采用數(shù)字信號處理技術模擬信道的一種方法

摘要：基于實現(xiàn)更加精確無線信道模擬的目的，采用了數(shù)字信號處理的方法實現(xiàn)對空中無線信道的模擬。在本文中，首先介紹無線信道的多徑信道模型，主要包括衰減、時延以及多普勒頻偏等無線信道的基本要素；隨后給出了實現(xiàn)多徑信道模型的設計和實現(xiàn)思路，給相關人員提供一定的參考。
關鍵詞：信道模型；多普勒；衰落；時延；數(shù)字信號處理

    無線通信作為通信領域的重要組成部分，現(xiàn)在已經(jīng)得到越來越廣泛的應用。特別是隨著數(shù)字信號處理技術的不斷發(fā)展，以及智能移動終端概念的出現(xiàn)，無線通信與人們的日常生活越來越緊密；因此，各廠商都加大了對無線通信研發(fā)的投入，無線通信產(chǎn)品層出不窮。
    由于無線通信自身的特點使得在無線通信設備研制過程中，需要在外場的實際通信環(huán)境中進行反復實驗和驗證，才能保證產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。眾所周知，在外場實驗中，需要投入大量的人力和物力，而且問題的解決和重現(xiàn)難度很大；因此，要保證研制周期，也是件很困難的事情。
    為了克服外場實驗所帶來的不利因素，在無線通信設備的研制過程中，信道模擬器得到越來越廣泛的應用。本文就是針對信道模擬器的研制而提出的一種基于數(shù)字信號處理的實現(xiàn)方法。通過數(shù)字信號處理這種方法，可以較為精確地模擬信號的衰減、時延和多普勒頻移等無線信道特征，而且與目前常用的延時器方法，本文所提到的方法更能有效地節(jié)省處理器資源。

1 信道模型
    與有線信道不同，無線信道除了直射波外，還會由于反射、散射和衍射等現(xiàn)象的存在，信號會沿著不同的路徑和方向到達接收端，此時接收到的信號會產(chǎn)生時延擴展現(xiàn)象；另外當接收機處理于移動狀態(tài)時，各條徑的信號也會產(chǎn)生不同程度的多普勒頻移，從而使信號產(chǎn)生頻域彌散的現(xiàn)象。
    因此，基于多徑信道模型，并考慮到信道響應的時變性，無線移動信道的二維沖激響應函數(shù)可以表示為：
   
    式(1)中，ak、τk、φk、fk分別為第k條徑的衰落因子、時延、相位和多普勒頻偏，L為路徑數(shù)。
    令輸入信號(發(fā)射信號)為，fc為載波頻率，則輸出信號(接收信號)y(t)為輸入信號與信道沖擊響應的線性卷積，如式(2)所示：
   
    式(2)中，fc為輸入信號的載波頻率。
    由此可以看出，無線信道中的各條徑彼此之間相互獨立，多徑信道就是將各條路徑的信號進行衰減、時延以及多普勒頻移，再將各條路徑信號進行疊加而成。

2 信道模擬器設計思路
    一般在無線通信中，載波頻率都很高，直接對該頻點的信號進行數(shù)字處理，是無法實現(xiàn)的。因此，對輸入信號首先進行下變頻處理，得到基帶信號，經(jīng)過AD轉換得到采樣信號進行數(shù)字處理，來生產(chǎn)多徑信號，接收再由DA轉換生成模擬信號，最后經(jīng)過上變頻生成輸出信號。
    圖1給出信道模擬器通道系統(tǒng)框圖。

    圖1中，給出一個通道的信號處理過程。其中，下變頻和上變頻模擬信號的處理部分，采用一般的處理方法即可，文中不做闡述。
    AD模數(shù)轉換器的選擇，要根據(jù)信道模擬器對信號帶寬的設計要求而定，通過奈奎斯特(Nyquist)采樣定理，即fs>2f，AD的采樣率至少保證是信號帶寬的兩倍；同時還要根據(jù)系統(tǒng)的精度要求選擇合適的位數(shù)。
    由于模數(shù)轉換器AD位數(shù)的限制，12位的情況下，衰減范圍大約在60 dB左右?？刹捎迷谀M端增加數(shù)控衰減器的方法來增加衰減范圍。但是隨之而來也增加了實現(xiàn)的復雜度。

