軟硬件結合的TD-LTE實驗信號源設計

姜勝園， 華驚宇， 徐志江， 盧為黨， 李 楓

(1. 浙江工業大學 信息工程學院, 浙江 杭州 310023；2. 浙江工業大學 浙江省通信網技術應用研究重點實驗室, 浙江 杭州 310023)

軟硬件結合的TD-LTE實驗信號源設計

姜勝園1， 華驚宇1， 徐志江2， 盧為黨1， 李 楓2

(1. 浙江工業大學 信息工程學院, 浙江 杭州 310023；2. 浙江工業大學 浙江省通信網技術應用研究重點實驗室, 浙江 杭州 310023)

提出了一種設計靈活和低成本TD -LTE信號源的方法。該方法利用Agilent ADS軟件設計TD -LTE理想基帶信號,并通過同樣由ADS建模的三維衰落信道以生成基帶衰落信號，其中三維衰落信道建模同時考慮離去角和到達角。然后ADS軟件通過GPIB接口控制實驗室現有的矢量信號發生器來產生TD -LTE射頻信號，可用于移動通信實驗課程教學以及TD -LTE設備的測試。最后采用Matlab數據分析和頻譜儀測量的方式對所設計的TD -LTE信號源進行驗證，結果表明達到了設計目標。

信號源； TD -LTE； ADS； DOD -DOA

TD-LTE技術是當前我國主推的第四代移動通信技術[1-3]，已經在全國成熟商用，目前已經進入深入挖掘其專業應用的階段，比如集群終端以及物聯網應用。在TD-LTE專業應用[4]以及高校實驗教學過程中，相關的測試設備具有較大需求。以浙江工業大學為例，新建的移動通信本科生實驗室由于缺乏專用測試設備，僅能提供TD-LTE協議層面的演示和實驗，而對于物理信號的實驗缺乏信號源，以至于難以開展。事實上，TD-LTE信號源對LTE技術的研發與調試起著十分重要的作用，典型的TD-LTE信號源產品，如羅德施瓦茨公司的SMU200A矢量信號源，支持3GPP LTE FDD和TDD。專用信號發生器性能優越，完全能提供LTE研究與實驗的各種信號，但是價格昂貴，難以被高校甚至一些企業作為研究儀器使用。而一些款式老舊的信號源卻不能直接產生特定標準的微波矢量信號，比如實驗室的安捷倫E4432B信號源。

用于TD-LTE實驗的信號源應該包含3個部分，一是滿足TD-LTE標準的基帶信號生成器，二是滿足TD-LTE應用需求的空口信道模擬器，三是射頻矢量信號生成器。如前所述，專用信號源可以同時實現3個工作，但是價格昂貴，不適合高校實驗需求。文獻[5]提出在安捷倫ADS中對三維(three-dimensional, 3D)到達角(DOA)信道進行建模，并控制E4432B信號源生成物理信道。本文在此基礎上，進一步把TD-LTE基帶信號也融合到ADS建模中，同時信道建模改為更加一般化的3D DOD-DOA信道，從而設計了一種兼具靈活性和經濟性的用于實驗的TD-LTE信號源。數據分析和物理信號測試表明，本文所設計的信號源效果良好。

1 基于ADS的TD-LTE信號源框架設計

本文將采用軟件控制硬件，軟硬件結合的方式設計TD-LTE信號源，即利用ADS軟件和信號產生器設計信號源，類似于文獻[6—7]中的信號建模。在理想TD-LTE基帶信號源模塊中加入衰落信道模塊,構成TD-LTE基帶衰落信號源，然后將基帶衰落信號輸入到Matlab和矢量信號發生器，如圖1所示。

圖1 基帶衰落信號源

圖1中的虛線框I為理想基帶信號，II為衰落信道，III為基帶衰落信號的輸出。TD-LTE理想基帶信號與基帶衰落信號由ADS軟件設計，經過Matlab驗證正確后，根據軟件與硬件結合、軟件控制硬件的思想，將理想基帶信號、基帶衰落信號通過GPIB接口傳輸到矢量信號發生器，生成所需的物理信號。

