基于数字地图的全射线信道模拟装置及数字孪生方法与流程

1.本发明涉及无线信息传输技术领域，具体而言涉及一种基于数字地图的全射线信道模拟装置及数字孪生方法。


背景技术：

2.无线电波信号在传输过程中会受到周围环境的影响，发射端发射的信号由于受到墙面、障碍物以及植被等物体的反射、散射的作用，在到达接收端之前会存在多个传播路径，并且各传播路径的传播时延、到达/离开角、信号幅值各不相同。同时，由于收发端可能处于运动状态，接收端接收到的各路无线信号多普勒频率也存在差异。
3.为了有效地验证和评估无线通信系统和设备的性能，同时减少研发成本、缩短开发测试周期，需要在实验室环境下快速、低成本地复现特定真实场景的无线传播场景。基于真实场景数字地图和射线跟踪方法，利用确定性信道建模方法进行全射线数字信道孪生，能更逼真、准确地模拟无线信道的信道特性。
4.然而，采用全射线的确定性信道建模方法，会导致硬件资源消耗大、复杂度高等问题。全射线信道数字孪生的关键是如何高效并精确地模拟信号传播过程中每一条路径的时延、功率和多普勒频率。传统的信道模拟方法采用查找表法对射线或衰落进行模拟，其易于硬件实现且具有较好的实时性，但针对大规模的射线孪生时，会面临大量的硬件资源消耗问题。因此，需要一种高效的全射线信道数字孪生方法来大规模射线时延和多普勒频率的逼真复现。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于数字地图的全射线信道模拟装置及数字孪生方法，基于三维数字地图，根据数字地图以及发送端和接收端的几何运动参数精确模拟无线信道中各射线的传播特性，可用于无线通信系统和通信设备的性能测试和验证。
6.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
7.第一方面，本发明实施例提及一种基于数字地图的全射线信道模拟装置，所述全射线信道模拟装置包括信道参数计算单元1
‑
1，大规模射线孪生单元1
‑
2、信号下变频转换单元1
‑
3、自动增益控制单元1
‑
4、时延模拟单元1
‑
5、信道衰落叠加单元1
‑
6、信号上变频转换单元1
‑
7和功率补偿单元1
‑
8；
8.所述信道参数计算单元1
‑
1的输出接口分别与大规模射线孪生单元1
‑
2、时延模拟单元1
‑
5以及信道衰落叠加单元1
‑
6的输入接口以pcie高速串行计算机扩展总线连接；信道参数计算单元1
‑
1设置通信场景并载入三维场景数字地图，设置系统参数、移动收发端的位置参数和速度参数，并且完成三维信道环境重构以及信道参数的计算，得到包括离开/到达角、射线增益、多普勒频率以及路径时延在内的各项信道参数，通过pcie总线将信道参数和系统参数传输至大规模射线孪生单元1
‑
2、时延模拟单元1
‑
5和信道衰落叠加单元1
‑
6；大规
模射线孪生单元1
‑
2根据信道参数计算单元1
‑
1输出的多普勒频率参数和射线增益参数，产生各有效射线的复指数值，将其传输至信道衰落叠加单元1
‑
6；
9.所述信号下变频转换单元1
‑
3的输出接口与自动增益控制单元1
‑
4的输入接口连接，自动增益控制单元1
‑
4的输出接口与时延模拟单元1
‑
5的输入端口连接；所述时延模拟单元1
‑
5、大规模射线孪生单元1
‑
2的输出接口均与信道衰落叠加单元1
‑
6的输入接口连接；所述信道衰落叠加单元1
‑
6的输出接口与信号上变频转换单元1
‑
7的输入接口连接，所述信号上变频转换单元1
‑
7的输出接口与功率补偿单元1
‑
8的输入接口连接；
10.射频模拟输入信号经过信号下变频转换单元1
‑
3后转变为数字基带信号，将输出的基带信号传输至自动增益控制单元1
‑
4进行输入信号功率统计并计算增益系数，同时完成自适应功率调整，并将调整功率后的信号传输至时延模拟单元1
‑
5；时延模拟单元1
‑
5根据信道参数计算单元1
‑
1输出的时延参数对信号进行多径时延模拟，将各路延时信号传输至信道衰落叠加单元1
‑
6；信道衰落叠加单元1
‑
6根据信道参数计算单元1
‑
1输出的系统参数将各路射线复指数值进行内插，并与各路延时信号进行相乘累加，将结果传输至动态截位模块进行位宽的自适应截位，同时计算截位误差系数；信号上变频转换单元1
‑
7将信道衰落叠加单元1
‑
6输出结果转变为射频模拟信号，然后再传输至功率补偿单元1
‑
8进行自适应功率匹配。
