Имитатор радиоканала
RADIO CHANNEL IMITATOR

Предлагаемое устройство относится к области радиотехники: для тестирования приемных и передающих устройств и конкретно к вопросам моделирования канала радиосвязи.
Известны имитаторы радиоканалов, содержащие в своей структуре имитатор многолучевого распространения, имитатор эффекта Доплера, имитатор затухания сигнала. Так, в заявке US 20030088390 от 08.05.2003 г. рассматривается имитатор многолучевого распространения, но он обладает недостатком - ограничен одним видом имитируемого влияния и не имеет возможности моделирования других воздействий на полезный сигнал при распространении в атмосфере; имитатор высокочастотного канала по патенту US 6058261 от 2.05.2000 г. недостатком которого является то, что он может использоваться только для имитации многолучевого распространенияи только с определенными задержками, т.е. имеет ограниченные функциональные возможности.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является имитаторУКВрадиоканалапо патенту №175192 от 02.05.2017 г.
Блок-схема устройства-прототипа приведена на фиг. 1, где введены следующие обозначения:
1.1…1.N - входные управляемые аттенюаторы;
2 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
3, 7 - первый и второй сумматоры;
4 - имитатор канала с многолучевым распространением (ИКМ);
- цифровые генераторы шума (ЦГШ);
6.1…6s - цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП);
8 - разветвитель;
9.1…9.k - выходные управляемые аттенюаторы;
10 - ключ.
0
Устройство-прототип содержит последовательно соединенные входной управляемый аттенюатор 1.1, ключ 10, АЦП 2, ИКМ 4, ЦАП 6.1, второй сумматор 7 и разветвитель 8, k выходов которого соединены с входами соответствующих выходных аттенюаторов 9.1…9.k, выходы которых являются k выходами устройства. Выходы входных управляемых аттенюаторов 1.2…1.N соединены с соответствующими входами первого сумматора 3, выход которого подключен к соответствующему входу второго сумматора 7. Кроме того, выход каждого ЦГШ с 5.1.1 по 5.m.i подключен к входу каждого с 6.2 по 6.s ЦАП соответственно, выходы которых соединены с соответствующими входами второго сумматора 7. Вторые входы АЦП 2, ИКМ 4 и ЦАП 6.1…6.s и входы ЦГШ 5.1.1…5.m.i являются входами для тактовых импульсов f. При этом второй выход ключа 10 подсоединен к соответствующему входу первого сумматора 3. Входы входных управляемых аттенюаторов 1.1…1.N являются N входами устройства.
Устройство-прототип работает следующим образом.
Сигнал от внешнего устройства поступает на входной управляемый аттенюатор 1.1, в структуру которого входит фиксированный аттенюатор и перестраиваемый аттенюатор (на фиг.  1 не показаны). Таким образом, общий диапазон ослабления сигнала составляет от 40 дБ до 100 дБ. Использование фиксированного аттенюатора позволяет предотвратить появление таких нежелательных искажений входного сигнала, как ограничение уровня входного сигнала (блокирование) и интермодуляции. Сигнал с выхода управляемого аттенюатора 1.1 поступает на вход ключа на два положения 10, и в зависимости от положения ключа далее сигнал может идти или на первый выход ключа и далее на вход АЦП 2, или на второй выход ключа и далее на вход сумматора 3. С выхода АЦП 2 уже цифровой сигнал поступает на вход ИКМ 4. Сигнал с выхода ИКМ 4 поступает на ЦАП 6.1, с выхода которого поступает на соответствующий вход сумматора 7. Параллельно ИКМ 4 включены ЦГШ 5.1.1…5.m.i. В качестве ЦГШ5.1.1…5.m.i, можно использовать, например, генератор сигнала с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), в связи с тем, что вид спектральной плотности мощности и автокорреляционная функция сигнала с линейной частотной модуляцией схожи с таковыми у ограниченного по полосе белого гауссовского шума. Кроме того, в ЦГШ 5 возможно формирование других видов шума. Сформированные шумовые сигналы поступают на входы ЦАП 6.2…6.s, и полученные аналоговые сигналы подаются на входы второго сумматора 7.
