（通信与信息系统专业论文）无线衰落信道的研究以及模拟器的实现.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 无线通信是通信领域的一种重要方式，无线衰落信道给无线通信带来巨大 的影响。所以，无线衰落信道的研究对于无线通信有着至关重要的作用。随着 无线通信的发展，现今已有很多描述衰落信号幅度和相位的信道模型被提出， 这些模型大多是依赖于系统工作环境的。所以，需要一种相对应用广泛的通用 数学模型来描述大部分环境下的无线通信的信道衰落情况。同时，传统衰落信 道模拟器的实现方案也由于多次数模和模数转换产生很大的不确定性，因此需 要相应的改进方案来克服这些问题。 本文首先阐述了无线信道研究的发展现状和研究意义，分析了影响无线信 道的主要因素，介绍了现有无线衰落信道的数学模型。然后，结合多径衰落和 阴影衰落模型的特点，采用一种通用的r i c e 和扩展的s u z u k i 模型，它既适用于 陆地与陆地移动通信信道，也适用于陆地与卫星移动通信信道，因此是一个相 对通用的信道模型。接着提出与该数学模型相应的计算机模型，并给出了计算 机模型中各个参数的计算方法。针对传统模拟器设计方案的不足，提出改进方 案。论文详细阐述了信道模拟器的实现方案与软硬件的实现方法，包括硬件的 芯片选型与各个模块的电路设计，软件的设计流程图与配置信息设定等等，并 且给出相应的调试与仿真的结果。对完成的模拟器做了性能测试，对测试结果 进行了分析。测试结果表明，本文完成的信道模拟器与对应的数学模型和实地 的测试结果基本一致，验证了该信道模拟器的正确性。最后，对论文作了总结， 给出下一步研究的方向。 关键词：多径衰落，阴影衰落，衰落信道，信道模型，扩展的s u z u k i 模型， 信道模拟器 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni sa ni m p o r t a n tm e t h o di nt h ef i e l do fc o m m u n i c a t i o n s a n dw i r e l e s st i d i n gc h a n n e la f f e c t sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns e v e r e l y t h u s ，t h e r e s e a r c ho fw i r e l e s sf a d i n gc h a n n e lh a sac r u c i a le f f e c to nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，m a n yc h a n n e lm o d e l st h a t d e s c r i b et h ef a d i n go fas i g n a l sa m p l i t u d ea n d p h a s eh a v eb e e np u tf o r w a r d m o s to f t h e ma r ed e p e n d e n to nt h es y s t e m sw o r k i n ge n v i r o n m e n t s oac o m p a r a t i v e l y c o m m o nm a t h e m a t i c a lm o d e li sn e e d e dt od e s c r i b eam a j o r i t yo fs i t u a t i o n ss i g n a l a t t e n u a t e si nt h ew i r e l e s sf a d i n gc h a n n e l a tt h es a m et i m e ，t h et r a d i t i o n a lm e t h o do f f a d i n gc h a n n e ls i m u l a t o rh a sas h o r t a g eo fn op e r f e c ta c c u r a c y , w h i c hh a st ob e i m p r o v e d ，b e c a u s eo fu n c e r t a i n t yc a u s e db yt h ea da n dd ac o n v e r s i o n f i r s t l y , t h ep a p e re x p o u n d sc u r r e n td e v e l o p m e n ta n ds i g n i f i c a n c eo ft h e r e s e a r c hf o rw i r e l e s s t i d i n g c h a n n e la n dt h em a j o rf a c t o r s t h a t a f f e c tt h e p