CN105763239B - 一种用于综测仪的隐式波束赋形测试校准方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于综测仪的隐式波束赋形测试校准方法及系统，所述隐式波束赋形测试校准方法包括以下步骤：步骤S1，将综测仪与待测设备进行连接；步骤S2，待测设备发送MIMO信号；步骤S3，综测仪单天线接收待测设备所发送过来的MIMO信号；步骤S4，综测仪进行数据处理得到待测设备各个发送天线到综测仪接收天线之间的信道估计值；步骤S5，计算得到综测仪单天线到待测设备的多个接收天线之间的信道估计值；步骤S6，待测设备将信道估计值返回至综测仪；步骤S7，综测仪将计算得到的待测设备的各个天线方向角度差值写入待测设备。本发明能够保证综测仪对接收信号的准确处理，真实反应待测设备天线角度方向差，稳定性和精确度高。

Description

一种用于综测仪的隐式波束赋形测试校准方法及系统
技术领域
本发明涉及一种波束赋形测试校准方法，尤其涉及一种用于综测仪的隐式波束赋形测试校准方法，并涉及采用了该用于综测仪的隐式波束赋形测试校准方法的隐式波束赋形测试校准系统。
背景技术
近十多年来，基于WiFi的无线局域网技术具有高速率的特点，灵活、低成本的布局，在众多场所中得到广泛的应用，拥有巨大的市场规模和广泛的用户群；随着无线局域网的发展，对无线网芯片的需求量不断增加，一台可靠、高效的WiFi综测仪对芯片进行准确的检测显得尤为重要；目前，全球市场上的WiFi综测仪是国外厂商领先，但我国在WiFi综测仪领域已经迎头赶上，这对保证我国WiFi产业链的完整性和安全性具有重大意义。
波束赋形(Beamforming，BF)是发射端对数据先进行加权再发送，形成窄的发射波束，将能量对准目标用户，从而提高目标用户的解调信噪比，这对改善有效传送距离边缘用户的吞吐率特别有效，波束赋形可以获得阵列增益、分集增益和复用增益。因此在WiFi协议IEEE 802.11n和IEEE 802.11ac中，采用了MIMO波束赋形中的闭环波束赋形，闭环波束赋形需要终端反馈信道信息(Channel State Information，CSI)如码本给发射端，利用反馈信息对发射信号进行加权。
在WiFi协议中，为了获得CSI而进行信道探测有两种方法：隐式反馈和显示反馈。隐式波束赋形只需要用户端单向发送信号，也就是隐式反馈的波束赋形只需要用户端单向发送信号；在便捷性和效率上有优势，但是隐式波束赋形需要对发送端天线方向差角进行校准补偿。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是需要提供一种综测仪对符合WiFi协议的待测设备进行数据处理的实时性和准确性，进而能够真实反应待测设备各天线之间的方向角度差的隐式波束赋形测试校准方法，并涉及采用了该隐式波束赋形测试校准方法的隐式波束赋形测试校准系统。
对此，本发明提供一种用于综测仪的隐式波束赋形测试校准方法，包括以下步骤：
步骤S1，将综测仪与待测设备进行连接；
步骤S2，待测设备发送MIMO信号，所述MIMO信号为多输入多输出信号；
步骤S3，综测仪单天线接收待测设备所发送过来的MIMO信号；
步骤S4，综测仪对接收到的MIMO信号进行数据处理，得到待测设备各个发送天线到综测仪接收天线之间的信道估计值；
步骤S5，综测仪发送SISO信号，待测设备多天线接收综测仪所发送的SISO信号，并计算得到综测仪单天线到待测设备的多个接收天线之间的信道估计值，所述SISO信号为单输入单输出信号；
步骤S6，待测设备将计算得到的综测仪单天线到待测设备的多个接收天线之间的信道估计值返回至综测仪，所述综测仪计算得到待测设备的各个天线方向角度差值；
步骤S7，综测仪将计算得到的待测设备的各个天线方向角度差值写入待测设备。
本发明所述综测仪为WiFi综测仪。
本发明的进一步改进在于，所述步骤S1中，所述待测设备为多天线待测设备，所述综测仪为单天线综测仪，所述综测仪与待测设备之间实现一对多连接。
本发明的进一步改进在于，所述步骤S2中，所述待测设备根据其发送天线的数目N发送N路MIMO信号。
