一種移動通信信道模擬器的設計與實現

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。

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。

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.

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