e r f o r m a n c eo fw i r e l e s sc h a n n e lh a v ea l s ob e e na n a l y z e d t h e nt h ep a p e ri n t r o d u c e s t h ee x i s t i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l so fw i r e l e s sf a d i n gc h a n n e l s e c o n d l y , ag e n e r a l r i c ea n da ne x t e n d e ds u z u k im o b i l e f a d i n gc h a n n e lm o d e l ，w h i c hh a st h e c h a r a c t e r i s t i c so fb o t hm u l t i p a t hi n t e r f e r e n c ef a d i n ga n ds h a d o wf a d i n gm o d e l ，i s u t i l i z e d i ti sa d a p t e dt on o to n l yl a n d - t o - l a n dm o b i l er a d i oc h a n n e l s ，b u ta l s o l a n d - - t o - s a t e l l i t em o b i l er a d i oc h a n n e l sw h i c hm a k e si tac o m p a r a t i v e l yu n i v e r s a l m o b i l er a d i oc h a n n e lm o d e l t h i r d l y , t h ec o m p u t e rm o d e lf o rt h ee x t e n d e ds u z u k i m o b i l ef a d i n gc h a n n e lm o d e li sp r e s e n t e di no r d e rt or e a l i z et h es i m u l a t o r t h e c a l c u l a t i o nm e t h o da n d o p t i m i z a t i o no fv a r i o u sf a d i n gp a r a m e t e r sa r eg i v e na sw e l l f o u r t h l y , a ni m p r o v i n gd e s i g ni sp r o p o s e dt or e s o l v et h ep r o b l e mo ft r a d i t i o n a l l y d e s i g n e ds i m u l a t o r ，e x p a t i a t et h er e a l i z a t i o no ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，i n c l u d i n g t h es e l e c t i o no fc h i p sa n dt h ec i r c u i td e s i g n i n go fa l lm o d u l e si nh a r d w a r ea n dt h e f l o wc h a r ta n dc o n f i g u r a t i o n s e t t i n gi ns o r w a r e ，a sw e l la st h ea p p r o p r i a t e d e b u g g i n ga n ds i m u l a t i o nr e s u l t sa n ds oo n f i n a l l y , t h ef u n c t i o n a lt e s t i n ga n d v i 上海大学硕士学位论文 p e r f o r m a n c et e s t i n go ft h es i m u l a t o ra r em a d et oa n a l y s e st h er e s u l t sa n dp r o s p e c t t h ew h o l es y s t e m t h er e s e a r c hi n d i c a t e st h a tt h ee x t e n d e ds u z u k im o d e li sf e a s i b l e a n dt h er e s u l ti sf u n d a m e n t a lt ot h en e x ts t e po fr e s e a r c h k e yw o r d s ：m u l t i p a t