軟硬件結(jié)合的TD-LTE實(shí)驗(yàn)信號(hào)源設(shè)計(jì)

姜?jiǎng)賵@， 華驚宇， 徐志江， 盧為黨， 李 楓

(1. 浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院, 浙江 杭州 310023；2. 浙江工業(yè)大學(xué) 浙江省通信網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江 杭州 310023)

軟硬件結(jié)合的TD-LTE實(shí)驗(yàn)信號(hào)源設(shè)計(jì)

姜?jiǎng)賵@1， 華驚宇1， 徐志江2， 盧為黨1， 李 楓2

(1. 浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院, 浙江 杭州 310023；2. 浙江工業(yè)大學(xué) 浙江省通信網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江 杭州 310023)

提出了一種設(shè)計(jì)靈活和低成本TD -LTE信號(hào)源的方法。該方法利用Agilent ADS軟件設(shè)計(jì)TD -LTE理想基帶信號(hào),并通過同樣由ADS建模的三維衰落信道以生成基帶衰落信號(hào)，其中三維衰落信道建模同時(shí)考慮離去角和到達(dá)角。然后ADS軟件通過GPIB接口控制實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的矢量信號(hào)發(fā)生器來產(chǎn)生TD -LTE射頻信號(hào)，可用于移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)以及TD -LTE設(shè)備的測(cè)試。最后采用Matlab數(shù)據(jù)分析和頻譜儀測(cè)量的方式對(duì)所設(shè)計(jì)的TD -LTE信號(hào)源進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

信號(hào)源； TD -LTE； ADS； DOD -DOA

TD-LTE技術(shù)是當(dāng)前我國主推的第四代移動(dòng)通信技術(shù)[1-3]，已經(jīng)在全國成熟商用，目前已經(jīng)進(jìn)入深入挖掘其專業(yè)應(yīng)用的階段，比如集群終端以及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。在TD-LTE專業(yè)應(yīng)用[4]以及高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，相關(guān)的測(cè)試設(shè)備具有較大需求。以浙江工業(yè)大學(xué)為例，新建的移動(dòng)通信本科生實(shí)驗(yàn)室由于缺乏專用測(cè)試設(shè)備，僅能提供TD-LTE協(xié)議層面的演示和實(shí)驗(yàn)，而對(duì)于物理信號(hào)的實(shí)驗(yàn)缺乏信號(hào)源，以至于難以開展。事實(shí)上，TD-LTE信號(hào)源對(duì)LTE技術(shù)的研發(fā)與調(diào)試起著十分重要的作用，典型的TD-LTE信號(hào)源產(chǎn)品，如羅德施瓦茨公司的SMU200A矢量信號(hào)源，支持3GPP LTE FDD和TDD。專用信號(hào)發(fā)生器性能優(yōu)越，完全能提供LTE研究與實(shí)驗(yàn)的各種信號(hào)，但是價(jià)格昂貴，難以被高校甚至一些企業(yè)作為研究?jī)x器使用。而一些款式老舊的信號(hào)源卻不能直接產(chǎn)生特定標(biāo)準(zhǔn)的微波矢量信號(hào)，比如實(shí)驗(yàn)室的安捷倫E4432B信號(hào)源。

用于TD-LTE實(shí)驗(yàn)的信號(hào)源應(yīng)該包含3個(gè)部分，一是滿足TD-LTE標(biāo)準(zhǔn)的基帶信號(hào)生成器，二是滿足TD-LTE應(yīng)用需求的空口信道模擬器，三是射頻矢量信號(hào)生成器。如前所述，專用信號(hào)源可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)3個(gè)工作，但是價(jià)格昂貴，不適合高校實(shí)驗(yàn)需求。文獻(xiàn)[5]提出在安捷倫ADS中對(duì)三維(three-dimensional, 3D)到達(dá)角(DOA)信道進(jìn)行建模，并控制E4432B信號(hào)源生成物理信道。本文在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步把TD-LTE基帶信號(hào)也融合到ADS建模中，同時(shí)信道建模改為更加一般化的3D DOD-DOA信道，從而設(shè)計(jì)了一種兼具靈活性和經(jīng)濟(jì)性的用于實(shí)驗(yàn)的TD-LTE信號(hào)源。數(shù)據(jù)分析和物理信號(hào)測(cè)試表明，本文所設(shè)計(jì)的信號(hào)源效果良好。

