一种基于基带等效信道模型的提高接收信号模拟准确度的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线通信领域，涉及发射端数字基带信号到接收端数字基带信号经历 的基带等效信道的建模与模拟，以达到提高接收信号模拟准确度为目的，可应用于卫星通 信中再生转发系统及透明转发系统的链路级仿真中。
【背景技术】
[0002] 在无线通信系统设计中，需要为接收端选择合适的解调译码算法，以满足系统要 求的BER指标。为达到此目的，在最先的设计仿真时，需要生成与实际接收信号高度相似的 数字基带信号，即对接收信号进行准确模拟，才能保证选用的解调译码算法在BER性能方面 仿真结果与实测结果保持一致，也才能保证系统在实际应用时满足BER指标。
[0003]在无线通信系统中，发端数字基带信号到收端数字基带信号经历了多个过程，包 括数字上变频、DA变换、射频发射通道上变频、发射天线辐射、无线信道传输、接收天线接 收、射频接收通道下变频、AD变换、数字下变频等，因此，收端数字基带信号可以看作是发端 数字基带信号经过了一个数字基带信道，该数字基带信道也称为基带等效信道。数字基带 信号经过基带等效信道后会产生波形失真，造成失真的因素包括无线信道多径效应、收发 两端载波频偏相偏、系统热噪声和自由空间噪声、以及接收端的采样偏差等。
[0004] 文献《数字基带信道模拟器的设计与实现》（伍春，尤晓建，任立学，测控技术， 2011)设计了一种数字基带信道模拟器，能够实现延时、误码以及纠错编解码功能，其针对 特定的编码调制方式，并未涉及实际系统中必然存在的载波频偏相偏和采样偏差。
[0005] 文献《宽带卫星移动信道的研究与模拟实现》(王伟，电子科技大学硕士学位论文， 2014)研究了宽带卫星移动通信信道，其出发点是为了评价通信信号经过不同了性衰落星 地信道后的功率变化情况，而不是为了提升接收信号模拟的精确度。
[0006] 文献《信道模拟中多径时延算法研究及其在DSP系统中的实现》(袁知斌，华中科技 大学硕士学位论文，2009)研究了多径时延的DSP实现技术，其针对特定采样率信号采用常 规的补零内插和滤波的方法来提升采样率，该方法并未涉及实际系统固有的载波频偏相偏 和米样偏差。
[0007] 文献《一种移动通信信道模拟器的设计与实现》（叶佩军，安建平，通讯与电视， 2004)研究了一种实时模拟移动信道基本特性的信道模拟器，输入输出均为模拟接口，其出 发点仅为逼真模拟无线信道，并未涉及对载波频偏相偏、系统噪声以及采样偏差的模拟。
[0008] 从以上文献可以看出，已有成果基本上只涉及多径信道时延的模拟，使用这些模 拟方法，仅能评价系统中收端的抗多径算法性能。由于模拟中考虑的对造成接收信号波形 失真的因素不全面，因此，并不能对实际接收信号进行准确模拟，也就无法评价收端整体的 解调译码算法性能。
【发明内容】
[0009] 本发明解决的技术问题是：克服现有技术不足，提出了一种基于基带等效信道模 型的提高接收信号模拟准确度的方法，考虑了从发端数字基带信号到收端数字基带信号经 历的、造成收端接收信号波形失真的所有因素，包括多径、载波频偏相偏、噪声、采样偏差 等，能够对收端基带信号进行准确模拟，使系统仿真的BER结果与实测结果保持一致，可应 用于无线通信系统链路级仿真中。
[0010] 本发明的技术方案是:一种基于基带等效信道模型的提高接收信号模拟准确度的 方法，步骤如下：
[0011] (1)设发端基带处理单元输出的基带信号为乂(1〇，11=1，2,3...少4为总的样本点 数，N为正整数，设基带信号X(n)抽样间隔为Ts，设收端基带处理单元输入的基带信号为T (n)，后续步骤描述从X(n)到T(n)的变换过程；
[0012] (2)发端包括基带处理模块、数字上变频模块、DA变换模块、射频发射通道模块、发 射天线模块等，收端包括接收天线模块、射频接收通道模块、AD变换模块、数字下变频模块、 基带处理模块等;在发端，步骤(1)的Χ(η)先经过数字上变频模块实现数字基带到数字中频 的变换，再经过DA模块实现数字中频到模拟中频的变换，接着通过射频发射通道模块实现 模拟中频到射频的变换，形成射频信号x(t)，最后通过发射天线模块向无线信道辐射；由于 发射天线到接收天线之间的无线信道中存在反射、折射等现象，因此，x(t)经过无线信道 后，会变成多个信号，这些信号在接收天线处线性叠加后合并成一个信号y(t):
[0014]式中，设定无线信道共提供了K条信号传播路径，第i条路径对发射信号x(t)造成 的幅度衰减、时延、相位变化分别为a(i)、i(i)和是模拟信号，而所有的计算机 仿真都是数字的，因此，要描述y(t)与X(n)之间的关系，就需要将y(t)表示为数字形式;将y (t)的抽样间隔定为1，将y(t)抽样后的的数字信号表示为Y(n):
[0016] 式中，Ti表示第i条传播路径带来的时延τ⑴是抽样间隔T^Ti倍，N为总的样本点 数，当i(i)不是1的严格整数倍时，采用先升采样，后降采样的方法对T 1向整数进行逼近；
[0017] (3)收发两端时钟不同源以及多普勒效应会对接收信号带来载波频偏和载波相 偏;将步骤(2)中的Y(n)添加载波频偏△ f和载波相偏△ Φ后表示为R(n)，则
