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信息技术论文:微型短波信道模拟器的设计与测试

来源:未知 2020-11-24 09:52

摘要:

  短波信道论文是一个特性复杂的时变信道,包括多径效应、多普勒效应及空间传播损耗等。与此同时,也包含了自然状况下和人为操作中的多种噪音。短波通信设备的外场实测跨地域、

  信息技术论文:微型短波信道模拟器的设计与测试

  0 引言

  短波信道论文是一个特性复杂的时变信道,包括多径效应、多普勒效应及空间传播损耗等。与此同时,也包含了自然状况下和人为操作中的多种噪音。短波通信设备的外场实测跨地域、成本高、周期长,难以保证相同的测试条件。而高效的短波信道模拟器,能配置信道场景,方便同一信道环境下重复评测设备功能的有效性,加快通信系统上市。

  目前,我国生产的短波信道模拟器功能较为单一,较为低端,主要为单一频段的电台,因此在多频段、多电台的信道模拟的过程中达不到要求。而国外生产的高端短波信道模拟器,为巨额消费且所占空间庞大。主流信道模拟器主要针对地面移动通信,如罗德施瓦茨、是德、思博伦等。

  短波通信一般带宽较小,最新480MHz主频的MCU完全有运算能力完成信道模拟计算。本文给出具体硬件设计方案,以及关键步骤的实现方法,完成了一种低成本、微型化的全新的短波信道模拟器方案。本信道模拟器中主要包括了可以支持宽频以及高动态信号输入等特征,可以实现常规状态中的短波信道模拟,同时也可实现定制参数输入的信道模拟,用户在实际的信道模拟的需求下,配置所需信道参数进行信道模拟和通信测试。

  本设计相对国内的相关研究现状和产品指标,取得指标如下:1)达到0.01-20ms的路径时延范围、时延分辨率精确至0.2

  ;2)能实现最大1000Hz的多普勒频移和最大500Hz的多普勒扩展;3)采用正交混频器加本地振荡器的硬件设计实现正交上/下变频(0-30MHz的射频输入);4)实现20

  20cm的小型化硬件设计。

  1信道模型介绍

  1.1 ITS信道模型

  无线信号在通过电离层传输之后,出现多径时延、多普勒频移和多普勒扩展的现象,(也就是时间色散及频率色散)。在ITS(Institute for Telecommunication Sciences)信道模型中用下面的脉冲向应函数来描述[1]:

  (1)

  式中,

  表示路径数;

  表示时延功率函数,该函数服从Gamma分布;

  表示确定性相位函数,描述了多普勒频移;

  表示随机调制函数,表示多普勒的展宽,包括Gaussian和Lorentzian两种[2]。针对国内中纬度天波环境,本文选用Gaussian方式。

  在本设计中,运用延时抽头线结构(Time Delay Line,TDL)表示路径受到频率选择性衰落后的不同时延信号分量,由此可以发现短波电离层信道不同时延分量之间不存在相关性,没有必然的关系[3]。模型中的时变冲激响应为:

  (2)

  图1中,L为时延个数,

  表示时延差,实数

  表示时延

  的抽头增益。时延

  和增益

  分别与ITS模型时延功率函数相对应,表示了信号频率选择性衰落的特性;复高斯随机过程

  为ITS模型的随机调制函数,表示信道多普勒扩展;

  为ITS模型中的确定相位函数,下标k表示第k条路径下的各项抽头因子参数。

  图1短波信道传播模式理论结构图

  1.2电离层反射信道传播损耗模型

  电离层反射信道传播损耗(大尺度衰落)指的是短波信号从发送端到接收端的能量损耗,信道的损耗特性中详细阐述了短波信道中的大尺度衰落特性,包含了自由空间传输损耗、电离层吸收损耗和多跳地面反射损耗等,这些损耗之和为短波天波传输损耗

  (dB),如下式所示[4]:

  其中:

  为短波在自由空间的传输损耗(dB);

  为短波经过电离层时的吸收损耗(dB);

  为地球表面的反射损耗(dB);

  为电离层吸收损耗修正(dB);

  频率高于MUF的附加传播损耗(dB);

