软硬件结合的TD-LTE实验信号源设计

姜胜园， 华惊宇， 徐志江， 卢为党， 李 枫

(1. 浙江工业大学 信息工程学院, 浙江 杭州 310023；2. 浙江工业大学 浙江省通信网技术应用研究重点实验室, 浙江 杭州 310023)

软硬件结合的TD-LTE实验信号源设计

姜胜园1， 华惊宇1， 徐志江2， 卢为党1， 李 枫2

(1. 浙江工业大学 信息工程学院, 浙江 杭州 310023；2. 浙江工业大学 浙江省通信网技术应用研究重点实验室, 浙江 杭州 310023)

提出了一种设计灵活和低成本TD -LTE信号源的方法。该方法利用Agilent ADS软件设计TD -LTE理想基带信号,并通过同样由ADS建模的三维衰落信道以生成基带衰落信号，其中三维衰落信道建模同时考虑离去角和到达角。然后ADS软件通过GPIB接口控制实验室现有的矢量信号发生器来产生TD -LTE射频信号，可用于移动通信实验课程教学以及TD -LTE设备的测试。最后采用Matlab数据分析和频谱仪测量的方式对所设计的TD -LTE信号源进行验证，结果表明达到了设计目标。

信号源； TD -LTE； ADS； DOD -DOA

TD-LTE技术是当前我国主推的第四代移动通信技术[1-3]，已经在全国成熟商用，目前已经进入深入挖掘其专业应用的阶段，比如集群终端以及物联网应用。在TD-LTE专业应用[4]以及高校实验教学过程中，相关的测试设备具有较大需求。以浙江工业大学为例，新建的移动通信本科生实验室由于缺乏专用测试设备，仅能提供TD-LTE协议层面的演示和实验，而对于物理信号的实验缺乏信号源，以至于难以开展。事实上，TD-LTE信号源对LTE技术的研发与调试起着十分重要的作用，典型的TD-LTE信号源产品，如罗德施瓦茨公司的SMU200A矢量信号源，支持3GPP LTE FDD和TDD。专用信号发生器性能优越，完全能提供LTE研究与实验的各种信号，但是价格昂贵，难以被高校甚至一些企业作为研究仪器使用。而一些款式老旧的信号源却不能直接产生特定标准的微波矢量信号，比如实验室的安捷伦E4432B信号源。

用于TD-LTE实验的信号源应该包含3个部分，一是满足TD-LTE标准的基带信号生成器，二是满足TD-LTE应用需求的空口信道模拟器，三是射频矢量信号生成器。如前所述，专用信号源可以同时实现3个工作，但是价格昂贵，不适合高校实验需求。文献[5]提出在安捷伦ADS中对三维(three-dimensional, 3D)到达角(DOA)信道进行建模，并控制E4432B信号源生成物理信道。本文在此基础上，进一步把TD-LTE基带信号也融合到ADS建模中，同时信道建模改为更加一般化的3D DOD-DOA信道，从而设计了一种兼具灵活性和经济性的用于实验的TD-LTE信号源。数据分析和物理信号测试表明，本文所设计的信号源效果良好。

1 基于ADS的TD-LTE信号源框架设计

本文将采用软件控制硬件，软硬件结合的方式设计TD-LTE信号源，即利用ADS软件和信号产生器设计信号源，类似于文献[6—7]中的信号建模。在理想TD-LTE基带信号源模块中加入衰落信道模块,构成TD-LTE基带衰落信号源，然后将基带衰落信号输入到Matlab和矢量信号发生器，如图1所示。

图1 基带衰落信号源

图1中的虚线框I为理想基带信号，II为衰落信道，III为基带衰落信号的输出。TD-LTE理想基带信号与基带衰落信号由ADS软件设计，经过Matlab验证正确后，根据软件与硬件结合、软件控制硬件的思想，将理想基带信号、基带衰落信号通过GPIB接口传输到矢量信号发生器，生成所需的物理信号。

理想基带信号源设计是TD-LTE信号源设计的关键一步。在理想信号源模块中，利用ADS自带的原始信号源生成上下行射频信号，经过下变频成基带信号，在基带上进行时隙的复合，形成所需的理想基带信号。信道设计为三维衰落信道，本文基于AR滤波法，利用ADS软件建模三维信道，三维信道模型采用球体DOD-DOA模型。理想基带信号通过衰落信道之后，成为所需的基带衰落信号。基带衰落信号通过2条路径分别传输到Matlab和矢量信号源。传输到Matlab的信号先通过滤波器，然后再输出到Matlab接口，最后将数据导入Matlab，用Matlab分析最终输出的信号。传输到矢量信号源的信号经过GPIB接口传输到矢量信号发生器，再在频谱分析仪观察信号频谱。

