一種動(dòng)態(tài)信道模擬裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線信息傳輸技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種動(dòng)態(tài)信道模擬裝置，還涉及一 種動(dòng)態(tài)信道模擬方法，針對移動(dòng)通信場景時(shí)的動(dòng)態(tài)信道模擬。
【背景技術(shù)】
[0002] 動(dòng)態(tài)信道模擬器可以在實(shí)驗(yàn)室中模擬實(shí)際移動(dòng)通信場景對無線信號傳播的影響， 廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信設(shè)備的研發(fā)與測試。隨著移動(dòng)通信技術(shù)的高速發(fā)展，人們對無線通信 的可靠性、穩(wěn)定性和安全性要求越來越高。然而，移動(dòng)通信信道具有易衰減、強(qiáng)干擾、不穩(wěn)定 等特點(diǎn)，在移動(dòng)通信過程中，信道狀態(tài)隨著通信環(huán)境的變化而不斷發(fā)生改變。通信設(shè)備研發(fā) 過程中，需要考慮移動(dòng)信道特性對其性能的影響，實(shí)際場景測試需要耗費(fèi)大量的人力、物力 和財(cái)力，而且測試信道狀態(tài)具有不可預(yù)測性和不可重復(fù)性。因此需要在實(shí)驗(yàn)室中模擬移動(dòng) 通信場景，多次反復(fù)模擬測試移動(dòng)信道特性對通信設(shè)備性能的影響，以縮短研發(fā)周期，降低 研發(fā)成本。
[0003] 動(dòng)態(tài)場景下，通信設(shè)備的收發(fā)天線處于移動(dòng)狀態(tài)，傳播環(huán)境不斷發(fā)生變化，時(shí)延、 最大多普勒頻移和路徑損耗等信道參數(shù)應(yīng)當(dāng)具有隨機(jī)性。同時(shí)，信道場景的連續(xù)變化也造 成時(shí)延、最大多普勒頻移和路徑損耗有規(guī)律的連續(xù)變化。t時(shí)刻下信道沖擊響應(yīng)理論模型可 表示為
[0004]
[0005] 其中，t表示時(shí)間叫的,及(〇,r,⑴表示時(shí)變的路徑損耗、信道衰落及多徑時(shí)延參 數(shù)。動(dòng)態(tài)信道的時(shí)變沖擊響應(yīng)如圖1所示。動(dòng)態(tài)信道可以分為移動(dòng)信道和生滅信道兩種，其 中，移動(dòng)信道路徑時(shí)延隨時(shí)間變化而變化；生滅信道則是兩條可分辨徑時(shí)延交替變（"生"） 和不變（"滅"），而且變化的位置是隨機(jī)的。
[0006] 當(dāng)前無線信道模擬方法主要有兩種：第一種是利用計(jì)算機(jī)軟件仿真模擬，第二種 是利用信號處理芯片進(jìn)行信道模擬。這兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，計(jì)算機(jī)軟件仿真可以模擬復(fù) 雜信道模型，進(jìn)行復(fù)雜算法設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)精度高，然而該方法算法復(fù)雜度較高，運(yùn)算速度比較 慢；信號處理芯片進(jìn)行信道模擬運(yùn)算速度快，實(shí)時(shí)性高，但是受硬件資源的限制，不能進(jìn)行 復(fù)雜算法設(shè)計(jì)，而且實(shí)現(xiàn)精度受限。
[0007] 在現(xiàn)有儀器設(shè)備中，伊萊比特公司的PropsimF8,它可以同時(shí)支持3GPP/3GPP2、 WCDMA、GSM、TD-SCDMA等，可滿足大部分場景下移動(dòng)通信信道的模擬測試需求；安捷倫公司 的基帶發(fā)生器和信道模擬器N5106A，支持160MHz帶寬，可模擬動(dòng)態(tài)信道，最大支持24徑； 思博倫公司的SR5500可針對具有多樣性波束形成和MM0的先進(jìn)接收機(jī)，準(zhǔn)確的仿真復(fù)雜 的寬帶無線信道特征，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的MM0信道測試。然而大多數(shù)產(chǎn)品僅支持靜態(tài)信道模 擬，或者僅支持動(dòng)態(tài)信道模擬或生滅信道模擬中的一種，本專利不僅支持靜態(tài)信道模擬，還 支持動(dòng)態(tài)信道及生滅信道模擬，可以支持多種衰落類型。