本发明的进一步改进在于，所述步骤S3中，所述待测设备所发送的N路MIMO信号混合为一路信号被综测仪接收。
本发明的进一步改进在于，所述步骤S4包括以下子步骤：
步骤S401，定时同步步骤，利用WiFi帧结构中的伪随机训练序列，采用本地训练序列与接收信号共轭相关取峰值以得到接收WiFi信号起始位置；所述WiFi指的是基于IEEE802.11标准协议的无线互联技术；
步骤S402，频偏估计与补偿步骤，在所述步骤S401的定时同步步骤的基础上，利用WiFi帧结构中的长训练序列时域数据辅助最大似然估算载波频偏的方法计算求得频偏值，并对接收信号当前分析帧进行频偏补偿；
步骤S403，信道估计步骤，利用IEEE 802.11n或者IEEE 802.11ac中特有的长训练序列采用最小平方信道估计算法计算出信道冲击响应函数以得到信道估计值。
本发明的进一步改进在于，所述步骤S401中，设本地长训练序列为pn，接收信号为rn，接收信号rn每移位一个数据对应本地长训练序列pn长度的信号共轭后与本地信号rn相乘再累加求和，其公式如下：其中，L为本地长训练序列pn一个不含循环前缀的一个符号的长度，Cn为计算得到的相关和序列；共轭相关取峰值为代表定时同步起始位置的相关和峰值，该相关和峰值为对相关和序列Cn求模值的最大值MAX(|Cn|)。
本发明的进一步改进在于，所述步骤S402中，接收信号rn每次移位一个数据，后一个本地长训练序列共轭后与前一个本地长训练序列通过公式得到相乘后的累加和；其中，y为接收信号rn前后符号共轭相关累加和，该累加和的峰值位置就是定时精同步位置；然后通过频偏计算公式求得频偏值f，其中，T为符号时钟周期。
本发明的进一步改进在于，所述步骤S403中，若所述MIMO信号为4路发射天线的MIMO数 据，则综测仪接收到的接收信号rn为： 其中，[Y1 Y2 Y3 Y4]为综测仪接收到的对应的高速长训练序列或特高速长训练序列；而对应的为已知的发送时的标准高速长训练序列或特高速长训练序列；[H11 H12 H13 H14]为对应待测设备的发射天线到综测仪单接收天线之间的信道值。在所述步骤S401 和步骤S402完成之后，通过公式 能够得到对应待测设备发射天线到综测仪接收天线的信道估计值。
本发明的进一步改进在于，所述步骤S6中，通过两组信道的角度值分为天线数N组对应相减求均值，最后的均值相减得到待测设备各个天线方向角度差值，其计算公式如下：其中，为综测仪自身计算得到的信道估计值的角度值，φ1n,m为待测设备送给综测仪的信道估计值的角度值，M为有效的信道估计值角度值个数；在得到均值θn后，对应的天线方向角度差值为：δn-1,n∈(2,N)＝θn-θ1。
本发明还提供一种用于综测仪的隐式波束赋形测试校准系统，采用了如上所述的用于综测仪的隐式波束赋形测试校准方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：提出了一种实现综测仪单天线对待测设备多天线的隐式波束赋形的天线方向角度差的测试校准以及数据处理的方法，设计合理，采用了定时同步步骤、频偏估计步骤与补偿以及信道估计步骤等实现信道估计值的计算，能够保证综测仪对接收信号的准确处理，计算的最后结果真实反应待测设备天线角度方向差，具有高稳定性和精确度高的特点。
附图说明
图1是本发明一种实施例的工作流程示意图；
图2是本发明一种实施例的综测仪与待测设备之间的连接关系示意图；
图3是802.11n帧结构的结构示意图；
图4是本发明一种实施例步骤S4综测仪对接收到的MIMO信号的数据处理框图；
图5是本发明一种实施例步骤S401采用本地训练序列与接收信号共轭相关取峰值的数据处理结构图；
图6是本发明一种实施例步骤S402通过本地长训练序列与接收信号共轭相关求峰值的数据处理结构图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
如图1所示，本例提供一种用于综测仪的隐式波束赋形测试校准方法，包括以下步骤：
步骤S1，将综测仪与待测设备进行连接；
