基于FPGA的無線信道模擬器設(shè)計

摘要：為了縮短研發(fā)周期，需要在實(shí)驗(yàn)室模擬出無線信道的各種傳播特性，無線信道模擬器設(shè)計必不可少。采用基于頻率選擇性信道Jakes仿真器模型，使用Xilinx公司的VIrtex-2p模擬實(shí)現(xiàn)了頻率選擇性衰落信道，最后將數(shù)據(jù)通過串口上傳到Matlab分析信道的統(tǒng)計特性。
關(guān)鍵詞：無線信道；FPGA；Matlab；信道模擬器

0 引言
    隨著人們對無線通信需求和質(zhì)量的要求越來越高，無線通信設(shè)備的研發(fā)也變得越來越復(fù)雜，系統(tǒng)測試在整個設(shè)備研發(fā)過程中所占的比重也越來越大。為了更加方便地對所設(shè)計的系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和測試，無線信道模擬器是進(jìn)行無線通信系統(tǒng)硬件測試不可或缺的儀器之一。目前，關(guān)于無線信道的模型研究比較多，而基于理論模型的硬件實(shí)現(xiàn)并不是很廣泛，同時成品十分昂貴，所以利用FPGA實(shí)現(xiàn)無線信道模擬器變得很有意義，節(jié)約了成本，而且也便于實(shí)現(xiàn)。FPGA是在PLD的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的高性能可編程邏輯器件，使用FPGA進(jìn)行數(shù)字邏輯設(shè)計，開發(fā)過程的投資較少，研制和開發(fā)的時間較短，并且因?yàn)橐_的可分配性電路一般比較簡單，修改和優(yōu)化比較方便，并且在實(shí)際中易于使用。同時由于FPGA并行運(yùn)算的特點(diǎn)，在大規(guī)模的數(shù)字運(yùn)算中很有優(yōu)勢，延時很小。

1 頻率選擇性衰落信道模型
    多徑傳播信道的信道脈沖響應(yīng)模式是模擬一個離散的廣義平穩(wěn)非相關(guān)散射模型(WSSUS)。這樣的頻率選擇性衰落信道應(yīng)該滿足兩個假設(shè)條件：
    (1)在時間t(可能是幾個碼元長度)內(nèi)，衰落的統(tǒng)計特性是平穩(wěn)的；
    (2)電波到達(dá)角和傳播時延是統(tǒng)計獨(dú)立變量。
    時變頻率選擇性衰落信道的確定仿真模型如圖1所示。

    Jakes在參考文獻(xiàn)中介紹了一種單徑衰落信道的仿真，且在此基礎(chǔ)上提出了一種對頻率選擇性衰落信道的仿真方法。在原來第l徑中的多普勒相移bnl的基礎(chǔ)上，加上一個附加相移rnl，成為新的多普勒相移bnl+rnl，且保持其他參數(shù)不變。為了保證各個可分辨多徑之間相互獨(dú)立，所以必須選擇合適的bnl和rnl，其中比較簡單的一種方法是：
   
    所以在參數(shù)bnl和rnl分別滿足式(1)和式(2)的情況下：
   

2 信道模擬器的FPGA設(shè)計
    FPGA采用Xilinx公司的Virtex-2p，其中芯片工作時鐘為100MHz。本文設(shè)置N0=8，fm=200 Hz，
   
    為了計算方便，將所得的值擴(kuò)大32倍，也就是左移5位之后四舍五入成整數(shù)值，存入寄存器調(diào)用。所以信道模擬器的實(shí)現(xiàn)過程主要為各個正弦波的FPGA實(shí)現(xiàn)，與對應(yīng)的系數(shù)相乘疊加成單徑衰落，輸入信號經(jīng)過l個路徑時延之后疊加成為輸出信號。
2．1 正弦波的FPGA實(shí)現(xiàn)
    FPGA產(chǎn)生正弦波一般可以采用直接產(chǎn)生和Xilinx或者Altera利用自帶DDS的IP核例化實(shí)現(xiàn)。FPGA直接產(chǎn)生是將三角函數(shù)值存入ROM中循環(huán)調(diào)用來產(chǎn)生正弦波，這樣占用的邏輯資源比較少，缺點(diǎn)就是過程很麻煩而且不夠靈活，模型需要8種頻率的正弦波和余弦波，而且fm也可能根據(jù)需要而變化，每一次變化就需要在ROM中重新賦初值，十分麻煩。因此本文選擇調(diào)用Xilinx自帶DDS的IP核，通過邏輯資源換取效率。DDS的模塊圖如圖2所示。