  额外系统损耗(dB),大尺度衰弱的主要损耗可近似为

  。上述

  参数与相关短波测试的纬度、时间、通信距离、通信频率、天线高度、季节、温度有关,根据设定的相关参数可以具体算出

  的值[5]。

  2信道模拟器设计

  2.1硬件设计

  硬件平台搭建选择STM系列STM32H750为主芯片,芯片内置双路ADC和DAC,拥有480MHz主频,射频信号调制选用混频器ADL53887、ADL5385和ADF4351本地振荡器模块实现射频信号下变频和上变频调制。3~30M的短波信号通过靠近天线的低噪声放大器减少信号传输的损耗,再经过以功率增益模块ADL5611和射频数字衰减器PE43503组成的数字增益模块,通过合适的本振和混频器对信号进行下变频,并进行信号调理和低通滤波再被ADC采样,进行后续的基带信号处理,最后经上变频输出,具体硬件设计方案及实物如图2、3所示。

​​​​​​​

 2.2短波信道模拟器关键技术

  实现短波信道模拟器的关键是信道模拟功能,主要包括:1.正交变频模块(将信号下变频到低中频,然后对信号进行处理);2.低中频信号处理模块(完成信道的小尺度衰落,主要包含延迟功率、多普勒频移及多普勒频扩);3.功率控制模块(则完成了信道的大尺度衰弱)。

  2.2.1正交混频实现

  正交混频器其实是一种相位平衡型混频器,如图4所示,其结构包括功分器、正交耦合器及两个混频器。射频信号(RF)经过功分器等分后分别与经过正交耦合器的两路本振信号(LO)分别混频,再经过滤波器(LPF),最后得到90度相移的I、Q两路。在本文中采用的是混频器ADL5387和外接可控本振模块ADF4351实现信号正交上下变频,考虑到上变频和下变频结构的可逆性,本文介绍以下变频为主。

  混频器选择美国ADL公司生产的ADL5387,其涵盖从1MHz-2GHz的RF/IF输入频率范围。3-30M工作频段时,其噪声系数为13.2Db,IP1dB为12.7dBm,三阶交调截点为32dBm;动态范围占有绝对优势,可作为要求精度高的设施直接进行变频应用。差分RF/IF输入可以提供优良的50欧姆宽带输入阻抗。本地振荡器选择ADL公司生产的ADF4351,具有集成电压控制振荡器,其基波输出频率范围在220-4400MHz之间。此外,利用1/2/4/8/16/32/64分频电路,可实现最低3MHz的RF输出频率。采用二分频方法产生正交的本振信号,从而可以实现超宽带操作。幅度平衡和相位平衡分别为0.05dB和0.4度,可在宽电平范围内达到出色的解调精度。解调时,I、Q两路信号的差分输出经过完全缓冲,可以得到4dB以上的电压转换增益。

  原理图设计如图5图6所示,根据ADL5387混频器和本地振荡器ADF4351的参考电路,通过计算所需低中频信号(IF)频率和高频射频信号(HF)频率差,把计算好的本振信号(LO)和高频射频信号(HF)输入混频器,下变频产生正确的I、Q两路低中频信号,经信号调理和滤波之后被ADC采进单片机进行信号处理。

  2.2.2多径时延实现

  与传统的循环储存法相比,本文采用STM32H750内置DMA和联合FIFO(先进先出)方法实现多径时延。数据的延迟精度与信号的采样率和内插系数有关,最大延迟时间与FIFO的深度有关。

  秒表示延迟的最小单位。在信道模拟过程中,多径时延,也就是相对时延,此时,第一条路径则会默认没有时延,则

  ,其余路径通过软件FIFO依次设置相对延迟。图7表示多径时延的实现结构。

  图7中,ADC采集的信号经下变频至低中频信号之后,根据FIFO读写控制配置多径时延参数,通过信道多径延迟参数,读写控制器会在电路启动后生成FIFO各自的读写使能信号,最终达到多径时延的目的。抓取多径时延后的7组路径数据进行仿真,多径时延设置值:[10.00, 15.00, 20.00, 25.00, 30.00, 35.00, 40.00 ],实测值:[10.03, 15.02, 20.03, 25.04, 30.08, 35.08, 40.10 ]。仿真证明时延测试值与理论值不超过0.1

  的误差,证明了在基带上能高精度低误差的实现多径时延功能。

  将实测七条路径的数据图导入MATLAB,如图8所示,横坐标为0~100

  观察时间,纵坐标为信号幅度。通过设置多径的时延,在图8中可以明显观察到信号的时延。图9反映的是确定型的时延功率分布函数的有限离散值,横坐标为0~50

  观察时间,纵坐标为抽头增益(功率系数),观察图9可以看出时延抽头增益为左右对称分布,近似高斯分布形式,验证了模型的正确性。


  2.2.3多普勒频移和多普勒频扩实现

  ITS模型中的随机调制函数

  描述多普勒的展宽,在本方案中通过各径信号与两个不相关的复高斯过程

  和

  的乘机来实现多普勒频扩。多普勒频移的相位函数

  可以用频谱搬移来实现,引入乘积因子

  用于实现多普勒频移。输入信号

  为 I/Q两路正交信号:

