（信号与信息处理专业论文）eda平台上无线电系统的建模与仿真.pdf

摘要 利用e d a 软件平台研究在统一框架下无线电系统的建模和仿真，并提 供了一套相对完整的无线电软件库，为高效率的完成无线电系统的方案论证和 性能评估，阻及新算法的研究提供了一条有效的途径，使系统设计人员避免了 重复劳动，缩短设计周期，同时大大提高设计的可靠性，降低开发成本，从而 实现系统设计的方便、高效和优化。本文基于e d a 平台，在已有的研究成果 的基础上，对无线电系统的建模、仿真和设计做了进一步的完善和讨论。依照 s p w 软件建模的规范，本文在第三章讲述了建立射频系统库的有关工作，主 要包括各种放大器、混频器、定向耦合器，转换开关等模块，以及有源滤波器 的建模、仿真和没计方法的研究工作。第四章概述了在s p w 平台上对无线信 道进行建模和仿真所做的一些工作。第五章主要阐述了如何利用s p w 提供的 与m a t l a b 软件的接口，实现两者之间数据文件的传递，以及如何同时利用 s p w 的数据流仿真器和m a t l a b 软件进行系统仿真的问题。本文的工作丰富 了系统软件库，为今后无线电系统的建模和仿真研究提供了方便并积累了经 验。 关键词：e d a建模与仿真射频系统有源滤波器 、l l l ，? a b s t r a c t s t u d yo fm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nf o rr a d i os y s t e m sw i t hu n i f o r mf r a m ea n d c r e a t i n go f s o f t w a r el i b r a r yo fr a d i os y s t e m so ne d as o f t w a r ep l a t f o r mp r o v i d ea l l e f f e c t i v e w a yi nc o m p l e t i n gt h er e a s o n i n g o fp r o j e c ta n ds c h e m e ，p e r f o r m a n c e e v a l u a t i o na n dn e w a l g o r i t h m ss t u d y f u r t h e r m o r e ，t h es y s t e md e s i g n e r sc a nb ef r e e f r o mh a r dm a n u a lp r o g r a m m i n g i tw i l lr e d u c et h ec o s ta n d p e 6 0 do f d e v e l o p m e n t t o a c h i e v es u c h a d v a n t a g e s a s c o n v e n i e n c e ，h i 曲- e f f i c i e n c y a n do p t i m i z a t i o ni nt h e d e s i g no fr a d i os y s t e m s b a s e do nt h ea c h i e v e m e n tt h a th a v eb e e na c k n o w l e d g e d ， a n d u s i n ge d a t o o la ss o f t w a r ep l a t f o r m ，t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so nf u r t h e rs t u d y o fm o d e l i n g ，s i m u l a t i o na n dd e s i g no fr a d i os y s t e m s a c c o r d i n gt os p ws o f t w a r e r u l e s ，c h a p t e r3i sc o n c e r n e dw i t ht h ec r e a t i o no f t h em o d e l so fr f s y s t e m ss o f t w a r e l i b r a r y ，m a i n l yi n c l u d i n ga m p l i f i e r , m i x e r , d i r e c t i o n a lc o u p l e ra n d s w i t c h e ra n ds oo n a n di nt h i sc h a p t e r , m o d e l i n g ，s i m u l a t i o na n dd e s i g np r o c e d u r e so fa c t i v ef i l t e r sa r e d i s c u s s e d c h a p t e r4i n t r o d u c e sp a r