[发明专利]隧道环境多径与多普勒效应信道仿真器及仿真方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种隧道环境多径与多普勒效应信道仿真器及方法，建造模拟无线信号在隧道中传输的多径效应和多普勒效应环境，可用于无线系统性能的规范化测试。

背景技术

近年来，无线通信设备数量越来越多，无线通信已在各行各业得到广泛应用，并且逐渐应用于城市轨道交通，但是多径效应和多普勒效应会对无线通信的质量造成不良影响，而且在狭窄的隧道空间内，影响更加严重。多径效应主要表现为小尺度衰落效应。其主要表现为：

1.    经过短距和短时传播后信号强度的急速变化。

2.    在不同的多径信号上，存在着时变的多普勒（Doppler）频移所引起的随机频率调制。

3.    多径传播时延引起的时间弥散（回音）。

在隧道环境中，无线信号的多径效应明显，主要体现在延时不同的多个信号在接收端的叠加造成幅度的随机变化和频率调制，若信道的最大多径时延扩展为Tm，那么信道的相干带宽为：

 (1)

若发射信号的射频带宽B<Bc，那么认为接收信号经历的是平坦衰落，此时接收信号的包络起伏变化，但是一般不存在码间串扰，其信号模型为：

                      (2)

其中h(t)一般为瑞利分布的随机变量；若发射信号的射频带宽B>Bc，那么认为接收信号经历的是频率选择性衰落，此时除了接收信号的包络起伏变化，一般还存在码间串扰，其信号模型为：

          (3)

其中t0、t1、...等为可分辨多径的时延，每个为瑞利分布的随机变量。

一般而言，隧道环境内最大多径时延扩展可由以下公式得到：

                        (4)

其中Lm为最大时延的信号经过多次折射到达接收端的总路程，Ld为直射信号到达接收端的距离，c为电磁波的传播速度。

根据式(1)可得信道的相干带宽为：

                         (5)

因此，若信号的带宽大于相干带宽Bc，信道为频率选择性信道，信道使信号严重失真。

若信道是时变信道，信号将发生多普勒扩展Bd，信道相干时间为：

                          (6)

    慢变信道具有大的相干时间，或等效为小的多普勒扩展，反之，快变信道具有小的相干时间，等效为大的多普勒扩展。

为了模拟隧道环境并测试无线设备在隧道环境中的传输性能，需要一种信道仿真仪测试多径效应与多普勒效应对无线通信质量的影响。

目前，商用信道仿真仪大多数采用变频后数字信号处理的信道处理方法，主要手段是将射频信号下变频到基带，然后模数转换成为数字信号，通过数字处理过程模拟高速移动下的信道衰落，最后再上变频还原为射频信号。这种方法的缺点是基带数字处理过程受限于计算机的处理速度，能够处理的信道频带只能达到70MHz，并且整个计算过程将产生微秒级时延，使得无线通信系统不能正常通信，信道仿真仪无法真实地模拟现实的无线电传输环境。

发明内容

    为了克服上述基带数字处理带来的时延以及可处理频带窄的缺点，本发明提供了一种隧道环境多径与多普勒效应信道仿真器及方法。该仿真器不使用传统的将射频信号变频到基带，使用数字电路在基带对信号处理的方法，而直接在射频段对信号进行处理，消除基带处理时延，提高了处理速度。

    为达到上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种隧道环境多径与多普勒效应仿真器，包括数模转换电路、低通滤波电路、加法电路、压控振荡器、混频器、低通滤波器和高通滤波器，其特征在于，所述仿真器包括：数模转换电路、低通滤波电路、加法电路、压控振荡器、混频器、低通滤波器和高通滤波器，其特征在于所述数模转换电路连接计算机，而有三个输出口分别连接低通滤波电路、加法电路、和一个压控振荡器2的输入口，所述低通滤波电路的输出口连接加法电路的另一个输入口，所述加法电路的输出口依次经压控振荡器1、混频器1、低通滤波器、一个混频器2连接到高通滤波器的输入口，所述压控振荡器2的输出口连接混频器2的另一个输入口，所述混频器1的另一个输入口连接原始信号，所述高通滤波器的输出口输出信号。