11.进一步地，所述大规模射线孪生单元1
‑
2由射线参数初始化模块和谐波迭代孪生模块组成；所述射线参数初始化模块用于存储信道中各射线多普勒频率参数定点化值以及谐波初始相位对应的定点化值；所述谐波迭代孪生模块包括复数乘法器、位宽恢复子模块、2
‑
1选择器、加/减法器、比较器以及乘法器，用于根据信道参数计算单元1
‑
1输出的多普勒频率参数和射线增益参数，产生各有效射线的复指数值，将其传输至信道衰落叠加单元1
‑
6。
12.进一步地，所述自动增益控制单元1
‑
4由增益控制模块、存储器模块和乘法器模块组成；所述增益控制模块用于统计输入信号功率以及计算增益系数。
13.进一步地，所述信道衰落叠加单元1
‑
6由延迟叠加模块和动态截位模块组成；所述延迟叠加模块用于射线复指数值与延时信号的相乘累加；所述动态截位模块用于延迟叠加后信号的自适应截位。
14.第二方面，本发明实施例提及一种基于数字地图的全射线信道数字孪生方法，所述数字孪生方法包括以下步骤：
15.s1，通过信道参数计算单元1
‑
1设置通信场景并载入三维场景数字地图，设置系统参数、移动收发端的位置参数和速度参数，完成三维信道环境重构以及信道参数的计算，并得到包括离开/到达角、射线增益、多普勒频率以及路径时延在内的各项信道参数；将信道参数和系统参数传输至大规模射线孪生单元1
‑
2、时延模拟单元1
‑
5和信道衰落叠加单元1
‑
6；
16.s2，将射频模拟输入信号导入信号下变频转换单元1
‑
3，使其转变为相应的数字基带信号，再传输至自动增益控制单元1
‑
4进行输入信号功率统计并计算增益系数，完成自适应功率调整，并将调整功率后的信号传输至时延模拟单元1
‑
5；
17.s3，采用时延模拟单元1
‑
5根据信道参数计算单元1
‑
1输出的时延参数对步骤s2中调整功率后的信号进行多径时延模拟，产生各路延时信号；
18.s4，采用大规模射线孪生单元1
‑
2根据信道参数计算单元1
‑
1输出的多普勒频率参数和射线增益参数，产生各有效射线的复指数值；
19.s5，将时延模拟单元1
‑
5与大规模射线孪生单元1
‑
2的输出结果传输至信道衰落叠加单元1
‑
6，使信道衰落叠加单元1
‑
6根据信道参数计算单元1
‑
1输出的系统参数对各路射线复指数值进行内插，并与各路延时信号进行相乘累加，将结果传输至动态截位模块进行位宽的自适应截位，同时计算截位误差系数；
20.s6，将信道衰落叠加单元1
‑
6输出结果传输至信号上变频转换单元1
‑
7转变为射频模拟信号，再传输至功率补偿单元1
‑
8进行自适应功率匹配。
21.进一步地，步骤s1中，完成三维信道环境重构以及信道参数的计算，并得到包括离开/到达角、射线增益、多普勒频率以及路径时延在内的各项信道参数的过程包括以下子步骤：
22.s11，根据移动发射端的位置坐标l
mt
(l)、移动接收端的位置坐标l
mr
(l)和散射点的位置坐标l
s
(l)，计算收发端之间、发射端与散射点之间以及接收端与散射点之间的距离以及时延参数τ
n
(l)：
[0023][0024]
式中，n＝0表示第n条射线为视距路径，n≠0则表示非视距路径，l表示离散时间序号，c表示光速，表示收发端之间的视距距离，d
mt，s
(l)表示发射端与散射点之间的距离，d
mr，s
(l)表示接收端与散射点之间的距离；
[0025]
s12，根据接收场强e
n
、发射天线增益g
mt
和接收天线增益g
mr
，计算射线增益p
n
(t)：
[0026][0027]
式中，e
1m
表示单位场强，信号波长λ0＝c/f0，f0表示信号中心频率；
[0028]
s13，根据移动发射端的位置坐标l
mt
(l)、移动接收端的位置坐标l
mr
(l)和散射点的位置坐标l
s
(l)，计算离开/到达角的方位角和俯仰角：
[0029][0030][0031]
式中，表示第n根射线对应离开/到达角的方位角，表示第n根射线对应离开/到达角的俯仰角，分别表示散射点在x轴、y轴和z轴方向对应的坐标值，和分别表示移动发射/接收端在x轴、y轴和z轴方向对应的坐标值；
[0032]
s14，根据移动接收端的速度v
mr
(l)和移动发射端v
mt
(l)，计算第n根射线的多普勒频率参数：
[0033][0034]
其中，
[0035][0036][0037][0038]
式中，表示移动发射/接收端速度的方位角，表示移动发射/接收端速度的俯仰角，||v