hf a d i n g ，s h a d o w i n g , f a d i n gc h a n n e l ，c h a n n e lm o d e l ， e x t e n d e ds u z u k im o d e l ，c h a n n e ls i m u l a t o r v i i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：丝日期：兰竺2 垒三旦乡日 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 虹导师签名：垃曰期： 口一7 口彳 i i 上海大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于上海市科学技术委员会科研计划项目“毫米波无线局域网光 纤联网的研究”，项目编号：0 8 d z l 5 0 0 1 1 5 ，为无线调试提供必要的模拟器研究。 1 2 无线衰落信道研究方法及信道模拟器概述 1 2 1 无线衰落信道研究方法 无线通信是通信领域的一种重要方式，近年来发展十分迅速。无线衰落信道 在复杂的环境中给无线通信带来巨大的影响。 在无线通信设备的设计中，必须克服无线信道带来的影响。但是在实际通信 环境中，对无线通信设备的各项性能参数指标测试，这将耗费大量的人力物力。 通常，为了缩短研制周期，节省研制费用，在研制过程中，设计人员广泛应用各 种信道模拟器，在实验室中就可以对无线信道可能存在的各种干扰进行虚拟实 现，以便对所设计系统进行调测。要研制信道模拟器，发展无线通信，必须先对 无线衰落信道作研究和分析，其首要的任务是研究无线衰落信道本身的特性。 无线衰落信道已经成为许多理论分析和现场实测的课题，根据环境分析和统 计数据，对于无线衰落信道建立了多种不同的数学模型。然而，由于无线衰落信 道的复杂性，依然有很多问题值得研究完善。也不可能有一种纯粹的数学模型能 涵盖描述所有的移动无线环境。这样，在不同的地区、环境和条件下，必须总结 出不同的数学模型来近似趋近于场强实测获得的数据值。 对于无线信道研究的基本方法有三种： ( 1 ) 理论分析，用电磁场理论与统计理论分析信号在移动无线环境下的传 播特性，并用各种数学模型来描述移动信道。但理论分析不可能考虑所有的情况， 必须对一些环境做出一定的条件限制，来简化数学模型，其数学模型也是对实际 情况的近似表达。 ( 2 ) 现场数据实测，在不同的环境下，对于现场的电磁波参数进行测试记 上海大学硕士学位论文 录。这些参数包括接收信号的幅度、时延、包络、相位等一些反映其信道特征的 参数。对实测数据的分析，可以推动理论分析，建立不同场合下的数学模型。 ( 3 ) 计算机模拟信道，利用计算机的强大计算功能，对于理论分析后的数 学模型进行分析，快速得出结果，或者对于该数学模型，假设一定的简化条件。 以上三种方法在实际研究中都相互交叉应用，理论分析为无线衰落信道研究 起着指导作用，现场数据实测为理论研究带来统计数据。计算机模拟信道快速建 模，可以将理论分析的数学模型在计算机上得到结果，与实测数据进行比较，修 正理论分析结果。 但是，由于移动无线环境的复杂性，不可能建立单一的模型涵盖所有的条件。 所以，有必要对于不同的模型和衰落信道进行分析研究，总结归纳出一种相对应 用广泛的信道模型，并以次为依据，用系统模拟器的方式实现，对于无线通信的 发展和研究，有着重要的意义。 1 2 2 无线信道模拟器的发展现状 目前调试中使用的模拟方法主要有两种，第一种为现有的仪器模拟调试信 号，第二种为自己设计专门的模拟器。这两种方法各有特点：仪器模拟省去了模 拟器的设计和调试过程，比较方便，但有时现有仪器并不能完全满足系统测试的 要求，另外仪器的价格普遍相当昂贵。自己设计的模拟器一般适应性有限，而且 需要开发周期，影响项目进程。因此，目前项目中的系统模拟方法视情况而定： 对于输入信号比较简单的系统，采用任意波形发生器这些测试仪器进行测试，而 对需要多输入或输入信号种类比较多的系统一般需要设计专用的模拟器。 对于现在市场上的各种模拟器，主要以国外产品为主，国内同类产品不多， 这些现有仪器虽然其性能不错，但是价格比较昂贵( 专用的信道仿真设备一般在 2 4 0 0 0 到5 0 0 0 0 0 美元之间) ，而且对于有些专门的信道模拟器一般都用于专用信 道。这些特殊条件下的模拟器用于一般的设计系统无论从价格上，还是信道环境 选择上都不一定合适。市场需要一种相对适用性广泛，价格适中，可以根据不同 测试要求调整的信道模拟器。所以，有必要利用现有的实验室资源，开发出一个 相对应用广泛，可以为一般无线通信课题服务的无线信道模拟器。 2 上海大学确l 学位论文 1 3 无线信道的特性 各类信号从发射端送出后，在到达接收端之前经过的所有路径，称为信道。 如果传送的是无线电信号，电磁波传播所经过的路径，称为无线信道。无线信道 除了简单的目视传播外，往往还受到许多其他因素的干扰，影响无线信道的原因 很多。