CN101667873B - 一种多天线信道环境下接收机射频性能的测试方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多天线信道环境下接收机射频性能的测试方法和系统。所述系统包括顺序连接的系统模拟器、空间信道模块、待测设备，其中：系统模拟器，用于模拟基站的功能，生成原始信号，以及用于对待测试设备常规处理后的信号进行测量和/或计算，以确定所述待测试设备中接收机的射频性能；空间信道模块，用于模拟原始信号在天线端口的发送和接收，将输出信号发送给待测试设备；待测试设备，用于对信号进行常规的处理。

Description

一种多天线信道环境下接收机射频性能的测试方法和系统

技术领域

本发明涉及通信系统，尤其是涉及当通信系统中包含多个发射天线和/或多个接收天线时接收机射频性能的测试方法和系统。

背景技术

随着移动通信的发展，通信速度和覆盖范围有了大幅度提高。为了实现最大的通信速度和最广的覆盖范围，出现了很多新兴的技术，如多入多出天线技术等。多入多出天线技术在不需要占用额外的无线电频率的条件下，利用多径来提供更高的数据吞吐量；利用多入多出信道提供的空间复用增益来提高信道容量；利用多入多出信道提供的空间分集增益来提高信道的可靠性，达到降低误码率的目的。并且信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以利用多入多出天线信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。它解决了当今任何无线电技术都面临的两个最困难的问题，即速度与覆盖范围。

但是，所有的无线技术都面临信号衰落、多径、不断增加的干扰和受限制的频谱的挑战。技术越复杂，相应的无线电信道的环境也越复杂。并且，随着使用天线数目的增加，多入多出天线技术实现的复杂度大幅度增高，从而限制了天线的使用数目，不能充分发挥多天线技术的优势。因此，只有模拟出多天线技术复杂的信道情况，进行多入多出天线信道的各种性能评估和测试，才能更好的了解多天线对通信容量和质量的提高的作用。所以，如何在多天线信道环境下来测量接收机的各种性能就研究这个课题亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种多天线信道环境下接收机射频性能的测试方法和系统。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多天线信道环境下接收机射频性能的测试系统，所述系统包括顺序连接的系统模拟器、空间信道模块、待测设备，其中：

系统模拟器，用于模拟基站的功能，生成原始信号，以及用于对待测试设备常规处理后的信号进行测量和/或计算，以确定所述待测试设备中接收机的射频性能；

空间信道模块，用于模拟原始信号在天线端口的发送和接收，将输出信号发送给待测试设备；

待测试设备，用于对信号进行常规的处理。

进一步地，所述空间信道模块中包括发射天线模拟模块、接收天线模拟模块，以及分别与上述两个模块相连的计算模块，其中：

所述发射天线模拟模块，用于接收系统模拟器发送的原始信号模拟其在发射天线端口的发送，该模块中设置有用于模拟发射天线发射的发射天线模型；所述接收天线模拟模块，其中设置有用于模拟接收天线接收的接收天线模型；所述计算模块，用于对发射天线模型和接收天线模型进行卷积运算或张量积运算，得到模拟的原始信号经传输后的信号发给待测试设备。

进一步地，所述空间信道模块还用于模拟传输空间信道环境对信号的影响。

进一步地，所述空间信道模块中包括发射天线模拟模块、传输空间信道模拟模块以及接收天线模拟模块，以及分别与上述三个模块相连的计算模块，其中：

所述发射天线模拟模块，用于接收系统模拟器发送的原始信号模拟其在发射天线端口的发送，该模块中设置有用于模拟发射天线发射的发射天线模型；所述传输空间信道模拟模块，其中设置有用于模拟传输空间信道环境对信号影响的传输空间信道模型；所述接收天线模块，其中设置有用于模拟接收天线接收的接收天线模型；所述计算模块，用于对发射天线模型、传输空间信道模型和接收天线模型进行卷积运算或张量积运算，得到模拟的原始信号经传输后的信号发给待测试设备。

进一步地，采用发射天线相关矩阵模拟发射天线端口的发送，采用接收天线相关矩阵模拟接收天线端口的接收；当发射天线或接收天线的数量为两个以上时，所述发射天线相关矩阵或接收天线相关矩阵中的相关性参数根据天线之间的相关性决定：天线间的散射粒子越少，则天线之间的相关性越大，相关性参数越大；天线间的散射粒子越多，则天线之间的相关性减弱，相关性参数越小。