to fw o r ka b o u tt h em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no f w i r e l e s sc h a n n e l so ne d a p l a t f o r m i nc h a p t e r5 ，t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e sh o w t o t r a n s f e rd a t af i l e sb e t w e e ns p wa n dm a t l a ba n dh o wt o c o m p l e t es y s t e m s i m u l a t i o nu s i n gs p ws i m u l a t o ra n dm a t l a b s y n c h r o n o u s l y t h er e s u l t so ft h i s p a p e rp r o v i d ec o n v e n i e n c ea n de x p e r i e n c ef o rf u r t h e rs t u d i e si n t h em o d e l i n ga n d s i m u l a t i o no f r a d i os y s t e m s k e y w o r d s ：e d am o d e l i n g a n ds i m u l a t i o nr f s y s t e m a c t i v ef i l t e r 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文研究的背景和日的 随着电子信息技术的飞速发展，电子系统设计的复杂度与只俱增，这给设计 人员提出了更大更多的困难，尤其进入九十年代以来，电子信息类产品的开发更 加明显地出现了两个特点：一是开发产品的复杂程度加深，要求将更多的功能、 更高的性能和更丰富的技术含量集成于所开发的电子系统中；另一个特点是开发 的时限性，要求尽可能缩短产品推向市场的时间。这使得用传统的分析方法来设 计和评估系统变的越来越困难，很多时候是不可能的。这样的电子系统的设计和 性能的评估只有依靠以实际硬件系统为基础的实验方法或以软件为基础的计算机 仿真来完成。而无论是系统的规划与设计，还是系统体制的探索与研究，都会遇 到冗长繁杂的计算。此外，为了验证其性能是否符合要求，还需反复进行实验与 测试。如果每次都直接用实际系统进行实验，不仅耗资昂贵，费时费工，有时甚 至很难找到问题症结。而电子设计自动化( e d a ) 产品的形成和推广使用满足了 电子系统开发的复杂性和时限性的要求，为电子开发人员提供了先进的设计工 具。 电子设计自动化( e d a ) 是指以计算机为工作平台，融合了电子技术、计算 机技术、智能化技术最新成果而研制成的电子c a d 通用软件包。进入九十年代 以来，e d a 技术已经发展到电子系统设计自动化( e s d a ) 阶段，e d a 工具开始 向系统级设计迈进。e s d a 是当今电子系统设计技术的新的发展方向，这种高层 次设计给我们提供了一种“自项而下”( t o p d o w n ) 的全新的设计方法。这种设 计方法首先从系统设计八手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计，在方框 图一级进行仿真、测j 试和验证，然后完成系统的综合、优化和验证，并用硬件描 述语言对系统行为进行描述，最后用综合优化工具生成具体门电路的网表，其对 应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路。由于设计的主要仿真和调试 过程是在高层次上完成的，这有利于设计者尽早的发现结构设计上的错误，避免 了设计工作的浪费，而且在系统级可以对设计进行更多的综合比较，以寻求满足 功能和性能要求的最优化设计。 同时，系统仿真是近二十年来发展起来的一门的新兴技术学科。系统仿真技 术是以计算机技术、相似原理和系统理论为基础，对实际的或设想的系统建立模 型进行实验研究的一门综合技术。随着现代计算机软件技术的飞速发展以及仿真 理论的日益完善，电子系统的计算机仿真设计越来越受到人们的关注。电子系统 的设计人员可以从系统总体需求出发，在统一的框架下建立相对完整的系统仿真 e d a 平台上无线电系统的建模与仿真 软件库和数据库，可以利用它米实现所需系统的建模、仿真和殴计方法的研究。 采用计算机仿真具有以下特点：一是经济性：系统仿真模型建立在数学模型的基 础上一不涉及实物，可以通过反复仿真和修改模型及模型参数，在设计实际硬件 之前对系统有全面的了解，从而降低研究费用缩短研制周期；二是灵活性：利 用计算机的高速运算能力，通过调整各个模型的参数确定系统的最佳工作状态， 而且仿真结果的处理准确、迅速，便于整理和保存；三是可移植性：采用模块化、 图形化的系统仿真方法建立的模型可以被其他系统重复使用。 