一种动态信道模拟装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线信息传输技术领域，特别涉及一种动态信道模拟装置，还涉及一 种动态信道模拟方法，针对移动通信场景时的动态信道模拟。
【背景技术】
[0002] 动态信道模拟器可以在实验室中模拟实际移动通信场景对无线信号传播的影响， 广泛应用于移动通信设备的研发与测试。随着移动通信技术的高速发展，人们对无线通信 的可靠性、稳定性和安全性要求越来越高。然而，移动通信信道具有易衰减、强干扰、不稳定 等特点，在移动通信过程中，信道状态随着通信环境的变化而不断发生改变。通信设备研发 过程中，需要考虑移动信道特性对其性能的影响，实际场景测试需要耗费大量的人力、物力 和财力，而且测试信道状态具有不可预测性和不可重复性。因此需要在实验室中模拟移动 通信场景，多次反复模拟测试移动信道特性对通信设备性能的影响，以缩短研发周期，降低 研发成本。
[0003] 动态场景下，通信设备的收发天线处于移动状态，传播环境不断发生变化，时延、 最大多普勒频移和路径损耗等信道参数应当具有随机性。同时，信道场景的连续变化也造 成时延、最大多普勒频移和路径损耗有规律的连续变化。t时刻下信道冲击响应理论模型可 表示为
[0004]
[0005] 其中，t表示时间叫的,及(〇,r,⑴表示时变的路径损耗、信道衰落及多径时延参 数。动态信道的时变冲击响应如图1所示。动态信道可以分为移动信道和生灭信道两种，其 中，移动信道路径时延随时间变化而变化；生灭信道则是两条可分辨径时延交替变（"生"） 和不变（"灭"），而且变化的位置是随机的。
[0006] 当前无线信道模拟方法主要有两种：第一种是利用计算机软件仿真模拟，第二种 是利用信号处理芯片进行信道模拟。这两种方法各有优缺点，计算机软件仿真可以模拟复 杂信道模型，进行复杂算法设计，实现精度高，然而该方法算法复杂度较高，运算速度比较 慢；信号处理芯片进行信道模拟运算速度快，实时性高，但是受硬件资源的限制，不能进行 复杂算法设计，而且实现精度受限。
[0007] 在现有仪器设备中，伊莱比特公司的PropsimF8,它可以同时支持3GPP/3GPP2、 WCDMA、GSM、TD-SCDMA等，可满足大部分场景下移动通信信道的模拟测试需求；安捷伦公司 的基带发生器和信道模拟器N5106A，支持160MHz带宽，可模拟动态信道，最大支持24径； 思博伦公司的SR5500可针对具有多样性波束形成和MM0的先进接收机，准确的仿真复杂 的宽带无线信道特征，能够实现复杂的MM0信道测试。然而大多数产品仅支持静态信道模 拟，或者仅支持动态信道模拟或生灭信道模拟中的一种，本专利不仅支持静态信道模拟，还 支持动态信道及生灭信道模拟，可以支持多种衰落类型。
[0008] 现有的信道模拟装置仅支持静态信道模拟，或者仅支持移动信道模拟或生灭信道 模拟中的一种，此外，现有装置大多操作复杂，成本较高。
【发明内容】
[0009] 针对现有技术的上述缺点，本发明的目的是提供一种基于软件无线电技术的动态 信道模拟装置及方法，可以支持静态信道、移动信道及生灭信道三种信道模拟，可以支持多 种衰落类型，具有操作简单，成本低等优点。
[0010] 本发明的技术方案是这样实现的：
[0011] 一种动态信道模拟装置，包括：用户参数配置单元、射频输入单元、信道参数存储 单元、信道模拟单元、射频输出单元；
[0012] 用户参数配置单元输出端通过数据接口与信道参数存储单元输入端相连，用于用 户参数配置、参数计算、参数传输；
[0013] 射频输入单元的输出端与信道模拟单元输入端相连，用于接收各通道射频信号， 分别将各通道射频信号下混频到中频，并将中频信号转换为数字信号，分别输入到信道模 拟单元；
[0014] 信道参数存储单元的输入端与用户参数配置单元输出端相连，输出端与信道模拟 单元输入端相连，所述信道参数存储单元包括信道参数缓冲器、时钟计数器、信道参数寄存 器、外部高速存储器；
[0015] 信道模拟单元的输入端分别与射频输入单元和信道参数存储单元的输出端相连， 输出端分别与射频输出单元和信道参数存储单元的输入端相连，所述信道模拟单元包括上 下变频模块、信道模拟模块；下变频模块将信道模拟单元接收到的中频信号下变频到基带 信号，然后传输到信道模拟模块，上变频模块将经过信道模拟后输出的复基带信号上变频 到中频，然后传输到射频输出单元；信道模拟模块包括模拟多径时延、路径损耗、多径衰落、 阴影衰落以及信道噪声；