进一步地，当存在直射径的情况时，选用莱斯衰落分布模型作为传输空间信道模型；当无直射径的情况时，选用瑞利衰落分布模型作为传输空间信道模型。

进一步地，所述系统还包括一衰减器，所述衰减器置于所述系统模拟器和空间信道模块之间，或者置于所述空间信道模块和待测试设备之间。

进一步地，对待测试设备处理后的信号进行测量和/或计算包括以下情况的一种或两种：测量所述待测试设备解调后的电平和/或频谱；根据发出信号计算所述待测试设备中接收机的误码率。

进一步地，所述射频性能指标包括以下参数的一种或几种：接收灵敏度、误码率、解调性能。

进一步地，所述系统模拟器为综测仪，所述综测仪在测试中设置为环回模式。

为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种多天线信道环境下接收机射频性能的测试方法，所述方法应用于多天线信道环境下的接收机射频性能测试系统，所述系统包括依次连接的系统模拟器、空间信道模块、待测设备；使系统模拟器和待测试设备建立通话，并保证各链路处于正常工作状态；对待测试设备进行常规处理后的信号进行测量和/或计算，以确定所述待测试设备中接收机的射频性能。

进一步地，所述各链路处于正常工作状态，是指：系统模拟器模拟基站生成原始信号，将所述原始信号输入给空间信道模块；所述空间信道模块模拟原始信号在天线端口的发送和在天线端口的接收。

进一步地，所述模拟原始信号在天线端口的的发送和在天线端口的接收，包括：设置用于模拟发射天线发射的发射天线模型，接收系统模拟器发送的原始信号，采用发射天线模型模拟原始信号在发射天线端口的发送；设置用于模拟接收天线接收的接收天线模型，对发射天线模型和接收天线模型进行卷积运算或张量积运算，得到模拟的原始信号经传输后的信号发给待测试设备。

进一步地，模拟原始信号的发送后，还模拟传输空间信道环境对信号的影响，之后再模拟信号的接收。

进一步地，所述模拟原始信号的发送、传输空间信道环境对其的影响以及对所述信号的接收，包括：设置用于模拟发射天线发射的发射天线模型，接收系统模拟器发送的原始信号，采用发射天线模型模拟原始信号在发射天线端口的发送；设置用于模拟传输空间信道环境对信号影响的传输空间信道模型，设置用于模拟接收天线接收的接收天线模型；对发射天线模型、传输空间信道模型和接收天线模型进行卷积运算或张量积运算，得到模拟的原始信号经传输后的信号发给待测试设备。

采用本发明所述方法，能够测试复杂的多天线信道情况下的接收机性能参数，为多天线信道的性能评估和多天线的配置提供了基础。

附图说明

图1为本发明一实施例测试系统结构示意图；

图2为本发明另一实施例测试系统结构示意图；

图3为一个发射天线和两个接收天线的实际测试连接图；

图4为两个发射天线和两个接收天线的实际测试连接图；

图5为一个发射天线两个接收天线时的测试原理图；

图6为两个发射天线两个接收天线时的测试原理图。

具体实施方式

本发明采用空间信道模块将多天线信道环境的特征进行模拟和简化，通过空间信道模块模拟电磁波在多天线信道环境下的变化情况，最终获知待测设备中接收机的射频性能。

如图1所示，测试系统包括：通过电缆顺序连接的系统模拟器(SS)、空间信道模块(SCM)和待测设备(EUT)，其中：

●系统模拟器(SS)，用于模拟基站的功能，输出的信号以下称为原始信号，以及用于对待测设备输出的信号进行测量和/或计算，系统模拟器可以测量和/或计算以下参数的一种或几种用以确定待测试设备中接收机的射频性能：信号电平、误码率、频谱，具体包括：测量所述待测试设备解调后的电平和/或频谱；根据发出信号计算所述待测试设备中接收机的误码率。

系统模拟器例如可以采用综测仪，测试时该综测仪设置为环回模式；

●空间信道模块(SCM)，用于模拟信号的传输，包括信号在天线端口的发送，在传输空间的传输，以及在天线端口的接收，原始信号通过空间信道模块，输出模拟的传输后的信号，输入待测试设备；

空间信道模块可以模拟除了系统模拟器和待测设备之外的接入模块对信号的影响。在其他实施例中，空间信道模块也可以仅模拟信号的发送和接收。

●待测设备(EUT)，待测试设备中包含接收机，用于对空间信道模块输出的信号进行常规处理，如射频处理(信号放大，滤波)、解调、数模转换等，然后将处理后的信号返回给系统模拟器，由系统模拟器确定待测试设备接收机的射频性能。