实际的无线通信信道不仅有大气自由空间路径损耗，还有附加传播路径损 耗，这主要是由于无线通信的无线电波的传播路径上有无线电散射体的存在，引 起信号的反射散射而产生多径效应：还有地形轮廓和地面粗糙度的变化，将产 生电波的反射、漫射、绕射、屏蔽、阻挡，其结果也导致到达接收天线处的多径 信号在时间上空i b j 上的变化。此外，由于建筑物和地形的起伏对无线电波阻挡、 屏蔽的影响，将使接收信号的平均功率随时间作慢变化。图卜l 是陆地无线移动 多径传播环境的一个例子。 爨 “”“l “套忽套“” 套冬毒1 31 自由空间传播的损耗 路径损耗，即自由空间传播损耗和弥散。自由空间是一种理想空间。路径损 耗是指在理想的、均匀的、各项同性的介质中传播，不发生反射、折射和吸收现 3 秦 上海大学硕士学位论文 象，并且电波传播等于真空中的光速，只存在于电波能量扩散而引起的传播损耗。 卫星通信和微波通信直射接收分量都服从自由空间传播。自由空间模型用发射一 一接收距离的某个幂函数( 即幂律函数) 预测接收信号功率的衰减。 对于无线通信，自由空间路径损耗t 仅与传播路径d 和工作频率有关，其 计算公式 1 1 为 l ，( a b ) = 3 2 4 5 + 2 0 1 9 f + 2 0 1 9 d ( 1 1 ) 其中，厂的单位为m h z ，d 的单位为k m 。 无线移动通信的对象处于运动状态，电波传播路径时刻在变化，影响电波传 播的地形也时刻在变化，因此与固定通信相比，电波传播的特性显得更为复杂。 因此，平面大地上的电波传播损耗计算公式，一般是不适用此种传播条件的。 当移动台作快速运动时，还将产生多普勒( d o p p l e r ) 频移，如果移动台的 运动速度为v ，则最大多谱勒频移为 厂僦= ( 1 2 ) l 其中，五是信号载波的波长，多谱勒频移是在信号载波上的附加调频，会造成 信息码元间隔内信号载波的频谱扩展，它是一种时间选择性衰落。 1 3 2 多径衰落信道的特性 多径传播效应主要表现在时延扩展和频率选择性衰落【2 】。时延扩展是由于多 径传播信号的各个分量到达接收点的时间不同，使本来发送的窄脉冲信号在接收 点被扩展，使原发送的一串离散脉冲产生错叠，甚至变成一串连续脉冲，即形成 所谓的符号间干扰i s i ( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) 。频率选择性衰落是由于多径信 号相对延时r ( t ) 随时间而变化，使信号频谱中的不同频率成份受到不同程度的衰 落，从而导致信号波形畸变。 如果我们在一个时变多径信道上发送一个非常窄的脉冲，则接收信号将呈现 为一个脉冲序列，如图1 2 所示。由于传输介质的随机时变特性，因此使得多径 传播信号也具有随机时变特性，如果我们多次反复地作脉冲测试实验，我们将会 观测到接收的各个脉冲幅度大小的变化和各个脉冲之间的相对时延的变化，同时 还可观测到接收脉冲序列中脉冲数目的变化。而且，这种时变特性对我们来讲是 无法预知的，因此，必须用统计的方法去研究多径信道。当我们在发送端发送一 4 上海大学硕士学位论文 个调制信号s ( f ) s o ) = r e u ( t ) e 2 稚】， ( 1 3 ) 其中，u ( t ) 是s ( t ) 的等效低通信号或s ( t ) 的复包络，丘为发送信号的载波频率。 假设信号存在有多个传播路径，由于传输介质结构不断在变，所以每个路径信号 的幅度和延迟也是时变的，因此收到的信号为 烈f ) = ( f ) j l l ( f ) 】 = d 陋咖叫饥妒啪，归 ， 。4 式中，a n ( f ) 是第万个路径上接收信号的幅度，f 。( f ) 是第刀个路径上的传播延迟。 x ( t ) 的等效低通接收信号可表示为 ，( f ) = 以。( f ) e 川饥“k f 。( f ) 】， ( 1 5 ) 多径信道的等效低通信道可用一个时变冲激响应c ( l f ) 来描述 c ( r ，f ) = ( f ) e 啦纸。万p o ( f ) ) 。 ( 1 6 ) n几 f2t l t l + f 1 1 图1 - 2 时变多径信道对窄脉冲的响应的例子 对于某些信道，例如对流层散射信道，用连续多径分量去组成接收信号更 为合适，此时 z o ) = p p ，f b 0 ，f ( 1 7 ) c ( r ，f ) = 口g ，f k 一7 2 斫7 。( 1 8 ) c ( r ，t ) 是以时间t 为变量的随机过程，假如是广义平稳的，则c ( r ，t ) 的自相关 5 i，-_-_-_。-_l九：n + 口 n， = f 上海大学硕士学位论文 函数为 价m = 净亿咖( r , t + a t ) 】o ( 1 9 ) 当a t = 0 时，自相关函数丸( f ，a t ) 三丸( r ) ，即信道输出平均功率仅是时延r 的 函数，为此，。( f ) 被称作信道的时延功率谱或多径场强分布2 1 。把。( ) 基本不 为零的f 的数值范围叫作信道多径扩散乙，而其到数则为信道的相干带宽5 1 尻专 ( 1 1 0 ) 如果发送信号的带宽大于相干带宽吃，则称这种信道是频率选择性信道， 此时接收信号将产生严重失真：而当发送信号的带宽小于相干带宽芝时，则称 这种信道是频率非选择性信道或平衰落信道，此时接收信号基本上不产生失真。 