采用數字信號處理技術模擬信道的一種方法

程巍

（中興通訊股份有限公司西安研究所 陜西 西安 710114）

無線通信作為通信領域的重要組成部分，現在已經得到越來越廣泛的應用。特別是隨著數字信號處理技術的不斷發展，以及智能移動終端概念的出現，無線通信與人們的日常生活越來越緊密；因此，各廠商都加大了對無線通信研發的投入，無線通信產品層出不窮。

由于無線通信自身的特點使得在無線通信設備研制過程中，需要在外場的實際通信環境中進行反復實驗和驗證，才能保證產品的性能和質量。眾所周知，在外場實驗中，需要投入大量的人力和物力，而且問題的解決和重現難度很大；因此，要保證研制周期，也是件很困難的事情[1]。

為了克服外場實驗所帶來的不利因素，在無線通信設備的研制過程中，信道模擬器得到越來越廣泛的應用。本文就是針對信道模擬器的研制而提出的一種基于數字信號處理的實現方法。通過數字信號處理這種方法，可以較為精確地模擬信號的衰減、時延和多普勒頻移等無線信道特征，而且與目前常用的延時器方法，本文所提到的方法更能有效地節省處理器資源。

1 信道模型

與有線信道不同，無線信道除了直射波外，還會由于反射、散射和衍射等現象的存在，信號會沿著不同的路徑和方向到達接收端，此時接收到的信號會產生時延擴展現象；另外當接收機處理于移動狀態時，各條徑的信號也會產生不同程度的多普勒頻移，從而使信號產生頻域彌散的現象[2]。

因此，基于多徑信道模型，并考慮到信道響應的時變性，無線移動信道的二維沖激響應函數可以表示為：

式（1）中，ak、τk、φk、fk分別為第 k 條徑的衰落因子、時延、相位和多普勒頻偏，L為路徑數。

令輸入信號（發射信號）為 x（t）ej2πfct，fc為載波頻率，則輸出信號（接收信號）y（t）為輸入信號與信道沖擊響應的線性卷積，如式（2）所示：

式（2）中，fc為輸入信號的載波頻率。

由此可以看出，無線信道中的各條徑彼此之間相互獨立，多徑信道就是將各條路徑的信號進行衰減、時延以及多普勒頻移，再將各條路徑信號進行疊加而成[4]。

2 信道模擬器設計思路

一般在無線通信中，載波頻率都很高，直接對該頻點的信號進行數字處理，是無法實現的。因此，對輸入信號首先進行下變頻處理，得到基帶信號，經過AD轉換得到采樣信號進行數字處理，來生產多徑信號，接收再由DA轉換生成模擬信號，最后經過上變頻生成輸出信號[3]。

圖1給出信道模擬器通道系統框圖。

圖1 信道模擬器通道系統框圖Fig.1 Channel simulator system frame

圖1中，給出一個通道的信號處理過程。其中，下變頻和上變頻模擬信號的處理部分，采用一般的處理方法即可，文中不做闡述。

AD模數轉換器的選擇，要根據信道模擬器對信號帶寬的設計要求而定，通過奈奎斯特（Nyquist）采樣定理，即 fs＞2f，AD的采樣率至少保證是信號帶寬的兩倍；同時還要根據系統的精度要求選擇合適的位數[5]。

由于模數轉換器AD位數的限制，12位的情況下，衰減范圍大約在60 dB左右。可采用在模擬端增加數控衰減器的方法來增加衰減范圍。但是隨之而來也增加了實現的復雜度。

3 信道模擬數字處理的設計

信道模擬主要是通過數字信號處理過程實現的，圖2給出信道模擬數字處理部分的系統框圖。

圖2 信道模擬數字處理部分的系統框圖Fig.2 Digital processing of channel simulator system frame

如圖2所示，在信道模擬數字處理中，首先由插值濾波器對基帶輸入信號進行插值，由源數據隊列進行暫存，同時信道模型運算單元將運算完成的信道參數 （如衰減因子、延時、多普勒頻偏等）存放到信道參數緩沖區；信道模擬運算單元獲取輸入信號、信道參數和WGN進行運算，再送入到降采樣濾波器，最后輸出基帶信號。

