一种移动通信信道模拟器的设计与实现
2008-08-21
作者：叶佩军 安建平
摘 要： 介绍了一种实时模拟移动信道基本特性（如瑞利衰落、多径" title="多径">多径传播、电波传播路径损耗、多普勒频移" title="多普勒频移">多普勒频移等）的信道模拟器的研制方法，包括模拟器数学原理及其实现方案。本模拟器的衰落率在8～80Hz内可调，模拟衰落深度超过20dB，最大多径时延" title="时延">时延为10.2μs。
关键词： 信道模拟 多径传播 瑞利衰落 时延
1 移动通信" title="移动通信">移动通信信道模拟器研制背景
移动通信是近年来发展十分迅速的通信方式，在陆地移动通信系统中，由于移动台所处区域地形复杂，加上移动台本身的运动，使接收到的信号其包络和相位随机变化。
为了评价移动通信设备的性能，需要在实际通信环境中进行反复实验，这必将耗费大量人力物力。为了缩短研制周期，节省研制费用，在移动通信设备的研制过程中，广泛采用了各种信道模拟器。
本文介绍了一种针对信号频率为70MHz、基站天线高度为18m的移动通信信道的模拟器。该模拟器可以模拟移动通信信道的主要特点，如瑞利衰落（Rayleigh fading）、多径传播、电波传播路径损耗、多普勒频移等。
2 移动通信信道模拟器的研制依据
2.1瑞利衰落
陆地移动通信由于受地形、环境等因素的影响，其衰落机理是非常复杂的。但在移动通信信道模拟器模拟的众多信道参数中，呈频率选择性的瑞利衰落占主要地位。即实现信号包络的瑞利分布和相位的均匀分布是信道模拟的核心。
2.1.1实现瑞利衰落的数学原理
设一个随机过程ξ(t)可以表示为：
式（1）中ξc(t)与ξs(t)分别为ξ(t)的同相分量和正交分量。
可以证明：一个均值为零的窄带平稳高斯" title="高斯">高斯过程，其同相分量ξc(t)和正交分量ξs(t)同样是平稳高斯过程，且均值都为零，方差也相同。另外，在同一时刻得到的ξc(t)与ξs(t)是不相关或统计独立。还可以证明：一个均值为零，方差为σξ2的平稳高斯窄带过程，其包络的一维分布服从瑞利分布，其相位的一维分布服从均匀分布，并且就一维分布而言，两者是统计独立的。
综上所述，一个均值为零的平稳高斯窄带过程，其包络的一维分布服从瑞利分布，其相位服从均匀分布，且两者是统计独立的。同时，一个均值为零的窄带平稳高斯过程也可由两个同为平稳高斯过程的同相分量和正交分量合成。
2.1.2单径瑞利衰落
设单径衰落信道输入为:
式(2)中A(t)和θ(t)分别为频率ωc的载波信号的实际幅度调制和相位调制。用X(t)和Y(t)两个相互独立而分布相同的高斯随机变量调制，输出信号So(t)可以表示为:
于是随机包络R(t)是瑞利分布，随机相位φ(t)在0～2π范围内均匀分布。
由上面的推导可以看出：对输入信号进行正交调制，即为单径无频率选择性瑞利衰落模拟，可实现输入信号的振幅和相位按要求随机干扰，从而实现（3）式所示的数学模型。
2.1.3 多径瑞利衰落
为了简化分析，设输入为一单频正弦信号
式(7)中：αi为幅度加权系数，τi是时延，φi是随机相位，N是径数。
在仅有二径的情况下，输出幅度为：
即二径存在时延差，Δπ≠0，合成信号场强随频率?棕变化。在实际移动通信信道中，由于多径传输，各径时延不同，相对时延差也就不同，从而造成频率选择性衰落。
2.2多径传播
2.2.1多径传播径数选择
在移动通信中，存在两个以上的散射体时，接收信号必存在频率选择性衰落。本模拟器使用三径，即能产生三路互相独立的衰落，以便较真实地模拟实际通信环境。
2.2.2 多径传播时延值的确定
典型的实测多径时延最大值为20μs[1]，国内测试结果为15μs，而均方根时延在10μs左右[1,2,3]。本方案采用多种延时灵活选择以便接近实际信道的均方根时延。总延时最小为0.2μs，最大为10.2μs，且包含一直达通路（延时为0）。
2.3 电波传播路径损耗的确定
目前人们对陆地移动通信传播路径损耗预测一般都使用奥村经验模型。但是奥村模型适用范围为：频率100MHz～1500MHz，基站天线高度30m～200m，移动台天线高度1m～10m，传输距离1km～20km。而研制的模拟器所针对信号频率为70MHz，基站天线高度为18m。这与奥村模型适用范围不符，故该模型不能直接应用于本方案。
美籍华裔通信专家李建业先生提出了电波传播预测的Lee模型。该模型不对基站天线高度作具体限制，其思路是先求得区域与区域之间的信号传输损耗，再求得具体地点点到点之间的传输损耗。
由于本模拟器模拟的是一般环境下的典型路径损耗，不需精确模拟特定到某地区的点到点传输。所以Lee模型的区-区电波损耗计算适用于模拟方案,不需再作误差修正。
用Lee模型计算传播损耗需预先知道各环境下传播距离1英里（或1km）处的确定损耗值。而模拟器模拟的是一般环境，不必一一实地测量，故先用奥村模型计算一般环境下传播距离1km处的典型值，再转换运用于Lee模型中。也就是说，所研制的模拟器综合运用奥村模型和Lee模型计算电波传播损耗。
具体传播损耗量如表1所示。
2.4 多普勒频移
在移动通信中，多普勒频移是普遍存在的现象，
