一种移动通信信道模拟器的设计与实现

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摘要：介绍了一种实时模拟移动信道基本特性（如瑞利衰落、多径传播、电波传播路径损耗、多普勒频移等）的信道模拟器的研制方法，包括模拟器数字原理及其实现方案。本模拟器的衰落率在8～80Hz内可调，模拟衰落深度超过20dB，最大多径时延为10.2μs。

    关键词：信道模拟 多径传播 瑞利衰落 时延

1 移动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、电池传播路径损耗、多普勒频移等。
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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：

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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σ2ξ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：

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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：

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于是随机包络R(t)是瑞利分布，随机相位φ(t)在0～2л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

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经多径传输，输出为：

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式（7）中：αi为幅主加权系数，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：

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即二径存在时延差，△τ≠0，合成信号场强随频率ω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受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达室播距离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。

表1 电波传播的路径损耗

		传播距离
		1km	8km	15km	25km
传播损耗	直线路径	69dB	87dB	91dB	93dB
	城市环境	98dB	134dB	145dB	154dB
	准郊区环境	91dB	127dB	138dB	147dB
	开阔地环境	75dB	111dB	122dB	131dB

2.4 多

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