С входов 2…N через соответствующие управляемые аттенюаторы 1.2…1.N сигналы поступают на входы первого сумматора 3 и далее - насоответствующий вход второго сумматора 7, с выхода которого суммарный сигнал подается на вход разветвителя 8, где разделяется на требуемое число k каналов. Эти сигналы с выходов разветвителя 8 через выходные управляемые аттенюаторы 9.1…9.k, (аналогичные по работе входным аттенюаторам, только с коэффициентом ослабления от 0 до 60 дБ), поступают на соответствующие выходы устройства.
Недостатками устройства-прототипа является то, что помехи на всех выходах устройства имеют одинаковые характеристики, что приводит к ограничению применения такого имитатора.
Задача предлагаемого устройства - расширение функциональных возможностей за счет обеспечения на разных группах выходов помех с различнымипараметрами.
0
0
Для решения поставленной задачи в имитатор радиоканала, содержащий N входных управляемых аттенюаторов, выход первого из которых через первый ключ соединен с входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП); выходы со второго по N входных управляемых аттенюаторов соединены с соответствующими входами первого сумматора, выход которого соединен с соответствующим входом второго сумматора, выход которого подсоединен к входу первого разветвителя, а также m цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) и k выходных управляемых аттенюаторов, выходы которых являются соответствующими выходами устройства, кроме того, вторые входы АЦП и ЦАП являются входами для тактовых импульсов f, согласно изобретению, введены формирователь шумоподобных сигналов (ФШС), вход которого подключен к выходу АЦП, другой вход является входом для тактовых импульсов f, выходы ФШС соединены с входами ЦАП соответственно, а также р фиксированных аттенюаторов, выходы которых соединены с соответствующими входами второго сумматора, при этом вход каждого из р фиксированного аттенюатора подключен к выходу соответствующего ЦАП с первого по р; t вторых ключей, первые выходы которых соединены с соответствующими входами второго сумматора, вход каждого из вторых ключей подсоединен к входу ЦАП с (р+1) по m соответственно, кроме того, t третьих сумматоров, выходы которых соединены с входами t вторых разветвителей соответственно, причем первые входы третьих сумматоров подключены к соответствующим выходам первого разветвителя, а вторые - ко вторым выходам вторых ключей соответственно; выходы t вторых разветвителей соединены с входами k выходных управляемых аттенюаторов соответственно; шина управления подключена к управляющим входам N входных управляемых аттенюаторов, первого и вторых ключей, k выходных управляемых аттенюаторов и формирователя шумоподобных сигналов.
Поставленная задача достигается комбинацией аналоговой и цифровой форм обработки радиосигнала.
Перечень фигур, поясняющих описание устройства: фиг. 1 - блок-схема устройства-прототипа; фиг. 2 - блок-схема предлагаемого устройства; фиг. 3 - блок-схема формирователя шумоподобных сигналов; фиг. 4 - блок-схема формирователя ограниченного по полосе квазигауссовского шума; фиг. 5 - блок-схема формирователя ЛЧМ сигнала; фиг. 6 - сигнал с выхода генератора пилообразного сигнала с псевдослучайной частотой; фиг. 7 - спектральная плотность мощности ограниченного по полосе квазигауссовского шума на центральной частоте 30 МГц с полосой 3000 кГц; Фиг. 8 - спектральная плотность мощности ЛЧМ-сигнала на центральной частоте 30 МГц с полосой 3000 кГц.
Схема предлагаемого устройства представлена на фиг. 2, где обозначено:
1.1… 1.N - входные управляемые аттенюаторы;
2 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
3, 7 - первый и второй сумматоры;
5 - формирователь шумоподобных сигналов (ФШС);
6.1…6.m - цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП);
8 - первый разветвитель;
9.1…9.k - выходные управляемые аттенюаторы;
10 - первыйключ;
11 - шина управления (ШУ);
12.1…12.t - вторыеключи;
13.1…13.t - третьисумматоры;
14.1…14.t - вторые разветвители;
15.1…15.р - фиксированные аттенюаторы.
