CN101534160A - 无线信道参数测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线通信技术领域的无线信道参数测量装置及其方法。该装置包括：信号发射模块及信号接收和处理模块。产生两路伪随机序列，对其进行4QAM调制；对调制后的基带数字信号进行成型滤波；将基带数字信号转换为模拟信号通过发射天线将其发射出去。对接收到的射频信号进行射频处理、模数转换，变为数字信号；对其进行I路和Q路解调，并进行低通滤波，变为基带数字信号；将基带数字信号和本地的伪随机序列相关、将相关信号及相关信号求平方和的结果输出，经过计算，得到所需的信道参数。本发明能够提供更加精确和全面的测试结果，同时由于增加了数据采集和处理单元，使整个采集过程更加完备和方便。

Description

无线信道参数测量装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信技术领域的测量装置及其方法，具体是一种无线信道参数测量装置及其方法。

背景技术

无线信道的特征可以通过大尺度路径损耗和小尺度衰落两方面来表征。大尺度路径损耗的主要特征是信号在空间传播时的电平衰减，可以通过在不同位置用频谱仪等仪器测量信道的电平，然后进行统计学分析而得到，通过这种测量方法得到了很多经典的无线信道模型，比如Okumura模型，Okumura-Hata模型等等。无线信道的的小尺度衰落，主要是由于多径引起的。而具体又可以表现为三个主要方面：多径的强度，多径的时延，以及不同多径上的多普勒频移。这也是无线信道的三个主要参数。经对现有技术文献的检索发现：TheodoreS.Rappaport著，周文安等译的《无线通信原理与应用》一书中对“直接射频脉冲系统”及“扩频滑动相关器信道测量系统”所提供的现有信道的主要测量方法进行了阐述。

直接射频脉冲系统用一个发射机重复发送单脉冲信号，接收机采用一个带通型滤波器接收信号，然后由包络检测器检测后进行放大，并存储和显示在一个高速示波器上。该系统可以在示波器上看到信号的多径强度和时延两个分量，但是无法测得多普勒频移。而且，由于该系统采用了单脉冲信号，所以会依赖于第一个到达信号触发示波器的能力。

扩频滑动相关器信道测量系统与直接射频脉冲系统的不同之处是将发送的单脉冲信号改为了扩频信号，大大提高了系统的增益，相应的提高了测量的准确度。但是，这种系统虽然在测得多径强度和时延的基础上同时可以得到信号的相位信息，但是由于发送的是单路的伪随机序列，所以相位信息只能是模拟信号的相位信息，不便于做后续的存储和处理。

综上所述，现有的信道测量方法，在测量信道小尺度衰落的多普勒频偏参量时，明显存在不足，同时，采用数字存储示波器作为最后的输出，不便于后面的处理。而未来随着无线网络的逐渐发展，在很多应用领域出现了对移动、甚至是高速移动无线网络的新需求，而这些需求的满足需要建立在和具体应用相关的无线信道参数的准确估计基础上。因此，对信道小尺度衰落特征、尤其是其中的多普勒频移，进行更加精确的测量，是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种无线信道参数测量装置及其方法，本发明发射两路伪随机序列作为I，Q信号，并将其经过4QAM调制后发射，通过I，Q之间的关系在数字基带上计算信号的相位信息，从而得到更加准确和丰富的信道参数。适用于对各种不同的无线信道环境进行测量，得到和无线信道相关的小尺度衰落的各个参数。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明所涉及的一种无线信道参数测量装置，包括：信号发射模块及信号接收和处理模块，信号发射模块发送信道测量需要的伪随机射频信号序列，信号接收和处理模块接收经过无线信道之后测量所使用的伪随机序列，并对其进行接收、解调、存储和相应的处理，得到需要的信道参数。信号发射模块与信号接收和处理模块之间通过无线的通信信道进行连接，两者之间的信息流为经过基带和射频调制之后的伪随机序列信号。