在选择系统建模与仿真研究的主体平台e d a 工具的时候，主要考虑了以下 几个方面的因素：所选择的e d a 工具是否具有开放的结构特性：是否具有处理 复杂系统的能力；是否与其它使用较广的e d a 工具之间有可行的接口方法等等。 目前国内使用较多的e d a 软件，如c a d e n c e 公司的s p w 、s y n o p s y s 公司的c o s s a p 和m e n t o r 公司的d s ps t a t i o n 等都是功能强大的系统设计和仿真工具，都可以作 为无线电系统建模与仿真研究的主体平台。本课题选择的是c a d e n c e 公司的s p w ( 信号处理工作系统) 作为软件平台。 本课题的研究目的是在： 作站硬件平台和e d a 软件平台的环境中，进行无 线电系统的建模与仿真研究。本文作为课题的一部分，主要任务是进一步完善和 扩充系统软件库进行射频系统及有源滤波器的建模与仿真：并初步探索利用e d a 软件平台对无线信道进行建模与仿真；并研究了利用s p w 提供的与m a t l a b 软 件的接口，实现两者之帕j 的数据文件的传递和转换以及同时仿真的问题。本文 所做的工作为高效率的进行系统设计和性能评估提供了有力的支持，为进步的 算法研究提供了方便。 1 2 国内外研究状况 进入九十年代以来，利用仿真技术进行系统设计验证已成为e d a 中最重要 的环节。尤其是九十年代出现的以亚微米工艺的d s pc o r e 和嵌入式c p u 为核心 的集成系统的设计方法，它采用数据流的方式进行算法设计完成系统行为描述， 片由高层次综台确定系统设计结构使设计由面向系统结构转向系统行为。e d a 仿真工具大大提高了系统设计的可靠性，并且缩短了设计周期，降低了开发成本。 已有的e d a 软件功能强大，在系统设计的各个阶段e d a 工具为设计者提供 了全过程的设计仿真支持，并将仿真所需的工具和数据集成于一个统一的环境 中，其中包括交互式的人机界面、智能化的仿真模型构造器、自动程序生成器、 图形化的分析验证工具、仿真数据和文件管理工具等。此外，e d a 工具提供了丰 富的设计库作为设计支持，设计者可以利用库内已有的模块构造出所设计系统的 大体框图。e d a 技术的系统设计思想，以及模块化、集成化、标准化的设计风格 第一章绪论 己逐步被广泛的采用和推广，并且影响着各个领域设计手段的更新。 全球著名的e d a 厂商，如c a d e n c e 、s y n o p s y s 、m e n t o r 等公司都推出了功能 强大的系统设计与仿真工具以及丰富的设计模型库。为进一步适应专业系统设 计的需要，这些厂商开发出各自的专业模型库，如c a d e n c e 公司的通信库和雷达 库，s y n o p s y s 公司的信号处理库和m e n t o r 公司的d s ps t a t i o n 库等。但是这些库 仍然不能满足现代电子系统设计和仿真的需要。因此，利用e d a 软件送行无线 电系统设计仍需要专业设计人员长时间的努力工作和经验积累。 冲专业库模块的扩充、测试和仿真等方面的工作都取得了一定的成果，但离 实际的要求还有一定的距离，这需要在e d a 技术的广泛应用以及系统设计人员 共同的经验积累和相互交流中得以完善。此外，扩大系统软件库的使用范围以及 研究不同e d a 平台系统模型的可移植性技术对今后e d a 技术的推广应用有着重 要的意义。 1 3 本文的主要工作 本文的主要工作如下： 1 射频系统库的建模与仿真。射频系统作为无线电系统设计的重要组成部 分，主要包括各种放大器、混频器、定向耦台器等模块，以及一些相关模块，例 如触发器、i q 调制器、i q 解调器等。 2 有源滤波器的建模与仿真。主要包括一阶、二阶的低通、高通、带通有 源滤波器节，给出了几种典型的滤波器节电路，主要包括正增益v c v s ( 压控电 压源) 电路、状态变量电路等，并且讨论了有源滤波器的设计方法。 3 研究了无线信遭的特性，对无线多径信道的建模与仿真做了初步的尝试， 建立了无线信道模型。 4 研究了如何利用s p w 提供的与m a t l a b 软件之间的接口，在s p w 软件 和m a t l a b 软件之间传递数据文件，以及如何同时利用s p w 的数据流仿真器和 m a t l a b 软件进行系统仿真的问题。 本文内容的章节安排如下：第二章介绍本文工作所用的软件平台和建模所依 据的规范。第三章主要讲述了射频系统库的建模与仿真，以及有源滤波器的建模、 仿真和设计方法的研究；第四章简要介绍了无线信道的建模与仿真；第五章讲述 了如何实现s p w 与m a t l a b 之间的数据传递方式以及同时进行系统仿真的方 法。 e d a 平台上无线电系统的建模与仿真 第二章软件平台和建模规范综述 2 1 s p w 软件平台介绍 目前国内使用较多的e d a 软件有c a d e n c e 公司的s p w 、s y n o p s y s 公司的 c o s s a p 和m e n t o r 公司的d s ps t a t i o n 等，这些软件都是功能强大的系统仿真工 具，为用户提供了丰富的模块库和方便的测试分析工具。