无线信道模拟器的研究与设计

赖琮霖

（中国电信股份有限公司广东研究院，广东 广州 510630）

1 无线通信技术发展概述

近年，无线通信技术在蓬勃发展。任何一种新的无线通信技术都需要在实际的信道中测试验证通过后方可商用。而目前，随着许多频段陆续商用，实地的信道测试会对正常通行用户造成干扰。取而代之的则是采用计算机仿真验证的形式，其实现方式简单、容易监测，被广泛采用，但其仿真速度往往与计算机性能有很大关系，并且存在计算机与实际设备的兼容性等问题。无线信道模拟器的出现可以弥补计算机仿真的不足，将信道模型从计算机上转移到可编程芯片上，利用高速的FPGA芯片实现并行高速仿真，界面友好可观，调试方便。

2 信道模型

通常多径信道采用延时抽头结构模型，多条单路径衰落经过相对时延求和，得到总的信道响应[1-4]，即：

式（1）中s(t)是输入信号，h(t)是信道冲击响应Al(t)表示幅度响应，φl(t)表示相位响应，τl是第l路的时延，共L条路径。

每条单路径信道选用通信信道中常见的瑞利衰落信道，其特点是瑞利概率分布的包络和均匀分布的相位。单路径衰落信道建模为窄带随机过程，一般有3种建模方法：（1）时域滤波法；（2）频域变换法；（3）Jakes算法。方法1适合多普勒频率、滤波器带宽较窄的衰落信道建模，但其利用到时域卷积，计算量大；方法2将时域卷积转换到频域相乘，比方法1降低了复杂度，但是其不适合窄带、多普勒频移较小的情形。方法3最为理想，也是本文所采用的，可以对任意多普勒频移的情形进行建模[1-4]。

4路路径Jakes信道模型如图1所示[5-9]。

Jakes提出如下的Rayleigh衰落信道仿真模型[1-4]。

图1 多径瑞利衰落信道系统模型

式中hI(t),hQ(t)分别为同向与正交路，M为路径数，N=4×M+2，an,bn为第n路的路径增益，fn为第n路频率。为符合广义平稳要求，得到改进模型[1-4]：

式中θ，φ，ψn是[-π,π)上独立同分布的均匀随机变量。Jakes模型可采用I/Q 正交调制器的实现方法[5-9]，如图2所示。

随机数是产生高斯噪声源的前提，Matlab可以利用函数randn，而基于FPGA的设计只能利用伪随机信号替代。当伪随机信号样本越接近无穷大，它便越接近完全的随机信号。高斯噪声源的产生方法一般有如下几种：平方取和法、查表发、物理法等，本研究采用线性同余法[10]。分为两步：

图2 单径瑞利衰落器模块

产生(0,1)之间均匀分布的随机数，公式如下：

其中ni+1是分布在（0,1）间的均匀分布随机数，a为常数，c是一个增量不断变化，m是一个模数，初值x0可为任意非负整数。

变换为高斯分布随机数，如式（10）所示。

得到幅度随高斯分布的随机序列输出zi。文献[9]将求得的随机序列乘上a*m，使得高斯随机数的均值等于0，方差为(a*m)2，同时考虑了路径本身产生的衰落因子a。获得的随机序列通过低通滤波器，产生固定频段内的高斯噪声。低通滤波器的作用是产生落在固定频段内的高斯噪声，时域利用平衡调制器将信号源和噪声相乘，将噪声加载到信号源上。频域相卷，频率展宽，从而仿真出具有多普勒现象的环境。滤波器的截止频率由移动体的移动平均速度v和信号源的载波频率f0（事实上是载波波长λ0）决定。移动台运动产生的最大多普勒频移fm，即低通滤波器的截止频率由如下式（11）得到：

单径瑞利衰落系统中平衡调制器利用乘法器实现，合成器利用加法器实现，90度相移利用积分器，将cos转化为sin。

3 模块设计

本设计采用Altera的Cyclone1代芯片EP1C6Q240C8的基本配置，50 MHz频率的晶振，一上电就可以工作，可以支持在线测试。芯片有5 980个LEs（逻辑单元），92160比特的随机存取存储器（Random Access Memory，RAM），2个相同步逻辑（Phase Locked Logic，PLL），共有185个引脚。

