基于FPGA和Matlab的无线通信信道参数估测算法测试系统

摘要

本发明公开一套基于FPGA和Matlab的无线通信信道参数估测算法测试系统，主要应用于400MHz-6GHz频带内无线通信信道衰落参数的估计。本发明利用FPGA快速计算的特点，在minibee平台Centos操作系统中设计了一套无线通信信道衰落参数估计系统。该系统首先产生指定序列的基带信号，通过调制、数模转换、功率放大等步骤后得到指定参数的发射端射频信号，通过无线信道后将信号接收回来，再通过低通滤波、下变频、模数转换等步骤得到基带信号。本发明能够将无线通信信道衰落参数估计的算法进行快速验证，适用于较宽频带的信道衰落参数估计，系统扩展性较好，操作简便，并且设计了相应的图形用户显示界面，能够绘制出给定物理空间范围内的信道衰落参数估计热点图。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于FPGA和Matlab的无线通信信道参数估测算法测试系统。

背景技术

在本技术领域中，通常是将无线通信信道参数估计系统全部进行硬件固化，其实现过程冗长、复杂、周期过长、可调试性较差，难以快速实现对新理论方法的实验测量、性能的验证和算法改进等。

由于大多数估测算法的实现方式是通过FPGA结合DSP的方式，虽然硬件实现方式具有运算效率高的突出优点，但是同时也存在编写周期长、调试难度大等问题。因此，将非实时并且对运算效率要求较低的部分做成软件也是目前算法实现的一种趋势。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种通过软、硬件结合能够将无线通信信道衰落参数估计的算法进行快速验证的基于FPGA和Matlab的无线通信信道参数估测算法测试系统。

为达到上述目的，本发明基于FPGA和Matlab的无线通信信道参数估测算法测试系统，包括信号发射单元、信号接收单元以及matlab无线通信信道参数估测单元，

所述信号发射、信号接收单元，包括发射端和接收端，所述发射端将指定序列的基带信号发射至所述接收端，其中所述指定序列的基带信号由软件程序产生，所述发射端和所述接收端的通信参数由软件程序设定、控制；

所述matlab无线通信信道参数估测单元，用于采集发射端和接收端的中频 信号电压值，运行无线通信信道参数估测算法，对所述无线通信信道参数估测算法的有效性和准确性进行判定。

进一步地，所述信号发射端，包括PFGA模块，用于将所述的基带信号通过平方根升余弦滤波，插值，载波调制成245.76MHz的中频信号；

中频转高频模块，用于将中频信号通过数模转化，调制，滤波，射频端放大后得到2.4576GHz的射频信号，并根据射频端的增益倍数以及数模量化精度将中频信号换算成射频信号，通过无线信道发送射频信号至所述接收端；

所述接收端，包括高频转中频模块，用于将接收到的2.4576GHz的射频信号依次通过低通滤波、解调、可变增益放大、模数转化后得到245.76MHz的中频信号，根据射频端的增益倍数以及模数量化精度将射频端电压值换算成中频；

将245.76MHz的中频信号一路直接存进所述FPGA模块的数据存储器，输出至所述matlab无线通信信道参数估测单元，另一路通过FPGA模块的匹配滤波和下变频后进入预处理寄存器。

进一步地，所述matlab无线通信信道参数估测单元为安装有Matlab软件的计算机，所述计算机通过软硬件接口与所述FPGA模块、中频转高频模块、高频转中频模块，所述软硬件接口包括软件控制参数接口、数据输入输出接口、FPGA配置接口、硬件配置接口，其中，所述软件控制参数接口，用于输出所述发射端和所述接收端的通信参数；所述数据输入输出接口，用于所述信号发射单元、信号接收单元与matlab无线通信信道参数估测单元之间的数据传输；所述FPGA配置接口，用于对FPGA做初始化配置以及FPGA参数设置；所述硬件配置接口，用于控制中频转高频模块、高频转中频模块运行参数。

具体地，所述FPGA模块包括连接的符号产生电路、星座映射电路、平方根升余弦滤波电路、插值电路、信号选择电路；以及数据存储器、匹配滤波电路和所述匹配电路连接的下抽样电路。

