無線信道模擬器的研究與設(shè)計

賴琮霖

（中國電信股份有限公司廣東研究院，廣東 廣州 510630）

1 無線通信技術(shù)發(fā)展概述

近年，無線通信技術(shù)在蓬勃發(fā)展。任何一種新的無線通信技術(shù)都需要在實際的信道中測試驗證通過后方可商用。而目前，隨著許多頻段陸續(xù)商用，實地的信道測試會對正常通行用戶造成干擾。取而代之的則是采用計算機仿真驗證的形式，其實現(xiàn)方式簡單、容易監(jiān)測，被廣泛采用，但其仿真速度往往與計算機性能有很大關(guān)系，并且存在計算機與實際設(shè)備的兼容性等問題。無線信道模擬器的出現(xiàn)可以彌補計算機仿真的不足，將信道模型從計算機上轉(zhuǎn)移到可編程芯片上，利用高速的FPGA芯片實現(xiàn)并行高速仿真，界面友好可觀，調(diào)試方便。

2 信道模型

通常多徑信道采用延時抽頭結(jié)構(gòu)模型，多條單路徑衰落經(jīng)過相對時延求和，得到總的信道響應(yīng)[1-4]，即：

式（1）中s(t)是輸入信號，h(t)是信道沖擊響應(yīng)Al(t)表示幅度響應(yīng)，φl(t)表示相位響應(yīng)，τl是第l路的時延，共L條路徑。

每條單路徑信道選用通信信道中常見的瑞利衰落信道，其特點是瑞利概率分布的包絡(luò)和均勻分布的相位。單路徑衰落信道建模為窄帶隨機過程，一般有3種建模方法：（1）時域濾波法；（2）頻域變換法；（3）Jakes算法。方法1適合多普勒頻率、濾波器帶寬較窄的衰落信道建模，但其利用到時域卷積，計算量大；方法2將時域卷積轉(zhuǎn)換到頻域相乘，比方法1降低了復(fù)雜度，但是其不適合窄帶、多普勒頻移較小的情形。方法3最為理想，也是本文所采用的，可以對任意多普勒頻移的情形進(jìn)行建模[1-4]。

4路路徑Jakes信道模型如圖1所示[5-9]。

Jakes提出如下的Rayleigh衰落信道仿真模型[1-4]。

圖1 多徑瑞利衰落信道系統(tǒng)模型

式中hI(t),hQ(t)分別為同向與正交路，M為路徑數(shù)，N=4×M+2，an,bn為第n路的路徑增益，fn為第n路頻率。為符合廣義平穩(wěn)要求，得到改進(jìn)模型[1-4]：

式中θ，φ，ψn是[-π,π)上獨立同分布的均勻隨機變量。Jakes模型可采用I/Q 正交調(diào)制器的實現(xiàn)方法[5-9]，如圖2所示。

隨機數(shù)是產(chǎn)生高斯噪聲源的前提，Matlab可以利用函數(shù)randn，而基于FPGA的設(shè)計只能利用偽隨機信號替代。當(dāng)偽隨機信號樣本越接近無窮大，它便越接近完全的隨機信號。高斯噪聲源的產(chǎn)生方法一般有如下幾種：平方取和法、查表發(fā)、物理法等，本研究采用線性同余法[10]。分為兩步：

圖2 單徑瑞利衰落器模塊

產(chǎn)生(0,1)之間均勻分布的隨機數(shù)，公式如下：

其中ni+1是分布在（0,1）間的均勻分布隨機數(shù)，a為常數(shù)，c是一個增量不斷變化，m是一個模數(shù)，初值x0可為任意非負(fù)整數(shù)。

變換為高斯分布隨機數(shù)，如式（10）所示。

得到幅度隨高斯分布的隨機序列輸出zi。文獻(xiàn)[9]將求得的隨機序列乘上a*m，使得高斯隨機數(shù)的均值等于0，方差為(a*m)2，同時考慮了路徑本身產(chǎn)生的衰落因子a。獲得的隨機序列通過低通濾波器，產(chǎn)生固定頻段內(nèi)的高斯噪聲。低通濾波器的作用是產(chǎn)生落在固定頻段內(nèi)的高斯噪聲，時域利用平衡調(diào)制器將信號源和噪聲相乘，將噪聲加載到信號源上。頻域相卷，頻率展寬，從而仿真出具有多普勒現(xiàn)象的環(huán)境。濾波器的截止頻率由移動體的移動平均速度v和信號源的載波頻率f0（事實上是載波波長λ0）決定。移動臺運動產(chǎn)生的最大多普勒頻移fm，即低通濾波器的截止頻率由如下式（11）得到：