mt/mr
(l)||表示移动发射/接收端速度的模值大小，表示移动发射/接收端速度方位角的角速度，表示移动发射/接收端速度俯仰角的角速度，表示移动发射/接收端速度的加速度，t
u
表示信道状态平稳间隔。
[0039]
进一步地，步骤s2中，进行输入信号功率统计并计算增益系数，完成自适应功率调整的过程包括以下步骤：
[0040]
s21，根据下述公式对信号下变频转换单元(1
‑
3)的输出信号x
in
进行输入信号功率统计：
[0041][0042]
式中，w1为模数转换模块的有效位宽，l表示离散时间序号，l为输入信号功率统计序列长度；x
in
(l)是第l时刻信号下变频转换单元(1
‑
3)的输出信号；
[0043]
s22，计算增益系数α：
[0044][0045]
式中，x
ref
(l)为模数转换模块最大幅值；
[0046]
s23，对增益系数进行定点化：
[0047][0048]
式中，w
α
为定点化增益系数位宽，round(
·
)为舍入取整处理；将定点化增益系数α
coeff
作为只读存储器(rom)的读地址，读取只读存储器(rom)中相应地址的值，同时将只读
存储器(rom)的输出结果与输入信号进行乘法运算；对乘法器输出结果进行截位，使乘法器输出结果稳定在动态幅值范围的80％。
[0049]
进一步地，步骤s4中，根据信道参数计算单元(1
‑
1)输出的多普勒频率参数和射线增益参数，产生各有效射线的复指数值的过程包括以下子步骤：
[0050]
s41，读取定点化射线初始值和传输至复数乘法器的被乘数输入端口；
[0051]
s42，读取定点化频率参数r
n，k
和i
n，k
，传输至复数乘法器的乘数输入端口，进行复数乘法运算得到第n条射线当前时刻的复指数值：
[0052][0053][0054]
k＝1，2，3
…
，k
[0055]
式中，表示第k个信道状态下第n条射线第l时刻下的复指数值，表示第k个信道状态下第n条射线频率参数的实数部分，表示频率参数的虚数部分，表示第k个信道状态下第n条射线频率参数实数部分的初始值，表示第k个信道状态下第n条射线频率参数虚数部分的初始值，k表示信道状态数目，f
n，k
表示第k个信道状态下第n条射线的多普勒频率，t
s
′
表示射线复指数值的采样时间间隔；
[0056]
s43，将复数乘法器输出结果传输至位宽恢复模块，并与射线复指数初始值的位宽w0进行匹配，同时判断位宽恢复模块输出结果是否大于零；
[0057]
s44，将位宽恢复模块的输出结果幅值大小与参考值作比较，参考值取值为若位宽恢复模块输出结果的绝对值小于参考值，则直接输出；若位宽恢复模块输出结果的绝对值大于参考值，当位宽恢复模块输出结果大于零时，将其加上误差因子δ(l)；当位宽恢复模块输出结果小于零时，将其减去误差因子8(l)，误差因子δ(l)为：
[0058][0059]
式中，w0表示射线复指数值的数据位宽，表示第n条射线的复指数值，表示第n条射线复指数值的实数部分；
[0060]
s45，将步骤s44中经误差修正后的结果作为前一时刻射线复指数值传输至复数乘法器被乘数输入端口，重复步骤s42至s45，直至误差修正结果满足预设要求或者达到预设最大重复次数；
[0061]
s46，切换时分复用模块选择器地址至下一个地址，重复步骤s41至s45，产生不同信道状态下每一根射线的复指数值；将每一路射线复指数值与信道参数计算单元(1
‑
1)输出的射线增益参数p
n
传输至乘法器模块进行射线增益的控制，传输至寄存器进行缓存。
[0062]
进一步地，步骤s5中，根据信道参数计算单元(1
‑
1)输出的系统参数对各路射线复指数值进行内插，并与各路延时信号进行相乘累加，将结果传输至动态截位模块进行位宽的自适应截位，同时计算截位误差系数的过程包括以下子步骤：
[0063]
s51，将大规模射线孪生单元(1
‑
2)输出的各路射线复指数值进行内插，内插倍数与输入信号的速率匹配；
[0064]
s52，将内插后的射线复指数值与时延模拟单元(1
‑
5)的输出结果传输至延迟叠加模块进行相乘累加：
[0065][0066]
式中，x(l)表示信道输入信号，h(l)表示信道冲激响应，y(l)表示信道输出信号，n(l)表示有效射线数目，p
n
(l)表示第n条射线的功率增益，τ
n
(l)表示第n条射线的路径时延；
[0067]
