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一種移動通信信道模擬器的設(shè)計與實現(xiàn)
摘要：介紹了一種實時模擬移動信道基本特性（如瑞利衰落、多徑傳播、電波傳播路徑損耗、多普勒頻移等）的信道模擬器的研制方法，包括模擬器數(shù)字原理及其實現(xiàn)方案。本模擬器的衰落率在8～80Hz內(nèi)可調(diào)，模擬衰落深度超過20dB，最大多徑時延為10.2μs。關(guān)鍵詞：信道模擬 多徑傳播 瑞利衰落 時延
1 移動移動通信信道模擬器研制背景
移動通信是近年來發(fā)展十分迅速的通信方式，在陸地移動通信系統(tǒng)中，由于移動臺所處區(qū)域地形復(fù)雜，加上移動臺本身的運(yùn)動，使接收到的信號其包絡(luò)和相位隨機(jī)變化。
為了評價移動通信設(shè)備的性能，需要在實際通信環(huán)境中進(jìn)行反復(fù)實驗，這必將耗費(fèi)大量人力物力。為了縮短研制周期，節(jié)省研制費(fèi)用，在移動通信設(shè)備的研制過程中，廣泛采用了各種信道模擬器。
本文介紹了一種針對信號頻率為70MHz、基站天線高度為18m的移動通信信道的模擬器。該模擬器可以模擬移動通信信道的主要特點(diǎn)，如瑞利衰落（Rayleigh fading）、多徑傳播、電池傳播路徑損耗、多普勒頻移等。
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2 移動通信信道模擬器的研制依據(jù)
2.1 瑞利衰落
陸地移動通信由于受地形、環(huán)境等因素的影響，其衰落機(jī)理是非常復(fù)雜的。但在移動通信信道模擬器模擬的眾多信道參數(shù)中，呈頻率選擇性的瑞利衰落占主要地位。即實現(xiàn)信號包絡(luò)的瑞利分布和相位的均勻分布是信道模擬的核心。
2.1.1 實現(xiàn)瑞利衰落的數(shù)學(xué)原理
設(shè)一個隨機(jī)過程ξ(t)可以表示為：
式（1）中ξc(t)與ξs(t)分別為ξ(t)的同相分量和正交分量。
可以證明：一個均值為零的窄帶平穩(wěn)高斯過程，其同相分量ξc(t) 和正交分量ξs(t)同樣是平穩(wěn)高斯過程，且均值都為零，方差也相同。另外，在同一時刻得到的ξc(t)與ξs(t)是不相關(guān)或統(tǒng)計獨(dú)立。還可以證明：一個均值為零，方差為σ2ξ的平穩(wěn)高斯窄帶過程，其包絡(luò)的一維分布服從瑞利分布，其相位的一維分布服從均勻分布，并且就一維分布而言，兩者是統(tǒng)計獨(dú)立的。
綜上所述，一個均值為零的平穩(wěn)高斯窄帶過程，其包絡(luò)的一維分布服從瑞利分布，其相位服從均勻分布，且兩者是統(tǒng)計獨(dú)立的。同時，一個均值為零的窄帶平穩(wěn)高斯過程也可由兩個同為平穩(wěn)高斯過程的同相分量和正交分量合成。
2.1.2 單徑瑞利衰落
設(shè)單徑衰落信道輸入為：
式（2）中A(t)和θ(t)分別為頻率ωc的載波信號的實際幅度調(diào)制和相位調(diào)制。用X(t)和Y(t)兩個相互獨(dú)立而分布相同的高斯隨機(jī)變量調(diào)制，輸出信號So(t)可以表示為：
于是隨機(jī)包絡(luò)R(t)是瑞利分布，隨機(jī)相位φ(t)在0～2л范圍內(nèi)均勻分布。
由上面的推導(dǎo)可以看出：對輸入信號進(jìn)行正交調(diào)制，即為單徑無頻率選擇性瑞利衰落模擬，可實現(xiàn)輸入信號的振幅和相位按要求隨機(jī)干擾，從而實現(xiàn)（3）式所示的數(shù)學(xué)模型。
2.1.3 多徑瑞利衰落
為了簡化分析，設(shè)輸入為一單頻正弦信號
經(jīng)多徑傳輸，輸出為：
式（7）中：αi為幅主加權(quán)系數(shù)，τi是時延，φi是隨機(jī)相位，N是徑數(shù)。
在僅有二徑的情況下，輸出幅度為：
即二徑存在時延差，△τ≠0，合成信號場強(qiáng)隨頻率ω變化。在實際移動通信信道中，由于多徑傳輸，各徑時延不同，相對時延差也就不同，從而造成頻率選擇性衰落。
2.2 多徑傳播