步骤S2，待测设备发送MIMO信号，所述MIMO信号为多输入多输出信号；
步骤S3，综测仪单天线接收待测设备所发送过来的MIMO信号；
步骤S4，综测仪对接收到的MIMO信号进行数据处理，得到待测设备各个发送天线到综测仪接收天线之间的信道估计值；
步骤S5，综测仪发送SISO信号，待测设备多天线接收综测仪所发送的SISO信号，并计算得到综测仪单天线到待测设备的多个接收天线之间的信道估计值，所述SISO信号为单输入单输出信号；
步骤S6，待测设备将计算得到的综测仪单天线到待测设备的多个接收天线之间的信道估计值返回至综测仪，所述综测仪计算得到待测设备的各个天线方向角度差值；
步骤S7，综测仪将计算得到的待测设备的各个天线方向角度差值写入待测设备。
本例所述综测仪为WiFi综测仪；所述待测设备为DUT，即Device Under Test，图1中的DUT即为待测设备；所述MIMO信号为多输入多输出信号，即Multiple Input MultipleOutput信号；所述SISO信号为单输入单输出信号，即Single Input Single Output信号；本例所述步骤S1中，所述待测设备为多天线待测设备，所述综测仪为单天线综测仪，所述综测仪与待测设备之间实现一对多连接；所述步骤S2中，所述待测设备根据其发送天线的数目N发送N路MIMO信号；所述步骤S3中，所述待测设备所发送的N路MIMO信号混合为一路信号被综测仪接收；所述步骤S5的功能是待测设备(DUT)自身携带的基本功能。
利用WiFi综测仪对待测设备(Device Under Test)进行天线方向角度差进行校准补偿主要包括以下步骤：综测仪与待测设备进行连接，如图2所示；校准补偿需要双方通信；待测设备发送MIMO信号，综测仪单天线接收混合的MIMO信号，并对接收到的单路混合MIMO信号进行数据处理，主要包括定时同步、频偏估计与补偿和信道估计；然后综测仪向待测设备发送SISO信号；待测设备接收信号并将各天线上得到的信道估计值返回给综测仪；综测仪利用前面自身计算得到的信道估计值和待测设备的返回值一起计算待测设备发送天线方向角度差。
对单天线接收到的混合MIMO信号，在对子载波进行解调之前必须进行定时同步和频偏估计与补偿，定时同步包括帧同步和符号同步，帧同步是检测帧的到来并估计出数据帧符号的起始位置，符号同步是估计出进行FFT数据解调开始的位置，如果符号同步的误差较大，将会引入符号间干扰，甚至会破坏子载波间的正交性，造成严重的ICI，因此，频偏估计与补偿的目的是估计并校正信号中存在的频率偏移。
信号在无线信道传输过程中会受到信道的影响，从而导致接收端的性能急剧下降；信道估计就是对接收到的信号进行无线信道特性估计，反应出信道对信号的影响；信道估计的准确性对信号的解调和隐式波束赋形天线方向角校准补偿影响非常大。
最后综测仪利用前面自身计算得到的信道估计值和待测设备的返回值一起计算待测设备发送天线方向角度差；角度差值最后写入待测设备，待测设备以后隐式波束赋形信噪比将得到明显提升。
为了对WiFi协议中的隐式波束赋形进行发射天线方向角度差进行校准，本发明提供一种应用于WiFi综测仪的隐式波束赋形测试校准方法，进而解决WiFi综测仪对符合WiFi协议的待测设备进行数据处理的实时性和准确性，真实反应待测设备各天线之间的方向角度差。
本例所述步骤S4中，综测仪对接收到的混合MMO信号进行数据处理，得到待测设备各发送天线到综测仪接收天线之间的信道估计值，如图4所示，所述步骤S4具体包括以下子步骤：
步骤S401，定时同步步骤，利用WiFi帧结构中的伪随机训练序列，采用本地训练序列与接收信号共轭相关取峰值以得到接收WiFi信号起始位置；所述伪随机训练序列为PN训练序列，即Pseudo-Noise训练序列；
步骤S402，频偏估计与补偿步骤，在所述步骤S401的定时同步步骤的基础上，利用WiFi帧结构中的长训练序列时域数据辅助最大似然估算载波频偏的方法计算求得频偏值，并对接收信号当前分析帧进行频偏补偿；所述长训练序列为L-LTF序列，即Long TrainingField序列；