理想基帶信號源設計是TD-LTE信號源設計的關鍵一步。在理想信號源模塊中，利用ADS自帶的原始信號源生成上下行射頻信號，經過下變頻成基帶信號，在基帶上進行時隙的復合，形成所需的理想基帶信號。信道設計為三維衰落信道，本文基于AR濾波法，利用ADS軟件建模三維信道，三維信道模型采用球體DOD-DOA模型。理想基帶信號通過衰落信道之后，成為所需的基帶衰落信號。基帶衰落信號通過2條路徑分別傳輸到Matlab和矢量信號源。傳輸到Matlab的信號先通過濾波器，然后再輸出到Matlab接口，最后將數據導入Matlab，用Matlab分析最終輸出的信號。傳輸到矢量信號源的信號經過GPIB接口傳輸到矢量信號發生器，再在頻譜分析儀觀察信號頻譜。

2 軟硬件結合的TD-LTE信號源

2.1 TD-LTE基帶信號源模塊

在理想基帶信號源模塊中，采用ADS2009軟件[8]自帶的LTE上行子幀、下行子幀，將幀結構模式設置為TDD模式，理想基帶信號源原理框圖見圖2。

圖2 理想基帶信號源模塊原理框圖

TD-LTE原始信號源以上行子幀和下行子幀為單位，上行子幀與下行子幀分別經過下變頻器后變為基帶信號，將基帶信號復合成幀再通過成型濾波器，輸出到Matlab接口。仿真生成的數據導入Matlab軟件分析最終輸出的信號。TD-LTE原始信號源主要設置參數見表1。根據上述參數設置，仿真TD-LTE理想基帶信號如圖3所示。

表1 信號源主要設置參數

圖3 TD-LTE理想基帶信號

為了判斷更準確，可以將DwPTS與UpPTS(上行導頻時間)的位置與幀結構理論位置進行比較。為簡化起見，本文僅比較半幀0中的UpPTS的位置，將圖3的UpPTS的始末位置放大，得到圖4。

UpPTS的理論位置為59248—61440碼元，由圖4可以看出，理想基帶信號源輸出的UpPTS的位置正是在這段碼元上。用同樣的方法可以對信號源其他位置與理論位置進行比較，比較結果也是一致的。因此TD-LTE理想基帶信號源的數據位置與理論幀結構位置一致。

圖4 放大后的UpPTS始末位置

2.2 基于ADS的3D DOD-DOA信道建模

與文獻[5]一樣，本文基于自回歸(autoregressive，AR)濾波法[9-10]，在ADS軟件中建模3D信道，不同點在于本文采用了球體DOD-DOA模型。

2.2.1 ADS中的信道模塊建模

根據文獻[9]，在信道自相關函數已知的情況下，首先通過Yule-Walker方程估算AR過程的系數和高斯噪聲方差，然后將實部與虛部相互獨立的高斯噪聲通過AR過程濾波，即可以得到符合實際通信環境的信道系數。ADS信道設計圖見圖5。圖5中，用RecToCx模塊將2個實高斯噪聲模塊復合成復數高斯噪聲模塊，通過IIR濾波器，將濾波后的數據再通過延時模塊、衰減模塊，最后通過Matlab接口輸出到Matlab軟件進行分析。不失一般性，圖5設計的衰落信道為3路徑，每個路徑都包含對應的延時和衰減因子，其中衰減因子由功率延時包絡(power envelope delay，PDP)計算得到。假設路徑1的衰減因子為A，路徑2的衰減因子為B，路徑3的衰減因子為C，則必須使A、B、C滿足A2+B2+C2=1，其中A2為路徑1的功率，B2為路徑2的功率，C2為路徑3的功率。圖5的信道模塊可以推廣到一般的多徑信道。