Блок-схема формирователя шумоподобных сигналов представлена на фиг. 3, где обозначено:
4 - имитатор канала с многолучевым распространением и эффектом Допплера (ИКМД);
5.1…5.m - m групп цифровых генераторов шума (ЦГШ);
5.1.1…5.1.i, 5.2.1…5.2.j, 5m.1…5.m.b - цифровые генераторы шума;
11 - шина управления;
16.1…16.m - цифровые сумматоры;
17 - цифровой ключ.
0
Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные входной управляемый аттенюатор 1.1, первый ключ 10, АЦП 2 и ФШС 5, выходы которого соединены с входами соответствующих ЦАП 6.1…6.m. При этом выходы первой группы ЦАП с 6.1 по 6.р через соответствующие фиксированные аттенюаторы 15.1…15.р соединены с соответствующими входами второго сумматора 7. Выходы второй группы ЦАП с 6.(р+1) по 6.m соединены с входами вторых ключей 12.1…12.t, первые выходы которых подключены к соответствующим входам второго сумматора 7, а вторые выходы - к входам соответствующих третьихсумматоров 13.1… 13.t, выходы которых соединены с входами соответствующих вторых разветвителей 14.1…14.t, выходы которых соединены с входами соответствующих выходных аттенюаторов 9.1…9.k, выходы которых являются k выходами устройства. Выход второго сумматора 7 соединен с входом первого разветвителя 8, выходы которого соединены с соответствующими входами третьих сумматоров 13.1… 13.t. Кроме того, вторые входы АЦП 2, ФШС 5 и ЦАП 6.1…6.m являются входами для тактовых импульсов f. Причем, шина управления 11 соединена с управляющими входами входных и выходных управляемых аттенюаторов 1.1…1.N и 9.1…9k, первого 10 и вторых 12.1…12.t ключей, атакже ФШС 5.
0
Формирователь шумоподобного сигнала 5 (фиг. 3) содержит последовательно соединенные имитатор канала с многолучевым распространением и эффектом Допплера (ИКМД) 4 и цифровой ключ 17, выход которого является первым выходом ФШС 5, а также m групп цифровых генераторов шума (ЦГШ) 5.1…5.m, каждая из которых содержит ЦГШ 5.1.1…5.1.i, 5.2.1…5.2.i, 5.m.1…5.m.i, (количество которых может быть неодинаково в каждой группе), выходы которых подключены к соответствующим входам соответствующих цифровых сумматоров 16.1…16.m. При этом выход первого сумматора 16.1 подключен к соответствующему входу цифрового сумматора 17. Выходы цифровых сумматоров со второго по m 16.2… 16.m являются соответствующими выходами ФШС 5. Кроме того, вход ФШС для тактовых импульсов f подсоединен к объединенным соответствующим входам ИКМД 4 и ЦГШ5.1.1…5.1.i, 5.2.1…5.2.j, 5.m.1…5.m.b, управляющие входы которых соединены шиной управления 11, которая подсоединена и к управляющему входу цифрового ключа 17 и соединена с управляющим входом ФШС 5.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Сигнал от внешнего устройства поступает на входной управляемый аттенюатор 1.1, в структуру которого входит фиксированный аттенюатор и перестраиваемый аттенюатор (на фиг. 2 не показаны). Использование фиксированного аттенюатора позволяет предотвратить появление таких нежелательных искажений входного сигнала, как ограничение уровня входного сигнала (блокирование) и интермодуляции. Сигнал с выхода управляемого аттенюатора 1.1 поступает на вход ключа на два положения 10, и в зависимости от положения ключа 10 далее сигнал может идти или на первый выход ключа и далее на вход АЦП 2, или на второй выход ключа и далее на вход первого сумматора 3. С выхода АЦП 2 уже цифровой сигнал поступает на вход формирователя шумоподобных сигналов (ФШС) 5, с выходов которого шумоподобные сигналы поступают на соответствующие входы ЦАП 6.1…6.m. Затем выходные сигналы первой группы ЦАП с 6.1 по 6.р через фиксированные аттенюаторы 15.1…15.р (таких аттенюаторов может быть от 1 до р) поступают на соответствующие входы второго сумматора 7. Выходные сигналы второй группы ЦАП с 6.(р+1) по 6.m через вторые ключи 12.1…12.t (таких ключей может быть от 1 до t) поступают или на соответствующие входы второго сумматора 7, или на соответствующие входы третьих сумматоров 13.1…13.t, в зависимости от положения вторых ключей 12.1…12.t. Суммарный сигнал с выхода второго сумматора 7 подается на вход первого разветвителя 8, с t выходов которого сигналы подаются на соответствующие входы третьих сумматоров 13.1…13.t и далее через вторые разветвители 14.1…14.t на выходные управляемые аттенюаторы 9.1…9.k, (аналогичные по работе входным аттенюаторам), с выходов которых поступают на соответствующие выходы устройства.