[0008] 現(xiàn)有的信道模擬裝置僅支持靜態(tài)信道模擬，或者僅支持移動(dòng)信道模擬或生滅信道 模擬中的一種，此外，現(xiàn)有裝置大多操作復(fù)雜，成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提供一種基于軟件無線電技術(shù)的動(dòng)態(tài) 信道模擬裝置及方法，可以支持靜態(tài)信道、移動(dòng)信道及生滅信道三種信道模擬，可以支持多 種衰落類型，具有操作簡單，成本低等優(yōu)點(diǎn)。
[0010] 本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0011] 一種動(dòng)態(tài)信道模擬裝置，包括：用戶參數(shù)配置單元、射頻輸入單元、信道參數(shù)存儲 單元、信道模擬單元、射頻輸出單元；
[0012] 用戶參數(shù)配置單元輸出端通過數(shù)據(jù)接口與信道參數(shù)存儲單元輸入端相連，用于用 戶參數(shù)配置、參數(shù)計(jì)算、參數(shù)傳輸；
[0013] 射頻輸入單元的輸出端與信道模擬單元輸入端相連，用于接收各通道射頻信號， 分別將各通道射頻信號下混頻到中頻，并將中頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，分別輸入到信道模 擬單元；
[0014] 信道參數(shù)存儲單元的輸入端與用戶參數(shù)配置單元輸出端相連，輸出端與信道模擬 單元輸入端相連，所述信道參數(shù)存儲單元包括信道參數(shù)緩沖器、時(shí)鐘計(jì)數(shù)器、信道參數(shù)寄存 器、外部高速存儲器；
[0015] 信道模擬單元的輸入端分別與射頻輸入單元和信道參數(shù)存儲單元的輸出端相連， 輸出端分別與射頻輸出單元和信道參數(shù)存儲單元的輸入端相連，所述信道模擬單元包括上 下變頻模塊、信道模擬模塊；下變頻模塊將信道模擬單元接收到的中頻信號下變頻到基帶 信號，然后傳輸?shù)叫诺滥M模塊，上變頻模塊將經(jīng)過信道模擬后輸出的復(fù)基帶信號上變頻 到中頻，然后傳輸?shù)缴漕l輸出單元；信道模擬模塊包括模擬多徑時(shí)延、路徑損耗、多徑衰落、 陰影衰落以及信道噪聲；
[0016] 射頻輸出單元的輸入端與信道模擬單元輸出端相連，用于將信道模擬單元輸出的 多通道中頻數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，濾除鏡像分量并分別上混頻到射頻，然后輸出給外 部設(shè)備。
[0017] 可選地，所述信道參數(shù)緩沖器在FPGA中實(shí)現(xiàn)，接收用戶傳遞信道參數(shù)，根據(jù)用戶 參數(shù)中的幀頭信息選擇參數(shù)存儲位置，信道模式為靜態(tài)信道時(shí)，則將信道參數(shù)直接輸出到 信道參數(shù)寄存器，然后進(jìn)行信道模擬；信道模式為移動(dòng)信道或者生滅信道時(shí)，則向信道參數(shù) 存儲單元發(fā)送寫指令，并將信道參數(shù)傳送到外部存儲器。
[0018] 可選地，所述時(shí)鐘計(jì)數(shù)器由FPGA中100MHz系統(tǒng)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，根據(jù)信道狀態(tài)保持時(shí)間 間隔向外部存儲器發(fā)送讀參數(shù)指令，并向參數(shù)寄存器發(fā)送配置指令配置下一時(shí)刻的信道參 數(shù)。
[0019] 可選地，所述信道參數(shù)寄存器在FPGA中實(shí)現(xiàn)，存儲當(dāng)前信道狀態(tài)的信道參數(shù)，信 道模式為靜態(tài)信道時(shí)，信道參數(shù)寄存器中的信道參數(shù)不發(fā)生變化；信道模式為移動(dòng)信道或 者生滅信道時(shí)，根據(jù)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器發(fā)送的讀指令讀取下一個(gè)信道狀態(tài)的信道參數(shù)，讀取完畢 后根據(jù)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器的配置指令將信道參數(shù)傳遞給信道模擬單元。