2.2.2 3D 球體DOD-DOA信道

3D DOD-DOA球體模型如圖6所示。散射體分布在半徑為R的半球體中，以球體底面中心為原點，散射體的笛卡爾坐標為(x,y,z)，柱面坐標為(ρ,φ,z)，球面坐標為(rm,φm,θm)；散射體相對于MS的笛卡爾坐標為(xm,ym,zm)，柱面坐標為(ρm,φm,zm)，球面坐標為(rm,φm,θm)?；靖叨葹镠，基站與移動臺到散直角坐標為(xb,yb,zb)，柱面坐標為(ρb,φb,zb), 球面坐標為(rb,φb,θb)。在xy平面內，軸長均為a，在xz平面內，軸長射區域中心的距離分別為D1和D2。為了簡化分析，本文假設3D DOD-DOA球體信道模型內的散射體服從體積均勻分布，概率密度函數為

(1)

其他散射體分布的推導可類似于本文進行。根據式(1)，散射體相對于移動臺的聯合概率密度函數為

(2)

對rm積分，得到φm與βm的聯合概率密度函數p(φm,βm)(見式(3))。把式(3)代入通用自相關函數計算式(見式(4))，可以計算得到散射體均勻分布時的自相關函數(Ruu(τ)見式(5)。

圖5 ADS信道設計圖

圖6 球體DOD-DOA信道模型

(3)

(4)

(5)

式(4)和式(5)中fd為歸一化最大多普勒頻移，τ為時延。

針對上述自相關函數針對不同的τ作數值計算，得到自相關函數序列，并應用文獻[9]的方法得到AR濾波器系數和高斯白噪聲方差。最后將系數填入圖5中的IIR濾波器模塊，最終產生的隨機信號即為符合DOD-DOA衰落信道的隨機信號。具體的計算過程不再贅述，下面僅給出典型計算結果。

(1) DOD-DOA信道的AR濾波器。設置參數D1=500 m，R=200 m，歸一化最大多普勒頻移fd=0.05，γ=0，計算出AR(100) 過程的系數如表2所示。

表2DOD-DOA球體信道AR_parameters

-0.94060.06710.0072-0.0258-0.0109-0.44600.0574-0.0066-0.0210-0.0041-0.10310.0366-0.0251-0.00240.00070.09570.0100-0.0297-0.02760.00820.1890-0.0077-0.0328-0.02050.02350.2049-0.0203-0.0313-0.00690.01840.1730-0.0389-0.02580.00500.01550.1070-0.0490-0.01710.01410.00410.0262-0.0469-0.00680.02030.0021-0.0272-0.04500.00400.0228-0.0023-0.0706-0.03970.01590.0217-0.0071-0.0945-0.01480.00980.0208-0.0106-0.10220.00300.03050.0135-0.0076-0.09070.01910.0334-0.0115-0.0124-0.06500.03110.0269-0.0023-0.0065-0.03160.03830.0184-0.0047-0.0075-0.00010.03970.0087-0.01240.00740.03530.0360-0.0012-0.01710.01230.05610.0278-0.0102-0.01810.01420.07640.0136-0.0173-0.0159-0.0078

(2) 信道仿真結果。將表2的AR系數值以及高斯噪聲方差值輸入到ADS信道模塊中，高斯噪聲模塊均值設為0、方差設為0.00260568062659/2，IIR濾波器分子系數為1、分母系數設置為{1,AR_parameters}。為了驗證設計的ADS衰落信道模型的正確性，仿真長度為10 000個碼元，得到DOD-DOA衰落信道的統計特性見圖7—圖9，圖8中ACF為自相關函數，圖9中PSD為功率密度。