1 基于ADS的TD-LTE信號(hào)源框架設(shè)計(jì)

本文將采用軟件控制硬件，軟硬件結(jié)合的方式設(shè)計(jì)TD-LTE信號(hào)源，即利用ADS軟件和信號(hào)產(chǎn)生器設(shè)計(jì)信號(hào)源，類似于文獻(xiàn)[6—7]中的信號(hào)建模。在理想TD-LTE基帶信號(hào)源模塊中加入衰落信道模塊,構(gòu)成TD-LTE基帶衰落信號(hào)源，然后將基帶衰落信號(hào)輸入到Matlab和矢量信號(hào)發(fā)生器，如圖1所示。

圖1 基帶衰落信號(hào)源

圖1中的虛線框I為理想基帶信號(hào)，II為衰落信道，III為基帶衰落信號(hào)的輸出。TD-LTE理想基帶信號(hào)與基帶衰落信號(hào)由ADS軟件設(shè)計(jì)，經(jīng)過Matlab驗(yàn)證正確后，根據(jù)軟件與硬件結(jié)合、軟件控制硬件的思想，將理想基帶信號(hào)、基帶衰落信號(hào)通過GPIB接口傳輸?shù)绞噶啃盘?hào)發(fā)生器，生成所需的物理信號(hào)。

理想基帶信號(hào)源設(shè)計(jì)是TD-LTE信號(hào)源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一步。在理想信號(hào)源模塊中，利用ADS自帶的原始信號(hào)源生成上下行射頻信號(hào)，經(jīng)過下變頻成基帶信號(hào)，在基帶上進(jìn)行時(shí)隙的復(fù)合，形成所需的理想基帶信號(hào)。信道設(shè)計(jì)為三維衰落信道，本文基于AR濾波法，利用ADS軟件建模三維信道，三維信道模型采用球體DOD-DOA模型。理想基帶信號(hào)通過衰落信道之后，成為所需的基帶衰落信號(hào)?；鶐ヂ湫盘?hào)通過2條路徑分別傳輸?shù)組atlab和矢量信號(hào)源。傳輸?shù)組atlab的信號(hào)先通過濾波器，然后再輸出到Matlab接口，最后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab，用Matlab分析最終輸出的信號(hào)。傳輸?shù)绞噶啃盘?hào)源的信號(hào)經(jīng)過GPIB接口傳輸?shù)绞噶啃盘?hào)發(fā)生器，再在頻譜分析儀觀察信號(hào)頻譜。

2 軟硬件結(jié)合的TD-LTE信號(hào)源

2.1 TD-LTE基帶信號(hào)源模塊

在理想基帶信號(hào)源模塊中，采用ADS2009軟件[8]自帶的LTE上行子幀、下行子幀，將幀結(jié)構(gòu)模式設(shè)置為TDD模式，理想基帶信號(hào)源原理框圖見圖2。

圖2 理想基帶信號(hào)源模塊原理框圖

TD-LTE原始信號(hào)源以上行子幀和下行子幀為單位，上行子幀與下行子幀分別經(jīng)過下變頻器后變?yōu)榛鶐盘?hào)，將基帶信號(hào)復(fù)合成幀再通過成型濾波器，輸出到Matlab接口。仿真生成的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab軟件分析最終輸出的信號(hào)。TD-LTE原始信號(hào)源主要設(shè)置參數(shù)見表1。根據(jù)上述參數(shù)設(shè)置，仿真TD-LTE理想基帶信號(hào)如圖3所示。

表1 信號(hào)源主要設(shè)置參數(shù)

圖3 TD-LTE理想基帶信號(hào)