2.2.1 多徑傳播徑數(shù)選擇
在移動通信中，存在兩個以上的散射體時，接收信號必存在頻率選擇性衰落。本模擬器使用三徑，即能產(chǎn)生三路互相獨(dú)立的衰落，以便較真實地模擬實際通信環(huán)境。
2.2.2 多徑傳播時延值的確定
典型的實測多徑時延最大值為20μs[1]，國內(nèi)測試結(jié)果為15μs，而均方根時延在10μs左右[1，2，3]。本方案采用多種延時靈活選擇以便接受實際信道的均方根時延。總延時最小為0.2μs，最大為10.2μs，且包含一直達(dá)通路（延時為0）。
2.3 電波傳播路徑損耗的確定
目前人們對陸地移動通信傳播路徑損耗預(yù)測一般都使用奧村經(jīng)驗?zāi)Ｐ�。但是奧村模型適用范圍為：頻率100MHz～1500MHz，基站天線高度30m～200m，移動臺天線高度1m～10m，傳輸距離1km～20km。而研制的模擬器所針對信號頻率為70MHz，基站天線高度為18m。這與奧村模型適用范圍不符，故該模型不能直接應(yīng)用于本方案。
美籍華裔通信專家李建業(yè)先生提出了電波傳播預(yù)測的Lee模型。該模型不對基站天線高度作具體限制，其思路是先求得區(qū)域與區(qū)域之間的信號傳輸損耗，再求得具體地點(diǎn)點(diǎn)到點(diǎn)之間的傳輸損耗。
由于本模擬器模擬的是一般環(huán)境下的典型路徑損耗，不需精確模擬特定到某地區(qū)的點(diǎn)到點(diǎn)傳輸。所以Lee模型的區(qū)-區(qū)電波損耗計算適用于模擬方案，不需再作誤差修正。
用Lee模型計算傳播損耗需預(yù)先知道各環(huán)境下傳播距離1英里（或1km）處的確定損耗值。而模擬器模擬的是一般環(huán)境，不必一一實地測量，故先用奧村模型計算一般環(huán)境下傳達(dá)室播距離1km處的典型值，再轉(zhuǎn)換運(yùn)用于Lee模型中。也就是說，所研制的模擬器綜合運(yùn)用奧村模型和Lee模型計算電波傳播損耗。
具體傳播損耗量如表1所示。
表1 電波傳播的路徑損耗
2.4 多普勒頻移
在移動通信中，多普勒頻移是普遍存在的現(xiàn)象，
fd=v/λ (9)
式（9）中v是移動臺速度，λ為信號的波長。對于一個信道路徑在方位上均勻分布的實際信道而言，射頻率譜的形狀為：
式（10）中ωd是移動臺運(yùn)動產(chǎn)生的最大多普勒頻移對應(yīng)的角頻率，即：
為了產(chǎn)生這個頻譜，用來調(diào)制的高斯噪聲必須有低通頻譜，如式（12）所示：
3 信道模擬器的實現(xiàn)方法
由前面的論述可知，本移動通信信道模擬器的主要功能是瑞利衰落、多徑傳播、電波傳播路徑損耗、多普勒頻移等。
3.1 瑞利衰落的實現(xiàn)方法
根據(jù)式（1）可知，瑞利衰落的實現(xiàn)方法是將輸入信號用兩種不相關(guān)的低頻高斯噪聲正交調(diào)制模擬包絡(luò)呈瑞利分布、相位呈均勻分布的瑞利衰落，輸出信號的功能譜由低頻高斯噪聲的頻譜決定。多徑瑞利衰落可以由單徑瑞利衰落經(jīng)延時后合成。
3.1.1 低頻高斯噪聲的產(chǎn)生
由式（10）確定的帶通高斯過程頻譜如圖1所示。
對應(yīng)的低通高斯過程頻譜如圖2所示。
考慮到式（12）表示的濾波器頻響不是有理分式，無法直接構(gòu)造，只能采用數(shù)字逼近的方法。由參考文獻(xiàn)[2]可知，所需濾波器的頻響應(yīng)為：
H(s)=1/[(0.897s 2+0.31s+1)(0.897s 2+0.31s+1)(0.31s+1)]
圖3顯示了H(s)的頻響與理想濾波器的頻響區(qū)別。
將上述模擬濾波器進(jìn)行交換，得到對應(yīng)的FIR濾波器抽頭系數(shù)。
使用MATLAB軟件生成高斯白噪聲，將這個白噪聲輸入上面FIR濾波器，濾波器輸出即為所需要的窄帶高斯過程。
將該窄帶高斯過程輸出置DA，經(jīng)平?jīng)]濾波、放大、阻抗匹配，輸入下一級處理。
3.1.2 正交調(diào)制的實現(xiàn)
實現(xiàn)正交調(diào)制的方法有多種，本移動信道模擬器實現(xiàn)正交調(diào)制方法采Mini公司的I/Q調(diào)制器。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。