所述的信号发射模块，包括：基准时钟频率发生单元、伪随机序列发生器、4QAM调制单元、成型滤波单元、数模转换单元、发端射频单元、发射天线，基准时钟频率发生单元为伪随机序列发生器单元提供一个产生该数字序列的基准时钟频率，伪随机序列发生器按照输入的基准时钟频率产生两路相同的伪随机序列，分别作为I路和Q路信号，作为后面4QAM调制单元的输入，4QAM调制单元的输入和伪随机序列发生器相连，对输入的两路信号进行4QAM数字调制，将调制后的基带数字信号输出到成型滤波单元，成型滤波单元的输入为4QAM调制单元所产生的基带数字信号，对成型滤波单元中输入的基带数字信号进行成型滤波后，输出给数模转换单元，数模转换单元的输入为成型滤波单元的输出，数模转换单元将输入的数字信号进行数模转换，并将基带数字信号进行上变频，得到中频模拟信号输出给发射端的射频单元，发射端射频单元的输入为数模转换单元输出的中频模拟信号，将该信号搬移到所需的载波频率上，送给发射天线，发射天线的输入为发射端射频单元输出的射频信号，将该射频信号发射到空中。

所述的信号接收和处理模块，包括：接收天线、收端射频处理单元、模数转换单元、I路解调单元、Q路解调单元、两个低通滤波器、伪随机序列发生器、两个相关器、求平方和单元、数据采集卡、数据处理器单元，接收天线对空中的无线电信号进行接收，然后输出给收端射频处理单元，收端射频处理单元的输入和接收天线相连，对收到的射频模拟信号进行射频滤波和下变频，使其为中频信号输出给模数转换单元，模数转换单元的输入为收端射频处理单元，对输入的中频模拟信号进行采样，转换为数字信号，I路解调和Q路解调单元的输入为模数转换输出的数字信号，对该数字信号分别进行余弦和正弦解调，得到相应的I路和Q路信号，分别输出给两个低通滤波器，两个低通滤波器的输入分别为I路解调单元和Q路解调单元，对输入的I路和Q路信号进行低通滤波，滤去没用的高频分量，得到相应的基带信号，然后输出给相关器，伪随机序列发生器按照输入的基准时钟频率产生和发射端I路、Q路信号分别相同的伪随机序列，作为相关器的输入，两个相关器分别都有两个输入端口，一个输入为伪随机序列发生器产生的I，Q两路伪随机序列，另一个输入为低通滤波单元输出的I，Q两路基带信号，在相关器内部，对两路输入进行运算之后，将得到的结果输出给数据采集单元和求平方和单元，求平方和单元的两个输入分别为两个相关器输出的I路和Q路信号，对这两路信号分别进行平方并求和，输出给下一级的数据采集卡，数据采集卡采集和记录数据，相应的三个输入信号分别为两路相关器单元的输出以及求平方和单元的输出，对这三路的数据缓存之后，输出给后端的数据处理器单元，数据处理器单元的输入和数据采集卡相连，将数据采集卡输出的数据存储，并进行信号处理，得到所需要的信道参数。

本发明所涉及的一种无线信道参数测量方法，具体为信号发射，信号接收和处理两个方面，包括如下步骤：

步骤一：在发射端产生两路伪随机序列。

步骤二：对这两路伪随机序列信号进行4QAM调制。

步骤三：对4QAM调制后的信号进行成型滤波、数模转换和射频处理，变为可以在载波上发射的射频信号。

步骤四：通过一个发射天线将无线信号发射出去。

步骤五：在接收端通过一个接收天线将空中的无线射频信号接收下来。

步骤六：对接收到的射频信号进行射频处理、模数转换，变化为数字信号。

步骤七：对数字信号进行I路和Q路解调，并对得到的两路信号分别进行低通滤波，滤去无用的高频信号，变为基带数字信号。

步骤八：将基带数字信号和本地的伪随机序列进行相关，将两路相关输出的信号以及对这两路信号求平方和的结果输出给数据采集卡。

步骤九：将数据采集卡的数据输入后端的数据处理单元，经过计算之后，得到所需的信道参数。

本发明装置通过发送调制后的伪随机序列信号，在收端对其进行相应的处理，从而得到所需要的各种信道参数，包括信道多径分布的时延和幅度信息，以及相位信息。可以满足各种无线通信的应用系统对无线信道参数的要求。本发明方法能够实现无线信道参数的测量，相比现有技术，能够提供更加精确和全面的测试结果，特别是可以得到计算多普勒参数所需的相位信息，同时由于增加了数据采集和处理单元，使整个采集过程更加完备和方便。