1 4 衰落信道模型概述 1 4 1 多径衰落信道模型 多径( m u l t i p a t h ) 衰落是由各个经随机延迟后的反射波、散射波和衍射波分 量叠加合成的一种衰落信号，是一种相对快速的衰落。 移动物体( 如汽车) 往来于建筑群与障碍物之间，其接收信号的强度将由各视 距波、反射波、散射波和衍射波叠加合成，形成多径效应。多径效应会引起信号 衰落，称为多径衰落。各条路径的传播长度会随时间而变化，故到达接收点的各 分量信号之间的相位关系也是随时间而变化的。这些分量信号的随机干涉，形成 总的接收信号幅度上下急骤变化。各分量信号之间的相位关系对不同的频率是不 同的。因此，它们的干涉效果也因频率而异，从而产生频率选择性。特别在宽带 信号传输中，频率选择性可能表现明显，使接收信号形成很强的i s i 。根据不同 的无线传播环境，产生了各种多径衰落信道模型，用于描述对应的无线信道统计 特性。当移动物体在几至几十个载波波长距离范围运动时，接收机收到的信号的 平均功率可视为常量。当不考虑视距波分量l o s ( 1 i n eo f s i g h t ) 时，可用r a y l e i g h 【3 】【4 】 衰落信道模型来描述；而当存在l o s 时，一般) 羽r i c e t 5 】衰落信道模型来描述。常 用的多径衰落信道模型还有n a k a g a m i t 6 】等信道模型，n a k a g a m i 分布的概率密度函 数p d f ( p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n ) 包含t r a y l e i g h 和r i c e 分布的p d f ，所以它 6 上海大学硕士学位论文 是一个一般化的经典信道模型。 1 4 2 阴影衰落信道模型 无线移动通信中，当移动物体在较长的一段距离范围内运动时，随着周围的 环境变化，在接收信号的瞬时功率发生急骤变化的同时，信号功率的平均值也在 随时间、位置及移动速度作比较平缓的变化，是一种与地形环境有关的衰落，称 为地形或阴影( s h a d o w i n g ) 衰落。阴影衰落是由移动物体运动过程中，电波传 播路径的随机变化所引起的，主要包括建筑物和起伏地形的阴影效应和大气折射 状况的平缓变化，是一种相对慢速的衰落。大量实测例子表明，无论是由哪种原 因引起的阴影衰落，其接收信号电平的概率密度函数一般均服从对数正态分布 ( 1 0 9 n o r m a l l y ) 【7 】- 【9 1 。 1 4 3 合成的多径一阴影衰落信道模型 合成的多径一阴影衰落信道模型有时更适合某些信道环境，因为在这些信道 环境中不能仅用平均功率近似为常量的多径衰落信道模型来描述，特别是当移动 物体在城市地区作慢速运动以及陆地和卫星间的通信场合。用来描述这些 信道环境的合成信道模型有，h o 和s 灿e r 提出的合成的伽马一对数正态分布 ( g a m m a c o m p o s i t eg a m m a l o g n o r m a ld i s t r i b u t i o n ) 模型【1 2 】，s u z u k i 模型【1 3 】，k 分布模型1 4 1 ，l o o 模型【1 5 】，以及本文采用的通用r i c e 和扩展s u z u k i 模型【1 6 】- 【1 8 1 等， 通用r i c e 和扩展s u z u k i 模型是本文研究的重点。 1 5 多径衰落信号的多普勒功率谱密度函数 信号通过无线信道的传输性能除了受到信道衰落影响外，还受到多普勒效应 的影响。在频率上多普勒和多径信号会使信号功率谱产生多普勒扩展，在时域上 会反映出信号衰落的快慢，功率谱扩展越宽，那么信号衰落就越快。而信号衰落 的快慢是选择差错控制编码以及其他抗衰落技术的基础，因而研究信号衰落的快 慢具有重要的意义。 由于移动接收机的运动，多普勒效应使收到的多径分量产生多普勒频移，每 条多径分量的多普勒频移的大小取决于移动接收机的移动速度和到达波的接收 角度唬，如图1 3 所示。第k 条多径分量的多普勒频移 7 l 海大学顾l 学位论文 = 盖c 0 8 = k c 。s 吒( 11 1 ) 其中，v 是接收机的移动速度，丑是信号载波的波长，d 。是第k 条多径分量的入 射角，二是最大多普勒频率。对于未调制载波信号，其等效低通接收信号。 、 可表示为 起：z 力， 图1 - 3第k 条入射渡的多普勒效应 r ( o = ( r ) p 1 2 ”“” ( 1 1 2 ) 式中，q ( f ) 是第k 条路径上接收信号的幅度， ( f ) 是第k 条路径的传播延迟， 是第k 条多径分量的多普勒频移。j a k e s c l a r k e “在推导多普勒功率谱时，作出如 下假设： ( 1 ) 电磁波沿着二二维空问( 地面) 传播，且接收机处于各向同性散射的中心； ( 2 ) 多径波到达接收机的方向角口t 在 呻，砌是均匀分布的； ( 3 ) 接收机采用全向天线接收信号。 因此，口。的p d f p 。