假设相乘后数据位宽为w3，累加后数据位宽w4为：
[0068][0069]
式中，n表示射线总数；
[0070]
s53，将延迟叠加模块输出至动态截位模块，计算输入数据的最大幅值并统计无效符号位数，对输入信号进行奇偶舍入截位，截位误差系数β为：
[0071][0072]
式中，w5表示数模转换模块数据位宽，w6表示无效符号位数。
[0073]
进一步地，步骤s6中，根据下述公式计算功率补偿系数γ：
[0074]
γ＝α
·
β
[0075]
式中，α为增益系数，β是截位误差系数。
[0076]
本发明的有益效果是：
[0077]
本发明提出了一种基于数字地图的全射线信道数字孪生方法，采用基于差分迭代的射线孪生方法，通过迭代实时产生射线复指数值，大大减少硬件实现复杂度，节省了硬件资源，支持大规模全射线信道的数字孪生。本发明提出了一种基于数字地图的全射线信道模拟装置，该模拟装置具有通用和高效的硬件结构，适用于大规模多支路全射线信道的硬件实时模拟。
附图说明
[0078]
图1为本发明实施例的基于数字地图的全射线信道模拟装置的系统框图。
[0079]
图2为本发明实施例的大规模射线孪生单元实现框图。
具体实施方式
[0080]
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
[0081]
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
[0082]
实施例一
[0083]
图1为本发明实施例的基于数字地图的全射线信道模拟装置的系统框图。参见图1，该全射线信道模拟装置包括信道参数计算单元1
‑
1，大规模射线孪生单元1
‑
2、信号下变频转换单元1
‑
3、自动增益控制单元1
‑
4、时延模拟单元1
‑
5、信道衰落叠加单元1
‑
6、信号上变频转换单元1
‑
7、功率补偿单元1
‑
8。
[0084]
信道参数计算单元1
‑
1的输出接口分别与大规模射线孪生单元1
‑
2、时延模拟单元1
‑
5以及信道衰落叠加单元1
‑
6的输入接口以pcie高速串行计算机扩展总线连接；信号下变频转换单元1
‑
3的输出接口与自动增益控制单元1
‑
4的输入接口连接，自动增益控制单元1
‑
4的输出接口与时延模拟单元1
‑
5的输入端口连接；时延模拟单元1
‑
5、大规模射线孪生单元1
‑
2的输出接口均与信道衰落叠加单元1
‑
6的输入接口连接；信道衰落叠加单元1
‑
6的输出接口与信号上变频转换单元1
‑
7的输入接口连接，信号上变频转换单元1
‑
7的输出接口与功率补偿单元1
‑
8的输入接口连接。
[0085]
图2为本发明实施例的大规模射线孪生单元实现框图。参见图2，大规模射线孪生单元1
‑
2由射线参数初始化模块和谐波迭代孪生模块组成；所述射线参数初始化模块用于存储信道中各射线多普勒频率参数定点化值以及谐波初始相位对应的定点化值；谐波迭代孪生模块由复数乘法器、位宽恢复子模块、2
‑
1选择器、加/减法器、比较器以及乘法器等组成。
[0086]
自动增益控制单元1
‑
4由增益控制模块、存储器模块和乘法器模块组成；增益控制模块用于统计输入信号功率以及计算增益系数。
[0087]
信道衰落叠加单元1
‑
6由延迟叠加模块和动态截位模块组成；延迟叠加模块用于射线复指数值与延时信号的相乘累加；动态截位模块用于延迟叠加后信号的自适应截位。
[0088]
信道参数计算单元1
‑
1设置通信场景并载入三维场景数字地图，设置系统参数、移动收发端的位置参数和速度参数，并且完成三维信道环境重构以及信道参数的计算，得到包括离开/到达角、射线增益、多普勒频率以及路径时延在内的各项信道参数，通过pcie总线将信道参数和系统参数传输至大规模射线孪生单元1
‑
2、时延模拟单元1
‑
5和信道衰落叠加单元1
‑
6；大规模射线孪生单元1
‑
2根据信道参数计算单元1
‑
1输出的多普勒频率参数和射线增益参数，产生各有效射线的复指数值，将其传输至信道衰落叠加单元1
‑
6。射频模拟输入信号经过信号下变频转换单元1
‑
3后转变为数字基带信号，输出的基带信号继续传输至自动增益控制单元1
‑
4进行输入信号功率统计并计算增益系数，同时完成自适应功率调整，并将调整功率后的信号传输至时延模拟单元1
‑
5；时延模拟单元1
‑
5根据信道参数计算单元1
‑