其中s p w 软件包含了 丰富的专业软件库，应用这一软件可以充分发挥其特长，避免了系统设计所需的 大量功能单元模块和仿真工具软件的重复开发，并可以将其软件资源和系统设计 人员的经验充分结合起来。因此本课题选用s p w 作为软件平台。下面对s p w 软 件做简要的介绍。 s p w ( s i g n a lp r o c e s s i n gw o r k s y s t e m ) 是用于设计、仿真和实现电子系统的模 块化的集成软件包，它包含较丰富的模块库，具有清晰的软硬件实现路径，可以 方便地建立用户编码模块。s p w 包含几个主要的工具：框图编辑器 ( d e s i g n e r b d e ) 、信号计算器( s i g c a l c ) 和信号仿真器( s p b i 和s p b - c ) 以及 滤波器设计系统( f d s ) 。此外，s p w 还有许多可选工具：代码生成器( c g s ) 将优化的系统设计自动转化为可在浮点d s p 芯片上实现的c 代码；硬件设计系 统( h d s ) 在f p g a 或a s i c 上实现系统设计；d s p 处理器代码生成( d s pp r o c o d e r ) 将系统设计在定点d s p 芯片上实现；多处理器系统( m u l t i p r o x ) 可将系统设计 在多c p u 或d s p 芯片上实现；以及d s p 标准库等。图2 一t 给出s p w 整体结构 及各可选软件包之间的关系： 圈2 1s p w 整体结构及个可选软件包的关系 s p w 具有- 丌放的结构。用户编码模块和用d s p 标准库中的模块构成的多层 第二章软件平台和建模规范综述 次模块可以方便的加入库中，然后就可以同标准库中的模块完全一样的使用。新 的滤波器设计方法和新的信号分析方法都可以方便的加到滤波器设计系统和信号 计算器上。 使用s p w 及其选件进行系统设计与仿真的流程可分为三个步骤：系统设计 的描述、系统设计的验证和系统设计的实现。 在系统设计的描述阶段s p w 提供两个强有力的描述工具，其中最基本的一 个描述工具就是框图编辑器。在框图编辑器窗口内，设计者根据设计要求从d s p 模块库或用户自己的编码模块库中选择、调用相关的模块，将之设置成合适的工 作模式，并用简单的连线将各个相关的模块连接成为一个系统。由于框图编辑器 支持系统的层次化设计，其嵌套的层次是不受限制的，这就使得设计人员可以清 晰而简洁的描述一个复杂的系统。另一个工具就是具有专家系统特性的d s p 功能 模块库。借助上述两个工具，设计人员可以在较短的时间内完成复杂系统的描述 工作。 在系统设计的验证阶段，我们可以使用s p w 的另外两个软件包：信号仿真 器和信号计算器。信号仿真器包括两种类型的仿真工具：解释型s p b i 和编译型 s p b c ，它根据系统设计描述的内容，自动生成与之对应的可执行的仿真程序， 并执行此仿真程序，产生仿真结果。而信号计算器提供多种方法对仿真结果( 信 号波形) 进行准确的观察和分析。 在系统设计的实现阶段，s p w 提供多种途径：一是使用代码生成系统( c o s ) ， 二是使用d s p 处理器代码生成器( d s pp r o c o d e r ) ，三是利用硬件设计系统 ( h d s ) ，用y p g a 或专用集成电路( a s i c ) 实现。对s p w 的详细介绍可以参见 文献 2 4 至 3 2 。 2 2 建模与仿真软件库的规范 软件库的开发需要一个统一的软件规范，其目的是为了便于设计人员的管理 和使用，避免重复劳动，保证研究工作的顺利进行。在本课题研究的初期，设计 人员就已经制定了较详细的统一的建模规范，并且在不断的探索和实践中，这一 规范得到了不断的补充和完善。本文的工作就是按照这一规范完成的因此在这 里对已确定的建模和软件编写规范作以简要的介绍，以便于对本文理解。 软件库的软件规范可以分为三个方面：软件库的组织规范、模块的设计规范 以及文档的编写规范。 软件库的组织观范指的是软件库的整体框架结构，也就是如何把软件库内的 模块有机的组合起来，让使用者能够方便快捷的找到所需的模块。在组织软件库 的时候，首先将要建立的模块分为几大类，形成几个子库，然后再对每一个子库 e d a 平台上无线电系统的建摸与仿真 细分为若干组，再把每一组分为若干子组，还可以不断细分下去，直到每一个模 块为止。各种模块按功能分别存入升i 同的库，最后按“库子库组予组 模块”的层次来组织存放。 模块的设计规范包括模块的编码规范和图形符号的外观规范。模块的编码规 范主要是对用户编码模块程序二l 丐格式的统一要求。模块的外观规范主要对符号 模型外型大小、模块说明文字的大小以及各输入、输出管脚的大小、位置和表示 方法给出具体的规定。 文档的编写规范主要包括设i _ 卜资料和用户说明两个方面。设计资料是设计人 员在软件库开发过程中，记录的模块开发遇到的问题、解决的方法、采用的原理、 公式和算法等有助于其他设计人员继续工作、维护和管理的信息。