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一種移動通信信道模擬器的設計與實現
摘要：介紹了一種實時模擬移動信道基本特性（如瑞利衰落、多徑傳播、電波傳播路徑損耗、多普勒頻移等）的信道模擬器的研制方法，包括模擬器數字原理及其實現方案。本模擬器的衰落率在8～80Hz內可調，模擬衰落深度超過20dB，最大多徑時延為10.2μs。關鍵詞：信道模擬 多徑傳播 瑞利衰落 時延
1 移動移動通信信道模擬器研制背景
移動通信是近年來發展十分迅速的通信方式，在陸地移動通信系統中，由于移動臺所處區域地形復雜，加上移動臺本身的運動，使接收到的信號其包絡和相位隨機變化。
為了評價移動通信設備的性能，需要在實際通信環境中進行反復實驗，這必將耗費大量人力物力。為了縮短研制周期，節省研制費用，在移動通信設備的研制過程中，廣泛采用了各種信道模擬器。
本文介紹了一種針對信號頻率為70MHz、基站天線高度為18m的移動通信信道的模擬器。該模擬器可以模擬移動通信信道的主要特點，如瑞利衰落（Rayleigh fading）、多徑傳播、電池傳播路徑損耗、多普勒頻移等。
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2 移動通信信道模擬器的研制依據
2.1 瑞利衰落
陸地移動通信由于受地形、環境等因素的影響，其衰落機理是非常復雜的。但在移動通信信道模擬器模擬的眾多信道參數中，呈頻率選擇性的瑞利衰落占主要地位。即實現信號包絡的瑞利分布和相位的均勻分布是信道模擬的核心。
2.1.1 實現瑞利衰落的數學原理
設一個隨機過程ξ(t)可以表示為：
式（1）中ξc(t)與ξs(t)分別為ξ(t)的同相分量和正交分量。
可以證明：一個均值為零的窄帶平穩高斯過程，其同相分量ξc(t) 和正交分量ξs(t)同樣是平穩高斯過程，且均值都為零，方差也相同。另外，在同一時刻得到的ξc(t)與ξs(t)是不相關或統計獨立。還可以證明：一個均值為零，方差為σ2ξ的平穩高斯窄帶過程，其包絡的一維分布服從瑞利分布，其相位的一維分布服從均勻分布，并且就一維分布而言，兩者是統計獨立的。
綜上所述，一個均值為零的平穩高斯窄帶過程，其包絡的一維分布服從瑞利分布，其相位服從均勻分布，且兩者是統計獨立的。同時，一個均值為零的窄帶平穩高斯過程也可由兩個同為平穩高斯過程的同相分量和正交分量合成。
2.1.2 單徑瑞利衰落
設單徑衰落信道輸入為：
式（2）中A(t)和θ(t)分別為頻率ωc的載波信號的實際幅度調制和相位調制。用X(t)和Y(t)兩個相互獨立而分布相同的高斯隨機變量調制，輸出信號So(t)可以表示為：
于是隨機包絡R(t)是瑞利分布，隨機相位φ(t)在0～2л范圍內均勻分布。
由上面的推導可以看出：對輸入信號進行正交調制，即為單徑無頻率選擇性瑞利衰落模擬，可實現輸入信號的振幅和相位按要求隨機干擾，從而實現（3）式所示的數學模型。
2.1.3 多徑瑞利衰落
為了簡化分析，設輸入為一單頻正弦信號
經多徑傳輸，輸出為：
式（7）中：αi為幅主加權系數，τi是時延，φi是隨機相位，N是徑數。
在僅有二徑的情況下，輸出幅度為：
即二徑存在時延差，△τ≠0，合成信號場強隨頻率ω變化。在實際移動通信信道中，由于多徑傳輸，各徑時延不同，相對時延差也就不同，從而造成頻率選擇性衰落。
2.2 多徑傳播
2.2.1 多徑傳播徑數選擇
在移動通信中，存在兩個以上的散射體時，接收信號必存在頻率選擇性衰落。本模擬器使用三徑，即能產生三路互相獨立的衰落，以便較真實地模擬實際通信環境。
2.2.2 多徑傳播時延值的確定
典型的實測多徑時延最大值為20μs[1]，國內測試結果為15μs，而均方根時延在10μs左右[1，2，3]。本方案采用多種延時靈活選擇以便接受實際信道的均方根時延�？傃訒r最小為0.2μs，最大為10.2μs，且包含一直達通路（延時為0）。
2.3 電波傳播路徑損耗的確定
目前人們對陸地移動通信傳播路徑損耗預測一般都使用奧村經驗模型。但是奧村模型適用范圍為：頻率100MHz～1500MHz，基站天線高度30m～200m，移動臺天線高度1m～10m，傳輸距離1km～20km。而研制的模擬器所針對信號頻率為70MHz，基站天線高度為18m。這與奧村模型適用范圍不符，故該模型不能直接應用于本方案。
美籍華裔通信專家李建業先生提出了電波傳播預測的Lee模型。該模型不對基站天線高度作具體限制，其思路是先求得區域與區域之間的信號傳輸損耗，再求得具體地點點到點之間的傳輸損耗。
由于本模擬器模擬的是一般環境下的典型路徑損耗，不需精確模擬特定到某地區的點到點傳輸。所以Lee模型的區-區電波損耗計算適用于模擬方案，不需再作誤差修正。