2 软硬件结合的TD-LTE信号源

2.1 TD-LTE基带信号源模块

在理想基带信号源模块中，采用ADS2009软件[8]自带的LTE上行子帧、下行子帧，将帧结构模式设置为TDD模式，理想基带信号源原理框图见图2。

图2 理想基带信号源模块原理框图

TD-LTE原始信号源以上行子帧和下行子帧为单位，上行子帧与下行子帧分别经过下变频器后变为基带信号，将基带信号复合成帧再通过成型滤波器，输出到Matlab接口。仿真生成的数据导入Matlab软件分析最终输出的信号。TD-LTE原始信号源主要设置参数见表1。根据上述参数设置，仿真TD-LTE理想基带信号如图3所示。

表1 信号源主要设置参数

图3 TD-LTE理想基带信号

为了判断更准确，可以将DwPTS与UpPTS(上行导频时间)的位置与帧结构理论位置进行比较。为简化起见，本文仅比较半帧0中的UpPTS的位置，将图3的UpPTS的始末位置放大，得到图4。

UpPTS的理论位置为59248—61440码元，由图4可以看出，理想基带信号源输出的UpPTS的位置正是在这段码元上。用同样的方法可以对信号源其他位置与理论位置进行比较，比较结果也是一致的。因此TD-LTE理想基带信号源的数据位置与理论帧结构位置一致。

图4 放大后的UpPTS始末位置

2.2 基于ADS的3D DOD-DOA信道建模

与文献[5]一样，本文基于自回归(autoregressive，AR)滤波法[9-10]，在ADS软件中建模3D信道，不同点在于本文采用了球体DOD-DOA模型。

2.2.1 ADS中的信道模块建模

根据文献[9]，在信道自相关函数已知的情况下，首先通过Yule-Walker方程估算AR过程的系数和高斯噪声方差，然后将实部与虚部相互独立的高斯噪声通过AR过程滤波，即可以得到符合实际通信环境的信道系数。ADS信道设计图见图5。图5中，用RecToCx模块将2个实高斯噪声模块复合成复数高斯噪声模块，通过IIR滤波器，将滤波后的数据再通过延时模块、衰减模块，最后通过Matlab接口输出到Matlab软件进行分析。不失一般性，图5设计的衰落信道为3路径，每个路径都包含对应的延时和衰减因子，其中衰减因子由功率延时包络(power envelope delay，PDP)计算得到。假设路径1的衰减因子为A，路径2的衰减因子为B，路径3的衰减因子为C，则必须使A、B、C满足A2+B2+C2=1，其中A2为路径1的功率，B2为路径2的功率，C2为路径3的功率。图5的信道模块可以推广到一般的多径信道。

2.2.2 3D 球体DOD-DOA信道

3D DOD-DOA球体模型如图6所示。散射体分布在半径为R的半球体中，以球体底面中心为原点，散射体的笛卡尔坐标为(x,y,z)，柱面坐标为(ρ,φ,z)，球面坐标为(rm,φm,θm)；散射体相对于MS的笛卡尔坐标为(xm,ym,zm)，柱面坐标为(ρm,φm,zm)，球面坐标为(rm,φm,θm)。基站高度为H，基站与移动台到散直角坐标为(xb,yb,zb)，柱面坐标为(ρb,φb,zb), 球面坐标为(rb,φb,θb)。在xy平面内，轴长均为a，在xz平面内，轴长射区域中心的距离分别为D1和D2。为了简化分析，本文假设3D DOD-DOA球体信道模型内的散射体服从体积均匀分布，概率密度函数为

(1)

其他散射体分布的推导可类似于本文进行。根据式(1)，散射体相对于移动台的联合概率密度函数为

(2)

对rm积分，得到φm与βm的联合概率密度函数p(φm,βm)(见式(3))。把式(3)代入通用自相关函数计算式(见式(4))，可以计算得到散射体均匀分布时的自相关函数(Ruu(τ)见式(5)。

图5 ADS信道设计图

图6 球体DOD-DOA信道模型

(3)

(4)

(5)

式(4)和式(5)中fd为归一化最大多普勒频移，τ为时延。

针对上述自相关函数针对不同的τ作数值计算，得到自相关函数序列，并应用文献[9]的方法得到AR滤波器系数和高斯白噪声方差。最后将系数填入图5中的IIR滤波器模块，最终产生的随机信号即为符合DOD-DOA衰落信道的随机信号。具体的计算过程不再赘述，下面仅给出典型计算结果。

(1) DOD-DOA信道的AR滤波器。设置参数D1=500 m，R=200 m，归一化最大多普勒频移fd=0.05，γ=0，计算出AR(100) 过程的系数如表2所示。

