高斯白噪聲信道模擬器的設(shè)計與實現(xiàn)

1、高斯白噪聲信道模擬器的設(shè)計與實現(xiàn)摘要 本文設(shè)計了一個信道模擬器，用來模擬高斯白噪聲信道。整個系統(tǒng)采用 DSP (數(shù)字信號處理器)作為核心處理器，另外加上A/D、D/A完成信號采集及數(shù) 字加噪，輸入信號經(jīng)A/D數(shù)字化后，在DSP內(nèi)疊加噪聲，然后疊加有噪聲的數(shù)字 信號經(jīng)D/A輸出模擬信號，完成加噪過程。高斯白噪聲隨機數(shù)由軟件在DSP內(nèi)部 產(chǎn)生。輸出信噪比可調(diào)，可以通過外接鍵盤進行設(shè)置。通過測試，該信道模擬器 能夠?qū)崟r模擬高斯白噪聲信道，完成加噪。關(guān)鍵詞信道模擬器高斯白噪聲DSP引言在無線通信系統(tǒng)設(shè)計中，為了使系統(tǒng)滿足性能要求，經(jīng)常需要對無線傳輸設(shè) 備的性能進行測試。一種方法是在實際通信環(huán)境中進行現(xiàn)

2、場測試，另一種方法是 在實驗室條件下利用信道模擬器進行性能測試。信道模擬器可以通過改變信道參 數(shù)模擬多種典型信道環(huán)境，便于控制。這樣就可以隨時進行多次重復(fù)試驗，進而 了解一種通信設(shè)備或通信手段在不同信道條件下的性能或在同一信道條件下，比 較不同通信設(shè)備或通信手段的優(yōu)缺點，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)費用。現(xiàn)有的信 道模擬器一般都是基于各種信道仿真模型，如Jake模型、Rummler模型、Suzuki 模型等。在硬件上，隨著數(shù)字信號處理技術(shù)和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，大多使用 DSP或FPGA作為核心器件。本文中使用DSP作為核心器件，對信道的加性高斯 白噪聲特性進行模擬?？傮w設(shè)計與實現(xiàn)該信道模擬器主要由

3、核心處理模塊、ADC模塊、DAC模塊和人機接口模塊組 成。核心處理模塊包括DSP和存儲器，ADC模塊包括濾波器和ADC，DAC模塊包 括DAC和濾波器，人機接口模塊包括鍵盤和顯示器。系統(tǒng)框圖如下：圖1總體方框圖輸入的已調(diào)信號經(jīng)ADC模塊直接采樣，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號。核心處理模塊產(chǎn)生 高斯隨機數(shù)并將其加到輸入的數(shù)字信號上，然后輸出。輸出數(shù)字信號經(jīng)DAC模塊 變?yōu)槟M信號并最終輸出。2.1核心處理模塊核心處理器使用TMS320VC5509A。由于這一型號DSP內(nèi)部主要是易失性存儲 器，所以需要外接非易失性存儲器，用來存儲程序。上電時DSP會自舉加載外部 存儲器中的程序。外部存儲器使用一個512Kx16

4、bit的Flash。DSP與Flash的接口 使用EMIF (External Memory Interface)無縫接口，便于訪問外部存儲器。外接存 儲器電路圖如下：圖2外接Flash電路圖2.2 ADC模塊ADC模塊要對輸入信號進行濾波，并完成數(shù)字化過程。輸出的數(shù)字信號傳輸 給DSP。A/D轉(zhuǎn)換器使用單端輸入模式，內(nèi)部參考電壓。A/D的時鐘由DSP的定 時器輸出引腳提供，便于調(diào)節(jié)時鐘頻率，即A/D的采樣頻率。A/D與DSP的接口 也使用EMIF接口。但是A/D輸出是5V邏輯電平，需要進行電平轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為 3.3V邏輯電平。ADC模塊部分電路圖如下：圖3 ADC模塊部分電路圖2.3 DAC模

5、塊DAC模塊接收DSP輸出的加噪的數(shù)字信號，將其轉(zhuǎn)換為模擬信號，然后通過 濾波器，將無用的高頻分量濾除，并對輸出信號適當(dāng)放大。D/A轉(zhuǎn)換器與DSP的 接口使用EMIF接口。為了滿足總線復(fù)用的要求，在DSP與D/A之間加入鎖存器。 D/A的時鐘與A/D的時鐘相同，輸出使用差分輸出。DAC模塊部分電路圖如下：圖4 DAC模塊部分電路圖2.4人機接口模塊人機接口模塊用來設(shè)置并顯示輸出信噪比。通過鍵盤輸入要設(shè)置的輸出信噪 比的值，控制模擬器輸出信噪比。輸出信噪比的值可以通過顯示器顯示出來。軟件設(shè)計軟件中最主要的部分是高斯分布隨機數(shù)產(chǎn)生算法，本設(shè)計中，首先產(chǎn)生均勻 分布隨機數(shù)，然后用函數(shù)變換的方法產(chǎn)生高

6、斯分布隨機數(shù)。利用定時器產(chǎn)生ADC 和DAC需要的時鐘，并且利用定時器的中斷讀取輸入信號的值，在DSP內(nèi)部加噪 后輸出。另外人機接口模塊與DSP的通信也通過中斷實現(xiàn)。高斯分布隨機數(shù)產(chǎn)生算法高斯分布隨機數(shù)產(chǎn)生算法的一般實現(xiàn)過程是首先利用一個優(yōu)秀算法產(chǎn)生均勻 分布的隨機數(shù)，然后通過變換方法將均勻分布隨機數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚狗植嫉臄?shù)字白噪 聲。均勻分布隨機數(shù)的產(chǎn)生方法主要分為2類：物理方法和數(shù)學(xué)方法。其中數(shù)字 方法中常見的有4種：線性同余法、移位寄存器序列（m序列）、logist方程以及組 合法。將均勻分布隨機數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚狗植茧S機數(shù)的方法主要有函數(shù)變換法、中心 極限法和查表法3種。本文中使用rand函數(shù)產(chǎn)生

7、均勻分布隨機數(shù)，然后用函數(shù)變換法（Box-Muller 變換）將均勻分布隨機數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚狗植茧S機數(shù)。變換公式如下：（Box-Muller 變換）其中，是高斯分布的隨機數(shù)；，是均勻分布的隨機數(shù)。使用這種算法產(chǎn)生50000個隨機數(shù)，然后用MATLAB對這些隨機數(shù)進行測試。下圖是這 些隨機數(shù)的自相關(guān)函數(shù)圖：圖5高斯分布隨機數(shù)自相關(guān)函數(shù)由自相關(guān)函數(shù)圖可以看出使用這種算法生成的高斯隨機數(shù)的相關(guān)函數(shù)接近白噪聲的自相 關(guān)函數(shù)，滿足系統(tǒng)要求。4.結(jié)論通過測試，設(shè)計的信道模擬器能夠?qū)崟r地對輸入信號加噪，模擬高斯白噪聲信道，因此 可以用來測試某些通信設(shè)備的性能。另外，在這一硬件基礎(chǔ)上，可以通過改變程序模擬更復(fù) 雜的信道特性，如衰弱、多徑、多普勒效應(yīng)等。本系統(tǒng)性價比高，有很高的應(yīng)用價值，可廣 泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)的誤碼率測試。參考文獻【1】閆勝利.Altium Designer實用寶典.北京：電子工業(yè)出版社，2007.【2】Bermard .數(shù)字通信原理.北京：電子工業(yè)出版社，2002.【3】樊昌信.通信原理.