單徑瑞利衰落系統(tǒng)中平衡調(diào)制器利用乘法器實現(xiàn)，合成器利用加法器實現(xiàn)，90度相移利用積分器，將cos轉(zhuǎn)化為sin。

3 模塊設(shè)計

本設(shè)計采用Altera的Cyclone1代芯片EP1C6Q240C8的基本配置，50 MHz頻率的晶振，一上電就可以工作，可以支持在線測試。芯片有5 980個LEs（邏輯單元），92160比特的隨機存取存儲器（Random Access Memory，RAM），2個相同步邏輯（Phase Locked Logic，PLL），共有185個引腳。

文獻(xiàn)[11—14]綜合給出了一種基于模型的設(shè)計方法，大大提高研究開發(fā)的效率。延時信息和衰減系數(shù)會隨著仿真環(huán)境的不同而不同，由配置文件產(chǎn)生。根據(jù)無線信道數(shù)學(xué)模型布局Simulink block，然后利用編譯工具DSP Builder將Simulink模塊圖轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的HDL代碼，再用綜合工具將HDL代碼建立出工程文件，調(diào)用HIL模塊將工程文件放入其中，下載現(xiàn)場可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）板，形成硬件模型，如圖3—4所示。

圖3 無線信道模擬器系統(tǒng)流程

圖4 基于FPGA+Simulink整機模塊

輸入信號由Simulink產(chǎn)生，本設(shè)計輸入采用調(diào)幅波（Amplitude Modulation，AM），利用Simulink工具完成布局設(shè)計和在線測試。

4 仿真流程與結(jié)果

4.1 仿真流程

根據(jù)圖2的信道模型與式(8—11)編寫仿真代碼。對4種環(huán)境（鄉(xiāng)村、典型市區(qū)、惡劣地區(qū)、山區(qū)）進(jìn)行仿真[4]，時延擴(kuò)展。

經(jīng)計算得4個環(huán)境中的相干帶寬，按順序分別是1 070 kHz，112 kHz，65 kHz，754 kHz。對于基帶帶寬為100 kHz，理論上只有惡劣地區(qū)環(huán)境會發(fā)生頻率選擇性衰落，而鄉(xiāng)村地形、典型市區(qū)和山區(qū)地形則沒有明顯的變化。

4.2 瑞利衰落信道Matlab仿真結(jié)果

瑞利衰落信道Matlab仿真結(jié)果如圖5所示。

Matlab仿真結(jié)果顯示典型市區(qū)和惡劣地區(qū)發(fā)生了頻率選擇性衰落，頻譜圖內(nèi)中心頻率兩邊頻帶有不同程度的衰減，其中惡劣地區(qū)更為嚴(yán)重。對應(yīng)時間域上，都導(dǎo)致了一定碼間干擾。山區(qū)環(huán)境和鄉(xiāng)村環(huán)境由于相干帶寬遠(yuǎn)大于信號基帶帶寬，并沒有發(fā)生嚴(yán)重的頻率選擇性衰落。

5 基于FPGA的瑞利衰落信道仿真結(jié)果

選擇典型市區(qū)地形，其相干帶寬為112 kHz。設(shè)置載波為5 MHz的AM波，輸入信號頻率是100 kHz。

如圖6所示，當(dāng)調(diào)制頻率在100 kHz的時候，此時帶寬比較接近于相干帶寬（112 kHz），有個別頻率發(fā)生了失真，呈現(xiàn)出無線信道對不同頻率的衰減不同。在時域上表現(xiàn)為AM波的碼間發(fā)生混疊。結(jié)果與Matlab仿真的典型市區(qū)近似。

6 結(jié)語

針對目前業(yè)界對高效的無線通信系統(tǒng)測試的要求，本文采用模型設(shè)計方法，研究設(shè)計一種基于FPGA和Simulink技術(shù)的無線信道模擬器。FPGA芯片的并行處理方便快捷，Simulink界面友好適合推廣。與計算機仿真作對比，方案可以近似無誤差地模擬無線信道模型，而且更為高效。本文工作說明了在FPGA上模擬無線信道是有效可行的。

圖5 發(fā)射信號調(diào)制頻率在100 kHz時，接收信號時域圖與頻域圖

圖6 市區(qū)地形調(diào)制頻率100 kHz：發(fā)射與接收波形，發(fā)送信號頻譜，接收信號頻譜

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