( ：j 瓦1 ，e _ z ，一， ( 1 1 3 ) 1 0 ， o t h e r s 多普勒频移 的p d f 可由上式通过( 11 1 ) 式的变量变换求出 即( ，) ：j 瓦万i 1 而i f ，f 邝。 ( 1 1 4 ) 即( ，) = 矾。4 j 万j ：f ”一一。 ( 11 4 ) 【0，i ， o 显然，多径分量的功率谱密度s ，( ，) 是正比于多普勒频移 的概率密度函数 p ( f ) 即晶( ，) 矿p ( f ) d f 。因此由多普勒效应引起的多径接收信号的功率 上海大学硕士学位论文 谱密度函数可由p ( f ) 求出，这就是j a l ( e s c l 破e 【3 1 多普勒功率谱函数 队俨 瓦万丽0 - 2 ，i f l 墨l 。 ( 1 1 5 ) s ，( 厂) 2 九1 一( 厂丘) 2 。 ( 1 【0，i 厂| 丘 式中，d r 2 = ( ) 矽是等效多径接收信号，( f ) 的平均功率。 对于陆地移动无线信道，当作出上述三点假设时，j a k e s c l a r k e 多普勒功率谱 密度函数是合理的。但实际信道环境并非总是满足上述条件，此时应对 j a k e s c l a r k e 多普勒功率谱作一修正，这在论文的第二章中将作阐述。此外，文献 1 9 3 的理论研究表明，对于类似航空信道的多普勒功率谱具有高斯形状，这在文献 2 0 1 2 1 1 给出的测试结果中可以得到证实。特别是对于频率非选择性信道，文献口2 1 的结果表明，当接收信号中有强远端回声信号时，其多普勒功率谱严重偏离 j a k e s c l a r k e 谱形状。有关泛欧陆地蜂窝g s m 系统对高斯多普勒频移的规约可见 文献【2 3 1 。高斯多普勒功率谱密度函数可表示为 w ，：万0 2 厚伽( 矿 旧 式中，盯2 是等效多径接收信号，( f ) 的平均功率，以是功率谱密度函数( 厂) 的3 d b 截止频率。 1 6 课题研究的主要工作和论文结构安排 1 6 1 课题研究的主要工作 本论文的研究重点是无线衰落信道模拟器系统的设计和实现。在对现有的 无线衰落信道模型进行分析和研究后，决定采用通用r i c e 和扩展的s u z u k i 模型 来实现信道模拟器。论文详细介绍了无线衰落信道模拟器系统的实现方案和软 硬件设计，对完成的系统设计作了测试分析。 本文作者在课题研究过程中的主要工作如下： 1 收集并阅读国内外关于无线信道模拟器系统的相关论文和资料。在充分理 解和掌握已有实现技术的基础上，分析影响无线衰落信道的因素，研究现 行无线信道模型的特点。采用了一种相对应用广泛的通用衰落信道模型一 9 上海大学硕士学位论文 一通用r i c e 和扩展的s u z u k i 模型，该模型易于用硬件或软件实现。 2 针对采用的数学模型，给出与之相应的计算机模型和衰落信道参数的计算 公式。 3 根据计算机模型，提出无线衰落信道模拟器的实现方案。该模拟器改进了 传统实现方法的不足，在无线通信的测试领域，具有一定的实用意义。 4 详细描述了该无线信道模拟器的硬件构成与软件实现。对各个子模块的设 计和计算方法等进行详细阐述。该模拟器具有数字基带信号和已调数字信 号两个输入接口，可满足不同的测试需求。 5 对模拟器各个子模块分别进行了调试优化，对系统的性能进行了测试和分 析，并给出了进一步研究的建议。 1 6 2 论文结构安排 本论文共分为六章，结构安排如下： 第一章：对无线信道模拟器的研究背景作概述，并且对目前的无线信道模 拟器的发展现状作了介绍。分析且描述了信号在无线信道中传播，受影响的各 种因素。针对这些因素，简单介绍了现有研究得到的几类无线衰落信道的模型。 第二章：通过对经典无线信道模型的分析，设法找到一个通用的衰落信道 模型。对移动衰落信道模型进行研究，在参考瑞利、莱斯等经典模型的基础上， 选择采用一种通用r i c e 和扩展的s u z u k i 数学模型。该模型同时考虑多径和阴影 这两种类型衰落的影响，以适应不同衰落环境的需要，具有通用性。对现有的 几种有色高斯噪声的计算机模拟方法进行分析，选出一种简单且易于计算机软 硬件实现的方法。同时给出这种可实现的计算机模型的参数计算方法。 第三章：针对传统无线信道模拟器设计方案的不足，提出改进型的方案。 论文给出了信道模拟器系统的设计方案，包括系统各个模块的组成与实现功能。 详细介绍了无线信道模拟器系统方案的硬件设计与实现方法，并对各个硬件模 块的芯片选型、电路设计和芯片主要引脚的连接方法等进行了详细的介绍。 第四章：介绍了无线信道模拟器系统的程序设计，并给出必要的工作流程 图，包括各个程序的功能作用与实现方法。其中，对于一些芯片配置信息的计 算方法与具体实现也给出详细的阐述。同时，对部分的程序实现给出仿真结果。 1 0 上海大学硕士学位论文 第五章：对实现的模拟器系统进行测试分析，验证系统的功能与性能。 第六章：对论文的工作做了总结，提出了研究的不足和需要加以改进的地 方，并且对下一步的研究作了展望。 本文主要的创新点和成果如下： 1 提出了一种采用a r m 与f p g a 相结合的无线衰落信道模拟器的解决方 案。