一种瑞利圆拱复衰落信道仿真方法与流程

本发明涉及无线信道建模领域，更具体的说是涉及一种瑞利圆拱复衰落信道仿真方法。

背景技术：

经典瑞利信道模型描述了小尺度范围内无线信道多径效应和多普勒效应，是无线通信信道最重要、最基础的仿真模型。该信道模型能很好地描述市区无直射路径环境下的移动无线通信信道状态，并且在该模型下，信道相角统计特性服从瑞利分布，相角统计服从均匀分布，且其多普勒功率谱为经典jakes功率密度函数，表现为u型谱。然而，在2.5ghz固定无线通信信道中，由于发射器和接收器的相对运动，造成了非常小的多普勒扩展，在这种情况下，多普勒功率谱的功率主要集中在一定频率范围的中心，此时，多普勒功率谱表现为圆拱谱。该信道模型也是经典瑞利信道模型的一个重要分支，但鉴于相关文献和专利并未对瑞利圆拱复衰落信道仿真方法进行相关论述，因此，有必要提出一种瑞利圆拱复衰落信道建模和仿真方法。

技术实现要素：

本发明的目的是在于提供一种瑞利圆拱复衰落信道仿真方法，旨在解决现有仿真方法中无法准确描述圆拱衰落信道的问题。

本发明解决其技术问题采取的技术方案是：

一种对瑞利圆拱复衰落信道仿真方法，包括以下步骤：

步骤一，程序开始、进行相关参数初始化；

步骤二，产生瑞利圆拱复衰落信道；

步骤三，对瑞利圆拱复衰落信道进行统计分析、程序结束；

步骤四，设计瑞利圆拱复衰落信道硬件仿真系统。

进一步，所述步骤一包括以下步骤：

程序开始后，即可进行参数初始化，设定瑞利圆拱复衰落信道的最大多普勒频移fd，系统采样频率fs，系统采样点数n，以及多普勒圆拱滤波器相关参数α0、α2、α4。

进一步，所述步骤二包括以下步骤：

参数设置完成后，即可产生瑞利圆拱复衰落信道。将两路高斯白噪声输入具有圆拱形功率谱的成形滤波器即多普勒圆拱滤波器，从而产生两路具有圆拱形多普勒功率谱的有色高斯白噪声序列，分别组成瑞利圆拱复衰落信道的实部和虚部，该瑞利圆拱复衰落信道的包络服从瑞利分布，相角服从均匀分布。两路信号即实部和虚部的产生原理一致，以其中一路为例加以说明，通过高斯白噪声生成瑞利圆拱复衰落信道的实部如下：

第2-1步，时域复高斯白噪声经过fft变换后，转换至频域。

第2-2步，多普勒圆拱滤波器对频域复高斯白噪声进行滤波，并且该滤波器的数学表达式均可由频率f的多项式给出：

其中，瑞利圆拱复衰落信道的最大多普勒频移fd、参数α0、α2、α4的数值由参数初始化过程定义，且

第2-3步，频域复高斯白噪声经滤波处理后，由ifft变换将频域信号转换至时域信号，即可得到瑞利圆拱复衰落信道的实部hi(t)。

同理，另一路的频域复高斯白噪声由ifft变换，并通过换向器换向处理后，即可得到瑞利圆拱复衰落信道的虚部hq(t)，且实部hi(t)和虚部hq(t)相互正交，实部hi(t)和虚部hq(t)相加得到瑞利圆拱复衰落信道，即h(t)＝hi(t)+jhq(t)。

进一步，所述步骤三包括以下步骤：

产生瑞利圆拱复衰落信道后，即可分别对其进行一阶和二阶统计分析。其中一阶统计分析包括对瑞利圆拱复衰落信道幅值分布和相角分布的分析，二阶统计分析包括瑞利圆拱复衰落信道自相关函数和多普勒功率谱密度函数分析，通过与理论值相比较，验证该方法的准确性与科学性。

一阶、二阶统计分析为业内现有通用技术，属于信号分析的范畴，如专利号为201410288810.1公开的《一种nakagami复衰落信道建模方法》。

进一步，所述步骤四中，瑞利圆拱复衰落信道硬件仿真系统，主要包括发射器模块、模数转换模块、fpga信道仿真器、计算机、数模转换模块、接收器模块。发射器模块通过模数转换模块与fpga信道仿真器相连，计算机亦与fpga信道仿真器相连，fpga信道仿真器通过数模转换模块与接收器模块相连。

