CN101188587B - 实地信道数据准实时采集及回放的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实地信道数据准实时采集及回放的方法，属于数字信息传输技术领域。所述采集方法包括：将基带数据的传输过程模型化为带有高斯白噪声的线性准时变信道；选择训练序列循环填入发端基带数据流并发送至线性准时变信道输入端，收端从线性准时变信道输出端得到收端基带数据流，分段计算并存储线性准时变信道的信道估计和噪声估计。所述回放方法包括：将基带数据的准实时回放过程模型化为带有高斯白噪声的线性准时变信道，对实地信道数据进行重采样，得到所需回放模式的分段信道估计和噪声估计，并计算准实时回放的收端基带数据流。本发明基于实地信道数据实现了不同传输制式下相关传输设备在实地信道中的性能模拟工作。

Description

实地信道数据准实时采集及回放的方法

技术领域

本发明涉及数字信息传输技术领域，特别涉及一种实地信道数据准实时采集及回放的方法。

背景技术

当前数字通信技术主要面对的问题是如何在实地信道中利用有限带宽可靠地提高传输速率，因此，对于不同传输制式下的不同传输设备在实地信道中的传输性能模拟与测试是必须的。目前，对于不同传输制式下的不同传输设备在实地信道中的传输性能测试方式主要包括实验室模拟、场地测试以及实地射频信号采集等。

实验室模拟通常采用的仪器是信道模拟器，根据经验选择某些特征信道(例如具有瑞丽多普勒扩散的广电8信道等)对基带或中频数据流进行信道模拟，得到在该模拟信道下的射频信号、中频信号或基带信号，以便于数字系统的性能测试，例如RS公司的SMA 200A信道模拟器；场地测试通常是在实际数字通信系统的发端发射某一特定制式的射频调制信号，而在收端实地接收并解调该制式的发射信号，同时实时地记录该发射信号在实地的接收情况(包括通信质量、误码率等)；射频信号采集通常是在实际数字通信系统的发端发射某一特定制式的射频信号，而在收端实地并实时地采集并记录该射频信号，然后在实验室回放采集的射频信号，模拟实地场景、测试数字通信系统。

在上述测试方式中，实验室模拟仅能利用某些特征信道或某些特征信道的组合对实地信道进行模拟，难以反映真实信道的实地特征；场地测试开销大，并且可重复性较差；实地射频信号采集尽管具有较好的可重复性，但每次采集过程仅能针对某一特定传输制式进行，不具有针对不同传输制式的通用性。

发明内容

为了实现不同传输制式下的相关传输设备在实地信道中的性能测试工作，本发明提供了一种实地信道数据准实时采集方法，所述方法包括：

步骤A：将基带数据的实地传输过程模型化为带有高斯白噪声的线性准时变信道；

步骤B：根据实地信道的相干时间和发端基带符号周期，选择固定长度的训练序列；

将所述训练序列作为发端基带数据循环填入发端基带数据流，并将所述发端基带数据流发送至所述线性准时变信道输入端；

步骤C：从所述线性准时变信道的输出端得到收端基带数据流，根据所述发端基带数据流和收端基带数据流，分段计算并存储所述线性准时变信道的信道估计和噪声估计。

所述选择固定长度的训练序列的步骤具体为：选择不大于实地信道的相干时间与发端基带符号周期比值的值作为训练序列的长度。

所述步骤C中分段计算并存储所述线性准时变信道的信道估计和噪声估计的步骤具体包括：

根据实地信道的相干时间和发端基带符号周期，选择固定长度的分段时延；

基于收端基带数据流，每间隔一个分段时延计算并存储所述线性准时变信道的信道估计与噪声估计。

所述选择固定长度的分段时延的步骤具体为：选择不大于实地信道的相干时间与发端基带符号周期比值的值作为分段时延的长度。

本发明还提供了一种基于实地信道数据的准实时回放方法，所述方法包括：

步骤A：将基带数据的准实时回放过程模型化为带有高斯白噪声的线性准时变信道；

步骤B：选择回放传输模式，并根据所选回放传输模式下的基带符号周期和实地信道数据准实时采集时的基带符号周期，对实地信道数据进行重新采样，得到所述线性准时变信道分段的信道估计和噪声估计；

步骤C：分段计算用于测试的发端基带数据流和所述信道估计的线性卷积，并将线性卷积结果和所述噪声估计相加，得到准实时回放的收端基带数据流；

其中，发端基带数据流通过以下方法得到：

根据实地信道的相干时间和发端基带符号周期，选择固定长度的训练序列；将所述训练序列作为发端基带数据循环填入发端基带数据流。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明利用实地信道准实时采集的数据，通过回放装置模拟出所需研究的不同传输制式下信道的传输特性，从而实现了不同传输制式下的相关传输设备在实地信道中的性能模拟工作；另外，本发明提供的技术方案具有开销小和可重复性好的优点。