式（9）中v是移动台的移动速度，λ为信号的波长。对于一个信道路径在方位上均匀分布的实际信道而言，射频功率谱的形状为：
式(10)中ωd是移动台运动产生的最大多普勒频移对应的角频率，即：
为了产生这个频谱，用来调制的高斯噪声必须有低通频谱，如式（12）所示：
3 信道模拟器的实现方法
由前面的论述可知，本移动通信信道模拟器的主要功能是瑞利衰落、多径传播、电波传播路径损耗、多普勒频移等。
3.1 瑞利衰落的实现方法
根据式（1）可知，瑞利衰落的实现方法是将输入信号用两路不相关的低频高斯噪声正交调制模拟包络呈瑞利分布、相位呈均匀分布的瑞利衰落，输出信号的功率谱由低频高斯噪声的频谱决定。多径瑞利衰落可以由单径瑞利衰落经延时后合成。
3.1.1 低频高斯噪声的产生
由式(10)确定的带通高斯过程频谱如图1所示。
对应的低通高斯过程频谱如图2所示。
考虑到式(12)表示的滤波器频响不是有理分式，无法直接构造，只能采用数字逼近的方法。由参考文献[2]可知，所需滤波器的频响应为：
H(s)=1/[(0.897s2+0.31s+1)(0.897s2+0.31s+1)(0.31s+1)]
图3显示了H(s)的频响与理想滤波器的频响区别。
将上述模拟滤波器进行变换，得到对应的FIR滤波器抽头系数。
使用MATLAB软件生成高斯白噪声，将这个白噪声输入上面的FIR滤波器，滤波器输出即为所需要的窄带高斯过程。
将该窄带高斯过程输出置DA，经平滑滤波、放大、阻抗匹配，输入下一级处理。
3.1.2 正交调制的实现
实现正交调制的方法有多种，本移动信道模拟器实现正交调制方法采用Mini公司的I/Q调制器。其结构如图4所示。
3.2 多径传播的实现
为了实现对多径传播的模拟，采用了Mini公司的功率分配器（简称功分器），将输入信号进行分路。首先对输入信号进行二路功率分配：一路模拟直达通道；另一路再进行三路功率分配，经过不同延时及窄带高斯正交调制，再进行功率合成，输出信号模拟多径传播。
在本信道模拟器中，传播路径的选择、延时选择通过控制模拟开关进行。
3.3 模拟路径损耗的实现
为了模拟传播的路径损耗，本信道模拟器选用固定衰减器与数控衰减器进行组合控制实现。实现衰减量控制的依据是表1。
3.4 多普勒频移的实现方法
由3.1的结论可知，多普勒频移可以通过控制窄带高斯过程的频谱实现。在本模拟器中，通过改变窄带高斯过程的DA转换速率可以实现对窄带高斯过程的频谱控制，从而实现多普勒频移的模拟。
3.5 系统控制及人机界面的实现
系统控制采用基于单片机AT89C52的嵌入式操作系统，可实现对数控衰减器、模拟开关等的控制，通过对键盘、液晶屏实现良好的人机界面。
4 结论
4.1 总体介绍
本信道模拟器的总体结构如图5所示。
信号输入后，分成两路：一路作为直达支路；另一路经延时后，又被分成两路，其中一路用I/Q调制器调制上两路相互独立的低频高斯噪声，其输出的信号包络呈瑞利分布，相位呈均匀分布，由此实现了单径无频率选择性的瑞利衰落；另一路送到下一个延时单元，重复上述过程。各路I/Q调制器输出在合路器中相加，其输出信号幅度包络呈瑞利分布，相位呈均匀分布。加上最初的直达信号，还可模拟莱斯信道。模拟实际路径损耗通过控制数控衰减器实现。在直达和延时路径中，分别叠加上可调白噪声，以实现输出信噪比可调。
4.2 功能指标
本信道模拟器的功能指标如表2所示。
4.3 主要指标测试方法说明
4.3.1 瑞利衰落测试方法
用TEKTRONIX示波器TDS3052观察模拟器输出波形，如图6所示，可见其包络呈瑞利分布。
4.3.2 衰落波形相位分布测试方法
用Lecroy公司的LC584A示波器测试李沙育图形，图7为该存储示波器积累10s光点扫描的图像。该图用两路相互正交的低频高斯噪声分别控制示波器水平和垂直偏转得到。因为噪声的偏转控制呈90°相对取向，所形成的显示图与模拟器输出的瑞利衰落信号的随机可变向量的极坐标是等效的。图7中关于原点的任意固定半径圆弧上，光点强度的均匀性表明相位是均匀分布的。
4.3.3 其它指标测试方法
表3列出了其它指标的名称以及测试方法。
本文介绍了一种移动通信信道模拟器的设计与实现。本模拟器中，信号在I/Q调制器中调制上低频高斯噪声模拟实际信道中的瑞利分布。低频高斯噪声数据采用数字方法及Matlab软件产生并存放在EPROM中。模拟器工作时改变取数速率便能使噪声频率可调，并综合运用奥村模型和Lee模型计算电波路径传播损耗。经过实际测试，本模拟器的各项指标均能达到或超过技术指标的要求。目前，本模拟器已投入实际应用。
参考文献
1 徐鼎伟.移动通信信道模拟器.无线电工程[J],1993；23（2）：17～27
2 叶家孺，胡思益.移动无线信道实时瑞利衰落模拟器.通信学报[J],1991;12(1):37～42
3 叶家孺.移动通信信道的统计模型与实时瑞利衰落模拟[D].广州：信息产业部七所，1988
4 Theodore S.Rappaport.无线通信原理与应用[M]. 北京：电子工业出版社，1999
5 王世顺.移动通信原理与应用（修订本）[M].北京：人民邮电出版社，1995