  (4)

  经过多普勒频移和多普勒扩展的输出信号为

  :

  (5)

  其中

  。其具体运算流程图如图10所示:

  信道模拟器中多普勒扩展是基于复高斯过程来实现的,在本文中复高斯过程实现采用了正弦波叠加法[6],该方法很大程度上降低了硬件算法的复杂程度。

  多径信号的多普勒扩展,在模型中实际表现为各径信号与有色高斯过程的乘机。为实现采用正弦波叠加法产生有色高斯过程,在本文是采取等面积法(MEA)[7],确定正弦波加权系数,离散多普勒频率系数和相移,为正弦波叠加个数。

  (6)

  其中:

  (7)

  (8)

  两式中,表示最大多普勒频移,表示有色高斯过程的标准差。当时,表示非周期有色高斯过程[7]。

  在实际中,不能实现无穷正弦波叠加。当为有限值时,得到的随机过程近似有色高斯过程;当时,可近似认为是对高斯过程的采样,二者统计特性相似[8]。为了降低复高斯过程的实部和虚部之间的相关性,通常设置,本文将选择14和15个正弦波生产每条径的两个有色高斯噪声。

  通过配置正弦波加权系数、离散多普勒频率系数和相位参数。并分别将参数、分别寄存两个寄存器中,然后根据正弦波的相关参数,在建好的正弦波表中进行查表,查找出相应的正弦波,并通过多路分离完成串并转换,分配到对应的各个路径中,最后,通过累加器累加后产生基于正弦波叠加法的复高斯信号,将产生的复高斯过程与多径信号相乘,即实现多普勒频扩。

  为实现小尺度衰弱中的多普勒频移,首先需要多普勒频移参数进行确定,更新参数寄存器中的参数,根据寄存器中的频率控制来配置正弦波查找表,获得用于产生多普勒频移的正交和同相正弦波对,每对正弦波与对应的各径信号进行运算,从而实现了多普勒频移。

  3信道模拟测试

  3.1小尺度衰落测试

  信道模拟器小尺度衰落测试包括多径、多普勒频移和多普勒频扩测试,通过信号源设置15MHz信号输入,根据测试需求分别设置信道模拟器路径数。分别进行测试,测试结果如图12所示。图12a为信道模拟器设置的5条路径,相对中心频率分别频移0Hz、500Hz、100Hz、-500Hz、-1000Hz的信道模拟器输出的功率频谱图,图12a证明了信道模拟器多径功能的可靠性;图10b中信道模拟器设置两条路径,频移分别设置0 Hz、500Hz。信道模拟器输出信号的频谱图如图12b所示,证明了多普勒频移功能正确;图12c中信道模拟器多普勒扩展设置为500Hz,图12c中可以观察信道模拟器输出普形为高斯谱,多普勒扩展500Hz,证明了多普勒频扩功能正确。

  3.2场景测试

  通过信道模拟器上选择一种信道场景,例如中纬度平静信道和中纬度恶劣环境下的信道输出[10]。通过对比信道输出的时域波形,观察波形衰落程度,确保信道模拟器的功能。

  表1为典型中纬度平静信道和中纬度恶劣信道典型信道参数。

  表1 典型信道参数

信道类别        相对时延     频扩       多径

中纬度平静信道    1ms        5Hz        2条

中纬度恶劣信道    2ms        10Hz       5条

  根据典型信道参数,分别设置中纬度平静信道参数和中纬度恶劣信道参数,输入信道模拟器,并将经信道模拟器的输出信号连接频谱仪。图13a表示纬度平静信道产生的波形,图13b表示纬度恶劣信道产生的波形。

  对比图13a中纬度平静信道输出时域波形,和13b中纬度恶劣信道输出时域波形,在示波器中观察时间为1s。图13b比图13a衰落剧烈,观察发现设置中纬度平静信道时输出波形在1s内衰落大致4次,设置中纬度恶劣信道时输出波形衰落大致8次。测试结果证明信道模拟器运行正常。

  结束语

  本文通过一种新型设计方案设计了一款微型短波信道模拟器,能实现多径时延、多普勒频移、频扩以及大尺度衰落等功能。经过测试各项功能指标,在满足国内市场要求的同时,实现了小型化设计并降低了产品成本,为国内短波信道模拟器研发市场提供了一种全新的设计方案,本信道模拟器还可软件定义模型升级为多频段信道模拟器。

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