待测设备为一终端，如手机，无线网卡等，作为测试环境的一部分，待测设备的状态可以进行不同的设置，例如需要测试终端在正常工作条件下的射频性能时，终端处于正常工作状态，或者需要测试终端在忙碌状态下的射频性能时，将终端设置为忙碌状态。

为了防止进入系统模拟器的功率过高，也可在系统模拟器和空间信道模块之间接入一衰减器，或者在空间信道模块和待测设备之间接入一衰减器。

上述空间信道模块中包括发射天线模拟模块、传输空间信道模拟模块、接收天线模拟模块，以及分别与上述三个模块相连的计算模块，参见图1，其中：

发射天线模拟模块，接收系统模拟器发送的原始信号模拟发射天线端口的发射，该模块中设置有用于模拟发射天线发射的发射天线模型，多天线时该发射天线模型可以模拟发射天线之间的相互作用，例如采用发射天线相关矩阵，其中的相关性参数根据各发射天线之间的空间环境决定；

传输空间信道模拟模块，设置有用于模拟传输空间信道环境对信号影响的传输空间信道模型，该传输空间信道模型可以模拟传输空间环境对信号的综合影响，包括对信号强弱、方向、电性、阻性、感性等的影响；

传输空间信道模型与测试所需的无线电信道环境有关。对于存在直射径的情况可以选择现有的莱斯衰落分布模型，对于无直射径的情况可以选择现有的瑞利衰落分布模型。

接收天线模块，设置有用于模拟接收天线接收的接收天线模型，多天线时该接收天线模型可以模拟接收天线之间的相互作用，例如采用接收天线相关矩阵，其中的相关性参数根据各接收天线之间的空间环境决定；

计算模块，用于对发射天线模型、传输空间信道模型和接收天线模型进行卷积运算或张量积运算，得到模拟的原始信号经传输后的信号。

在本实施例中采用发射天线相关矩阵来模拟发射天线的发送，采用接收天线相关矩阵来模拟接收天线的接收，在其他实施例中，可能还需要考虑天线的其他因素，如天线极化性能等。

当发射天线或接收天线的数量为两个以上时，发射天线相关矩阵与接收天线相关矩阵中的相关性参数由测试的条件和环境决定，大致可分为高相关性，中等相关性和低相关性。相关性参数在0～1之间，不同的标准对于高、中、低相关性的范围界定不同，但是都遵循以下的原则：高相关性指非常纯的自由空间环境，散射粒子较少，天线之间的相关性非常大；低相关性指的是比较复杂的无线电环境，环境中充满各种散射粒子，使天线之间的相关性减弱；中等相关性介于高相关性和低相关性之间。

在其他实施例中，空间信道模块可以不包含传输空间信道模拟模块，如图2所示，此时可以认为传输空间信道环境对信号的影响只有路径衰落，而这种路径衰落已在系统模拟器发射功率处通过降低发射功率来体现，空间信道模块仅包含如上所述的发射天线模拟模块、接收天线模拟模块和计算模块，此时计算模块仅对发射天线模型和接收天线模型进行卷积或张量积运算。

在其他实施例中，上述发射天线模块、传输空间信道模拟模块和接收天线模块有可能集成在一起。空间信道模块在模拟信号的发送和接收以及空间信道对信号的影响时，通过对发射天线相关矩阵、传输空间信道模型、接收天线相关矩阵进行一定的数学运算模拟待测设备接收到的信号，例如可以采用卷积运算或者张量积运算。

测试时，使系统模拟器与待测设备建立通话，并保证各链路处于正常工作状态，即进入测试模式：系统模拟器模拟基站生成原始信号；空间信道模块模拟信号在天线端口的发送和在天线端口的接收。对待测试设备接收并进行常规处理后的信号进行测量和/或计算，以确定所述待测设备中接收机的射频性能。通过测量以下参数以确定待测设备的射频性能指标：待测设备解调后的电平、误码率、频谱。具体地，对待测试设备处理后的信号进行测量和/或计算包括以下情况的一种或两种：测量所述待测试设备解调后的电平和/或频谱；根据发出信号计算所述待测试设备中接收机的误码率。射频性能指标包括以下参数的一种或几种：接收灵敏度、误码率、解调性能。