进一步地，还包括用户图形界面。

本发明将无线通信信道参数估测系统实测时所需要改变的通信参数(例如发射、接收信号增益，通信频段，输入信号控制及读取)做成可软件控制的输入接口，同时将无线通信信道参数估测算法的验证部分放入软件编程部分，并且设计算法所需要的控制逻辑接口和数据读写接口。在这种架构下，对于理论研究所得结果可以进行快速实测验证，并且在实测现场可以根据测试的需求对算法进行有效修改，提高了实际测试和系统调整的效率。

附图说明

图1是本发明基于FPGA和Matlab的无线通信信道参数估测算法测试系统结构框架图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做进一步的描述。

本发明主要应用于400MHz-6GHz频带内无线通信信道衰落参数的估计。本发明利用FPGA快速计算的特点，在minibee平台Centos操作系统中设计了一套无线通信信道衰落参数估计算法测试系统。该系统首先产生指定序列的基带信号，通过调制、数模转换、功率放大等步骤后得到指定参数的发射端射频信号，通过无线信道后将信号接收回来，再通过低通滤波、下变频、模数转换等步骤得到基带信号。

本发明基于FPGA和Matlab的无线通信信道参数估测算法测试系统，包括信号发射单元、信号接收单元以及matlab无线通信信道参数估测单元，

所述信号发射、信号接收单元，包括发射端和接收端，所述发射端将指定序列的基带信号发射至所述接收端，其中所述指定序列的基带信号由软件程序产生，所述发射端和所述接收端的通信参数由软件程序设定、控制；

所述matlab无线通信信道参数估测单元，用于采集发射端和接收端的中频信号电压值，运行无线通信信道参数估测算法，对所述无线通信信道参数估测算法的有效性和准确性进行判定。

所述信号发射端，包括PFGA模块，用于将所述的基带信号通过平方根升余弦滤波(SRRC滤波)，插值，载波调制成245.76MHz的中频信号；

中频转高频模块，用于将中频信号通过数模转化(DAC)，调制，滤波，射频端放大后得到2.4576GHz的射频信号，并根据射频端的增益倍数以及数模量化精度将中频信号换算成射频信号，通过无线信道发送射频信号至所述接收端；

所述接收端，包括高频转中频模块，用于将接收到的2.4576GHz的射频信号依次通过低通滤波、解调、可变增益放大、模数转化(ADC)后得到245.76MHz的中频信号，根据射频端的增益倍数以及模数量化精度将射频端电压值换算成中频；

将245.76MHz的中频信号一路直接存进所述FPGA模块的寄存器，输出至所述matlab无线通信信道参数估测单元，另一路通过FPGA模块的匹配滤波和下变频后进入预处理寄存器。

所述matlab无线通信信道参数估测单元为安装有Matlab软件的计算机，所述计算机通过软硬件接口与所述FPGA模块、中频转高频模块、高频转中频模块，所述软硬件接口包括软件控制参数接口、数据输入输出接口、FPGA配置接口、硬件配置接口，其中，所述软件控制参数接口，用于输出所述发射端和所述接收端的通信参数；所述数据输入输出接口，用于所述信号发射单元、信号接收单元与matlab无线通信信道参数估测单元之间的数据传输；所述FPGA配置接口，用于对FPGA做初始化配置以及其它参数设置；所述硬件配置接口，用于控制硬件部分的运行参数。

所述FPGA模块包括连接的符号产生电路、星座映射电路、平方根升余弦滤波(SRRC滤波)电路、插值电路、信号选择电路；以及数据存储器、匹配滤波电路和所述匹配电路连接的下抽样电路。

本发明系统的运行如下：

将测试所需的特定基带信号从软件产生并送入对应的发送端寄存器，根据 算法精度的需要改变寄存器存储空间；所述特定基带信号为根据实际测试需要选定的基带信号。

将基带信号通过平方根升余弦滤波，插值，载波调制成245.76MHz的中频信号，各个模块的参数可由软件输入参数控制。将245.76MHz的中频信号转化为后端高变频模块所需要的信号模式。