1输出的时延参数对信号进行多径时延模拟，将各路延时信号传输至信道衰落叠加单元1
‑
6；信道衰落叠加单元1
‑
6根据信道参数计算单元1
‑
1输出的系统参数将各路射线复指数值进行内插，并与各路延时信号进行相乘累加，将结果传输至动态截位模块进行位宽的自适应截位，同时计算截位误差系数；信号上变频转换单元1
‑
7将信道衰落叠加单元1
‑
6输出结果转变为射频模拟信号，然后再传输至功率补偿单元1
‑
8进行自适应功率匹配。
[0089]
实施例二
[0090]
基于前述全射线信道模拟装置，本实施例提及一种数字地图的全射线信道数字孪生方法，具体包括以下步骤：
[0091]
步骤一，用户通过信道参数计算单元1
‑
1设置通信场景并载入三维场景数字地图，设置系统参数、移动收发端的位置参数和速度参数，系统据此完成三维信道环境重构以及信道参数的计算，并得到离开/到达角、射线增益、多普勒频率以及路径时延等信道参数；同时，信道参数计算单元1
‑
1通过pcie总线将信道参数和系统参数传输至大规模射线孪生单元1
‑
2、时延模拟单元1
‑
5和信道衰落叠加单元1
‑
6。
[0092]
具体的，步骤一包括以下子步骤：
[0093]
1.1)根据移动发射端的位置坐标l
mt
(l)、移动接收端的位置坐标l
mr
(l)和散射点的位置坐标l
s
(l)，计算收发端之间、发射端与散射点之间以及接收端与散射点之间的距离以及时延参数，方法如下：
[0094][0095]
其中，n＝0表示该射线为视距路径，n≠0则表示非视距路径，l表示离散时间序号，c表示光速，表示收发端之间的视距距离，d
mt，s
(l)表示发射端与散射点之间的距离，d
mr，s
(l)表示接收端与散射点之间的距离。
[0096]
1.2)根据接收场强e
n
、发射天线增益g
mt
和接收天线增益g
mr
，计算射线增益，方法如下：
[0097][0098]
其中，e
1m
表示单位场强，信号波长λ0＝c/f0，f0表示信号中心频率。
[0099]
1.3)根据移动发射端的位置坐标l
mt
(l)、移动接收端的位置坐标l
mr
(l)和散射点的位置坐标l
s
(l)，计算离开/到达角的方位角和俯仰角，方法如下：
[0100][0101][0102]
其中，表示第n根射线对应离开/到达角的方位角，表示第n根射线对应离开/到达角的俯仰角，分别表示散射点在x轴、y轴和z轴方向对应的坐标值，和分别表示移动发射/接收端在x轴、y轴和z轴方向对应的坐标值。
[0103]
1.4)根据移动接收端的速度v
mr
(l)和移动发射端v
mt
(l)，计算第n根射线的多普勒
频率参数，方法如下：
[0104][0105]
其中，
[0106][0107]
其中，表示移动发射/接收端速度的方位角，表示移动发射/接收端速度的俯仰角，||v
mt/mr
(l)||表示移动发射/接收端速度的模值大小，表示移动发射/接收端速度方位角的角速度，表示移动发射/接收端速度俯仰角的角速度，表示移动发射/接收端速度的加速度，t
u
表示信道状态平稳间隔。
[0108]
步骤二，射频模拟输入信号经过信号下变频转换单元1
‑
3后转变为数字基带信号，将输出的基带信号传输至自动增益控制单元1
‑
4进行输入信号功率统计并计算增益系数，同时完成自适应功率调整，并将调整功率后的信号传输至时延模拟单元1
‑
5。
[0109]
具体的，步骤二包括以下子步骤：
[0110]
2.1)将信号下变频转换单元1
‑
3的输出信号传输至增益控制模块进行输入信号功率统计，计算方法如下：
[0111][0112]
其中，w1为模数转换模块的有效位宽，l为输入信号功率统计序列长度。
[0113]
2.2)计算增益系数α，计算方法如下：
[0114][0115]
其中，x
ref
(l)为模数转换模块最大幅值。
[0116]
2.3)对增益系数进行定点化，计算方法如下：
[0117][0118]
其中，w
α
为定点化增益系数位宽，round(
·
)为舍入取整处理；将定点化增益系数作为只读存储器rom的读地址，读取rom中相应地址的值，同时将rom的输出结果与输入信号
进行乘法运算；对乘法器输出结果进行截位，使乘法器输出结果稳定在动态幅值范围的80％。
[0119]
步骤三，时延模拟单元1
‑
5根据信道参数计算单元1
‑
1输出的时延参数对信号进行多径时延模拟，产生各路延时信号。
[0120]
具体的，多径时延模拟的过程包括以下子步骤：