如前所述，对待测试设备的测量可以由系统模拟器完成，如将系统模拟器设置为环回模式，或者直接在待测试设备上完成。

具体地，多天线可以包括以下情况：一个发射天线和两个接收天线(如图3所示)，两个发射天线和一个接收天线，两个发射天线和两个接收天线(如图4所示)，多个发射天线和多个接收天线，简言之，包括单个发射天线和多个接收天线，多个发射天线和单个接收天线以及多发多收天线的情况。

下面以一个发射天线和两个接收天线的情况为例来详细说明接收机射频性能测试方法。其中，本文中接收机射频性能指标指如接收灵敏度，误码率，解调接收比等射频指标。

首先，搭建测试环境，将系统模拟器、空间信道模块和待测设备用线缆连接为图3所示结构，将系统模拟器设置在环回模式，保证其能接收到待测试设备返回的信号，以便进行测试。设置空间信道模块，根据需要调节其参数。包括发射天线相关矩阵中的相关性参数、接收天线相关矩阵中的相关性参数和传输空间信道模型的选择。使系统模拟器和待测设备建立通话。

本实施例中为一个发射天线，则发射天线相关矩阵为1，由于只有一个发射天线，因此也不必考虑天线之间的相关性。

传输空间信道模型因环境变化而异，不同的环境对应着不同的传输空间信道模型。这个空间信道阵列中的每条路径服从一定的衰落分布，如瑞利衰落分布，莱斯衰落分布等。由每条路径的元素形成传输空间信道矩阵。

如将空间环境简化，此时可以认为传输空间信道环境对信号的影响只有路径衰落，而这种路径衰落已在系统模拟器发射功率处通过降低发射功率来体现，空间信道模块仅包含发射天线相关矩阵和接收天线相关矩阵通过运算得到的结果。

本实施例中为两个接收天线，则接收天线相关矩阵为一个2x2的阵列，矩阵对角线上的元素为1，另外两个元素为两天线之间的相关性、两天线之间相关性的共轭值。如前所述，相关性参数与天线之间的空间环境有关，如高相关性可以取0.9，中等相关性可以取0.5，低相关性可以取0.1。

对于4个天线的情况，设天线的编号为1，2，3，4，天线之间的相关性表示为a，则相关矩阵为 $\left[\begin{array}{cccc}1& a_{12}& a_{13}& a_{14}\\ a_{21}& 1& a_{23}& a_{24}\\ a_{31}& a_{32}& 1& a_{34}\\ a_{41}& a_{42}& a_{43}& 1\end{array}\right].$

本文中所描述之矩阵形式仅为举例的需要，根据测试情况不同，实际测试时，矩阵可能有所不同，本领域技术人员根据现有技术可以列出。

空间信道模块将发射天线相关矩阵，传输空间信道矩阵和接收天线相关矩阵进行卷积或者张量积等数学运算，最终获得待测试设备接收到的信号。

待测试设备对接收到的信号进行正常的解调操作，测量接收机解调后的信号电平和误码率，根据现有的计算公式，计算得到接收机的接收灵敏度。测试过程的原理图如图5所示。①为经空间信道传递后的信号，②为待测设备返回的信号，通过对信号①和信号②的比较和计算，可以获得误码率。

测量其他的射频性能指标，如解调性能等，原理框图等同于本发明的内容。

一次测试完成后，调节各模块的参数重新测试。

上例中描述的是一个发射天线和两个接收天线的情况，对于多天线的各种情况，如两个发射天线和两个接收天线，测试图的接法如图4所示，测试原理图如图6所示。多天线的情况时，唯一的区别是空间信道模块与系统模拟器和待测设备之间的接口将随着天线数目的增加而增加。

另外，在实际的测试中，空间信道模块可能会植入系统模拟器，但是这些都是基于本发明的原则，在本发明的基础上所作的改动。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (15)

1.一种多天线信道环境下接收机射频性能的测试系统，其特征在于，所述系统包括顺序连接的系统模拟器、空间信道模块、待测设备，其中：

系统模拟器，用于模拟基站的功能，生成原始信号，以及用于对待测试设备常规处理后的信号进行测量和/或计算，以确定所述待测试设备中接收机的射频性能；

空间信道模块，用于模拟原始信号在天线端口的发送和接收，将输出信号发送给待测试设备；

待测试设备，用于对信号进行常规的处理；

其中，所述空间信道模块还用于模拟传输空间信道环境对信号的影响；

所述空间信道模块中包括发射天线模拟模块、传输空间信道模拟模块以及接收天线模拟模块，以及分别与上述三个模块相连的计算模块，其中：

所述发射天线模拟模块，用于接收系统模拟器发送的原始信号模拟其在发射天线端口的发送，该模块中设置有用于模拟发射天线发射的发射天线模型；

所述传输空间信道模拟模块，其中设置有用于模拟传输空间信道环境对信号影响的传输空间信道模型；

所述接收天线模拟模块，其中设置有用于模拟接收天线接收的接收天线模型；

所述计算模块，用于对发射天线模型、传输空间信道模型和接收天线模型进行卷积运算或张量积运算，得到模拟的原始信号经传输后的信号发给待测试设备。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，