附图说明

图1是本发明提供的线性准时变信道模型化的数字传输系统的原理示意图；

图2是本发明提供的数字传输系统的实地信道数据准实时采集的方法的流程图；

图3是本发明提供的基于训练序列填充的发端基带数据流的格式示意图；

图4是本发明提供的基于实地信道数据采集的信道准实时回放方法的流程图；

图5是本发明提供的基于Golay自相关互补序列填充的发端基带数据流的格式示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明提出基于训练序列的实地信道数据准实时采集方法，以及基于实地信道数据准实时采集的实地信道数据准实时回放方法：通过发端实地发送的训练序列、收端的实地数据准实时采集和信道估计与噪声估计分段计算并记录实地信道数据；随后针对不同的传输制式，利用准实时采集的实地信道数据在实验室中准实时地模拟出不同制式下不同传输设备在该实地信道下的传输特性，以便于实现对相关传输设备的性能测试工作。

本发明利用线性准时变系统模型对信号在准时变信道下的传输过程进行描述。该模型将数字传输系统发端基带数据与收端基带数据之间的传输过程模型化为一个带有高斯白噪声的线性准时变信道，即数字传输系统发端基带数据和收端基带数据可由下式描述：

$r\left(n\right)={\mathrm{\Σ}}_{m=-\∞}^{m=\∞}t(n-m)\·h(m,n)+v\left(n\right)$

其中，r(n)为时刻n的收端基带数据，t(n)为时刻n的发端基带数据，h(m，n)为线性准时变信道在时刻n的冲激响应描述，m为该冲激响应的时延变量，v(n)为时刻n在该信道中叠加的高斯白噪声；用长度有限的序列对实际信道某一特定时刻冲激响应进行描述，并考虑到实际时变信道的短时平稳特性，当分段时延远小于该信道相干时间时，其冲激响应可以以分段形式来描述，这样上式可改写为：

$r\left(n\right)={\mathrm{\&Sigma;}}_{m=1}^{m=L}t(n-m)\&CenterDot;h_N\left(m\right)+v\left(n\right),\mathrm{ND}-D<n\&le;\mathrm{ND}$

其中，L表示用于该信道冲激响应序列的长度，D表示对线性准时变信道分段描述的分段时延长度，h_N(m)表示在第N个分段时延中该D长度时段内短时平稳信道的冲激响应。被模型化的传输过程包括数字传输系统发端的数模转换、变频发送等过程及数字传输系统收端的变频至基带、模数转换、载波恢复、定时恢复等过程，如图1所示。

基于上述传输模型，本发明提供了一种数字传输系统的实地信道数据准实时采集的方法，具体包括以下步骤，参见图2：

步骤101：将数字传输系统发端基带数据与收端基带数据之间的实地传输过程模型化为一个带有高斯白噪声的线性准时变信道；

步骤102：根据实地信道的相干时间T_C及发端基带符号周期T_sym选定长度为E的训练序列TS，并将训练序列TS作为发端基带数据循环填入发端基带数据流x(n)；

训练序列TS的长度E可以通过公式E_max＝Tc/T_sym来进行选定，其具体为选取不大于E_max的值来作为训练序列的长度；长度为E的训练序列TS作为发端基带数据循环填入发端基带数据流x(n)，如图3所示；训练序列TS可以但不限于Golay序列、PN序列、Cazac序列等任何便于进行信道估计计算的序列；

步骤103：根据实地信道的相干时间T_C和发端基带符号周期T_sym，选定线性准时变信道估计长度L及线性准时变信道分段描述的分段时延D；

线性准时变信道估计长度L可以通过公式LT_sym＜T_C以及训练序列对序列长度的要求进行选择；分段时延D可以通过公式DT_sym＜T_C进行选择；

步骤104：将发端基带数据流x(n)调制成发射信号，发送至带有高斯白噪声的线性准时变信道的输入端；

步骤105：数字传输系统带有高斯白噪声的线性准时变信道的输出端得到收端基带数据流y(n)；

数字传输系统带有高斯白噪声的线性准时变信道的输出端为了使收端基带数据流y(n)与发端基带数据流x(n)之间保持特殊训练序列同步、定时同步及载波同步，会对发射信号先进行接收同步处理；在经过接收同步处理后，对发射信号解调得到收端基带数据流y(n)；

步骤106：根据收端基带数据流y(n)和发端基带数据流x(n)，计算出第N个时延段时准实时实地信道的信道估计h_N(n)和噪声估计w_N(n)，并存储信道估计h_N(n)和噪声估计w_N(n)；