3 信道模擬數(shù)字處理的設計
    信道模擬主要是通過數(shù)字信號處理過程實現(xiàn)的，圖2給出信道模擬數(shù)字處理部分的系統(tǒng)框圖。

    如圖2所示，在信道模擬數(shù)字處理中，首先由插值濾波器對基帶輸入信號進行插值，由源數(shù)據(jù)隊列進行暫存，同時信道模型運算單元將運算完成的信道參數(shù)(如衰減因子、延時、多普勒頻偏等)存放到信道參數(shù)緩沖區(qū)；信道模擬運算單元獲取輸入信號、信道參數(shù)和WGN進行運算，再送入到降采樣濾波器，最后輸出基帶信號。
    另外，維護系統(tǒng)、信道配置系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)是后臺用戶接口，可對設備進行維護(如系統(tǒng)升級、校準補償?shù)?、信道配置、運行狀態(tài)監(jiān)測控制等，可根據(jù)實際情況和需求進行設計，這里不再進行闡述。插值濾波器和降采樣濾波器資料比較多，這里也不再進行說明，但原則上是產(chǎn)生的系統(tǒng)時延越小越好。
    下面分別對其他各部分進行說明。
    源數(shù)據(jù)隊列的主要功能是對插值后的基帶數(shù)據(jù)進行緩沖，采用雙口RAM實現(xiàn)。為了提高系統(tǒng)對時延的支持能力和分辨率，原則上隊列容量越大越好。以5μs時延、1 ns分辨率和12位數(shù)模數(shù)為例：(5 000÷1)×2=10 000字節(jié)?？梢钥闯?，通過加大雙口RAM的容量可以模擬更長的路徑時延，而不需要占用處理器的資源。
    信道模型運算單元對所配置的模型進行運算，生成衰減因子、時延和多普勒頻偏等信道參數(shù)，放入信道參數(shù)緩沖區(qū)。由于信道模型運算量大，采用DSP高速處理器+FPGA進行主要運算單元，并對信道模型運行進行優(yōu)化，視具體支持的信道模型而定。
    信道參數(shù)緩沖區(qū)主要是存放計算生成的信道參數(shù)。該緩沖區(qū)分兩塊，采用乒乓機制，每塊緩沖區(qū)空間大小根據(jù)數(shù)據(jù)處理速度進行計算。
    信道模擬運算單元由一系列運行單元構成，其結構框圖如圖3所示。

    圖3中，每個運算單元負責計算一條路徑的信道，運算單元的個數(shù)也就是所支持路徑數(shù)，每個運算單元相互獨立，且并行計算(減小系統(tǒng)時延)，求和后得到輸出結果。其中，每個運算單元根據(jù)時延參數(shù)從輸入信號獲取信號數(shù)據(jù)。另外，每個運算單元可以根據(jù)實際的路徑數(shù)按需配置。
    以上給出了信道模擬數(shù)字處理的總體設計思路，具體實現(xiàn)細節(jié)需要考慮的內(nèi)容很多，如時鐘同步系統(tǒng)、定點精度、算法優(yōu)化等等。最好在做實現(xiàn)的設計之前，對系統(tǒng)方案進行仿真，作為實現(xiàn)設計的參考依據(jù)。

4 結論
    數(shù)字信號處理方法實現(xiàn)方法靈活，特別是能夠產(chǎn)生精確的時延，可以對多徑信道模型進行模擬，給無線通信的研發(fā)人員帶來極大的便利；采用數(shù)字信號處理的方法是無線信道模擬的發(fā)展方向，隨著硬件技術的不斷升級，可以模擬越來越復雜的信道模型。
    相比通過延時器模擬多徑的實現(xiàn)方法，文中所采用的方法器件要求更低的情況下可以模擬更長的時延和路徑數(shù)。
    但這種方法目前也會引入較大的系統(tǒng)時延，一般在2μs左右，在某些特定的應用場景下，會帶來一些不便。