该模拟器实现了通用r i c e 和扩展s u z u k i 信道模型。论文的主要创新 点在于用f p g a 实现了有限个正弦信号的r i c e 和，以此替换原信道模型 中的有色高斯噪声过程。由于放弃传统的加载多个成型滤波器的方法， 因此使得该模拟器简单实用。 2 针对传统的模拟器实现方法对系统性能的影响，作了相应的改进，省略 了传统模拟器中对射频信号的模数转换过程。 3 完成一块基于a r m 与f p g a 相结合的无线衰落信道模拟器电路板和软硬 件调试工作，给出性能测试结果。 上海大学硕士学位论文 第二章无线衰落信道模型的建立 无线信道特性的研究是无线通信系统研究领域中最重要的部分。其中多径效 应( 小尺度衰落) 和阴影效应( 大尺度衰落) 是信道的主要特点，几乎任何统计 特性都建立在此基础上。除了研究接收信号的衰落电平分布以外，电平交叉率和 平均衰落持续时间也是两个很重要的统计特性，分别描述了信号的衰落速度和持 续时间的统计规律，对于估计系统的可用性以及选择系统的调制解调技术及差错 控制方式很有价值。 2 1 小尺度衰落的数学模型 小尺度衰落是一种相对快速变化的衰落，它描述的是移动物体在几至几十个 载波波长距离范围内信号变化的情况，主要是由信号多径效应引起的，在如此短 的距离范围内接收机收到的信号的平均功率可视为常量。当不考虑视距波分量 ( l o s ) 的存在时，由小尺度衰落引起的接收信号电平的概率密度函数通常可认 为近似于瑞利( r a y l e i g h ) 分布4 1 ；而当存在视距波分量时，接收信号电平的 概率密度函数通常可认为近似于莱斯( r i c e ) 分布【5 1 。 m 。= p e o s ( 0 j 亏( t ) s i n ( 0 0 m , = p s i n ( 0 , ) 图2 1 小尺度衰落数学模型 图2 1 给出的是本文的小尺度衰落过程的数学模型。图中，刀。( f ) 是一个零均 的白高斯噪声过程，首先n 0 ( f ) 经过一个传递函数为h o ( 厂) 低通滤波器，使其输 出v o ( t ) 成为一个带限的零均白高斯噪声过程。随后将v o ( f ) 分成二路，第一路直 接加上一个同向视距波分量m 。后构成复高斯过程的同向分量，( f ) + p e o s 铭；第 1 2 上海大学硕士学位论文 二路经过希尔伯特( h i l b e r t ) 变换及其它运算并加上正交视距波分量m ：后构成 正交分量2 ( t ) + p s i n 见。 2 1 1 包络和相位及其导数过程的联合概率密度函数 由图2 1 的小尺度衰落数学模型可见，当不考虑视距波时的零均复高斯过程 可表示为 ( f ) = m ( f ) + 伽2 ( t ) ，( 2 1 ) 式中，同向分量。( f ) 和正交分量2 ( f ) 分别为 “( f ) = y o ( f ) ， 2 ( f ) = c o s c t v o ( f ) + s i n a 甄( f ) ，( 2 2 a ，b ) 式中，( f ) 表示( f ) 的希尔伯特变换【2 4 】，口为两个随机过程。( f ) 和：( f ) 间的 相关因子。通过调节口值的大小( 0 。口1 8 0 。) 可控制u l ( f ) 和：( f ) 的相关系 数。当口= 0 。时，“( f ) = 2 ( f ) ，即全相关；当口= 9 0 。时，朋( f ) 和2 ( f ) 相互独立。 图中，同相和正交视距波分量m 。= , o c o s 巳和m z = p s i n 巳可用复数形式表示为 m 口( f ) = ，l l + j m 2 = p e 旭。 ( 2 3 ) 因此，图2 1 数学模型中含有视距波分量的非零均复高斯随机过程m 口( f ) 可表 示为 t a ( t ) = ( l ( f ) + m 1 ) + _ ，( 2 ( f ) + 朋2 ) ， ( 2 4 ) 口( f ) 的包络过程 f ( f ) = l p o ) l = ( 。o ) + ，z 1 ) 2 + ( ：( f ) + 聊：) 2 ， ( 2 5 ) 就是本文用来模拟小尺度衰落的过程，下面将说明这一过程事实上包含了r i c e 和r a y l e i g h 这两个经典过程，因此论文将此过程善( f ) 称为通用r i c e 过程。 以上得到的过程孝( f ) ，当口= 9 0 。时，同相与正交过程。( f ) 和p 2 ( t ) 相互独立。 此时，过程孝( f ) 将简化为r i c e 过程。更进一步地，当m ，= m ：= 0 时，过程手( f ) 将 转化为r a y l e i g h 过程。所以该多径信道模型具有相对通用性，经典模型r a y l e i g h 过程和r i c e 过程可作为它的一个特例。当然，这一模型仅能模拟信号的小尺度衰 落。因为对于移动接收机来说，在一段很短的时间内接收的信号电平的均值可视 为常数。而对于较长的一段时间来讲，信号电平的均值本身在变，其变化的规律 1 3 上海大学硕士学位论文 一般认为服从对数正态分布。