采用发射天线相关矩阵模拟发射天线端口的发送，采用接收天线相关矩阵模拟接收天线端口的接收；当发射天线或接收天线的数量为两个以上时，所述发射天线相关矩阵或接收天线相关矩阵中的相关性参数根据天线之间的相关性决定：天线间的散射粒子越少，则天线之间的相关性越大，相关性参数越大；天线间的散射粒子越多，则天线之间的相关性减弱，相关性参数越小。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，

当存在直射径的情况时，选用莱斯衰落分布模型作为传输空间信道模型；当无直射径的情况时，选用瑞利衰落分布模型作为传输空间信道模型。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述系统还包括一衰减器，所述衰减器置于所述系统模拟器和空间信道模块之间，或者置于所述空间信道模块和待测试设备之间。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，

对待测试设备处理后的信号进行测量和/或计算包括以下情况的一种或两种：

测量所述待测试设备解调后的电平和/或频谱；

根据发出信号计算所述待测试设备中接收机的误码率。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，

射频性能指标包括以下参数的一种或几种：接收灵敏度、误码率、解调性能。

7.如权利要求1或4所述的系统，其特征在于，

所述系统模拟器为综测仪，所述综测仪在测试中设置为环回模式。

8.一种多天线信道环境下接收机射频性能的测试方法，其特征在于，

所述方法应用于多天线信道环境下的接收机射频性能测试系统，所述系统包括依次连接的系统模拟器、空间信道模块、待测设备；

使系统模拟器和待测试设备建立通话，并保证各链路处于正常工作状态；对待测试设备进行常规处理后的信号进行测量和/或计算，以确定所述待测试设备中接收机的射频性能；

其中，模拟原始信号的发送后，还模拟传输空间信道环境对信号的影响，之后再模拟信号的接收；所述模拟原始信号的发送、传输空间信道环境对其的影响以及对所述信号的接收，包括：

设置用于模拟发射天线发射的发射天线模型，接收系统模拟器发送的原始信号，采用发射天线模型模拟原始信号在发射天线端口的发送；

设置用于模拟传输空间信道环境对信号影响的传输空间信道模型，设置用于模拟接收天线接收的接收天线模型；

对发射天线模型、传输空间信道模型和接收天线模型进行卷积运算或张量积运算，得到模拟的原始信号经传输后的信号发给待测试设备。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述各链路处于正常工作状态，是指：系统模拟器模拟基站生成原始信号，将所述原始信号输入给空间信道模块；所述空间信道模块模拟原始信号在天线端口的发送和在天线端口的接收。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，当发射天线或接收天线的数量为两个以上时，所述发射天线相关矩阵或接收天线相关矩阵中的相关性参数根据天线之间的相关性决定：天线间的散射粒子越少，则天线之间的相关性越大，相关性参数越大；天线间的散射粒子越多，则天线之间的相关性减弱，相关性参数越小。

11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述传输空间信道模型的选择：对于存在直射径的情况选用莱斯衰落分布模型，对于无直射径的情况选用瑞利衰落分布模型。

12.如权利要求8所述的方法，其特征在于，

对待测试设备处理后的信号进行测量和/或计算包括以下情况的一种或两种：

测量所述待测试设备解调后的电平和/或频谱；

根据发出信号计算所述待测试设备中接收机的误码率。

13.如权利要求8所述的方法，其特征在于，射频性能指标包括以下参数的一种或几种：接收灵敏度、误码率、解调性能。

14.如权利要求8-9中任一权利要求所述的方法，其特征在于，在生成原始信号后，对信号进行衰减后再进行模拟发送，或者在待测试设备进行常规处理前先进行衰减后再进行常规处理。

15.如权利要求8所述的方法，其特征在于，

所述系统模拟器为综测仪，所述综测仪在测试中设置为环回模式。

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