一种移动通信信道模拟器的设计与实现

在移动通信中，多普勒频移是普遍存在的现象，

fd=v/λ (9)

式（9）中v是移动台速度，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，射频率谱的形状为：

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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：

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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：

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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种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，输出信号的功能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。
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    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/[(0.897s 2+0.31s+1)(0.897s 2+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交换，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，经平没滤波、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，经这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。javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>

3.5 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。

3.6 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，可实现对数据控衰减器、模拟开关等的控制，通过对键盘、液晶习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。
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    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经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，重要上述过程。各种I/Q调制器输出在合路器相加，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

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。
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    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，所形成的显示图与此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。
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    4.3.3 其它指标测试方法

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。

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