附图说明

图1是本发明提出的无线信道测量装置的示意图。

图2是本发明装置中信号发射模块的结构示意图。

图3是本发明装置中信号接收和理模块的结构示意图。

图4是本发明实施例对应的无线信道参数测量方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例涉及一种无线信道测量装置，包括：信号发射模块，信号接收和处理模块，其中：

信号发射模块，用于连续的发送信道测量需要的伪随机射频信号序列；

信号接收和处理模块，用于接收经过无线信道之后的测量所使用的伪随机序列，并对其进行相应的信号处理，得到需要的信道参数。其中：

信号处理指：对信号做高阶统计量分析，求功率延迟分布，多普勒功率谱密度，以及相应的作图工作。

信道参数指：多径分布的时延、幅度、相位信息及多普勒频偏。

如图2所示，所述的信号发射模块包括：基准时钟频率发生单元10，伪随机序列发生器11，4QAM调制单元12，成型滤波单元13，数模转换单元14，发端射频单元15，发射天线16。

基准时钟频率发生单元10用来产生与相应测试信号带宽对应的时钟频率。

伪随机序列发生器11可以产生各种长度的伪随机(PN)序列。

4QAM调制单元12对信号进行4QAM调制。

成型滤波单元13将测试信号进行成型滤波，具体是将信号频谱限制在一定带宽之内，变成适合发送的信号，同时也防止对临频信道的干扰。

数模转换单元14将基带数字信号进行数模转换，同时上变频到中频模拟信号。

发射端射频单元15将中频模拟信号进行二次上变频送给发射天线。

发射端天线16完成将无线射频信号向外发送的工作。

所述信号发射模块，其基准时钟频率发生单元10的输出为伪随机序列发生器11的输入，伪随机序列发生器11的输出为两路相同的伪随机序列，分别作为I，Q信号，两路输出为4QAM调制单元12的输入，4QAM调制单元12的输出为成型滤波单元13的输入，成型滤波单元13的输出为数模转换单元14的输入，数模转换单元14输出中频模拟信号，为发射端射频单元15的输入，发射端射频单元15将其输出送给发射天线16。

如图3所示，所述的信号接收和处理模块包括：接收天线20，收端射频处理单元21，模数转换单元22，I路解调单元231和Q路解调单元232，两个低通滤波器241和242，两个相关器251和252，伪随机序列发生器26，求平方和单元27，数据采集卡28，数据处理器单元29。