设计资料主要 包括以下几个方面： 模块的名字、存放路径、发计者、审查者、完成日期等； 模块设计的目的、产生的背景、应用的场台等； 设计方法：模块设计采用的原理、公式、算法等； 设计内容：符号模型、详细模型或参数屏模型的图示、源代码流程图等； 使用方法：模块功能、输入输出管脚以及模块参数屏的说明。 用户说明则应包括有助于用户理解模块的功能和使用方法的信息。主要包括 以下几个方面： 模块的名字、存放路径： 模块完成的功能的说明； 模块输入输出管脚的名字、类型、意义的说明； 模块参数的名字、类型、意义的院明。 关于软件规范的详细内容可参见参考文献 1 4 。 第三章射频库及有源滤波器的建模与仿真 第三章射频库及有源滤波器的建模与仿真 无线电接收机的主要组成部分包括：高频部分，又称为接收机前端，其中包 括接收机保护器、低噪声高频放大器、混频器和本地振荡器；中频放大器；检波 器和视频放大器。在无线电系统的建模和仿真设计中射频部分作为系统的一个 重要组成部分，而且由于射频系统中元器件的非线性对中频和视频的信号处理有 着不可忽视的影响，所以我们有必要对射频系统的主要技术参数和性能指标做仿 真研究。下面各节中给出射频部分模块s n + l | 关模块以及有源滤波器的建模、仿真 和设计方法。 3 1 射频部分的建模 无线电接收机的射频部分主要包括高频放大器、混频器和本地振荡器等。在 这一节将介绍这些主要的模块的产生。 3 1 1 放大器 高频放大器是在载波信号的频率上对天线接收到的微弱的回波信号直接进行 放大，然后再把放大的回波信号送到混频器进行混频，形成中频回波信号。采用 高频放大器可咀降低接收机的总的噪声系数，提高接收机的灵敏度。 一、非线性放大器 n o n l 【n e 白r f i m p l i f ：e r m r inp f t r f t m e t e r s ： $ a r n p i i n gf r e q u e n c q 6 a ln ind b s e c o n do r d e r i h 十e r o e p p o i n f ( d b m “+ t h i r do r d e rlr l f e r c e p lp o in f ( d b r n l td 8 o o r l l p r e 5 ：3 io r l p o i n 十fd b m ) u s et a b ie i o o k u p ? cu o s o rn o 】 】f y e s a b i es iz e h o i5 ef ig u r e 【d b 】 图3 1非线性放大器模块及主要参数 在射频系统中，非线性放大器的输出可以典型的表示为： o u t p l i t = ac o s ( 珊r ) ( a + 州c o s ( c o t ) + c a 2c o s 2 ( r ) ) ( 3 - 1 ) 式中，ac o s ( f ) 是放大器的输入信号，则放大器的增益可以表示为： g a i n = a + b a c o s ( 甜，) + c a 2 c o s2 ( 珊，) ( 3 - 2 ) 放大器的放大特性可以由其输入、输出功率的曲线图表示。图3 2 给出了放大器 e d a 平台上无线电系统的建棋+ 仿真 输出助率与输入功率之剧的关系。 输八功举( d b m ) 圈3 - 2放人器输山功率与输入功率之间的关系 在放大器的小信号匿，其输出。言号的功率是放大器镆，掣南毪，巳式( 3 1 ) 的 一阶项、_ 二阶项午三阶项之和。这三项在图3 - 2r l t 分别用2 ：旧i 为l 、2 、3 的点线 表示。二阶交调点指的是二阶丑蔓直线与一阶项直线4 l 时，u 。 0 ：当 第三章射频库及有涨滤波器的建棋与仿真 u ， u ，) ，它呈现为非线性放大器。当输入电压值u ，变化 时对数放大器的增量e 始终是一个正值，这l 既明它具有抗过载性能，不会出 现过载现象。另外，在对数段内，k ，自动的与输入电压值u ，成反比例变化，可 见，对数放大器实际上也是一种自动增益控制电路，这种线性一对数放大器相当 于是迟延电压匕= u 。，的自动增益控制电路。 = 1 0 。星旦叁! 兰l 曼垂些宴塑蕉墼! ! 堕壅 i 、限幅放大器 一产【in p 自r r e t e r s q u p p e rl im i tu a iu o l o “e r l 1 1 i fu a u o “p f f ：e rf 8 c 十o r 幽3 - 6 限幅放大器模块及主要参数 限幅放大器的振幅特性为： j k u 。，u u 。时 乩= k u ，巳7 f v u ，时( 3 6 ) 【k u f ，u o 时，陔二阶函数是具有衰减极点的低通滤波器。当甜 上1 9 ! ! ! ：二! ：5 。1一一1 3 5 3 8 ( 3 - 5 2 ) 2 l g a 0 0 1 0 e d a 平台上无线电系统的建模与仿真 取整为”= 6 。其中 = = 竺竺= 3 ，n 。和q 。分别是阻带起始频率和通带截 【2 。 9 0 0 1 止频率；爿。和a 。分别是通带内允许的最大衰减和阻带内允许的最小衰减。