文献[11—14]综合给出了一种基于模型的设计方法，大大提高研究开发的效率。延时信息和衰减系数会随着仿真环境的不同而不同，由配置文件产生。根据无线信道数学模型布局Simulink block，然后利用编译工具DSP Builder将Simulink模块图转换成对应的HDL代码，再用综合工具将HDL代码建立出工程文件，调用HIL模块将工程文件放入其中，下载现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）板，形成硬件模型，如图3—4所示。

图3 无线信道模拟器系统流程

图4 基于FPGA+Simulink整机模块

输入信号由Simulink产生，本设计输入采用调幅波（Amplitude Modulation，AM），利用Simulink工具完成布局设计和在线测试。

4 仿真流程与结果

4.1 仿真流程

根据图2的信道模型与式(8—11)编写仿真代码。对4种环境（乡村、典型市区、恶劣地区、山区）进行仿真[4]，时延扩展。

经计算得4个环境中的相干带宽，按顺序分别是1 070 kHz，112 kHz，65 kHz，754 kHz。对于基带带宽为100 kHz，理论上只有恶劣地区环境会发生频率选择性衰落，而乡村地形、典型市区和山区地形则没有明显的变化。

4.2 瑞利衰落信道Matlab仿真结果

瑞利衰落信道Matlab仿真结果如图5所示。

Matlab仿真结果显示典型市区和恶劣地区发生了频率选择性衰落，频谱图内中心频率两边频带有不同程度的衰减，其中恶劣地区更为严重。对应时间域上，都导致了一定码间干扰。山区环境和乡村环境由于相干带宽远大于信号基带带宽，并没有发生严重的频率选择性衰落。

5 基于FPGA的瑞利衰落信道仿真结果

选择典型市区地形，其相干带宽为112 kHz。设置载波为5 MHz的AM波，输入信号频率是100 kHz。

如图6所示，当调制频率在100 kHz的时候，此时带宽比较接近于相干带宽（112 kHz），有个别频率发生了失真，呈现出无线信道对不同频率的衰减不同。在时域上表现为AM波的码间发生混叠。结果与Matlab仿真的典型市区近似。

6 结语

针对目前业界对高效的无线通信系统测试的要求，本文采用模型设计方法，研究设计一种基于FPGA和Simulink技术的无线信道模拟器。FPGA芯片的并行处理方便快捷，Simulink界面友好适合推广。与计算机仿真作对比，方案可以近似无误差地模拟无线信道模型，而且更为高效。本文工作说明了在FPGA上模拟无线信道是有效可行的。

图5 发射信号调制频率在100 kHz时，接收信号时域图与频域图

图6 市区地形调制频率100 kHz：发射与接收波形，发送信号频谱，接收信号频谱

[参考文献]

[1]吴伟陵，牛凯.移动通信原理[M].2版.北京：电子工业出版社，2010.

[2]兰帕特.无线通信原理与应用[M].2版.周文安，译.北京：电子工业出版社，2006.

[3]周炯槃，庞沁华，续大我，等.通信原理[M].3版.北京：北京邮电大学出版社，2008.

[4]李建东，郭梯云，邬国扬.移动通信[M].4版.西安：西安电子科技大学出版社，2007.

[5]吴国杭，刘敬涛.信道模拟器的设计与FPGA实现[J].今日电子，2003（11）：19-21.

[6]胡圣领.基于FPGA的无线信道模拟器设计[J].现代电子技术，2012（5）：108-109.

[7]高岩，李永会，张其善.基于FPGA的移动通信衰落信道的建模与实现[J].北京航空航天大学学报，2000（4）：377-380.

[8]陈星宇，安建平，叶佩军.一种移动通信信道模拟器的设计与实现[J].无线电工程，2002（2）：23-26.

[9]罗翔，于宏毅.移动通信信道仿真器的FPGA设计与实现[J].信息工程大学学报，2003（3）：30-33.

[10]夏阳，范红旗，卢再奇，等.3种高斯随机序列的FPGA实现分析[J].现代电子技术，2011（17）：10-14.

[11]刘杰.基于模型的设计Qsys篇[M].北京：机械工业出版社，2012.

[12]刘学勇.详解Matlab/Simulink通信系统建模与仿真[M].北京：电子工业出版社，2011.

[13]李颖，薛海斌，朱伯立，等.Simulink 动态系统建模与仿真[M].3版.西安：西安电子科技大学出版社，2009.

[14]徐向民，邢晓芬.数字系统设计及VHDL实践[M].北京：机械工业出版社，2007.