接收天线20完成对空中射频无线电信号的接收。

收端射频处理单元21对收到的射频模拟信号进行射频滤波和下变频，使其变为中频信号。

模数转换单元22将模拟中频信号采样得到数字信号。

I路解调单元231和Q路解调单元232分别对中频数字信号进行余弦和正弦解调，得到相应的I路和Q路信号。

两个低通滤波器241和242分别对输入的I路和Q路信号进行低通滤波，得到相应的基带数字信号。

伪随机序列发生器26，作用是产生和发射端I路和Q路信号分别相同的两路伪随机序列；

相关器251和252，对接收端经过解调的基带数字信号和本地产生的伪随机序列进行相关运算。

求平方和单元27，I路和Q路经过相关器的两路数字信号进行平方和求和运算。

数据采集卡28，对输入的三路的数字信号的数据进行高速的缓存。

数据处理器单元29，将数据采集卡输出来的数据进行存储、以及相关的数字信号处理和分析，得到所需要的信道参数。

所述信号接收和处理模块，其接收天线20的输出为收端射频处理单元21的输入，收端射频处理单元21的输出为模数转换单元22的输入，模数转换单元22的输出分两路，一路为I路解调单元231的输入另一路为Q路解调单元232的输入，I路解调单元231和Q路解调单元232的输出分别为低通滤波器241和242的输入，低通滤波器241和242的输出分别为相关器251和252其中1个端口的输入，相关器251和252另外一个端口的输入为伪随机序列发生器，相关器251和252的输出为数据采集卡28和求平方和单元27的输入，求平方和单元27的输出为数据采集卡的输入，数据采集卡的输出为数据处理器单元29的输入，数据处理器单元对数据采集卡输入的三路数据进行处理和分析，得到所需要的信道参数。

如图4所示，其中步骤S100到步骤S400完成对信号的发射。步骤S500到步骤S1200完成对信号完成对信号的接收和处理工作。

首先，S100：产生伪随机序列，即利用伪随机序列发生器产生两路伪随机序列，该伪随机序列的长度和间隔可以根据所测信道的带宽、移动性等特征确定，一般可以选择长度为2n-1的m序列。S200：数字基带调制，即对这两路伪随机序列信号进行4QAM调制，因为4QAM调制是最简单的可以将基带信号分为I路和Q路，从而给出相位信息的调制方法。S300：成型滤波，数模转换和射频处理，完成对数字信号的成型滤波、数模转换和射频处理，转换为可以在载波上发射的射频信号。其中：成型滤波的通带带宽为信号带宽，滚降系数的设计通常在10％左右、射频处理主要通过上变频将信号搬移到需要测试的信道的频段上。S400：射频无线信号发射，通过一个发射天线将无线信号发射出去。其输入为数模转换单元输出的中频模拟信号，作用将该信号搬移到所需的载波频率上，送给发射天线。

然后，S500：射频无线信号接收，即通过一个接收天线将空中的无线射频信号接收下来。S600：射频处理、模数转换，即对接收到的射频信号进行射频处理，主要是下变频到模数转换芯片可以处理的中频模拟信号，通常在100MHz以内、然后通过模数转换，将中频模拟信号转换为中频数字信号；S700：I路和Q路解调，即对中频数字数字信号进行I路和Q路解调，就是将信号分别和载波频率的相应正弦和余弦信号相乘；S800：低通滤波，即对基带数字信号进行低通滤波，滤去高频分量，该低通滤波器可以采用通用的各种滤波器，如巴特沃兹滤波器等；S900：相关，即将基带数字信号和本地产生的和发端相同的伪随机序列进行相关，相关处理的好处是可以增加系统的增益，并提高灵敏度，使本方法的鲁棒性更强。S1000：求平方和，即对两路相关输出的信号求平方和。

最后，S1100：数据采集，即使用数据采集卡完成对两路相关输出信号和其平方和信号数据的采集。目前高速的数据采集卡可以支持Gbps速率的快速采集和缓存，速率远高于磁盘。但是其容量一般不超过4Gbits。因此，需要在S1200：数据存储、计算和分析，将数据采集卡采集和缓存的数据进一步输入数据处理单元。该数据处理单元可以用一个带数据接口的PC机来实现，同时在PC上可以完成对所采集数据的存储、计算和分析等工作，从而得到所需的无线的信道参数。

Claims (4)

1、一种无线信道参数测量装置，其特征在于，包括：信号发射模块及信号接收和处理模块，信号发射模块发送信道测量需要的伪随机射频信号序列，信号接收和处理模块接收经过无线信道之后测量所使用的伪随机序列，并对其进行接收、解调、存储和相应的处理，得到需要的信道参数；信号发射模块与信号接收和处理模块之间通过无线的通信信道进行连接，两者之间的信息流为经过基带和射频调制之后的伪随机序列信号。