為了判斷更準(zhǔn)確，可以將DwPTS與UpPTS(上行導(dǎo)頻時(shí)間)的位置與幀結(jié)構(gòu)理論位置進(jìn)行比較。為簡(jiǎn)化起見，本文僅比較半幀0中的UpPTS的位置，將圖3的UpPTS的始末位置放大，得到圖4。

UpPTS的理論位置為59248—61440碼元，由圖4可以看出，理想基帶信號(hào)源輸出的UpPTS的位置正是在這段碼元上。用同樣的方法可以對(duì)信號(hào)源其他位置與理論位置進(jìn)行比較，比較結(jié)果也是一致的。因此TD-LTE理想基帶信號(hào)源的數(shù)據(jù)位置與理論幀結(jié)構(gòu)位置一致。

圖4 放大后的UpPTS始末位置

2.2 基于ADS的3D DOD-DOA信道建模

與文獻(xiàn)[5]一樣，本文基于自回歸(autoregressive，AR)濾波法[9-10]，在ADS軟件中建模3D信道，不同點(diǎn)在于本文采用了球體DOD-DOA模型。

2.2.1 ADS中的信道模塊建模

根據(jù)文獻(xiàn)[9]，在信道自相關(guān)函數(shù)已知的情況下，首先通過Yule-Walker方程估算AR過程的系數(shù)和高斯噪聲方差，然后將實(shí)部與虛部相互獨(dú)立的高斯噪聲通過AR過程濾波，即可以得到符合實(shí)際通信環(huán)境的信道系數(shù)。ADS信道設(shè)計(jì)圖見圖5。圖5中，用RecToCx模塊將2個(gè)實(shí)高斯噪聲模塊復(fù)合成復(fù)數(shù)高斯噪聲模塊，通過IIR濾波器，將濾波后的數(shù)據(jù)再通過延時(shí)模塊、衰減模塊，最后通過Matlab接口輸出到Matlab軟件進(jìn)行分析。不失一般性，圖5設(shè)計(jì)的衰落信道為3路徑，每個(gè)路徑都包含對(duì)應(yīng)的延時(shí)和衰減因子，其中衰減因子由功率延時(shí)包絡(luò)(power envelope delay，PDP)計(jì)算得到。假設(shè)路徑1的衰減因子為A，路徑2的衰減因子為B，路徑3的衰減因子為C，則必須使A、B、C滿足A2+B2+C2=1，其中A2為路徑1的功率，B2為路徑2的功率，C2為路徑3的功率。圖5的信道模塊可以推廣到一般的多徑信道。

2.2.2 3D 球體DOD-DOA信道

3D DOD-DOA球體模型如圖6所示。散射體分布在半徑為R的半球體中，以球體底面中心為原點(diǎn)，散射體的笛卡爾坐標(biāo)為(x,y,z)，柱面坐標(biāo)為(ρ,φ,z)，球面坐標(biāo)為(rm,φm,θm)；散射體相對(duì)于MS的笛卡爾坐標(biāo)為(xm,ym,zm)，柱面坐標(biāo)為(ρm,φm,zm)，球面坐標(biāo)為(rm,φm,θm)?；靖叨葹镠，基站與移動(dòng)臺(tái)到散直角坐標(biāo)為(xb,yb,zb)，柱面坐標(biāo)為(ρb,φb,zb), 球面坐標(biāo)為(rb,φb,θb)。在xy平面內(nèi)，軸長(zhǎng)均為a，在xz平面內(nèi)，軸長(zhǎng)射區(qū)域中心的距離分別為D1和D2。為了簡(jiǎn)化分析，本文假設(shè)3D DOD-DOA球體信道模型內(nèi)的散射體服從體積均勻分布，概率密度函數(shù)為

(1)

其他散射體分布的推導(dǎo)可類似于本文進(jìn)行。根據(jù)式(1)，散射體相對(duì)于移動(dòng)臺(tái)的聯(lián)合概率密度函數(shù)為

(2)