[0019] 式中，fs表示采样频率，fs和采样间隔Ts之间的关系为
[0020] (4)将步骤(3)中的R(n)添加噪声W(n)影响后表示为Z(n)，则
[0021] Z(n)=R(n)+ff(n)n = l,. . . ,N
[0022] 其中，W(n)服从复高斯分布，包括无线传输环境对接收信号引入的自由空间噪声， 以及接收机内部的有源器件对接收信号引入的热噪声；
[0023] (5)收发两端时钟不同源会造成发端DA和收端AD之间工作时钟的偏差，由此对接 收信号引入采样偏差；设收端和发端采样时钟偏差为A fs，定义为
以 ppm为单位，其中fs表示发端DA时钟频率，f/表示收端AD时钟频率，若△ fs>0，则收端采样率 偏高，即此时收端T(n)获得比发端X(n)多的采样点;若Afs〈〇,说明收端采样率偏低，此时 收端T(n)获得比发端X(n)少的采样点，使用插值滤波进行采样偏差模拟，即将步骤(4)中的 Z(n)进行插值滤波后形成T(n)，表示为：
[0025] 所述步骤(5)中
不是整数时，用Farrow结构对插值滤波进行近似。
[0026]所述用Farrow结构对插值滤波的滤波因子μ的取值范围为-1到1。
[0027] 本发明相对于现有技术的有益效果是：
[0028] (1)从基带等效信道角度出发，对发端基带信号到收端基带信号的传输过程进行 了建模，分析了整个传输过程中有可能造成信号波形失真的所有因素，并给出了模拟每种 因素影响的解析表达式和仿真方法，达到了对接收信号进行准确模拟的目的；在BER指标 上，依据本发明获得的仿真结果和系统实测结果之间的差距〈O.ldB，充分说明了对接收信 号模拟的准确性，可应用于卫星通信中再生转发系统及透明转发系统的链路级仿真中。
[0029] (2)在对无线信道多径效应进行模拟时，采用了先升采样，后降采样的实现方法， 解决了信道时延不是采样间隔整数倍的问题。
[0030] (3)在对采样偏差进行模拟时，采用了 Farrow插值滤波结构，用该结构的非线性内 插原理使仿真波形尽可能接近实际的收端基带采样波形。
[0031 ] (4)在Farrow插值滤波结构实现过程中，把滤波因子μ的取值范围限定在-1到1的 范围内，解决了收端相对发端采样点变多(采样偏差>〇)或变少(采样偏差〈〇)的问题。
【附图说明】
[0032]图1为本发明的实现原理图；
[0033]图2为多径无线信道模拟示意图；
[0034]图3为32阶分段抛物内插的Farrow结构示意图；
[0035]图4为Δ fs>〇时加噪后采样点Z(n)和收端基带处理单元输入采样点T(n)示意图； [0036]图5为Δ fs〈〇时加噪后采样点Ζ(η)和收端基带处理单元输入采样点Τ(η)示意图；
[0037] 图6为从Χ(η)变换到Τ(η)过程中信号波形的同相分量变化示意图；
[0038] 图7为采用本发明进行仿真获得的BER结果与最终系统实测结果对比示意图；
【具体实施方式】
[0039] 本发明的基本思路为：用4个串行模块对发端基带信号通过基带等效信道的过程 进行模拟，考虑了基带信号通过基带等效信道后造成波形失真的各个因素的影响，包括无 线信道多径、载波频偏相偏、自由空间噪声及热噪声、采样偏差。其中，用先升采样、后降采 样方法模拟多径影响，用Farrow插值滤波器模拟采样偏差影响。
[0040] 提出一种基于基带等效信道模型的提高接收信号模拟准确度的方法，通过如下步 骤对收发两端数字基带信号经历的的基带等效信道进行建模：
[0041] (1)多径影响：发端射频信号经过不同路径后，以不同时延、不同幅度衰落到达收 端，收端获得的是同一信号的多个拷贝之和。
[0042] (2)载波频偏相偏影响:收端获得的载波频率与期望频率之间存在一定偏差，该偏 差是由收发两端时钟不同源以及多普勒效应引起。
[0043] (3)噪声影响:包括收端有源器件引入的热噪声和各类自由空间噪声，建模为复高 斯分布。
[0044] (4)采样偏差影响:该偏差是由收发两端时钟不同源造成的。
[0045] 下面通过附图对本发明的技术方法作进一步的描述。
[0046] 本发明模拟的对象为一种基带等效信道模型，包括发端和收端，发端包括数字上 变频模块、DA模块、射频发射通道模块、发射天线模块;收端包括接收天线模块、射频接收通 道模块、AD模块、数字下变频模块；
[0047]在发端，数字基带信号先经过数字上变频模块实现数字基带到数字中频的变换， 再经过DA模块实现数字中频到模拟中频的变换，接着通过射频发射通道模块实现模拟中频 到射频的变换，形成射频信号，最后通过发射天线模块向无线信道辐射；
[0048] 接收天线从无线信道接收射频信号，通过射频接收通道将射频信号下变频为中 频，AD模块在中频进行采样，将模拟中频信号转换为数字中频信号，并送入收端的数字处理 器件，数字处理器件对中频信号进行数字下变频操作，形成数字基带信号，送入收端基带处 理单元。
[0049] 与发端数字基带信号相比，收端数字基带信号产生了波形失真，造成失真的因素 包括信号传输过程中引入的多径、载波频偏相偏、噪声以及采样偏差。<