[0121]
首先信号数据传输至双端口随机存取存储器(ram)，通过控制双端口随机存取存储器(ram)的读写地址进行基于系统时钟精度的粗时延模拟，而后将双端口随机存取存储器(ram)输出的信号通过多相延迟器进行高精度时延模拟，最后将各路延时信号传输至信道衰落叠加单元1
‑
6。
[0122]
步骤四，大规模射线孪生单元1
‑
2根据信道参数计算单元1
‑
1输出的多普勒频率参数和射线增益参数，产生各有效射线的复指数值，将其传输至信道衰落叠加单元1
‑
6。
[0123]
具体的，步骤四包括以下子步骤：
[0124]
4.1)读取存储器(ram)中定点化射线初始值和传输至复数乘法器的被乘数输入端口。
[0125]
4.2)读取存储器(ram)中定点化频率参数r
n，k
和i
n，k
，传输至复数乘法器的乘数输入端口，进行复数乘法运算得到第n条射线当前时刻的复指数值，计算方法如下：
[0126][0127]
其中，表示第k个信道状态下第n条射线第l时刻下的复指数值，表示第k个信道状态下第n条射线频率参数的实数部分，而表示频率参数的虚数部分，表示第k个信道状态下第n条射线频率参数实数部分的初始值，表示第k个信道状态下第n条射线频率参数虚数部分的初始值，k表示信道状态数目，f
n，k
表示第k个信道状态下第n条射线的多普勒频率，t
s
′
表示射线复指数值的采样时间间隔。
[0128]
4.3)将复数乘法器输出结果传输至位宽恢复模块，并与射线复指数初始值的位宽w0进行匹配，同时判断位宽恢复模块输出结果是否大于零。
[0129]
4.4)将位宽恢复模块的输出结果幅值大小与参考值作比较，参考值取值为若位宽恢复模块输出结果的绝对值小于参考值，则直接输出；若位宽恢复模块输出结果的绝对值大于参考值，当位宽恢复模块输出结果大于零时，将其加上误差因子δ(l)；当位宽恢复模块输出结果小于零时，将其减去误差因子δ(l)，误差因子计算方式如下：
[0130][0131]
其中，w0表示射线复指数值的数据位宽，表示第n条射线的复指数值，表示第n条射线复指数值的实数部分。
[0132]
4.5)将4.4)误差修正后的结果作为前一时刻射线复指数值传输至复数乘法器被乘数输入端口，重复4.2)
‑
4.5)步骤，直至误差修正结果满足预设要求。
[0133]
4.6)切换时分复用模块选择器地址至下一个地址，重复4.1)
‑
4.5)步骤即可产生不同信道状态下每一根射线的复指数值，最后将每一路射线复指数值与信道参数计算单元1
‑
1输出的射线增益参数p
n
传输至乘法器模块进行射线增益的控制，最后传输至寄存器进行缓存。
[0134]
步骤五，将时延模拟单元1
‑
5与大规模射线孪生单元1
‑
2的输出结果传输至信道衰落叠加单元1
‑
6，根据信道参数计算单元1
‑
1输出的系统参数将各路射线复指数值进行内插，并与各路延时信号进行相乘累加，将结果传输至动态截位模块进行位宽的自适应截位，同时计算截位误差系数。
[0135]
具体的，步骤五包括以下子步骤：
[0136]
5.1)将大规模射线孪生单元1
‑
2输出的各路射线复指数值进行内插，内插倍数与输入信号的速率匹配。
[0137]
5.2)将内插后的射线复指数值与时延模拟单元1
‑
5的输出结果传输至延迟叠加模块进行相乘累加，方法如下：
[0138][0139]
式中，x(l)表示信道输入信号，h(l)表示信道冲激响应，y(l)表示信道输出信号，n(l)表示有效射线数目，p
n
(l)表示第n条射线的功率增益，τ
n
(l)表示第n条射线的路径时延。
[0140]
假设相乘后数据位宽为w3，累加后数据位宽可计算为：
[0141][0142]
其中，n表示射线总数。
[0143]
5.3)将延迟叠加模块输出至动态截位模块，计算输入数据的最大幅值并统计无效符号位数，对输入信号进行奇偶舍入截位，截位误差系数β的计算方法如下：
[0144][0145]
其中，w5表示数模转换模块数据位宽，w6表示无效符号位数。
[0146]
步骤六，将信道衰落叠加单元1
‑
6输出结果传输至信号上变频转换单元1
‑
7转变为射频模拟信号，然后再传输至功率补偿单元1
‑
8进行自适应功率匹配。
[0147]
具体的，功率补偿系数γ计算方法如下：
[0148]
γ＝α
·
β
ꢀꢀ
(15)
[0149]
其中，α为增益系数，β是截位误差系数。
[0150]