圖7 衰落信道包絡

圖8 自相關仿真與理論對比圖

圖9 功率譜密度仿真與理論對比圖

從以上仿真統計特性圖可以看出，ADS軟件設計的DOD-DOA球體信道的仿真統計特性與理論統計特性基本一致。

3 信號源測試

3.1 基帶信號測試

根據上述的ADS信道實現，分別將理想基帶信號源加入球體DOD-DOA信道并仿真基帶衰弱信號。

圖10表示理想基帶信號源經過 DOD-DOA衰弱信道。圖10從上到下分別為TD-LTE理想基帶信號、衰弱信道信號以及基帶衰弱信號波形圖。從圖中可以看出TD-LTE 理想基帶信號經過衰弱信道后的幅度有時增加有時減少，符合信道特性。

圖10 基帶信號源測試結果

3.2 物理信號測試

ADS軟件里設計的TD-LTE理想基帶信號與基帶衰弱信號，經Matlab驗證正確后，根據軟件與硬件結合、軟件控制硬件的思想，將理想基帶信號、基帶衰弱信號分別傳輸到矢量信號發生器中，生成所需的物理信號。

矢量信號發生器采用安捷倫公司的E4432B[11-12]，并用USB/GPIB連接線將其同計算機相連。在ADS軟件中設計的信號源終端接E443XB模塊，此模塊需要設置的參數包括載波頻率、采樣時鐘、起始時間和結束時間等。載波頻率設置為2 500 MHz，采樣時鐘設置為15.36 MHz(對應10 MHz系統帶寬)。

將E4432B射頻輸出端口通過射頻線接到頻譜分析儀上(安捷倫公司E4404B[13])，在頻譜分析儀上觀察信號頻譜，見圖11和圖12，可判斷信號正確性。從圖11看出，載波頻率為2 500 MHz，X軸Span為20 MHz，每格2 MHz，頻譜寬度在X軸上的跨度近似5格，約為10 MHz，與本文設置的TD-LTE帶寬一致。從圖12可看到，當理想基帶信號源加入衰弱信道模塊后，頻譜寬度稍有增加，幅度有起伏，信號衰減明顯。

圖11 TD-LTE理想基帶信號頻譜

圖12 理想基帶信號經過3D DOD-DOA信道后的頻譜

4 總結

TD-LTE信號源對LTE技術的研發與調試起著十分重要的作用，基于結合軟硬件設計的TD-LTE實驗信號源只需要一臺矢量信號源，便能通過設計信道獲得多種制式的通信信號，從而形成一種通用的信號源，設計靈活，能降低研究成本，具有廣闊的市場前景。

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Design of TD -LTE experimental signal source with combination of software and hardware

Jiang Shengyuan1, Hua Jingyu1, Xu Zhijiang2, Lu Weidang1, Li Feng2

(1. College of Information Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China; 2. Zhejiang Provincial Key Laboratory of Applied Research on Communication Network Technology, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China)

A method for designing the flexible and low-cost TD -LTE signal source is proposed. This method uses the Agilent ADS software to design TD -LTE ideal base-band signal, and a base-band fading signal is generated by the 3D fading channel which is similarly modeled by the ADS. Both DOD (direction of departure) and DOA (direction of arrival) are taken into account for the 3D fading channel modeling. Then, the ADS software controls the existing vector signal generator in the laboratory through the GPIB interface to produce the TD -LTE radio frequency signal，which can be used for the experimental teaching of mobile communication and the test of TD -LTE equipment. Finally, the designed TD -LTE signal source is verified by adopting the methods of the Matlab data analysis and the spectrum analyzer measurement, and the results show that the desired target is achieved.

signal source; TD -LTE; ADS; DOD-DOA

TN791

A

1002-4956(2017)10-0088-06

10.16791/j.cnki.sjg.2017.10.023

2017-04-06

國家自然科學基金項目(61471322)

姜勝園(1992—)，女，浙江余姚，碩士研究生，研究方向為無線通信

E-mail：654359607@qq.com

華驚宇(1978—)，男，浙江杭州，博士，教授，研究方向為無線通信.

E-mail：eehjy@zjut.edu.cn