用Lee模型計算傳播損耗需預先知道各環境下傳播距離1英里（或1km）處的確定損耗值。而模擬器模擬的是一般環境，不必一一實地測量，故先用奧村模型計算一般環境下傳達室播距離1km處的典型值，再轉換運用于Lee模型中。也就是說，所研制的模擬器綜合運用奧村模型和Lee模型計算電波傳播損耗。
具體傳播損耗量如表1所示。
表1 電波傳播的路徑損耗
2.4 多普勒頻移
在移動通信中，多普勒頻移是普遍存在的現象，
fd=v/λ (9)
式（9）中v是移動臺速度，λ為信號的波長。對于一個信道路徑在方位上均勻分布的實際信道而言，射頻率譜的形狀為：
式（10）中ωd是移動臺運動產生的最大多普勒頻移對應的角頻率，即：
為了產生這個頻譜，用來調制的高斯噪聲必須有低通頻譜，如式（12）所示：
3 信道模擬器的實現方法
由前面的論述可知，本移動通信信道模擬器的主要功能是瑞利衰落、多徑傳播、電波傳播路徑損耗、多普勒頻移等。
3.1 瑞利衰落的實現方法
根據式（1）可知，瑞利衰落的實現方法是將輸入信號用兩種不相關的低頻高斯噪聲正交調制模擬包絡呈瑞利分布、相位呈均勻分布的瑞利衰落，輸出信號的功能譜由低頻高斯噪聲的頻譜決定。多徑瑞利衰落可以由單徑瑞利衰落經延時后合成。
3.1.1 低頻高斯噪聲的產生
由式（10）確定的帶通高斯過程頻譜如圖1所示。
對應的低通高斯過程頻譜如圖2所示。
考慮到式（12）表示的濾波器頻響不是有理分式，無法直接構造，只能采用數字逼近的方法。由參考文獻[2]可知，所需濾波器的頻響應為：
H(s)=1/[(0.897s 2+0.31s+1)(0.897s 2+0.31s+1)(0.31s+1)]
圖3顯示了H(s)的頻響與理想濾波器的頻響區別。
將上述模擬濾波器進行交換，得到對應的FIR濾波器抽頭系數。
使用MATLAB軟件生成高斯白噪聲，將這個白噪聲輸入上面FIR濾波器，濾波器輸出即為所需要的窄帶高斯過程。
將該窄帶高斯過程輸出置DA，經平沒濾波、放大、阻抗匹配，輸入下一級處理。
3.1.2 正交調制的實現
實現正交調制的方法有多種，本移動信道模擬器實現正交調制方法采Mini公司的I/Q調制器。其結構如圖4所示。
3.2 多徑傳播的實現
為了實現對多徑傳播的模擬，采用了Mini公司的功率分配器（簡稱功分器），將輸入信號進行分路。首先對輸入信號進行二路功率分配：一路模擬直達通道；另一路再進行三路功率分配，經這不同延時及窄帶高斯正交調制，再進行功率合成，輸出信號模擬多徑傳播。
在本信道模擬器中，傳播路徑的選擇、延時選擇通過控制模擬開關進行。
3.3 模擬路徑損耗的實現
為了模擬傳播的路徑損耗，本信道模擬器選用固定衰減器與數控衰減器進行組合控制實現。實現衰減量控制的依據是表1。
3.5 多普勒頻移的實現方法
由3.1的結論可知，多普勒頻移可以通過控制窄帶高斯過程的頻譜實現。在本模擬器中，通過改變窄帶高斯過程的DA轉換速率可以實現對窄帶高斯過程的頻譜控制，從而實現多普勒頻移的模擬。
3.6 系統控制及人機界面的實現
系統控制采用基于單片機AT89C52的嵌入式操作系統，可實現對數據控衰減器、模擬開關等的控制，通過對鍵盤、液晶習實現良好的人機界面。
4 結論
4.1 總體介紹
本信道模擬器的總體結構如圖5所示。
信號輸入后，分成兩路：一路作為直達支路；另一路經延時后，又被分成兩路，其中一路用I/Q調制器調制上兩路相經獨立的低頻高斯噪聲，其輸出的信號包絡呈瑞利分布，相位呈均勻分布，由此實現了單徑無頻率選擇性的瑞利衰落；另一路送到下一個延時單元，重要上述過程。各種I/Q調制器輸出在合路器相加，其輸出信號幅度包絡呈瑞利分布，相位呈均勻分布。加上最初的直達信號，還可模擬萊斯信道。模擬實際路徑損耗通過控制數控衰減器實現。在直達和延時路徑中，分別疊加上可調白噪聲，以實現輸出信噪比可調。
4.2 功能指標
4.3 主要指標測試方法說明
4.3.1 瑞利衰落測試方法
用TEKTRONIX示波器TDS3052觀察模擬器輸出波形，如圖6所示，可見其包絡呈瑞利分布。
4.3.2 衰落波形相位分布測試方法
用Lecroy公司的LC584A示波器測試李沙育圖形，圖7為該存儲示波器積累10s光點掃描的圖像。該圖用兩路相互正交的低頻高斯噪聲分別控制示波器水平和垂直偏轉得到。因為噪聲的偏轉控制呈90°相對取向，所形成的顯示圖與此模擬器輸出的瑞利衰落信號的隨機可變向量的極坐標是等效的。圖7中關于原點的任意固定半徑圓弧上，光點強度的均勻性表明相位是均勻分布的。
4.3.3 其它指標測試方法
本文介紹了一種移動通信信道模擬器的設計與實現。本模擬器中，信號在I/Q調制器中調制上低頻高斯噪聲模擬實際信道中的瑞利分布。低頻高斯噪聲數據采用數字方法及Matlab軟件產生并存放在EPROM中。模擬器工作時改變取數速率便能使噪聲頻率可調，并綜合運用奧村模型和Lee模型計算電波路徑傳播損耗。經過實際測試，本模擬器的各項指標均能達到或超過技術指標的要求。目前，本模擬器已投入實際應用。
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