3.2 多徑傳播的實現(xiàn)
為了實現(xiàn)對多徑傳播的模擬，采用了Mini公司的功率分配器（簡稱功分器），將輸入信號進(jìn)行分路。首先對輸入信號進(jìn)行二路功率分配：一路模擬直達(dá)通道；另一路再進(jìn)行三路功率分配，經(jīng)這不同延時及窄帶高斯正交調(diào)制，再進(jìn)行功率合成，輸出信號模擬多徑傳播。
在本信道模擬器中，傳播路徑的選擇、延時選擇通過控制模擬開關(guān)進(jìn)行。
3.3 模擬路徑損耗的實現(xiàn)
為了模擬傳播的路徑損耗，本信道模擬器選用固定衰減器與數(shù)控衰減器進(jìn)行組合控制實現(xiàn)。實現(xiàn)衰減量控制的依據(jù)是表1。
3.5 多普勒頻移的實現(xiàn)方法
由3.1的結(jié)論可知，多普勒頻移可以通過控制窄帶高斯過程的頻譜實現(xiàn)。在本模擬器中，通過改變窄帶高斯過程的DA轉(zhuǎn)換速率可以實現(xiàn)對窄帶高斯過程的頻譜控制，從而實現(xiàn)多普勒頻移的模擬。
3.6 系統(tǒng)控制及人機(jī)界面的實現(xiàn)
系統(tǒng)控制采用基于單片機(jī)AT89C52的嵌入式操作系統(tǒng)，可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)控衰減器、模擬開關(guān)等的控制，通過對鍵盤、液晶習(xí)實現(xiàn)良好的人機(jī)界面。
4 結(jié)論
4.1 總體介紹
本信道模擬器的總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。
信號輸入后，分成兩路：一路作為直達(dá)支路；另一路經(jīng)延時后，又被分成兩路，其中一路用I/Q調(diào)制器調(diào)制上兩路相經(jīng)獨(dú)立的低頻高斯噪聲，其輸出的信號包絡(luò)呈瑞利分布，相位呈均勻分布，由此實現(xiàn)了單徑無頻率選擇性的瑞利衰落；另一路送到下一個延時單元，重要上述過程。各種I/Q調(diào)制器輸出在合路器相加，其輸出信號幅度包絡(luò)呈瑞利分布，相位呈均勻分布。加上最初的直達(dá)信號，還可模擬萊斯信道。模擬實際路徑損耗通過控制數(shù)控衰減器實現(xiàn)。在直達(dá)和延時路徑中，分別疊加上可調(diào)白噪聲，以實現(xiàn)輸出信噪比可調(diào)。
4.2 功能指標(biāo)
4.3 主要指標(biāo)測試方法說明
4.3.1 瑞利衰落測試方法
用TEKTRONIX示波器TDS3052觀察模擬器輸出波形，如圖6所示，可見其包絡(luò)呈瑞利分布。
4.3.2 衰落波形相位分布測試方法
用Lecroy公司的LC584A示波器測試?yán)钌秤龍D形，圖7為該存儲示波器積累10s光點(diǎn)掃描的圖像。該圖用兩路相互正交的低頻高斯噪聲分別控制示波器水平和垂直偏轉(zhuǎn)得到。因為噪聲的偏轉(zhuǎn)控制呈90°相對取向，所形成的顯示圖與此模擬器輸出的瑞利衰落信號的隨機(jī)可變向量的極坐標(biāo)是等效的。圖7中關(guān)于原點(diǎn)的任意固定半徑圓弧上，光點(diǎn)強(qiáng)度的均勻性表明相位是均勻分布的。
4.3.3 其它指標(biāo)測試方法
本文介紹了一種移動通信信道模擬器的設(shè)計與實現(xiàn)。本模擬器中，信號在I/Q調(diào)制器中調(diào)制上低頻高斯噪聲模擬實際信道中的瑞利分布。低頻高斯噪聲數(shù)據(jù)采用數(shù)字方法及Matlab軟件產(chǎn)生并存放在EPROM中。模擬器工作時改變?nèi)?shù)速率便能使噪聲頻率可調(diào)，并綜合運(yùn)用奧村模型和Lee模型計算電波路徑傳播損耗。經(jīng)過實際測試，本模擬器的各項指標(biāo)均能達(dá)到或超過技術(shù)指標(biāo)的要求。目前，本模擬器已投入實際應(yīng)用。
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