其中，发射器模块产生基带发射信号s(t)，发送至模数转换模块，并将数字化的基带发射信号s(t)传输至fpga信道仿真器作为输入信号。同时，通过计算机的matlab和ise软件创建并生成瑞利圆拱复衰落信道h(t)的ip核，将ip核导入至fpga信道仿真器作为模拟信道。经fpga信道仿真器后，得到离散化的模拟接收器接收信号r(t)，并由数模转换模块转换为连续信号，最终传输至接收器模块。

离散化的模拟接收器接收信号r(t)表示为：

式中，n为无线信道多径数目；hk(t)＝hi(t)+jhq(t)为第k条路径下的瑞利圆拱复衰落信道，且hk(t)均由计算机产生的瑞利圆拱复衰落信道h(t)给出，具有时变性；s(t)为基带发射信号，由发射器模块产生；τk为时延，由计算机进行定义。

通过fpga实现多径时变频率选择性衰落信道时，离散化的模拟接收器接收信号r(t)可表示为多径时变频率选择性衰落信道。

其中，所述步骤一至步骤三可在计算机matlab完成。所述步骤四可联合计算机和fpga板卡等实现巴特沃兹复衰落瑞利信道仿真的功能。

本发明与现有仿真方法相比较具有以下优点：

(1)采用成形滤波器即多普勒圆拱滤波器，便于实现瑞利信道圆拱形多普勒功率谱，从而实现瑞利圆拱复衰落信道。

(2)成形滤波器法是用随机噪声产生信道的，因而比正弦波叠加法更具随机性，其一阶和二阶仿真结果更为精确，具有明显优势。

(3)该仿真方法可以通过优化成形滤波器的相关参数，从而能便捷地改善仿真模型的性能。

(4)该信道硬件仿真系统装置简洁、易于实现，能应用于城区的移动通信无线信道的仿真和测试中。

附图说明

图1为本发明瑞利圆拱复衰落信道仿真方法流程图。

图2为本发明瑞利圆拱复衰落信道的生成流程图。

图3为本发明仿真结果之瑞利圆拱复衰落信道时域幅值波动图。

图4为本发明仿真结果之瑞利圆拱复衰落信道一阶统计特性图。

图5为本发明仿真结果之瑞利圆拱复衰落信道二阶统计特性图。

图6为本发明瑞利圆拱复衰落信道硬件仿真系统结构图。

图7为本发明模拟接收器接收信号r(t)生成原理图。

具体实施方式

以下结合附图和实施方法对本发明作进一步说明。

参照图1，本发明瑞利圆拱复衰落信道仿真方法，包括以下步骤：程序开始、参数初始化u1、产生瑞利圆拱复衰落信道u2、对瑞利圆拱复衰落信道进行统计分析u3、程序结束。

程序开始后，即可进行参数初始化u1，不失一般的，我们设定瑞利圆拱复衰落信道的最大多普勒频移fd＝500hz，系统采样频率fs＝15000hz，系统采样点数n＝10⁶，α0＝1，α2＝-1.72，α4＝0.785。

参数设置完成后，即可产生瑞利圆拱复衰落信道u2。将两路高斯白噪声输入具有圆拱形功率谱的成形滤波器，从而分别产生具有圆拱形多普勒功率谱的有色高斯白噪声序列，并分别组成了瑞利圆拱复衰落信道的实部和虚部，该瑞利圆拱复衰落信道的包络服从瑞利分布，相角服从均匀分布。

产生瑞利圆拱复衰落信道后，即可分别对其进行一阶和二阶统计分析。其中一阶统计分析包括对瑞利圆拱复衰落信道幅值分布和相角分布分析，二阶统计分析包括对瑞利圆拱复衰落信道自相关函数和多普勒功率谱密度函数分析，通过与理论值相比较，验证该方法的准确性与科学性。

参照图2，本发明瑞利圆拱复衰落信道，主要包括复高斯白噪声u21和u25、fft变换u22和u26、多普勒圆拱滤波器u23和u27、ifft变换u24和u28、换向器u29、瑞利圆拱复衰落信道u30。其中，复高斯白噪声u21、fft变换u22、多普勒圆拱滤波器u23、ifft变换u24产生信道瑞利圆拱复衰落信道u30的实部hi(t)；复高斯白噪声u25、fft变换u26、多普勒圆拱滤波器u27、ifft变换u28、换向器u29产生瑞利圆拱复衰落信道u30的虚部hq(t)，并且实部hi(t)和虚部hq(t)相互正交。两路信号的产生原理一致，以其中一路为例加以说明。