2、根据权利要求1所述的一种无线信道参数测量装置，其特征是，所述的信号发射模块，包括：基准时钟频率发生单元、伪随机序列发生器、4QAM调制单元、成型滤波单元、数模转换单元、发端射频单元、发射天线，基准时钟频率发生单元为伪随机序列发生器单元提供一个产生该数字序列的基准时钟频率，伪随机序列发生器按照输入的基准时钟频率产生两路相同的伪随机序列，分别作为I路和Q路信号，作为后面4QAM调制单元的输入，4QAM调制单元的输入和伪随机序列发生器相连，对输入的两路信号进行4QAM数字调制，将调制后的基带数字信号输出到成型滤波单元，成型滤波单元的输入为4QAM调制单元所产生的基带数字信号，对成型滤波单元中输入的基带数字信号进行成型滤波后，输出给数模转换单元，数模转换单元的输入为成型滤波单元的输出，数模转换单元将输入的数字信号进行数模转换，并将基带数字信号进行上变频，得到中频模拟信号输出给发射端的射频单元，发射端射频单元的输入为数模转换单元输出的中频模拟信号，将该信号搬移到所需的载波频率上，送给发射天线，发射天线的输入为发射端射频单元输出的射频信号，将该射频信号发射到空中。

3、根据权利要求1所述的一种无线信道参数测量装置，其特征是，所述的信号接收和处理模块，包括：接收天线、收端射频处理单元、模数转换单元、I路解调单元、Q路解调单元、两个低通滤波器、伪随机序列发生器、两个相关器、求平方和单元、数据采集卡、数据处理器单元，接收天线对空中的无线电信号进行接收，然后输出给收端射频处理单元，收端射频处理单元的输入和接收天线相连，对收到的射频模拟信号进行射频滤波和下变频，使其为中频信号输出给模数转换单元，模数转换单元的输入为收端射频处理单元，对输入的中频模拟信号进行采样，转换为数字信号，I路解调和Q路解调单元的输入为模数转换输出的数字信号，对该数字信号分别进行余弦和正弦解调，得到相应的I路和Q路信号，分别输出给两个低通滤波器，两个低通滤波器的输入分别为I路解调单元和Q路解调单元，对输入的I、Q路信号进行低通滤波，滤去没用的高频分量，得到相应的基带信号，然后输出给相关器，伪随机序列发生器按照输入的基准时钟频率产生和发射端I、Q路信号分别相同的伪随机序列，作为相关器的输入，两个相关器分别都有两个输入端口，一个输入为伪随机序列发生器产生的I、Q两路伪随机序列，另一个输入为低通滤波单元输出的I、Q两路基带信号，在相关器内部，对两路输入进行运算之后，将得到的结果输出给数据采集单元和求平方和单元，求平方和单元的两个输入分别为两个相关器输出的I、Q路信号，对这两路信号分别进行平方并求和，输出给下一级的数据采集卡，数据采集卡采集和记录数据，相应的三个输入信号分别为两路相关器单元的输出以及求平方和单元的输出，对这三路的数据缓存之后，输出给后端的数据处理器单元，数据处理器单元的输入和数据采集卡相连，将数据采集卡输出的数据存储，并进行信号处理，得到所需要的信道参数。

4、一种无线信道参数测量方法，其特征在于，包含如下步骤：

步骤一：在发射端产生两路伪随机序列；

步骤二：对这两路伪随机序列信号进行4QAM调制；

步骤三：对4QAM调制后的信号进行成型滤波、数模转换和射频处理，变为可以在载波上发射的射频信号；

步骤四：通过一个发射天线将无线信号发射出去；

步骤五：在接收端通过一个接收天线将空中的无线射频信号接收下来；

步骤五：对接收到的射频信号进行射频处理、模数转换，变化为数字信号；

步骤六：对数字信号进行I路和Q路解调，并对得到的两路信号分别进行低通滤波，滤去无用的高频信号，变为基带数字信号；

步骤七：将基带数字信号和本地的伪随机序列进行相关；

步骤八：将两路相关输出的信号以及对这两路信号求平方和的结果输出给数据采集卡；

步骤九：将数据采集卡的数据输入后端的数据处理单元，经过计算之后，得到所需的信道参数。

Images