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一種移動通信信道模擬器的設(shè)計與實現(xiàn)
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(shù)字原理及其實現(xiàn)方案。本模擬器的衰落率在8～80Hz內(nèi)可調(diào)，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(fā)展十分迅速的通信方式，在陸地移動通信系統(tǒng)中，由于移動臺所處區(qū)域地形復(fù)雜，加上移動臺本身的運(yùn)動，使接收到的信號其包絡(luò)和相位隨機(jī)變化。
為了評價移動通信設(shè)備的性能，需要在實際通信環(huán)境中進(jìn)行反復(fù)實驗，這必將耗費大量人力物力。為了縮短研制周期，節(jié)省研制費用，在移動通信設(shè)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(jù)
2.1 瑞利衰落
陸地移動通信由于受地形、環(huán)境等因素的影響，其衰落機(jī)理是非常復(fù)雜的。但在移動通信信道模擬器模擬的眾多信道參數(shù)中，呈頻率選擇性的瑞利衰落占主要地位。即實現(xiàn)信號包絡(luò)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(xiàn)瑞利衰落的數(shù)學(xué)原理
設(shè)一個隨機(jī)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(wěn)高斯過程，其同相分量ξc(t) 和正交分量ξs(t)同樣是平穩(wěn)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(guān)或統(tǒng)計獨立。還可以證明：一個均值為零，方差為σ2ξ的平穩(wěn)高斯窄帶過程，其包絡(luò)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(tǒng)計獨立的。
綜上所述，一個均值為零的平穩(wěn)高斯窄帶過程，其包絡(luò)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(tǒng)計獨立的。同時，一個均值為零的窄帶平穩(wěn)高斯過程也可由兩個同為平穩(wěn)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(shè)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(diào)制和相位調(diào)制。用X(t)和Y(t)兩個相互獨立而分布相同的高斯隨機(jī)變量調(diào)制，輸出信號So(t)可以表示為：
于是隨機(jī)包絡(luò)R(t)是瑞利分布，隨機(jī)相位φ(t)在0～2л范圍內(nèi)均勻分布。
由上面的推導(dǎo)可以看出：對輸入信號進(jìn)行正交調(diào)制，即為單徑無頻率選擇性瑞利衰落模擬，可實現(xiàn)輸入信號的振幅和相位按要求隨機(jī)干擾，從而實現(xiàn)（3）式所示的數(shù)學(xué)模型。
2.1.3 多徑瑞利衰落
為了簡化分析，設(shè)輸入為一單頻正弦信號
經(jīng)多徑傳輸，輸出為：
式（7）中：αi為幅主加權(quán)系數(shù)，τi是時延，φi是隨機(jī)相位，N是徑數(shù)。
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(qiáng)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(shù)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(chǎn)生三路互相獨立的衰落，以便較真實地模擬實際通信環(huán)境。
2.2.
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