С входов 2…N имитатора через соответствующие управляемые аттенюаторы 1.2…1.N сигнал через первый сумматор 3 поступает на соответствующий вход второго сумматора 7.
По шине управления 11 сигналы управления поступают на управляющие входы входных 1.1…1.N и выходных 9.1…9.k управляемых аттенюаторов, первого 10 и вторых 12.1….12.t ключей, а также ФШС 5.
В качестве цифровых генераторов шума 5.1.1…5.1.i, 5.2.1…5.2.j, 5.m.1…5.m.b, можно использовать, например, генератор ограниченного по полосе квазигауссовского шума или генератор ЛЧМ сигнала.
Примеры построения этих генераторов могут быть такими, как показаны на фиг. 4 и 5.
На фиг. 4 показана блок-схема генератора ограниченного по полосе квазигауссовского шума, где обозначено: 19.1, 19.2 - генератор псевдослучайной М-последовательности; 20.1, 20.2 - перестраиваемый фильтр с бесконечной импульсной характеристикой; 21.1, 21.2 - фильтр-корректор с конечной импульсной характеристикой; 22.1, 22.2 - интерполятор с переменным коэффициентом интерполяции; 23 - синтезатор прямого цифрового синтеза; 24.1, 24.2 - смеситель; 25 - сумматор.
Генератор ограниченного по полосе квазигауссовского шума содержит две параллельные линейки, каждая из которых содержит последовательно соединенные генератор псевдослучайной М-последовательности 19.1 (19.2), перестраиваемый фильтр с бесконечной импульсной характеристикой 20.1, (20.2), фильтр-корректор с конечной импульсной характеристикой 21.1, (21.2), интерполятор спеременным коэффициентом интерполяции 22.1, (22.2), смеситель 24.1, (24.2). При этом первые выходы смесителей 24.1 и 24.2 соединены с соответствующими входами сумматора 25, выход которого является выходом генератора. Выходы синтезатора прямого цифрового синтеза 23 соединены со вторыми входами смесителей 24.1 и 24.2 соответственно.
Для формирования ограниченного по полосе квазигауссовского шума изначально используются сигналы в виде двух неравных М-последовательности с выходов 19.1 (19.2), так как данные сигналы занимают широкую полосу частот, далее эти сигналы фильтруются в перестраиваемых фильтрах нижних частот (ФНЧ) 20.1 (20.2), фильтр-корректор 21.1 (21.2) используется для компенсации неравномерности характеристики последующего тракта интерполяции, и после фильтрации получается сигнал на нулевой частоте с ограниченным по заданной полосе равномерным спектром, этот сигнал интерполируется в интерполяторе с переменным коэффициентом интерполяции 22.1 (22.2) и переносится на требуемую высокую частоту с помощью схемы, состоящей из синтезатора прямого цифрового синтеза синтезатора 23, смесителей 24.1 (24.2) и сумматора 25.
Блок-схема генератора сигнала с ЛЧМ показана на фиг. 5, где обозначено: 26 - генератор пилообразного сигнала с псевдослучайной частотой; 27 - устройство масштабирования; 28 - синтезатор прямого цифрового синтеза. (Сигнал с выхода генератора 26 представлен на фиг. 6).