实施例三
[0151]
本实施例通过一个具体的实例对前述数字孪生方法做进一步说明。在本实施例中，设中心频率f0＝2.4ghz，系统工作时钟频率f
s
＝100mhz，信道状态平稳间隔t
u
＝100ms，信道状态数k＝1000，最大有效射线数目n＝400；移动发射端初始坐标为l
mt
＝[0，0，150m]，移动接收端初始坐标为l
mr
＝[272.6m，321m，2m]，移动发射端速度||v
mt
(t)||＝10m/s，方位角俯仰角移动接收端速度方位角俯仰角
[0152]
步骤一、参数计算。具体实现步骤如下：
[0153]
1.1)根据移动发射端的位置坐标l
mt
(l)、移动接收端的位置坐标l
mr
(l)和散射点的位置坐标l
s
(l)，计算收发端之间、发射端与散射点之间以及接收端与散射点之间的距离，计算时延参数，方法如下：
[0154][0155]
具体时延计算结果见表1。
[0156]
1.2)根据接收场强e
n
、发射天线增益g
mt
和接收天线增益g
mr
，计算射线增益，方法如下：
[0157][0158]
本实施例中，发射天线增益g
mt
＝1，接收天线增益g
mr
＝1，波长λ0＝0.125m，具体射线增益计算结果见表1。
[0159]
表1第一个信道状态(k＝1)各信道参数
[0160][0161][0162]
1.3)根据移动发射端的位置坐标l
mt
(l)、移动接收端的位置坐标l
mr
(l)和散射点的位置坐标l
s
(l)，计算离开/到达角的方位角和俯仰角，方法如下：
[0163]
[0164][0165]
具体角度计算结果见表2。
[0166]
表2第一个信道状态(k＝1)各角度参数
[0167][0168][0169]
1.4)根据移动接收端的速度v
mr
(l)和移动发射端v
mt
(l)，计算第n根射线的多普勒
频率参数，方法如下：
[0170][0171]
式中，
[0172][0173]
本实施例中，移动发射端速度||v
mt
(l)||＝10m/s，发射端方位角发射端方位角的角速度发射端俯仰角发射端俯仰角的角速度移动接收端速度||v
mr
(l)||＝5 0.05
·
lt
u
m/s，接收端方位角接收端方位角的角速度接收端俯仰角接收端俯仰角的角速度信道状态平稳间隔t
u
＝100ms；具体多普勒频率计算结果见表1。
[0174]
步骤二，射频模拟输入信号经过信号下变频转换单元1
‑
3后转变为数字基带信号，将输出的基带信号输入至自动增益控制单元1
‑
4进行输入信号功率统计并计算增益系数，同时完成自适应功率调整，并将调整功率后的信号输入至时延模拟单元1
‑
5。
[0175]
步骤二的具体实现过程如下：
[0176]
2.1)将信号下变频转换单元1
‑
3的输出信号传输至增益控制模块进行输入信号功率统计，计算方法如下：
[0177][0178]
本实施例中，模数转换模块的有效位宽w1＝14bit，输入信号功率序列统计长度l＝10000。
[0179]
2.2)计算增益系数α，计算方法如下：
[0180][0181]
2.3)对增益系数进行定点化，计算方法如下：
[0182]
α
coeff
＝round(α
·
255)
ꢀꢀ
(24)。
[0183]
本实施例中，增益系数定点化位宽w
α
＝8bit，自动增益控制单元输出信号数据位
宽w2＝16bit；将定点化增益系数作为只读存储器(rom)的读地址，读取rom中相应地址的值，同时将rom的输出结果与输入信号进行乘法运算；对乘法器输出结果进行截位，使乘法器输出结果稳定在动态幅值范围的80％；本实施例中，rom存储器内存储的十进制数据(地址从0至255)为{510，508，506，504，502，500，498，496，494，492，490，489，487，485，483，481，480，478，476，474，473，471，469，468，466，464，463，461，459，458，456，455，453，451，450，448，447，445，444，442，441，439，438，436，435，434，432，431，429，428，426，425，424，422，421，420，418，417，416，414，413，412，410，409，408，407，405，404，403，402，400，399，398，361，。。。。。。}。