时域复高斯白噪声u21经过fft变换u22后，转换至频域。

多普勒圆拱滤波器u23和u27对频域复高斯白噪声进行滤波，并且该滤波器的数学表达式均可由频率f的多项式给出：

其中，瑞利圆拱复衰落信道的最大多普勒频移fd、α0、α2、α4数值由参数初始化过程定义，且

频域复高斯白噪声经滤波处理后，由ifft变换u24将频域信号转换至时域信号，即可得到瑞利圆拱复衰落信道u30的实部hi(t)。同理，另一路的频域复高斯白噪声由ifft变换u28，并通过换向器u29换向处理后，即可得到瑞利圆拱复衰落信道u30的虚部hq(t)，且实部hi(t)和虚部hq(t)相互正交，实部hi(t)和虚部hq(t)相加得到瑞利圆拱复衰落信道u30，即h(t)＝hi(t)+jhq(t)。

本发明对瑞利圆拱复衰落信道进行了仿真，其中，相关参数分别为：最大多普勒频移fd＝500hz，系统采样频率fs＝15000hz，系统采样点数n＝10⁶，α0＝1，α2＝-1.72，α4＝0.785，相应的仿真结果如图3、图4和图5所示。其中，图3为时域瑞利圆拱复衰落信道u30的幅值波形图，描述了信道在不同时刻的衰落情况。图4描述了瑞利圆拱复衰落信道u30的一阶统计特性，可以看出，其幅值的概率密度分布服从瑞利分布，而相角的概率密度分布服从均匀分布，符合瑞利信道的一阶统计特性。图5描述了瑞利圆拱复衰落信道u30的二阶统计特性，可以看出本发明输出信道的二阶统计特性自相关函数和多普勒功率谱密度函数与理论值均能很好的吻合。

完成参数初始化u1、产生瑞利圆拱复衰落信道u2、对瑞利圆拱复衰落信道进行统计分析u3后，还包括设计瑞利圆拱复衰落信道硬件仿真系统。

参照图6，瑞利圆拱复衰落信道硬件仿真系统，主要包括发射器模块6-1、模数转换模块6-2、fpga信道仿真器6-3、计算机6-4、数模转换模块6-5、接收器模块6-6。发射器模块6-1通过模数转换模块6-2与fpga信道仿真器6-3相连，计算机6-4亦与fpga信道仿真器6-3相连，fpga信道仿真器6-3通过数模转换模块6-5与接收器模块6-6相连。

其中，发射器模块6-1产生基带发射信号s(t)，发送至模数转换模块6-2，并将数字化的基带发射信号s(t)传输至fpga信道仿真器6-3作为输入信号。同时，计算机6-4的matlab和ise软件创建并生成瑞利圆拱复衰落信道h(t)的ip核并导入至fpga信道仿真器6-3作为模拟信道。经fpga信道仿真器进行相关数乘运算后，得到离散化的模拟接收器接收信号r(t)，并由数模转换模块6-5转换为连续信号，最终传输至接收器模块6-6进行相关分析。不失一般地，fpga信道仿真器的板卡采用xilinx公司kintex-7系列的kc705型号。

参照图7，通过fpga实现多径时变频率选择性衰落信道时，离散化的模拟接收器接收信号r(t)可表示为多径时变频率选择性衰落信道。离散化的模拟接收器接收信号r(t)表示为：

式中，n为无线信道多径数目；hk(t)＝hi(t)+jhq(t)为第k条路径下的瑞利圆拱复衰落信道，且hk(t)均由计算机产生的瑞利圆拱复衰落信道h(t)给出，具有时变性；s(t)为基带发射信号，由发射器模块产生；τk为时延，由计算机进行定义。

本发明之一种瑞利圆拱复衰落信道建模方法及仿真器设计能实现对瑞利圆拱复衰落信道进行建模和仿真的功能，具有良好稳定性和准确性的特点，适用于需要对无线信道建模、仿真和特征参数提取的场合。

本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。

说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。