一般地，对第N个时延段而言，由发端基带数据流x(n)可以得到L长度的该时延段发端基带数据x_N(n)，由收端基带数据流y(n)可得到该时延段与上述发端基带数据x_N(n)相对应的收端基带数据y_N(n)，从而该时延段内信道估计h_N(n)可表示为：

h_N(n)＝IDFT[DFT(y_N(n))/DFT(x_N(n))]，0＜n＜L+1

其中，IDFT和DFT分别表示傅里叶反变换和傅里叶变换，若选取该时延段内L长度的发端基带数据流为TS，上式可改写为：

h_N(n)＝IDFT[DFT(y_N(n))/DFT(TS)]，0＜n＜L+1

在计算得到该时延段内信道估计h_N(n)后，该时延段内噪声估计w_N(n)可表示为：

w_N(n)＝y_N(n)-x_N(n)h_N(n)，0＜n＜D+1

在实际应用中，信道估计h_N(n)和噪声估计w_N(n)还可以根据特殊训练序列的组合特性进行计算，例如：由Golay序列和其自相关互补序列组成的特殊训练序列，可以根据Golay序列自身卷积与其自相关互补序列自身卷积之和为1的特性，简化信道估计h_N(n)和噪声估计w_N(n)的计算过程。

本发明还提供了一种基于实地信道数据准实时采集的实地信道数据准实时回放方法，具体包括以下步骤，参见图4：

步骤201：将基带数据的准实时回放过程模型化为一个带有高斯白噪声的线性准时变信道；

步骤202：选择出用于测试的实地信道准实时回放的传输模式，根据所选传输模式的基带符号周期和实地信道数据准实时采集时的基带符号周期，并结合离散信号处理基本理论对实地信道数据进行重新采样，得到带有高斯白噪声的线性准时变信道分段的信道估计h_Ne(n)与噪声估计w_e(n)；

步骤203：待测试发射机选择用于测试的实地信道准实时回放的传输模式，并发送发端基带数据流t(n)到回放装置；

步骤204：根据离散系统线性卷积的基本理论，分段计算用于测试的发端基带数据流t(n)和用于测试的信道估计h_Ne(n)的线性卷积，得到线性卷积结果；

步骤205：将线性卷积结果和用于测试的噪声估计w_e(n)相加，得到模拟实地传输测试的收端基带数据流r(n)。

在实际应用中，可以根据需要，将模拟实地传输测试的基带数据流r(n)通过基带数模转换后直接输出；或者将基带数据流r(n)调制到中频输出；或者将基带数据流r(n)调制到射频输出。

为了更加清楚地阐述上述实施例提供的技术方案，下面以国家标准(GB20600-2006)DTMB为例来加以说明。

例如：数字传输系统的实地信道数据准实时采集具体包括如下步骤：

步骤1：用于数字传输系统的实地信道数据准实时采集的接收机以100Km/h的速度运动，载波频率为2GHz，其产生的最大Doppler频移为185Hz，其信道相干时间Tc约为1ms；数字传输系统发端基带符号周期T_sym为0.0662us，即发端基带符号率为15.12MHz；选定一组长度为256的Golay序列a(n)及其自相关互补序列b(n)，以aabb的形式组成长度为1024的训练序列循环填入发端基带数据流x’(n)，如图5所示；

步骤2：根据实际信道的相干时间T_C≈1ms，发端基带符号周期T_sym＝0.0662us，以及训练序列的循环特性选定线性准时变信道估计长度L＝256，线性准时变信道分段描述的分段时延D＝512；这里使得DT_sym＝33.9us＜＜T_c≈1ms；

步骤3：将发端基带数据流x’(n)经过数模转换以及模拟调制得到射频发射信号，实地发送至带有高斯白噪声的线性准时变信道的输入端；

步骤4：带有高斯白噪声的线性准时变信道的输出端实地接收射频发射信号，并对射频发射信号进行模拟解调、模数转换及前期数据恢复得到收端基带数据流y’(n)；

前期数据恢复保证收端基带数据流y’(n)与发端基带数据流x’(n)之间定时同步、载波同步和特殊训练序列同步；

步骤5：根据收端基带数据流y’(n)获得训练序列中序列a(n)、b(n)和第N个时延时该实地信道准实时估计冲激响应h_N’(n)的循环卷积结果a’(n)与b’(n)；

$a^{\&prime;}\left(n\right)={h_N}^{\&prime;}\left(n\right)\&CircleTimes;a\left(n\right),1\&le;n\&le;256$

$b^{\&prime;}\left(n\right)={h_N}^{\&prime;}\left(n\right)\&CircleTimes;b\left(n\right),1\&le;n\&le;256$

其中，符号

表示循环卷积运算；根据Golay序列的自相关互补特性，h_N’(n)可由下式计算得到：

${h_N}^{\&prime;}\left(n\right)={h_N}^{\&prime;}\left(n\right)\&CircleTimes;(a\left(n\right)\&CircleTimes;a\left(n\right)+b\left(n\right)\&CircleTimes;b\left(n\right))$