[0184]
步骤三，时延模拟单元1
‑
5根据信道参数计算单元1
‑
1输出的时延参数对信号进行多径时延模拟，首先信号数据传输至双端口随机存取存储器(ram)，通过控制(ram)的读写地址进行基于系统时钟精度的粗时延模拟，而后将(ram)输出的信号数据通过多相延迟器进行高精度时延模拟，最后将各路延时信号传输至信道衰落叠加单元1
‑
6；本实施例中，系统工作时钟频率为100mhz，粗时延精度为10ns，多项延迟器相数q＝100，精时延精度为0.1ns。
[0185]
步骤四，大规模射线孪生单元1
‑
2根据信道参数计算单元1
‑
1输出的多普勒频率参数和射线增益参数，产生各有效射线的复指数值，将其传输至信道衰落叠加单元1
‑
6。
[0186]
进一步地，步骤四的具体实现过程如下：
[0187]
4.1)读取存储器(ram)中定点化射线初始值和传输至复数乘法器的被乘数输入端口。
[0188]
4.2)读取存储器(ram)中定点化频率参数r
n，k
和i
n，k
，传输至复数乘法器的乘数输入端口，进行复数乘法运算得到第n条射线当前时刻的复指数值，计算方法如下：
[0189][0190]
本实施例中，信道状态数目k＝1000，射线复指数值的采样时间间隔t
s
′
＝50ns。
[0191]
4.3)将复数乘法器输出结果传输至位宽恢复模块，并与射线复指数初始值的位宽w0进行匹配，同时判断位宽恢复模块输出结果是否大于零；本实施例中，射线复指数值初始值位宽w0＝14bit。
[0192]
4.4)将位宽恢复模块的输出结果幅值大小与参考值作比较，参考值取值为若位宽恢复模块输出结果的绝对值小于参考值，则直接输出；若位宽恢复模块输出结果的绝对值大于参考值，当位宽恢复模块输出结果大于零时，将其加上误差因子δ(l)；当位宽恢复模块输出结果小于零时，将其减去误差因子δ(l)，误差因子计算方式如下：
[0193][0194]
本实施例中w0＝14bit，参考值取值为8191。
[0195]
4.5)将4.4)误差修正后的结果作为前一时刻射线复指数值传输至复数乘法器被乘数输入端口，重复4.2)
‑
4.5)步骤。
[0196]
4.6)切换时分复用模块选择器地址至下一个地址，重复4.1)
‑
4.5)步骤即可产生不同信道状态下每一根射线的复指数值，最后将每一路射线复指数值与信道参数计算单元1
‑
1输出的射线增益参数p
n
传输至乘法器模块进行射线增益的控制，最后传输至寄存器进行缓存。
[0197]
步骤五，将时延模拟单元1
‑
5与大规模射线孪生单元1
‑
2的输出结果传输至信道衰落叠加单元1
‑
6，根据信道参数计算单元1
‑
1输出的系统参数将各路射线复指数值进行内插，并与各路延时信号进行相乘累加，将结果传输至动态截位模块进行位宽的自适应截位，并计算截位误差系数。
[0198]
具体的，步骤五的具体实现过程如下：
[0199]
5.1)将大规模射线孪生单元1
‑
2输出的各路射线复指数值进行内插，内插倍数与输入信号的速率匹配；本实施例中，内插倍数i取值为5。
[0200]
5.2)将内插后的射线复指数值与时延模拟单元1
‑
5的输出结果传输至延迟叠加模块进行相乘累加，方法如下：
[0201][0202]
相乘后输出数据位宽w3，累加后信道输出信号数据位宽为w4，计算方式如下：
[0203][0204]
本实施例中，相乘后输出数据位宽w3＝20bit，射线总数量n＝400，累加后信道输出信号数据位宽w4＝25bit。
[0205]
5.3)将延迟叠加模块输出至动态截位模块，计算输入数据的最大幅值并统计无效符号位数，对输入信号进行奇偶舍入截位，截位误差系数β的计算方法如下：
[0206][0207]
本实施例中，数模转换模块数据位宽w5＝16bit，当无效符号位数w5＝6bit时，误差系数β＝0.125。
[0208]
步骤六，将信道衰落叠加单元1
‑
6输出结果传输至信号上变频转换单元1
‑
7转变为射频模拟信号，然后再传输至功率补偿单元1
‑
8进行自适应功率匹配，功率补偿系数计算方法如下：
[0209]
γ＝α
·
β
ꢀꢀ
(30)。
[0210]
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，
凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。