Работает устройство следующим образом. Пилообразный сигнал с псевдослучайной частотой с выхода формирователя пилообразного сигнала 26 проходит через устройство масштабирования 27, после чего пилообразный сигнал является кодом частотыи подается на вход синтезатора прямого цифрового синтеза 28, на выходе которого получается сигнал с линейной частотной модуляцией.
Таким образом, в ФШС 5 могут формироваться сигналы, показанные на фиг. 7 (ограниченный по полосе квазигауссовский шум) и фиг. 8 (ЛЧМ сигнал). Кроме того, в ЦГШ возможно формирование других видов шумоподобных сигналов.
Сформированные шумоподобные сигналы в генераторах 5.1.1…5.1.i, 5.2.1…5.2.j, 5.m.1…5.m.b, объединенные в m групп 5.1…5.m (при этом значения i≥1, j≥1, b≥1),поступают на входы соответствующих цифровых сумматоров 16.1…16.m.
В качестве цифровых генераторов шумового сигнала 5.1.1…5.1.i, 5.2.1…5.2.j, 5.m.1…5.m.b, возможно использовать, например, генератор ограниченного по полосе квазигауссовского шума и/или генератор ЛЧМ сигнала.
Сигнал с выхода АЦП 2 поступает вход ФШС 5, являющийся входом ИКМД 4, с выхода которого сигнал подается через ключ 17 на первый выход ФШС 5.
Устройство имеет несколько режимов работы.
1. В упрощенном режиме все N входов устройства через входные управляемые аттенюаторы 1.1…1.N подключены к первому сумматору 3 (ключ 10 переключен на второй выход), и на второй сумматор 7 поступает сигнал только с выхода первого сумматора 3. В этом случае имитируется распространение сигналов с затуханием без вмешательства других воздействий.
2. Дополнительно к первому режиму может включаться формирователь шумоподобных сигналов 5, с выходов которого шумоподобные сигналы поступают на входы ЦАП 6.2…6.m через вторые ключи 12.1…12.t и далее, причемесли все выходы ключей подключены к соответствующим входам второго сумматора 7, то создается ситуация добавления к полезному сигналу шумоподобного сигнала, при этом на каждом выходе будут шумоподобные сигналы с одинаковыми характеристиками; если выходы всех ключей подключены к соответствующим входам третьих сумматоров 13.1…13.t, то также создается ситуация добавления к полезному сигналу шумоподобного сигнала, только в данном случае на выходах каждого из t третьих сумматоров 13.1…13.t, а, соответственно и на выходах, характеристикишумоподобных-сигналов будут отличаться. Кроме того, возможны ситуации разных положений вторых ключей 12.1…12.t, т.е. выходы некоторых из них соединены с соответствующими входами второго сумматора 7, а другие - с соответствующими входами третьих сумматоров 13 и, тем самым, возможны различные комбинации отношения сигнал/шум и характеристик шумоподобных сигналов на разных выходах.
3. В третьем варианте ключ 10 переключается на первый выход, и сигнал через АЦП 2 поступает в ИКМД4. Таким образом, включается режим имитации многолучевого распространения сигнала и/или эффекта Допплера.
В качестве управляемого аттенюатора возможно применение, например, микросхем фирмы Peregrine. В качестве АЦП можно использовать, например, 16-битное АЦП LTC2208IUP фирмы Linear Technology, в качестве ЦАП - 14-битную микросхему DAC5672IPFB фирмы Texas Instruments.
Формирователь шумоподобных сигналов 5 может быть выполнен в цифровом виде, например, на базе микросхемы EP4CE115F23I7N фирмы Altera, в которой предусмотрено 281 входов/выходов.
Вторые ключи 12.1…12.t могут быть реализованы на микросхеме PE42521MLBA-Z, третьи сумматоры 13.1… 13.t на микросхеме ADP-2-1W.
Введение вимитатор m вторых ключей, формирователя шумоподобных сигналов, m третьих сумматоров и m вторых разветвителей позволяют расширить функциональные возможности устройства и обеспечить больший выбор параметров создаваемого канала беспроводной связи за счет обеспечения различных характеристик шумоподобных сигналов.