采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)模擬信道的一種方法

摘要：基于實(shí)現(xiàn)更加精確無線信道模擬的目的，采用了數(shù)字信號(hào)處理的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)延以及多普勒頻偏等無線信道的基本要素；隨后給出了實(shí)現(xiàn)多徑信道模型的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)思路，給相關(guān)人員提供一定的參考。
關(guān)鍵詞：信道模型；多普勒；衰落；時(shí)延；數(shù)字信號(hào)處理

    無線通信作為通信領(lǐng)域的重要組成部分，現(xiàn)在已經(jīng)得到越來越廣泛的應(yīng)用。特別是隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的不斷發(fā)展，以及智能移動(dòng)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(duì)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(diǎn)使得在無線通信設(shè)備研制過程中，需要在外場的實(shí)際通信環(huán)境中進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證，才能保證產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。眾所周知，在外場實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)所帶來的不利因素，在無線通信設(shè)備的研制過程中，信道模擬器得到越來越廣泛的應(yīng)用。本文就是針對(duì)信道模擬器的研制而提出的一種基于數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)方法。通過數(shù)字信號(hào)處理這種方法，可以較為精確地模擬信號(hào)的衰減、時(shí)延和多普勒頻移等無線信道特征，而且與目前常用的延時(shí)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(huì)由于反射、散射和衍射等現(xiàn)象的存在，信號(hào)會(huì)沿著不同的路徑和方向到達(dá)接收端，此時(shí)接收到的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生時(shí)延擴(kuò)展現(xiàn)象；另外當(dāng)接收機(jī)處理于移動(dòng)狀態(tài)時(shí)，各條徑的信號(hào)也會(huì)產(chǎn)生不同程度的多普勒頻移，從而使信號(hào)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(yīng)的時(shí)變性，無線移動(dòng)信道的二維沖激響應(yīng)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(shí)延、相位和多普勒頻偏，L為路徑數(shù)。
    令輸入信號(hào)(發(fā)射信號(hào))為，fc為載波頻率，則輸出信號(hào)(接收信號(hào))y(t)為輸入信號(hào)與信道沖擊響應(yīng)的線性卷積，如式(2)所示：
   
    式(2)中，fc為輸入信號(hào)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(dú)立，多徑信道就是將各條路徑的信號(hào)進(jìn)行衰減、時(shí)延以及多普勒頻移，再將各條路徑信號(hào)進(jìn)行疊加而成。

2 信道模擬器設(shè)計(jì)思路
    一般在無線通信中，載波頻率都很高，直接對(duì)該頻點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理，是無法實(shí)現(xiàn)的。因此，對(duì)輸入信號(hào)首先進(jìn)行下變頻處理，得到基帶信號(hào)，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換得到采樣信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理，來生產(chǎn)多徑信號(hào)，接收再由DA轉(zhuǎn)換生成模擬信號(hào)，最后經(jīng)過上變頻生成輸出信號(hào)。
    圖1給出信道模擬器通道系統(tǒng)框圖。

    圖1中，給出一個(gè)通道的信號(hào)處理過程。其中，下變頻和上變頻模擬信號(hào)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(zhuǎn)換器的選擇，要根據(jù)信道模擬器對(duì)信號(hào)帶寬的設(shè)計(jì)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(hào)帶寬的兩倍；同時(shí)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(zhuǎn)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。可采用在模擬端增加數(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(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。

3 信道模擬數(shù)字處理的設(shè)計(jì)
    信道模擬主要是通過數(shù)字信號(hào)處理過程實(shí)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(duì)基帶輸入信號(hào)進(jìn)行插值，由源數(shù)據(jù)隊(duì)列進(jìn)行暫存，同時(shí)信道模型運(yùn)算單元將運(yùn)算完成的信道參數(shù)(如衰減因子、延時(shí)、多普勒頻偏等)存放到信道參數(shù)緩沖區(qū)；信道模擬運(yùn)算單元獲取輸入信號(hào)、信道參數(shù)和WGN進(jìn)行運(yùn)算，再送入到降采樣濾波器，最后輸出基帶信號(hào)。
    另外，維護(hù)系統(tǒng)、信道配置系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)是后臺(tái)用戶接口，可對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)(如系統(tǒng)升級(jí)、校準(zhǔn)補(bǔ)償?shù)?、信道配置、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測控制等，可根據(jù)實(shí)際情況和需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，這里不再進(jìn)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(jìn)行說明，但原則上是產(chǎn)生的系統(tǒng)時(shí)延越小越好。
    下面分別對(duì)其他各部分進(jìn)行說明。
    源數(shù)據(jù)隊(duì)列的主要功能是對(duì)插值后的基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖，采用雙口RAM實(shí)現(xiàn)。為了提高系統(tǒng)對(duì)時(shí)延的支持能力和分辨率，原則上隊(duì)列容量越大越好。以5μs時(shí)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(shí)延，而不需要占用處理器的資源。
    信道模型運(yùn)算單元對(duì)所配置的模型進(jìn)行運(yùn)算，生成衰減因子、時(shí)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(yùn)算量大，采用DSP高速處理器+FPGA進(jìn)行主要運(yùn)算單元，并對(duì)信道模型運(yùn)行進(jìn)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(jì)算生成的信道參數(shù)。該緩沖區(qū)分兩塊，采用乒乓機(jī)制，每塊緩沖區(qū)空間大小根據(jù)數(shù)據(jù)處理速度進(jìn)行計(jì)算。
    信道模擬運(yùn)算單元由一系列運(yùn)行單元構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

    圖3中，每個(gè)運(yùn)算單元負(fù)責(zé)計(jì)算一條路徑的信道，運(yùn)算單元的個(gè)數(shù)也就是所支持路徑數(shù)，每個(gè)運(yùn)算單元相互獨(dú)立，且并行計(jì)算(減小系統(tǒng)時(shí)延)，求和后得到輸出結(jié)果。其中，每個(gè)運(yùn)算單元根據(jù)時(shí)延參數(shù)從輸入信號(hào)獲取信號(hào)數(shù)據(jù)。另外，每個(gè)運(yùn)算單元可以根據(jù)實(shí)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(shè)計(jì)思路，具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)需要考慮的內(nèi)容很多，如時(shí)鐘同步系統(tǒng)、定點(diǎn)精度、算法優(yōu)化等等。最好在做實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)之前，對(duì)系統(tǒng)方案進(jìn)行仿真，作為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。

4 結(jié)論
    數(shù)字信號(hào)處理方法實(shí)現(xiàn)方法靈活，特別是能夠產(chǎn)生精確的時(shí)延，可以對(duì)多徑信道模型進(jìn)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(hào)處理的方法是無線信道模擬的發(fā)展方向，隨著硬件技術(shù)的不斷升級(jí)，可以模擬越來越復(fù)雜的信道模型。
    相比通過延時(shí)器模擬多徑的實(shí)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(shí)延和路徑數(shù)。
    但這種方法目前也會(huì)引入較大的系統(tǒng)時(shí)延，一般在2μs左右，在某些特定的應(yīng)用場景下，會(huì)帶來一些不便。