表2DOD-DOA球体信道AR_parameters

-0.94060.06710.0072-0.0258-0.0109-0.44600.0574-0.0066-0.0210-0.0041-0.10310.0366-0.0251-0.00240.00070.09570.0100-0.0297-0.02760.00820.1890-0.0077-0.0328-0.02050.02350.2049-0.0203-0.0313-0.00690.01840.1730-0.0389-0.02580.00500.01550.1070-0.0490-0.01710.01410.00410.0262-0.0469-0.00680.02030.0021-0.0272-0.04500.00400.0228-0.0023-0.0706-0.03970.01590.0217-0.0071-0.0945-0.01480.00980.0208-0.0106-0.10220.00300.03050.0135-0.0076-0.09070.01910.0334-0.0115-0.0124-0.06500.03110.0269-0.0023-0.0065-0.03160.03830.0184-0.0047-0.0075-0.00010.03970.0087-0.01240.00740.03530.0360-0.0012-0.01710.01230.05610.0278-0.0102-0.01810.01420.07640.0136-0.0173-0.0159-0.0078

(2) 信道仿真结果。将表2的AR系数值以及高斯噪声方差值输入到ADS信道模块中，高斯噪声模块均值设为0、方差设为0.00260568062659/2，IIR滤波器分子系数为1、分母系数设置为{1,AR_parameters}。为了验证设计的ADS衰落信道模型的正确性，仿真长度为10 000个码元，得到DOD-DOA衰落信道的统计特性见图7—图9，图8中ACF为自相关函数，图9中PSD为功率密度。

图7 衰落信道包络

图8 自相关仿真与理论对比图

图9 功率谱密度仿真与理论对比图

从以上仿真统计特性图可以看出，ADS软件设计的DOD-DOA球体信道的仿真统计特性与理论统计特性基本一致。

3 信号源测试

3.1 基带信号测试

根据上述的ADS信道实现，分别将理想基带信号源加入球体DOD-DOA信道并仿真基带衰弱信号。

图10表示理想基带信号源经过 DOD-DOA衰弱信道。图10从上到下分别为TD-LTE理想基带信号、衰弱信道信号以及基带衰弱信号波形图。从图中可以看出TD-LTE 理想基带信号经过衰弱信道后的幅度有时增加有时减少，符合信道特性。

图10 基带信号源测试结果

3.2 物理信号测试

ADS软件里设计的TD-LTE理想基带信号与基带衰弱信号，经Matlab验证正确后，根据软件与硬件结合、软件控制硬件的思想，将理想基带信号、基带衰弱信号分别传输到矢量信号发生器中，生成所需的物理信号。

矢量信号发生器采用安捷伦公司的E4432B[11-12]，并用USB/GPIB连接线将其同计算机相连。在ADS软件中设计的信号源终端接E443XB模块，此模块需要设置的参数包括载波频率、采样时钟、起始时间和结束时间等。载波频率设置为2 500 MHz，采样时钟设置为15.36 MHz(对应10 MHz系统带宽)。

将E4432B射频输出端口通过射频线接到频谱分析仪上(安捷伦公司E4404B[13])，在频谱分析仪上观察信号频谱，见图11和图12，可判断信号正确性。从图11看出，载波频率为2 500 MHz，X轴Span为20 MHz，每格2 MHz，频谱宽度在X轴上的跨度近似5格，约为10 MHz，与本文设置的TD-LTE带宽一致。从图12可看到，当理想基带信号源加入衰弱信道模块后，频谱宽度稍有增加，幅度有起伏，信号衰减明显。

图11 TD-LTE理想基带信号频谱

图12 理想基带信号经过3D DOD-DOA信道后的频谱

4 总结

TD-LTE信号源对LTE技术的研发与调试起着十分重要的作用，基于结合软硬件设计的TD-LTE实验信号源只需要一台矢量信号源，便能通过设计信道获得多种制式的通信信号，从而形成一种通用的信号源，设计灵活，能降低研究成本，具有广阔的市场前景。

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Design of TD -LTE experimental signal source with combination of software and hardware

Jiang Shengyuan1, Hua Jingyu1, Xu Zhijiang2, Lu Weidang1, Li Feng2

(1. College of Information Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China; 2. Zhejiang Provincial Key Laboratory of Applied Research on Communication Network Technology, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China)

A method for designing the flexible and low-cost TD -LTE signal source is proposed. This method uses the Agilent ADS software to design TD -LTE ideal base-band signal, and a base-band fading signal is generated by the 3D fading channel which is similarly modeled by the ADS. Both DOD (direction of departure) and DOA (direction of arrival) are taken into account for the 3D fading channel modeling. Then, the ADS software controls the existing vector signal generator in the laboratory through the GPIB interface to produce the TD -LTE radio frequency signal，which can be used for the experimental teaching of mobile communication and the test of TD -LTE equipment. Finally, the designed TD -LTE signal source is verified by adopting the methods of the Matlab data analysis and the spectrum analyzer measurement, and the results show that the desired target is achieved.

signal source; TD -LTE; ADS; DOD-DOA

TN791

A

1002-4956(2017)10-0088-06

10.16791/j.cnki.sjg.2017.10.023

2017-04-06

国家自然科学基金项目(61471322)

姜胜园(1992—)，女，浙江余姚，硕士研究生，研究方向为无线通信

E-mail：654359607@qq.com

华惊宇(1978—)，男，浙江杭州，博士，教授，研究方向为无线通信.

E-mail：eehjy@zjut.edu.cn