然 后就可以确定滤波器的转移函数及其极点，接着根据极点可计算得到极点q 。， 均小于2 0 ，则属于低q 。，故可采用单放大器二阶节。为了方便，这里采用了正 增益v c v s 电路，则此六阶低通滤波器可由三个低通二阶节级联得到。最后可以 根据归一化的元件值求得实际元件值，如果计算得到的电容值不合适( 如值过大， 过小，或过于离散) ，则可重新选取电阻值再算。下图给出的就是六阶巴特沃斯 型低通滤波器的幅频特性。 图3 3 7 六阶巴特沃斯低通滤波器的幅频特性 若采用切比雪夫型低通滤波器，则滤波器的阶数为4 阶，其余的设计步骤同 巴特沃斯型滤波器的设计步骤。该滤波器可由两个低通二阶节级联实现，其幅频 特性如下图所示。 图3 - 3 8 四阶切比雪夫低通滤波器的幅频特性 另外可以通过图表设计法来确定滤波器的电路结构，其具体的设计方法可参 见参考文献1 1 0 1 ，这里不再做多详述。 仿真测试二： 设计一个全极点高通有源滤波器，其设计指标为：通带范围3 0 0 0 h z o o ，通 带波动a 。l d b ；阻带范围0 二6 0 0 h z ，阻带衰减一。i 。4 4 d b a 设计高通滤波器的时候可以先通过频率变换将该滤波器的技术指标转换成低 通滤波器的技术指标，然后设计低通滤波器，再用频率变换将低通滤波器的转移 第二i 章蜊频厂4 j 技订球滤波器的建坝。，仿贞 函数转换成所需高通滤波器的转移函数即可。其殴计步骤如下：一是将所要求设 计的高通滤波器的技术指标转换为归一化低通技术指柄i ；：二是根据所选用的滤波 器类型束确定滤波器的阶数，这早采用的是训比雪大型滤波器，因此滤波器的阶 数为三阶；三是确定通带和阻带的实际边界频率，h 。算归一化低通转移函数的极 点，求出归一化的低通元件值；最后确定高通滤波器的电路结构和实际元件值， 陔高通三阶电路是由一阶和二阶正增益v c v s 高通节电路级联而成。下图所示的 就是满足设计要求的高通三阶切比雪夫型滤波器的幅频特性。 0 07 0 03 0 0a , 0 0 f ( 1 0 1 0z 4 k h z ) 图3 - 3 9三阶切比雪夫高通滤波器的幅频特| 生 仿真测试三： ， 采用级联结构设计有源带通滤波器时，般的当 ，在1 1 2 5 以下时，可 采用低通、高通级联构成，即将一个截l l 频率为 的低通滤波器和一个截止频率 为 ( ) 的高通滤波器级联而得到，这样这种带通滤波器就保持了低通和高 通滤波器单独工作时的频率特性，其带通滤波器的中心频率约为s o = 一厶，通 带宽度近似等于厂2 一一。当，0 厂在1 2 5 以上时，则一般采用频率变换的方法设 计。 下图所示的就是二阶正增益v c v s 带通滤波器的幅频特性的仿真曲线。该带 通滤波器的中心频率为1 0 0 0 h z 增益为2 ，q = 1 0 。根据参考文献 9 中的图表可 以得到电路中所用的元件的值。 0 10 0 ； i p t 自# “m # 2 0 0 0 00 0s 0 0j f ( * 1c 1 02c k h z )j 蚓3 4 0 阶带通池波器的幅j j 1 特啦 用绒联法墁计高阶滤波器时，首先根据技术指标求出满足设计要求的转移函 数，然后把转移函数用零极点的形式表示，接着就是把零点和极点进行配对构 兰一 星里垒兰鱼占垂些生墨堑盟壁墼兰堕塞 成各个二阶函数t 再用前面介绍的二阶节电路实现各个二阶函数，把各个电路按 豫某种顺序级联成高阶滤波器，但是，不同的零极点配对和级联顺序将影响总的 虑波器的特性，因此在设计高阶滤波器的时候要从灵敏度和动态范围两个方面来 号虑滤波器的没计工作，其详细的介绍可参见参考文献 9 】。 3 6 小结 射频部分作为无线电系统一个重要的组成部分，并且出j j = 器件的非线性的 影响，我们有必要对劓频部分的主要技术参数和性能指标做仿真研究。在这一章 。静! f 洲分主要介绍了劓频部分主要模块的建模和仿真的方法，r 利用所建立的 模块以及有关参考文献中提到的一些模块对射频部分的信号处理做了仿真分析， 为后续的中频和视频信号处理做了准备工作。 在本章的后面部分主要是介绍了有源滤波器的建模、仿真和设计的方法，主 要包括低通、高通、带通有源滤波器的阶、二阶基本节电路模块的建模，并利 ：q 研建青的模块对有源滤波器的设计方法做了介绍，同时对各种滤波器都进行了 l j 0 试设计，并给出了仿真结果。 ：苎四茎垂垡堡堕堑望塑兰盟壅 篁 第四章无线信道的建模与仿真 4 1弓i 言 随着近年来全球通信事业的飞速发展，通信业务的需求量也越来越大，对无 线通信系统的性能提出了更高的要求。而无线通信系统的性能主要是受到移动无 线信道的制约。发射机与接收机之间的传播路径非常复杂，发射的信号从简单的 视距传播，到遭遇各种复杂的地物，如建筑物、山脉和树木或运动的物体而使电 磁波产生反射、折射、绕射以及散射引起的多径传播，并且每条多径都有不同的 时延和不同的到达角( d o a ) ，因此掌握无线信道的传播特性对无线通信传输技 术的研究、丌发和无线通信系统的漫计、规划都具有重要的意义。 经典的信道模型提供了接收信号的功率分布和多普勒频移的信息，然而，现 代的空帕j 信道模型是咀多径衰落和多普勒扩展为基础，同时又考虑了时延扩展、 角度扩展以及自适应阵列天线的几何结构。