得到多条路径的时延，从而可以同时得到多个路径的固有延时。而各条路径之间的相对延时是由于通信信号通过不同传输路径进行传输时的传输距离不同，因此到达基站的时间不同。具体地，两条路径之间的最大延时间隔可以设置为10微秒。第一采样率变换子单元用于实现相对延时，具体地，第一采样率变换子单元用于变换数字采样率到相应数值，在实际应用中，可以利用Xilinx公式的IP Core(知识产权核)生成变采样率滤波器，实现对量化数字信号的延时处理，然后进行数字处理。相对延时的具体实现原理是，在利用Xilinx IP Core生成变采样率滤波器时，要使得滤波器正常工作需要一个初始化时间，而初始化时间和采样率的值相关，因此，初始化时间可以用于表征相对延时。
步骤305：根据冲击响应系数以及经多径延时处理的预设频段的信号计算得到衰落的基带信号。
基带处理单元可以通过PCIe总线以DMA(Direct Memory Access，直接内存访问)方式读取信道系数生成单元输出的冲击响应系数，各信道衰落子单元用于将各个多径延时信号分别与冲击响应系数进行点积相乘得到衰落的基带信号。
步骤306：对衰落的基带信号进行干扰叠加。
干扰加载子单元用于将点积相乘的结果加入干扰，例如AWGN或者CW等类型的干扰，从而实现信道衰落模型加载。
本实施方式与现有技术相比，在实验室环境下，通过设置模型参数，可模拟极限信道环境，例如验证动车或云轨在极限速度下的通信质量，可以对不同工况下(高架、地面、隧道、小区段)信号传输环境进行快速验证，并且可以使设计人员在设计初始阶段对车地通信链路信号传输性能进行验证。
不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的方法实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。
上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包括相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
Claims (10)
1.一种无线多径衰落信道仿真***，其特征在于，包括：上位机以及下位机；
所述上位机包括：用户控制单元以及信道系数生成单元；
所述用户控制单元用于设置信道模型参数，所述信道系数生成单元用于根据设置的所述信道模型参数计算信道衰落模型的冲击响应系数；
所述下位机包括：变频单元以及基带处理单元；
所述变频单元用于将射频测试信号转换成预设频段的信号，并传输至所述基带处理单元；
所述基带处理单元用于对所述预设频段的信号进行多径延时处理，并根据所述冲击响应系数以及经多径延时处理的预设频段的信号计算得到衰落的基带信号；
其中，所述基带处理单元包括：第一采样率变换子单元、多径生成子单元以及多条路径对应的时延生成子单元，所述第一采样率变换子单元用于实现对所述预设频段的信号的相对延时，所述多径生成子单元用于将进入一个通道中的多条所述路径的信号解析出来得到多径信号，所述时延生成子单元用于生成每条所述路径的固有时延。
2.根据权利要求1所述的无线多径衰落信道仿真***，其特征在于，所述信道系数生成单元具体用于根据以下公式计算得到所述冲击响应系数：
其中，
fi,n＝n*Δfi；
所述
表示冲击响应系数，N表示频点的数量，所述Ni表示第i个频点，所述θ是相位角，所述Δfi是相邻频点的间隔大小；π为常数，n表示第n个谐波，所述ci,n表示第n个谐波在第i个频点的系数，所述fi,n表示第n个谐波在第i个频点频率值，所述
表示谐波功率，t表示时间。
3.根据权利要求1所述的无线多径衰落信道仿真***，其特征在于，所述基带处理单元还用于对所述衰落的基带信号进行干扰叠加。
4.根据权利要求1所述的无线多径衰落信道仿真***，其特征在于，所述基带处理单元具体用于以移位寄存器方式实现多径延时。
5.根据权利要求1所述的无线多径衰落信道仿真***，其特征在于，所述基带处理单元采用现场可编程门阵列实现。
6.根据权利要求1所述的无线多径衰落信道仿真***，其特征在于，所述信道系数生成单元通过PCIe总线与所述基带处理单元通信连接。
7.根据权利要求1所述的无线多径衰落信道仿真***，其特征在于，所述信道模型参数包括以下之一或其任意组合：
相对延时、相对功率、多普勒扩展、信道衰落路径的径数、多普勒频移、输入输出信号参考电平以及通道频点。
8.一种无线多径衰落信道仿真方法，其特征在于，包括：
设置信道模型参数；
根据所述信道模型参数计算信道衰落模型的冲击响应系数；
将接收到的射频测试信号转换成预设频段的信号；
对所述预设频段的信号进行多径延时处理；
根据所述冲击响应系数以及经多径延时处理的预设频段的信号计算得到衰落的基带信号；
其中，所述对所述预设频段的信号进行多径延时处理的方法包括：利用第一采样率变换子单元实现对所述预设频段的信号的相对延时；利用多径生成子单元将进入一个通道中的多条路径的信号解析出来得到多径信号；利用时延生成子单元生成每条所述路径的固有时延。
9.根据权利要求8所述的无线多径衰落信道仿真方法，其特征在于，所述根据所述信道模型参数计算信道衰落模型的冲击响应系数具体包括：
根据以下公式计算所述冲击响应系数：
其中，
fi,n＝n*Δfi；
所述
表示冲击响应系数，N表示频点的数量，所述Ni表示第i个频点，所述θ是相位角，所述Δfi是相邻频点的间隔大小；π为常数，n表示第n个谐波，所述ci,n表示第n个谐波在第i个频点的系数，所述fi,n表示第n个谐波在第i个频点频率值，所述
表示谐波功率，t表示时间。
10.根据权利要求8所述的无线多径衰落信道仿真方法，其特征在于，在所述根据所述冲击响应系数以及经多径延时处理的预设频段的信号计算得到衰落的基带信号后，还包括：
对所述衰落的基带信号进行干扰叠加。
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