将中频信号通过数模转化，调制，滤波，射频端放大后得到2.4576GHz的射频信号，并根据射频端的增益倍数以及数模量化精度将中频电压值换算成射频电压值。

发射和接收信号。

将接收到的2.4576GHz的射频信号依次通过低通滤波、解调、可变增益放大、模数转化等步骤后得到245.76MHz的中频信号，根据射频端的增益倍数以及模数量化精度将射频端电压值换算成中频。

将245.76MHz的中频信号一路直接存进寄存器并通过软件读取后进行算法运算，另一路通过匹配滤波和下变频后进入预处理寄存器以备后续算法需要。

根据采集到的发射端和接收端的中频信号电压值，套用相应的无线通信信道参数估测算法，对算法的有效性和准确性进行快速判定，如果对算法有修改的必要可直接在软件部分进行，通过matlab脚本文件对硬件随机存储器中的数据进行读写，对于算法的改写可直接在matlab中进行。修改定型后可以做成FPGA硬件提高算法效率。

本发明将无线通信信道参数估测算法部分与通信接收、发送模块分离设计。采集接收信号；根据无线通信信道参数估测算法设计软件端与硬件端的控制接口以及输入输出存储器；根据无线通信信道参数估测算法所需要的信号参数需求，设计接口使用户能够从软件端进行操作，从而使平台能够适应不同频段无线通信场景下的实际测量实验。根据无线通信信道参数估测算法所需要的信号参数需求，设计发送端和接收端的硬件电路。根据无线通信信道参数估测算法 一般结果的需求，设计相应的测试数据动态实时图形用户显示界面。设计部分通用扩展接口，使得平台具有更好的扩展性，易于用户做修改。

测试室外开阔空间2.4GHz频段大尺度衰落环境下nakagami信道的m参数估计，其具体方法如下：

将显示器通过VGA接口连接到minibee上，将minibee接上两根3db的天线，工作频段为2.4GHz。在centos操作系统上打开一个terminal显示端口，将拷贝到minibee中的bin文件load到FPGA中，使用指令SelectMAP xx.bin(xx为编译好的bin文件名称)。成功后通过minicom fpga指令打开fpga控制台，查看fpga是否正常工作运转，如果没有，通过mBEEControl-r将fpga复位，再次loadbin文件。当bin文件成功下载到fpga之后，通过b4d指令打开fpga与minibee的通讯端口。然后，重新打开一个terminal窗口，run matlab，在matlab控制台直接运行写好的main.m脚本文件。main脚本文件包含了5种无线通信信道参数估测算法，每种算法一次运行中计算20次，所取的信号长度为8192个采样量化点。main.m脚本文件执行完成后，打开一个terminal端，执行指令java–jarxx.jar(xx为编译好的java GUI工程名)，在弹出的图形用户界面动态的显示5种无线通信信道参数估测算法对于nakagami信号m参数的估测值，对于不同的无线通信信道参数估测算法，本系统都能迅速有效的计算出其所需要的估测值

本实例中我们的所取值的具体参数如下：

Select_tx首先会输入控制信号“0”值，此时控制发送端不输出任何信号，以此来估测接收端实时的噪声和干扰信号功率，然后Select_tx输入“1”值，此时发送端基带会产生随机信号。Select_qpsk_test输入“qpsk”；TX_Gain输入十六进制值“x4000”；VGA增益设置为8db；滤波频段设置为2.4576GHz；接收机衰减设置为8db；工作通道选择channel1。

如果某种无线通信信道参数估测算法需要对硬件参数设置或者FPGA参数设置进行修改，在软硬件接口部分修改脚本语言中的参数，从而达到快速修改 的目标。

本实施例符号产生电路产生固定特征序列的信号，在实测时可以是导频信号。所述信号选择电路，有部分信道估计算法在估算时，需要测量信道的噪声功率以提高算法的精确度，信号选择的功能是通过选择不同特征序列的信号来达到分别测量噪声功率和信号功率的目标。

本发明能够将无线通信信道衰落参数估计的算法进行快速验证，适用于较宽频带的信道衰落参数估计，系统扩展性较好，操作简便，并且设计了相应的图形用户显示界面，能够绘制出给定物理空间范围内的信道衰落参数估计热点图。

以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。