另外，无线信道不象有线信道那样固 定并可预见，而是具有极大的随机性。因此无线信道的建模一般采用统计的方法， 并且根据对特定频带上的通信系统的测量值来进行的。在这一章中将描述无线传 输信道的一般信道特征，并且建立信道模型。 4 2 无线信道的特性 由于无线信道的复杂性，个通过无线信道传输的信号往往会沿一些不同的 路径到达接收端，因此无线信道是一种时变信道，信号通过信道的时候会受到各 个方面的衰减损失。无线信道对信号的影响可归纳为三类：路径损耗( 也称为传 输损失) 、阴影衰落和多径衰落。 一、路径损耗 路径损耗是由于地面反射以及折射电磁波等造成的，描述的是大尺度区间( 数 百米或数千米) 内接收信号强度随发射一接收距离而变化的特性，是移动台与基 站之间距离的函数。 路径损耗定义为接收信号功率与发射信号功率的比值。在移动通信环境中， 路径损耗近似为： ：旦：g ，g ，f 埤1 “ ( 4 = 土= ，1 等l ( 1 ) 只 ld 其中，尸和只分别为发射信号和接收信号的功率；g ，和g ，分别是发送和接收天 线的功率增益；d 是发送和接收天线之间的距离；h ，和 ，分别是发送和接收天线 兰一一 曼里垒! 宣圭垂垡堕至垫盟垄丛皇盟基 的高度。在实际环境中，路径损耗指数“通常在2 和jz i 。日j 的范围内变化。 二、阴影衰落 阴影衰落常称慢衰落，也称长期衰落，主要是由于传输环境中f f o t t g n ；起 x 、 建筑物和其他障碍物对电波的阻塞或遮蔽而引起的衰落。阴影衰落描述的是中等 尺度区f 日j ( 数百波长) 内信号电平中值的慢变化特性。 馒衰落信号的包络是由快衰落信号的局部平均确定的。大量统计测试数据表 明，在与发射端相距d 距离处的路径损失p l ( d ) 是个服从对数正态分布的随机 变量，可以表示成 厂d 、 p l ( d ) d b - p l ( d ) + 。= p l ( d o ) + 1 0 1 0 9 1 0 i l 十x 。 ( 4 2 ) 1 2 0 并且有 只( d ) d b 】= 只( d ) d b - y l ( d ) d a 】( p l ( d ) 中计入了天线增益) ( 4 - 3 ) 乓中，鼻。是一个零均值的正态分布的随机变量( 以d b 计) ，其标准方差为盯( 以 d b 计) ：d 。为参考距离。这样，在某特定发射一接收距离位置上测量的信号电平 ( 单位：d b ) 具有正态分布，其均值为平均路径损失p l ( d ) ，它与距离有关：标 准方差为盯。这里正态分布的均值和标准方差都以d b 为单位。 三、多径衰落 多径衰落常称为快衰落，又称为短期衰落，是由于移动用户附近的多径散射 ! 面产生的，描述的是小尺度区间( 数个或数十个波长) 内接收信号场强的瞬时值 l 竹快速变化的特性。 无线信道的多径传播导致小尺度衰落效应的产生。三个主要效应表现为： 经过短距或短时传播后信号强度的急速变化。 在不同多径信号上，存在着时变的多普勒频移引起的随机频率调制。 多径传播时延日1 起的扩展。 无线信道中影响小尺度衰落的因素主要包括： 多径传播。由于信道中反射体和散射体的存在，使得信道环境在不断的改 变，导致信号幅度、相位及时间的变化。发送信号的多径成分以不同的时间和不 同的角度到达接收天线，并且不同多径具有的随机相位和幅度引起信号强度波 动，导致小尺度衰落、信号失真等现象。 移动台的运动速度。基站与移动台之间的相对运动产生了多普勒频移。多 普勒频移是正频移还是负频移取决于移动台是朝向还是背向基站运动。 周围物体的运动速度。如果无线信道中的物体处于运动状态，就会引起时 受的多普勒频移。若周围物体的运动速度大于移动台的运动速度，那么这种运动 将对小尺度衰落起决定作用：否则，可以仅仅考虑移动台的运动速度的影响而 忽略周围物体的运动的影响。 第四章无线信道的建模与仿真 信号的传输带宽。若发送的信号带宽比多径信道的带宽大的多的话，接收 的信号就会产生失真，但接收的信号的强度不会有很大的衰落。信道带宽可用相 关带宽量化。相关带宽是一个最大频率差的量度，在此范围内，不同信号的幅度 保持很强的相关性。若发送的信号带宽比信道的带宽窄，信号的幅度就会迅速改 变，但信号不会有时间失真。 多普勒频移。当移动台以恒定速度v 沿着一条路径从x 运动到y ( x 与y 的 距离为d ) ，并且移动台接收到的信号是从远场的信源s 发出的。从信源s 到x 与 信源s 到v 的路径差为： a = d c o s o = v 出c o s 占( 4 4 ) 其中，f 是从x 运动到y 的时间，口是x 和y 处与信源s 的夹角，由于信源距离 很远，可假设x 、y 处的口是相同的。由路程差引起的接收信号的相位变化为： 。：2 r r a l ：2 ；r v a tc o s o( 4 5 ) 。 丑 则频率变化值，即多普勒频移几为： 。 ：上业：兰c o s 目 ( 4 6 ) 。 2 石a t 从公式( 4 - 6 ) 可以看出，多普勒频移与移动台的运动速度v 、移动台的运动 方向以及移动台与到达波的夹角目有关。