[0016] 射频输出单元的输入端与信道模拟单元输出端相连，用于将信道模拟单元输出的 多通道中频数字信号转换为模拟信号，滤除镜像分量并分别上混频到射频，然后输出给外 部设备。
[0017] 可选地，所述信道参数缓冲器在FPGA中实现，接收用户传递信道参数，根据用户 参数中的帧头信息选择参数存储位置，信道模式为静态信道时，则将信道参数直接输出到 信道参数寄存器，然后进行信道模拟；信道模式为移动信道或者生灭信道时，则向信道参数 存储单元发送写指令，并将信道参数传送到外部存储器。
[0018] 可选地，所述时钟计数器由FPGA中100MHz系统时钟驱动，根据信道状态保持时间 间隔向外部存储器发送读参数指令，并向参数寄存器发送配置指令配置下一时刻的信道参 数。
[0019] 可选地，所述信道参数寄存器在FPGA中实现，存储当前信道状态的信道参数，信 道模式为静态信道时，信道参数寄存器中的信道参数不发生变化；信道模式为移动信道或 者生灭信道时，根据时钟计数器发送的读指令读取下一个信道状态的信道参数，读取完毕 后根据时钟计数器的配置指令将信道参数传递给信道模拟单元。
[0020] 可选地，所述外部高速存储器存储移动信道和生灭信道模式下的信道状态参数， 根据参数缓冲器发送的写指令将信道参数存储到外部存储单元，根据参数寄存器发送的读 指令输出信道参数。
[0021] 基于上述模拟装置，本发明还提供了一种动态信道模拟方法，首先，通过用户软件 界面选择信道模式并配置信道参数，然后，通过数据接口将信道参数传递给FPGA，由FPGA 根据用户选择信道模式进行参数存储，由射频输入模块将输入射频信号下混频到中频，再 在FPGA中进行下变频到基带，在基带信号上根据用户配置参数模拟信道衰落、时延、损耗， 并叠加信道噪声，再经过上变频到中频信号，输出到射频输出单元上混频到射频。
[0022] 可选地，所述用户参数配置是由用户选择各通道信道模式，包括静态信道、移动信 道和生灭信道三种模式；然后由用户配置信道参数，静态模式下配置衰落路径数目、各径时 延、损耗、衰落类型、移动速度、通信频率、信噪比；动态模式下配置衰落路径数目、衰落类 型、起始移动速度、移动加速度、通信频率、路径损耗、基本时延、时延变化范围、时延变化速 率、信噪比；生灭模式下配置移动速度、通信频率、路径损耗、基本时延、时延变化范围、时延 间隔、生灭位置数、生灭周期、信噪比。
[0023] 可选地，所述参数计算是根据用户配置参数计算信道参数，并进行参数定点化，具 体步骤包括：
[0024] 1)根据用户设置移动速度计算多普勒频率；
[0025] 静态信道时，根据公式（1)计算多普勒频率，
[0026]
(1)
[0027] 移动信道时，先根据用户设置起始速度V。、移动加速度a和公式（2)计算时刻tk 时的移动速度，再根据公式（1)计算此刻的多普勒频率，
[0028] v=v〇+atk (2)
[0029] 2)根据用户设置参数计算各路径时延；
[0030] 移动信道模式时，根据用户设置各路径基本时延h,。、时延变化范围（t_， t_)、时延变化速率At和公式（3)，计算各路径第tk时刻的路径时延，
[0031] ^ 1>k=I1>0+AI?tk (3)
[0032] 且满足 0 彡tmin彡At?t_彡 40us;
[0033] 生灭信道模式时，根据用户设置基本时延tu、时延变化范围（t_，t_)、时延 间隔At、生灭位置数M和公式（4)，计算各路径第tk时刻的路径时延，
[0034] ^ 1>k=I1>kAI?R(4)
[0035] 其中，T1>kl表示第1条路径在tkl时刻的时延，R为[1，M]区间内服从均匀分布 的随机数，且满足〇彡t_AtK彡 40us，tnax=tnin+At? (M-1);
[0036] 3)根据用户设置各路径衰落类型和频谱计算各路径衰落因子、离散多普勒以及相 位；
[0037] 4)将计算信道参数进行定点化处理。
[0038] 可选地，所述参数传输是根据用户选择信道模式将定点化信道参数按一定顺序组 装成帧，添加帧头信息，包括信道模式、信道更新速率、信噪比，通过数据接口传输给FPGA。
[0039] 可选地，所述信道模