對(duì)rm積分，得到φm與βm的聯(lián)合概率密度函數(shù)p(φm,βm)(見式(3))。把式(3)代入通用自相關(guān)函數(shù)計(jì)算式(見式(4))，可以計(jì)算得到散射體均勻分布時(shí)的自相關(guān)函數(shù)(Ruu(τ)見式(5)。

圖5 ADS信道設(shè)計(jì)圖

圖6 球體DOD-DOA信道模型

(3)

(4)

(5)

式(4)和式(5)中fd為歸一化最大多普勒頻移，τ為時(shí)延。

針對(duì)上述自相關(guān)函數(shù)針對(duì)不同的τ作數(shù)值計(jì)算，得到自相關(guān)函數(shù)序列，并應(yīng)用文獻(xiàn)[9]的方法得到AR濾波器系數(shù)和高斯白噪聲方差。最后將系數(shù)填入圖5中的IIR濾波器模塊，最終產(chǎn)生的隨機(jī)信號(hào)即為符合DOD-DOA衰落信道的隨機(jī)信號(hào)。具體的計(jì)算過程不再贅述，下面僅給出典型計(jì)算結(jié)果。

(1) DOD-DOA信道的AR濾波器。設(shè)置參數(shù)D1=500 m，R=200 m，歸一化最大多普勒頻移fd=0.05，γ=0，計(jì)算出AR(100) 過程的系數(shù)如表2所示。

表2DOD-DOA球體信道AR_parameters

-0.94060.06710.0072-0.0258-0.0109-0.44600.0574-0.0066-0.0210-0.0041-0.10310.0366-0.0251-0.00240.00070.09570.0100-0.0297-0.02760.00820.1890-0.0077-0.0328-0.02050.02350.2049-0.0203-0.0313-0.00690.01840.1730-0.0389-0.02580.00500.01550.1070-0.0490-0.01710.01410.00410.0262-0.0469-0.00680.02030.0021-0.0272-0.04500.00400.0228-0.0023-0.0706-0.03970.01590.0217-0.0071-0.0945-0.01480.00980.0208-0.0106-0.10220.00300.03050.0135-0.0076-0.09070.01910.0334-0.0115-0.0124-0.06500.03110.0269-0.0023-0.0065-0.03160.03830.0184-0.0047-0.0075-0.00010.03970.0087-0.01240.00740.03530.0360-0.0012-0.01710.01230.05610.0278-0.0102-0.01810.01420.07640.0136-0.0173-0.0159-0.0078

(2) 信道仿真結(jié)果。將表2的AR系數(shù)值以及高斯噪聲方差值輸入到ADS信道模塊中，高斯噪聲模塊均值設(shè)為0、方差設(shè)為0.00260568062659/2，IIR濾波器分子系數(shù)為1、分母系數(shù)設(shè)置為{1,AR_parameters}。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的ADS衰落信道模型的正確性，仿真長(zhǎng)度為10 000個(gè)碼元，得到DOD-DOA衰落信道的統(tǒng)計(jì)特性見圖7—圖9，圖8中ACF為自相關(guān)函數(shù)，圖9中PSD為功率密度。

圖7 衰落信道包絡(luò)

圖8 自相關(guān)仿真與理論對(duì)比圖

圖9 功率譜密度仿真與理論對(duì)比圖

從以上仿真統(tǒng)計(jì)特性圖可以看出，ADS軟件設(shè)計(jì)的DOD-DOA球體信道的仿真統(tǒng)計(jì)特性與理論統(tǒng)計(jì)特性基本一致。

3 信號(hào)源測(cè)試

3.1 基帶信號(hào)測(cè)試

根據(jù)上述的ADS信道實(shí)現(xiàn)，分別將理想基帶信號(hào)源加入球體DOD-DOA信道并仿真基帶衰弱信號(hào)。

圖10表示理想基帶信號(hào)源經(jīng)過 DOD-DOA衰弱信道。圖10從上到下分別為TD-LTE理想基帶信號(hào)、衰弱信道信號(hào)以及基帶衰弱信號(hào)波形圖。從圖中可以看出TD-LTE 理想基帶信號(hào)經(jīng)過衰弱信道后的幅度有時(shí)增加有時(shí)減少，符合信道特性。