另外，維護系統、信道配置系統和監控系統是后臺用戶接口，可對設備進行維護（如系統升級、校準補償等）、信道配置、運行狀態監測控制等，可根據實際情況和需求進行設計，這里不再進行闡述。插值濾波器和降采樣濾波器資料比較多，這里也不再進行說明，但原則上是產生的系統時延越小越好。

下面分別對其他各部分進行說明。

源數據隊列的主要功能是對插值后的基帶數據進行緩沖，采用雙口RAM實現。為了提高系統對時延的支持能力和分辨率，原則上隊列容量越大越好。以5 μs時延、1 ns分辨率和12位數模數為例:（5 000÷1）×2=10 000字節。可以看出，通過加大雙口RAM的容量可以模擬更長的路徑時延，而不需要占用處理器的資源。

信道模型運算單元對所配置的模型進行運算，生成衰減因子、時延和多普勒頻偏等信道參數，放入信道參數緩沖區。由于信道模型運算量大，采用DSP高速處理器+FPGA進行主要運算單元，并對信道模型運行進行優化，視具體支持的信道模型而定[6]。

信道參數緩沖區主要是存放計算生成的信道參數。該緩沖區分兩塊，采用乒乓機制，每塊緩沖區空間大小根據數據處理速度進行計算。

信道模擬運算單元由一系列運行單元構成，其結構框圖如圖3所示。

圖3 信道模擬運算單元結構框圖Fig.3 Channel simulator operating unit fram

圖3中，每個運算單元負責計算一條路徑的信道，運算單元的個數也就是所支持路徑數，每個運算單元相互獨立，且并行計算（減小系統時延），求和后得到輸出結果。其中，每個運算單元根據時延參數從輸入信號獲取信號數據。另外，每個運算單元可以根據實際的路徑數按需配置。

以上給出了信道模擬數字處理的總體設計思路，具體實現細節需要考慮的內容很多，如時鐘同步系統、定點精度、算法優化等等。最好在做實現的設計之前，對系統方案進行仿真，作為實現設計的參考依據。

4 結 論

數字信號處理方法實現方法靈活，特別是能夠產生精確的時延，可以對多徑信道模型進行模擬，給無線通信的研發人員帶來極大的便利；采用數字信號處理的方法是無線信道模擬的發展方向，隨著硬件技術的不斷升級，可以模擬越來越復雜的信道模型。

相比通過延時器模擬多徑的實現方法，文中所采用的方法器件要求更低的情況下可以模擬更長的時延和路徑數。

但這種方法目前也會引入較大的系統時延，一般在2 μs左右，在某些特定的應用場景下，會帶來一些不便。

[1]JAKES W C.Microwave mobile communications[M].New York:Wiley-Interscience，1974.

[2]李子，蔡躍明.Rayleigh衰落信道的衰落仿真模型[J].解放軍理工大學學報:自然科學版，2004，5（2）:1-8.LI Zi，CAI Yue-ming.Rayleigh fading channel simulation model[J].Journal of PLA University of Science and Technology，2004，5（2）:1-8.

[3]Pop M F，Beaulieu N C.Limitations of sum-of-sinusoids fading channel simulators[J].IEEE TRANS.ON COMMU.，2001，49（4）:699-798.

[4]楊大成.移動傳播環境[M].北京：機械工業出版社，2003.

[5]Hochwald B M， Marzetta T L.Unitary space-time modulation for multiple-antenna communications in rayleigh flat fading[C]//IEEE Trans on IT，2000，46（2）:543-563.

[6]Kermoal J P，Schumacher L，Pedersen K I，et al.A stochastic MIMO radio channel model with experimental validation[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications， 2002，20（6）:1211-1226.