此时，将过程孝( f ) 再乘上一个对数正态分布过程， 得到的新模型将在稍后的小节中讨论，本小节先对过程善( f ) 进行研究并引出有关 统计函数。 2 1 1 1 非对称的多普勒功率谱密度函数 信号经无线信道传输到达接收机后，由于信道的随机时变性，表现为接收信 号是一个随机过程。如果发送信号是一个未加调制的载波信号，则信道的随机时 变性使接收信号的谱线产生多普勒展宽和多普勒位移。多普勒展宽和位移主要与 信道所处环境和移动台的速度有关，可用多普勒功率谱( p s d ) ( p o w e rs p e c t r a l d e n s i t yf u n c t i o n ) 来描述，一个被广泛应用于移动通信信道模型的多普勒功率谱 p s d 是j a k e s 2 5 】多普勒p s d ， s j j ( f ) ：j 云孟芴于 i 卅吒， ( 2 6 ) 2 九1 一( 厂厶) 2 l 川舢懿 ( 2 6 ) 【0，l 卅厶， 式中，l 是最大多普勒频率，盯；是多普勒信号的平均功率。j a k e s 功率谱 密度函数是一种理想信道环境下的多普勒p s d ，其前提是假设发送信号经信道传 输后到达接收机的多径波在【o ，2 万) 方向范围内是均匀分布的，因此得到的多普勒 功率谱密度函数是对称的。而这一假设往往与实际信道环境不符，如果某些多普 勒反射波信号被一些具有电磁吸收特性的物质所吸收，或被一些高出的物体阻 挡，那么接收机就收不到这些反射波，因此得到的多普勒功率谱密度函数就不再 是对称的。从下面的推导可以发现，由论文提出的图2 1 所示信道数学模型所得 到的多普勒功率谱密度函数将是非对称的。更一般地，图2 1 所示模型中还假定 到达接收端的一部分高频段多普勒反射信号波受到某些物体阻挡，或收发信机采 用定向天线收发信号，因此提出了一个截短的j a k e s 多普勒p s d 作为高斯过程 v o ( t ) 的多普勒功率谱密度函数，它是由原来的j a k e s 多普勒p s d 乘上一个窗函数 r e c t 后得到，即墨( f ) = r e c t f ( t c o f x ) ( 厂) ，因此 ( 介 瓦孟景丽，i 卅诵厶， ( 2 7 ) ( 厂) = 万厶1 一( 厂厶) 2 。川w “ ( 2 7 ) 【0，i f i 丘， 1 4 上海火学硕士学位论文 其中称为截短系数，取值范围是0 0 0 但1 d 2 y r y o $ 1 1 1 6 9二 对上式稍加分析可得到如下结论，概率密度函数p f ( z ) 仅受到过程。( f ) ( ：( f ) ) 的平均功率，相关因子口，以及视距波分量幅度p 和相位0 p 的影响， 而与甄和无关。也就是说p f 0 ) 与过程v o ( t ) 的多普勒功率谱密度函数瓯批( 厂) 的具体形状无关，而仅与其平均功率大小( 峋( 0 ) = 弘o ) 有关。 对( 2 1 1 ) 式稍加分析不难发现，由( 2 1 1 ) 式给出的通用r i c e 过程孝( f ) 的概率密 度函数p f ( z ) 包含了经典过程r i c e 和r a y l e i g h 的概率密度函数。事实上，只要将 口= 9 0 。代入( 2 1 1 ) 式，即使得图2 - 1 所示模型中的正交与同相分量过程t 1 ( f ) 、 ：( f ) 相互独立，就可得出r i c e 过程的概率密度函数p r 妇( z ) 。注意到当口= 9 0 。时， ( 2 1 8 ) 式中的积分项转化为第一类零阶修正的b e s s e l 函数，因此容易得到下列结果 p r i c e ( z ) ：三e 百厶( 翌) ，z o ， ( 2 1 2 ) 式中i o ( x ) 表示第一类零阶修正的b e s s e l 函数。更进一步地，如令视距波分量 p = 0 ，则可得出r a y l e i g h 过程的概率密度函数 p 酬一力2 云叩，z _ o o ( 2 - 3 ) 1 7 上海大学硕士学位论文 2 1 2 2 相位过程1 9 ( f ) 的概率密度函数 相位过程8 ( t ) 的概率密度函数p 占( 秒) 可通过求下列三重积分得到 n ( 目) = ，p 删( 砒，0 ，o ) 如a 2 d 9 ：二p掣1+-fif(o)m删“2_42 ：竺旦曩p 万 l + e m 1 + ( 厂( 秒) ) 1 x ( 1 一c o s s i n 2 0 l 、 。 。、“ 式中，0 _ c o ，2 刀) ，p 矿( x ) 表示误差函数，厂( 秒) 由下式给出 朋，= 孥篝舞剖， 仁柳 对( 2 1 5 ) 式稍加分析可发现，相位过程的概率密度函数p 冉( 臼) 也仅受到过程 p a ( t ) ( 膨( f ) ) 的平均功率虬，相关因子口，以及视距波分量幅度p 和相位巳的 影响，而与妒。和丸无关。因此，p 。( 秒) 也仅与过程 ) 的平均功率( ( o ) = ) 有关，而与其多普勒功率谱密度函数( f ) 的具体形状无关。 同样，如果( 2 1 4 ) 式中取口= 9 0 。，可得r i c e 过程的相位概率密度函数 = 斟+ 历一o ) e 一却o l 叫箐 ( 2 舶， 当p