一种基于GPU和FPGA的信道模拟装置、方法及信号回放装置、方法

本发明涉及通信领域，特别是涉及一种基于gpu和fpga的信道模拟装置、方法及信号回放装置、方法。

背景技术：

1、信道模拟是指对通信系统中的信道进行建模和仿真，以便更好地理解信道的特性和行为。在通信系统中，信道是指信号传输的媒介，可以是无线传输的空气介质、光纤、电缆等。信道模拟可以利用数学模型和仿真技术来模拟信号在特定信道中的传输过程，考虑信号受到的衰减、噪声、失真等影响因素。有助于设计和优化通信系统，提前预测信号在特定环境下的表现，从而选择合适的调制解调器、编码解码方案或信号处理算法，以提高通信系统的性能和可靠性。信道模拟可以是基于理论分析的数学模型，也可以是通过计算机软件进行仿真实验。这种方法可以更好地了解和评估信道的行为，为通信系统的设计和优化提供重要的参考和指导。

2、信道回放是指在通信系统中通过记录和重放先前记录的信道传输数据，以模拟实际信道环境的过程。这种技术常用于评估无线通信系统的性能、测试接收器的鲁棒性以及验证编解码算法等。基本原理是先记录在真实环境中采集到的信道传输数据，包括信号经过无线信道传输时的衰减、多路径传播、干扰和噪声等特性，对信号数据进行处理，得到的信道数据传入信道模拟器，模拟实际信道的传输过程。这样就能够体验到类似实际信道环境的传输特性，从而进行性能评估、算法验证或系统测试等。

3、美国政府发布了“2021财年国防预算研发优先事项”备忘录，将名为“斗兽场”的射频模拟器纳入美国国家科学基金会(nsf)“先进无线研究平台”(pawr)计划。“斗兽场”射频模拟器由darpa与约翰霍普金斯大学应用物理实验室、国家仪器公司合作研发，其带宽比目前商用系统总射频高20倍。此次项目过渡是nsf无线研究投资的一部分，nsf期望通过“斗兽场”射频模拟器彻底改变美国的无线生态系统，并在未来数十年内保持该领域的领先地位。

4、darpa与约翰·霍普金斯大学应用物理实验室(jhuapl)和国家仪器公司(ni)的工程师合作，构建了一个256×256的射频通道模拟器，可以实时计算和模拟超过256个无线设备之间65000多个通道的交互。这款大规模模拟器的规模前所未有——比目前商用系统可用的总射频带宽高出20倍。为了复制一系列复杂的射频环境(从开放的场地到密集的城市)，使竞争对手的无线电设计能够跟上他们的步伐，“斗兽场”依靠128个双天线软件定义无线电和64个现场可编程门阵列(fpga)。

5、信道模拟器正在朝着越来越多的射频通道，越来越大的带宽，越来越多的多径数量发展，按照传统的使用fpga资源的方式将难以满足未来信道模拟对计算资源的需求。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于gpu和fpga的信道模拟装置、方法及信号回放装置、方法，可实现多通道大带宽信道模拟及回放。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种基于gpu和fpga的信道模拟装置，所述信道模拟装置包括：gpu单元、fpga单元和射频模块；

4、所述射频模块的射频采样端口与物理通道连接，所述射频模块的信号输出端口与所述gpu单元连接，所述射频模块用于对物理通道的输入信号进行射频采样和调理，获得数字信号；