[0020] 可選地，所述外部高速存儲器存儲移動(dòng)信道和生滅信道模式下的信道狀態(tài)參數(shù)， 根據(jù)參數(shù)緩沖器發(fā)送的寫指令將信道參數(shù)存儲到外部存儲單元，根據(jù)參數(shù)寄存器發(fā)送的讀 指令輸出信道參數(shù)。
[0021] 基于上述模擬裝置，本發(fā)明還提供了一種動(dòng)態(tài)信道模擬方法，首先，通過用戶軟件 界面選擇信道模式并配置信道參數(shù)，然后，通過數(shù)據(jù)接口將信道參數(shù)傳遞給FPGA，由FPGA 根據(jù)用戶選擇信道模式進(jìn)行參數(shù)存儲，由射頻輸入模塊將輸入射頻信號下混頻到中頻，再 在FPGA中進(jìn)行下變頻到基帶，在基帶信號上根據(jù)用戶配置參數(shù)模擬信道衰落、時(shí)延、損耗， 并疊加信道噪聲，再經(jīng)過上變頻到中頻信號，輸出到射頻輸出單元上混頻到射頻。
[0022] 可選地，所述用戶參數(shù)配置是由用戶選擇各通道信道模式，包括靜態(tài)信道、移動(dòng)信 道和生滅信道三種模式；然后由用戶配置信道參數(shù)，靜態(tài)模式下配置衰落路徑數(shù)目、各徑時(shí) 延、損耗、衰落類型、移動(dòng)速度、通信頻率、信噪比；動(dòng)態(tài)模式下配置衰落路徑數(shù)目、衰落類 型、起始移動(dòng)速度、移動(dòng)加速度、通信頻率、路徑損耗、基本時(shí)延、時(shí)延變化范圍、時(shí)延變化速 率、信噪比；生滅模式下配置移動(dòng)速度、通信頻率、路徑損耗、基本時(shí)延、時(shí)延變化范圍、時(shí)延 間隔、生滅位置數(shù)、生滅周期、信噪比。
[0023] 可選地，所述參數(shù)計(jì)算是根據(jù)用戶配置參數(shù)計(jì)算信道參數(shù)，并進(jìn)行參數(shù)定點(diǎn)化，具 體步驟包括：
[0024] 1)根據(jù)用戶設(shè)置移動(dòng)速度計(jì)算多普勒頻率；
[0025] 靜態(tài)信道時(shí)，根據(jù)公式（1)計(jì)算多普勒頻率，
[0026]
(1)
[0027] 移動(dòng)信道時(shí)，先根據(jù)用戶設(shè)置起始速度V。、移動(dòng)加速度a和公式（2)計(jì)算時(shí)刻tk 時(shí)的移動(dòng)速度，再根據(jù)公式（1)計(jì)算此刻的多普勒頻率，
[0028] v=v〇+atk (2)
[0029] 2)根據(jù)用戶設(shè)置參數(shù)計(jì)算各路徑時(shí)延；
[0030] 移動(dòng)信道模式時(shí)，根據(jù)用戶設(shè)置各路徑基本時(shí)延h,。、時(shí)延變化范圍（t_， t_)、時(shí)延變化速率At和公式（3)，計(jì)算各路徑第tk時(shí)刻的路徑時(shí)延，
[0031] ^ 1>k=I1>0+AI?tk (3)
[0032] 且滿足 0 彡tmin彡At?t_彡 40us;
[0033] 生滅信道模式時(shí)，根據(jù)用戶設(shè)置基本時(shí)延tu、時(shí)延變化范圍（t_，t_)、時(shí)延 間隔At、生滅位置數(shù)M和公式（4)，計(jì)算各路徑第tk時(shí)刻的路徑時(shí)延，
[0034] ^ 1>k=I1>kAI?R(4)
[0035] 其中，T1>kl表示第1條路徑在tkl時(shí)刻的時(shí)延，R為[1，M]區(qū)間內(nèi)服從均勻分布 的隨機(jī)數(shù)，且滿足〇彡t_AtK彡 40us，tnax=tnin+At? (M-1);
[0036] 3)根據(jù)用戶設(shè)置各路徑衰落類型和頻譜計(jì)算各路徑衰落因子、離散多普勒以及相 位；
[0037] 4)將計(jì)算信道參數(shù)進(jìn)行定點(diǎn)化處理。
[0038] 可選地，所述參數(shù)傳輸是根據(jù)用戶選擇信道模式將定點(diǎn)化信道參數(shù)按一定順序組 裝成幀，添加幀頭信息，包括信道模式、信道更新速率、信噪比，通過數(shù)據(jù)接口傳輸給FPGA。
[0039] 可選地，所述信道模