$=a^{\&prime;}\left(n\right)\&CircleTimes;a\left(n\right)+b^{\&prime;}\left(n\right)\&CircleTimes;b\left(n\right),1\&le;n\&le;256$

步骤6：根据信道估计h_N’(n)和收端基带数据流y’(n)，计算得到该信道的噪声估计w’(n)；

$w^{\&prime;}\left(n\right)=y^{\&prime;}\left(n\right)-{\mathrm{\&Sigma;}}_{m=1}^{m=256}{x}^{\&prime;}(n-m)\&CenterDot;{h_N}^{\&prime;}\left(m\right),512(N-1)<n\&le;512N$

步骤7：分别存储信道估计h_N’(n)与噪声估计w’(n)。

例如：基于实地信道数据准实时采集的实地信道数据准实时回放方法具体包括如下步骤：

步骤1’：选择出用于测试的实地信道准实时回放的传输模式为国家标准(GB20600-2006)DTMB，其基带符号周期T_sym＝0.1323us，基带符号率为7.56MHz，由于当前所选择的测试传输模式的基带符号周期为信道准实时采集过程中基带符号周期的2倍，从而该信道准实时估计h_Ne’(n)与噪声估计w_e’(n)可表示为h_Ne’(n)＝h_N’(2n)，w_e’(n)＝w’(2n)；

步骤2’：待测发射机根据DTMB的帧结构、信道编码和调制方式，产生发端基带数据流t’(n)；

步骤3’：利用所恢复的实地信道准实时数据h_Ne’(m)与信道高斯白噪声估计w_e’(n)模拟出收端基带数据流r’(n)；

$r^{\&prime;}\left(n\right)={\mathrm{\&Sigma;}}_{m=1}^{m=L}{t}^{\&prime;}(n-m)\&CenterDot;{h_{\mathrm{Ne}}}^{\&prime;}\left(m\right)+{w_e}^{\&prime;}\left(n\right),\mathrm{ND}-D<n\&le;\mathrm{ND}$

步骤4’：将收端模拟基带数据流r’(n)经过数模转换以及模拟调制，模拟出DTMB模式下该信道的射频接收信号。

本发明利用实地信道准实时采集的数据，通过回放装置模拟出所需研究的不同传输制式下信道的传输特性，从而实现了不同传输制式下的相关传输设备在实地信道中的性能模拟工作；另外，本发明提供的技术方案具有开销小和可重复性好的优点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种实地信道数据准实时采集方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤A：将基带数据的实地传输过程模型化为带有高斯白噪声的线性准时变信道；

步骤B：根据实地信道的相干时间和发端基带符号周期，选择固定长度的训练序列；将所述训练序列作为发端基带数据循环填入发端基带数据流，并将所述发端基带数据流发送至所述线性准时变信道输入端；

步骤C：从所述线性准时变信道的输出端得到收端基带数据流，根据所述发端基带数据流和收端基带数据流，分段计算并存储所述线性准时变信道的信道估计和噪声估计。

2.如权利要求1所述的实地信道数据准实时采集方法，其特征在于，所述选择固定长度的训练序列的步骤具体为：选择不大于实地信道的相干时间与发端基带符号周期比值的值作为训练序列的长度。

3.如权利要求1所述的实地信道数据准实时采集方法，其特征在于，所述步骤C中分段计算并存储所述线性准时变信道的信道估计和噪声估计的步骤具体包括：

根据实地信道的相干时间和发端基带符号周期，选择固定长度的分段时延；

基于收端基带数据流，每间隔一个分段时延计算并存储所述线性准时变信道的信道估计与噪声估计。

4.如权利要求3所述的实地信道数据准实时采集方法，其特征在于，所述选择固定长度的分段时延的步骤具体为：选择不大于实地信道的相干时间与发端基带符号周期比值的值作为分段时延的长度。

5.一种基于实地信道数据的准实时回放方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤A：将基带数据的准实时回放过程模型化为带有高斯白噪声的线性准时变信道；

步骤B：选择回放传输模式，并根据所选回放传输模式下的基带符号周期和实地信道数据准实时采集时的基带符号周期，对实地信道数据进行重新采样，得到所述线性准时变信道分段的信道估计和噪声估计；

步骤C：分段计算用于测试的发端基带数据流和所述信道估计的线性卷积，并将线性卷积结果和所述噪声估计相加，得到准实时回放的收端基带数据流；

其中，发端基带数据流通过以下方法得到：

根据实地信道的相干时间和发端基带符号周期，选择固定长度的训练序列；将所述训练序列作为发端基带数据循环填入发端基带数据流。

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