圖10 基帶信號(hào)源測(cè)試結(jié)果

3.2 物理信號(hào)測(cè)試

ADS軟件里設(shè)計(jì)的TD-LTE理想基帶信號(hào)與基帶衰弱信號(hào)，經(jīng)Matlab驗(yàn)證正確后，根據(jù)軟件與硬件結(jié)合、軟件控制硬件的思想，將理想基帶信號(hào)、基帶衰弱信號(hào)分別傳輸?shù)绞噶啃盘?hào)發(fā)生器中，生成所需的物理信號(hào)。

矢量信號(hào)發(fā)生器采用安捷倫公司的E4432B[11-12]，并用USB/GPIB連接線將其同計(jì)算機(jī)相連。在ADS軟件中設(shè)計(jì)的信號(hào)源終端接E443XB模塊，此模塊需要設(shè)置的參數(shù)包括載波頻率、采樣時(shí)鐘、起始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間等。載波頻率設(shè)置為2 500 MHz，采樣時(shí)鐘設(shè)置為15.36 MHz(對(duì)應(yīng)10 MHz系統(tǒng)帶寬)。

將E4432B射頻輸出端口通過射頻線接到頻譜分析儀上(安捷倫公司E4404B[13])，在頻譜分析儀上觀察信號(hào)頻譜，見圖11和圖12，可判斷信號(hào)正確性。從圖11看出，載波頻率為2 500 MHz，X軸Span為20 MHz，每格2 MHz，頻譜寬度在X軸上的跨度近似5格，約為10 MHz，與本文設(shè)置的TD-LTE帶寬一致。從圖12可看到，當(dāng)理想基帶信號(hào)源加入衰弱信道模塊后，頻譜寬度稍有增加，幅度有起伏，信號(hào)衰減明顯。

圖11 TD-LTE理想基帶信號(hào)頻譜

圖12 理想基帶信號(hào)經(jīng)過3D DOD-DOA信道后的頻譜

4 總結(jié)

TD-LTE信號(hào)源對(duì)LTE技術(shù)的研發(fā)與調(diào)試起著十分重要的作用，基于結(jié)合軟硬件設(shè)計(jì)的TD-LTE實(shí)驗(yàn)信號(hào)源只需要一臺(tái)矢量信號(hào)源，便能通過設(shè)計(jì)信道獲得多種制式的通信信號(hào)，從而形成一種通用的信號(hào)源，設(shè)計(jì)靈活，能降低研究成本，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

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Design of TD -LTE experimental signal source with combination of software and hardware

Jiang Shengyuan1, Hua Jingyu1, Xu Zhijiang2, Lu Weidang1, Li Feng2

(1. College of Information Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China; 2. Zhejiang Provincial Key Laboratory of Applied Research on Communication Network Technology, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China)

A method for designing the flexible and low-cost TD -LTE signal source is proposed. This method uses the Agilent ADS software to design TD -LTE ideal base-band signal, and a base-band fading signal is generated by the 3D fading channel which is similarly modeled by the ADS. Both DOD (direction of departure) and DOA (direction of arrival) are taken into account for the 3D fading channel modeling. Then, the ADS software controls the existing vector signal generator in the laboratory through the GPIB interface to produce the TD -LTE radio frequency signal，which can be used for the experimental teaching of mobile communication and the test of TD -LTE equipment. Finally, the designed TD -LTE signal source is verified by adopting the methods of the Matlab data analysis and the spectrum analyzer measurement, and the results show that the desired target is achieved.

signal source; TD -LTE; ADS; DOD-DOA

TN791

A

1002-4956(2017)10-0088-06

10.16791/j.cnki.sjg.2017.10.023

2017-04-06

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61471322)

姜?jiǎng)賵@(1992—)，女，浙江余姚，碩士研究生，研究方向?yàn)闊o線通信

E-mail：654359607@qq.com

華驚宇(1978—)，男，浙江杭州，博士，教授，研究方向?yàn)闊o線通信.

E-mail：eehjy@zjut.edu.cn