若移动台沿着电波的到达方向运动，则 多普勒频移办为正；若移动台沿着背离电波的到达方向运动，则多普勒频移力 为负。信号经过不同方向的传播，其多径分量造成接收信号的多普勒扩展，因而 增加了信号的带宽。 当信号通过无线信道传播的时候，其衰落类型取决于发送信号特性及信道特 性。不同的信号参数和信道参数决定了发送信号将经历不同类型的衰落。多径特 性引起的时间弥散，导致发送的信号产生平坦衰落或频率选择性衰落；而多普勒 扩展会引起频率弥散以及时间选择性衰落。产生各种衰落的条件详见参考文献 2 0 。 4 3 无线信道的建模 4 3 1无线多径信道的模型 一、r a y l e i g h 信道模型 在移动通信信道中，r a y l e i g h 分布是常见的用于描述平坦衰落信号或独立多 径分量接收包络统计时变特性的一种分布类型。r a y l e i g h 分布的概率密度函数 ( p d f ) 为： e d a 平台上无线电系统的建模与仿真 附中坤。嚣 ， 其中，盯是包络检波之前所接收的电压信号的r r n s 值，i o 2 是包络检波之前的接收 其相应的参数屏为 。r 自t l e fg h i c h a h n e lo o l 阳( 3p a t h s ) ( f l a tf a d e 】 图4 - 1r a y l e i g h 信道模块的符号模型 图4 - 2r a y l e i g h 信道模块的参数屏 该信道模型是r a y l e i g h 平坦衰落的信道模型，有三条多径，每条多径的信道 幅度都服从r a y l e i 曲分布，并且可以通过调节参数屏上提供的参数来设置每条多 径的时延和平均功率等信道参数。不同的多径时延可以产生大范围的频率选择性 衰落，每条多径的平均功率反映了不同的路径损耗。 二、无线多径信道模型 在更为复杂的通信环境中，移动台的信号不仅被周围的散射体反射，使得每 个被反射的信号都有一个不同的多普勒频率，而且不同位置的周围环境对每条多 径的影响都不同，即每条多径的路径损耗是不同的。测试表明，对任意的发射一 接收距离，特定位置的路径损耗服从随机对数正态分布。对数正态分布描述了在 传播路径上，具有相同的发射一接收距离时，不同的随机阴影效应。同时，考虑 每条多径的信道幅度都服从r a y l e i g h 分布则建立无线多径信道，图4 3 、图4 - 4 就是无线多径信道模块的符号模型和参数屏。 第四章无线信道的建模与仿真 其相应的参数屏为 。n 0 8 il e c h f 1 卜n e l 。j p d【珥p p t h s ： ( i c a tf 1 2 | d e ) i 吲4 - 3无线多径信道模块的符r n 税刊 图4 4 无线多径信道模块的参数屏 该无线多径信道模型包括四条多径，每条多径的信道幅度都服从r a y l e i g h 分 布并且考虑了传播过程中的阴影衰落。可以通过调整参数屏中的参数来设定所 需的信道参数，这些参数包括多普勒频率、最小路径损耗、平均路径损耗等，并 且通过调整每条路径( 除了参考路径的时延为零外) 的时延和功率的权重来模拟 信号的衰落特性和信号的多径扩展。图4 - 5 所示的是无线多径信道的实现框图。 图4 - 5无线多径信道模块的实现框图 e d a 平台上无线电系统的建模与仿真 出于本地散射、高大建筑物和自然障碍物的影响，无线传播信道包括几条主 要可区分的路径，每条主要路径往往包含许多散射波。下面对于单条主要路径信 道给出数学统计模型。首先，假设发射信号为： x ( ，) = s ( o e ，2 蜕7 ( 4 - 8 ) 惑中j ( ，) 是基带信号，疋是载波频率。如果移动台周围有大量的散射体，则接 t 信号在无噪声条件卜为： p 。( o s ( t 一，。) e 删f ( 4 9 ) 其中，。为接收信号由于第”个散射体引起的衰减因子，。为相应的时延。对于 多普勒扩展，假定移动台以速度v 运动，则多普勒扩展为： 厂。：v c 。s 拿 ( 4 1 0 ) 其中，0 。是第”个散射体相应于速度矢量v 的方向， 。是入射平面波的波长。因 此接收的无噪声信号模型为： ，( f ) = 几s ( h 。) p 一俐。坼肌川 ( 4 1 1 ) 假定信号是窄带的，即信道带宽的倒数远远大于最大时延和最小时延之差， 从而可以得到： s ( 卜r 。) = s ( t r ) ( 4 1 2 ) 乓中，f m i n t 。，m a x t 。 。对于第月条路径的相位关系表示为： 。( ，) = 2 f l ( 4 + 厶、。) f 。一厶。1 j ( 4 - 1 3 ) ! | j 接收的低通无噪声信号为： ，( f ) = s ( t f ) 尾p 一。以” ( 4 1 4 ) 争口( r ) = 卢。p 一丸，则信道脉冲响应可以表示为： a ( t ) 6 ( t 一1 ( 4 1 5 ) 填中占( ) 是d i r a cd e l t a 函数。 当f ；道中不存在视距传播路径的时候，信道脉冲响应包络是瑞利分布，其概 善密度函数见式( 47 ) 。若存在视距传播路径，信道包络服从莱斯分布t 其概率 ：苦度函数为： 州巾k o 2 0 - 2n _ 等m 爿 汁1