5、所述gpu单元与所述fpga单元连接，所述gpu单元用于对所述数字信号进行信道模拟，获得信道模拟输出信号；

6、所述fpga单元用于对所述信道模拟输出信号进行数模转换、上变频、调理及输出。

7、可选的，在对物理通道的输入信号进行射频采样和调理，获得数字信号的方面，所述射频模块具体用于：

8、对物理通道的输入信号进行射频采样，获得物理通道输入端的射频信号；

9、对所述射频信号进行放大、衰减和前端滤波，获得调理后的射频信号；

10、对调理后的射频信号进行下变频，获得基带射频信号；

11、对基带射频信号进行模数转换，获得所述数字信号。

12、可选的，在对所述数字信号进行信道模拟，获得信道模拟输出信号的方面，所述gpu单元具体包括：

13、对所述数字信号进行时延模拟、大尺度衰落模拟、小尺度衰落模拟和噪声杂散模拟，获得所述信道模拟输出信号。

14、可选的，所述小尺度衰落模拟的方式包括：多径时延、多普勒频移和多普勒扩展中的一种或多种。

15、一种基于gpu和fpga的信道模拟方法，所述信道模拟方法基于上述的信道模拟装置，所述信道模拟方法包括：

16、通过射频模块对物理通道的输入信号进行射频采样和调理，获得数字信号；

17、通过gpu单元基于所述数字信号进行信道模拟，获得信道模拟输出信号；

18、通过fpga单元对所述信道模拟输出信号进行数模转换、上变频、调理及输出。

19、一种基于gpu和fpga的信道回放装置，所述信道回放装置包括：信道信号采集模块、信道数据提取存储模块、gpu单元和fpga单元；

20、所述信道信号采集模块与物理通道连接，所述信道信号采集模块用于获取目标信道内不同位置的射频信号；

21、所述信道数据提取存储模块与所述gpu单元连接，所述信道数据提取存储模块用于对目标信道内不同位置的射频信号进行处理，获得目标信道的信道数据，并存储所述信道数据；所述信道数据包括：射频信号在目标信道中传输的路径，射频信号在目标信道中传输过程中产生的衰减、时延和多路径效应，以及射频信号在目标信道中传输过程中收到的噪声和干扰；

22、所述gpu单元与所述fpga单元连接，所述gpu单元用于将所述信道数据作为信道系数，对任意数字射频信号进行信道模拟，获得信道模拟输出信号；

23、所述fpga单元用于对所述信道模拟输出信号进行数模转换、上变频、调理及输出。

24、可选的，在将所述信道数据作为信道系数，对任意数字射频信号进行信道模拟，获得信道模拟输出信号的方面，所述gpu单元具体用于；

25、根据所述信道数据，设置时延模拟、大尺度衰落模拟、小尺度衰落模拟和噪声杂散模拟的系数；

26、对任意数字射频信号进行时延模拟、大尺度衰落模拟、小尺度衰落模拟和噪声杂散模拟，获得所述信道模拟输出信号。

27、可选的，所述小尺度衰落模拟的方式包括：多径时延、多普勒频移和多普勒扩展中的一种或多种。

28、一种基于gpu和fpga的信道回放方法，所述信道回放方法基于上述的信道回放装置，所述信号回放方法包括：

29、通过信道信号采集模块获取目标信道内不同位置的射频信号；

30、通过信道数据提取存储模块对目标信道内不同位置的射频信号进行处理，获得目标信道的信道数据，并存储所述信道数据；

31、通过gpu单元将所述信道数据作为信道系数，对任意数字射频信号进行信道模拟，获得信道模拟输出信号；

32、通过fpga单元对所述信道模拟输出信号进行数模转换、上变频、调理及输出。

33、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

34、本发明实施例提供一种基于gpu和fpga的信道模拟装置、方法及信号回放装置、方法，所述信道模拟装置包括：gpu单元、fpga单元和射频模块；所述射频模块的射频采样端口与物理通道连接，所述射频模块的信号输出端口与所述gpu单元连接，所述射频模块用于对物理通道的输入信号进行射频采样和调理，获得数字信号；所述gpu单元与所述fpga单元连接，所述gpu单元用于对所述数字信号进行信道模拟，获得信道模拟输出信号；所述fpga单元用于对所述信道模拟输出信号进行数模转换、上变频、调理及输出。本发明实施例采用gpu和fpga相结合的方式，解决当通道数多，带宽大，信道回放数据量大时fpga资源以及内存不够的问题，实现了多通道大带宽信道模拟及回放。