    這樣，通過控制DATA的值得到所需頻率的正弦波。，其中fclk為開發(fā)工作時鐘，DATA為輸入的頻率控制字，B為DATA的位寬，fout為所得的頻率。
2．2 時延模塊的FPGA實(shí)現(xiàn)
    輸入通過時延后與各路徑的衰落系數(shù)相乘，然后各個路徑疊加成輸出信號。本文中時延采用計數(shù)分頻來實(shí)現(xiàn)，如延遲1μs，工作時鐘為100MHz，所以計算100個時鐘周期后，將輸入的值存入寄存器1，再計算100個時鐘周期后將輸入值存入寄存器2，依次類推，本為路徑l設(shè)置為5，所以最終有5個寄存器存放輸入值。
2．3 測試模塊的FPGA實(shí)現(xiàn)
    最后需要將算得的數(shù)據(jù)上傳到Matlab進(jìn)行統(tǒng)計分析，所以還需要FPGA串口驅(qū)動，以及Matlab打開驅(qū)動讀取FPGA算完的數(shù)據(jù)。根據(jù)異步串行通信的數(shù)據(jù)傳送格式，每一幀數(shù)據(jù)由起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位組成，本文只選取了數(shù)據(jù)位，一共8位。通過串／并轉(zhuǎn)換接收數(shù)據(jù)，算完后存入RAM，然后調(diào)用數(shù)據(jù)，通過并／串轉(zhuǎn)換傳輸數(shù)據(jù)。
    正弦波的輸出有10位，其中l(wèi)位是符號位，另外9位是小數(shù)位，而系數(shù)左移5位后化成整數(shù)，在所得的整數(shù)中也有5位小數(shù)位，所以最終數(shù)據(jù)一共有19位，其中5位整數(shù)位，14位小數(shù)位。因?yàn)榇谑?位一幀數(shù)據(jù)，為了運(yùn)算簡便，選取了5位整數(shù)位，11位小數(shù)位，舍去最后3位小數(shù)，每個數(shù)分兩次傳輸。因?yàn)樽詈蟮臄?shù)據(jù)分為實(shí)部和虛部，所以每個復(fù)數(shù)需要4幀數(shù)據(jù)傳輸。Matlab接收數(shù)據(jù)重新組合，還原成FPGA的計算結(jié)果。

3 模擬器的性能測試與分析
    開發(fā)板的工作時鐘為100 MHz，DDS IP核延遲2個時鐘周期有輸出值，乘法器延遲1個時鐘周期有輸出值，所以系統(tǒng)總共有3個時鐘周期的延遲。串口傳輸數(shù)據(jù)比較慢，而且數(shù)據(jù)量太大容易出錯，所以將工作時鐘分別進(jìn)行100倍分頻上傳衰落信道第一徑的25 000個數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察，工作時鐘變成1 MHz，將所得的幅度譜轉(zhuǎn)化成功率形式后如圖3所示，fclk=1 MHz的Matlab仿真如圖4所示。

    圖3和圖4中橫軸單位均為s，縱軸單位均為dB。通過比較圖3和圖4發(fā)現(xiàn)實(shí)際產(chǎn)生的結(jié)果與仿真結(jié)果大致相同，也因?yàn)橄禂?shù)的取整和最后上傳數(shù)據(jù)的截斷有少許誤差，基本滿足要求。

4 結(jié)語
    本文采用Jakes改進(jìn)模型，基于FPGA模擬了無線信道的傳輸特性，最終經(jīng)過驗(yàn)證基本滿足要求。為了簡化實(shí)現(xiàn)過程，將系數(shù)取整以及傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行截斷，產(chǎn)生一些誤差，在這方面可以采用浮點(diǎn)數(shù)表示系數(shù)得到更精確的值。