步骤S403，信道估计步骤，利用IEEE802.11n或者IEEE802.11ac中特有的长训练序列采用最小平方信道估计算法计算出信道冲击响应函数以得到信道估计值。
本例以IEEE802.11n为例，如图3所示，在帧开始位置有2个符号长度的长训练序列(共8us)：L-LTF序列，即长训练序列。利用该本地长训练序列与接收信号共轭相关取峰值来计算起始位置。
接收信号rn与本地长训练序列pn共轭相关和的数据处理结构图如图5所示，所述步骤S401中，设本地长训练序列为pn，接收信号为rn，接收信号rn每移位一个数据对应本地长训练序列pn长度的信号共轭后与本地信号rn相乘再累加求和，其公式如下：其中，L为本地长训练序列pn一个不含循环前缀的一个符号的长度，单倍采样率下为64个采样点，单倍采样率下对应于WiFi协议下不同带宽；Cn为计算得到的相关和序列；共轭相关取峰值为代表定时同步起始位置的相关和峰值，该相关和峰值为对相关和序列Cn求模值的最大值MAX(|Cn|)。
本例所述步骤S402接收数据前一个长训练序列与后一个长训练序列共轭相关求和，其数据处理结构图如图6所示；所述步骤S402中，接收信号rn每次移位一个数据，后一个本地长训练序列共轭后与前一个本地长训练序列通过公式得到相乘后的累加和；其中，y为接收信号rn前后符号共轭相关累加和，该累加和的峰值位置就是定时精同步位置；然后通过频偏计算公式求得频偏值f，其中，T为符号时钟周期。
由于在波束赋形校准时，综测仪是单天线接收混合的N路MIMO信号；所述步骤S403 中，本例所述MIMO信号为4路发射天线的MIMO数据作为例子，则综测仪接收到的接收信号rn为：其中，[Y1 Y2 Y3 Y4]为综测仪接 收到的对应的高速长训练序列或特高速长训练序列；而对应的为 已知的发送时的标准高速长训练序列或特高速长训练序列；[H11 H12 H13 H14]为对应待测设 备的发射天线到综测仪单接收天线之间的信道值。在所述步骤S401和步骤S402完成之后， 通过公式能够得到对 应待测设备发射天线到综测仪接收天线的信道估计值。
上面所述待测设备每条发射天线到综测仪接收天线得到的信道估计值为：H1n＝H1n,m＝a1n,m+jb1n,m，其中m为每条天线的有效信道估计值标号，且m∈(1,M)；M为每条天线有效信道估计值个数；n为天线标号，且n∈(1,N)；N为天线个数；a1n,m为对应得到的子载波信道估计值实部；j为对应得到的子载波信道估计值虚部标志；b1n,m为对应得到的子载波信道估计值虚部；a1n,m与b1n,m是前面公式中H的复数展开，表示了H中的每一天线中各个子载波的信道估计值，其计算过程就是H的计算过程。
在所述步骤S5中，待测设备通过多天线分别接受综测仪单天线发出的SISO信号；待测设备从各个天线分别接收综测仪发送过来的信号，然后内部经过定时同步步骤、频偏估计与补偿步骤以及信道估计步骤。所述步骤S5中待测设备的定时同步步骤、频偏估计与补偿步骤的实现方法分别与所述步骤S401和步骤S402相同。以待测设备的4条天线为例，待测设备的4条天线接收到的信号为：
其中，[y1 y2 y3 y4] 为各天线接收到的信号，为发送的标准理想信号，[h11 h12 h13 h14]为 综测仪到待测设备各天线的信道值。
通过公式：可以得 到综测仪到待测设备各天线的信道估计值，然后将估计出的信道值返还给综测仪，送回综 测仪的各天线信道估计值为：h1n＝h1n,m＝c1n,m+jd1n,m，其中m为每条天线的有效信道估计值 标号，且m∈(1,M)；M为每条天线有效信道估计值个数；n为天线标号，且n∈(1,N)；N为天线 个数；c1n,m为对应得到的子载波信道估计值实部；j为对应得到的子载波信道估计值虚部标 志；d1n,m为对应得到子载波信道估计值虚部；c1n,m与d1n,m是前面公式h的复数展开，表示h中 的每一天线中各个子载波的信道估计值，其计算过程就是h的计算过程。
在所述步骤S6中，待测设备将计算得到的综测仪单天线到待测设备的N个接收天线之间的信道估计值返回给综测仪。综测仪计算得到待测设备的N个天线方向角度差值，其具体步骤为：将待测设备送入综测仪的信道估计值求出各个对应的角度值。综测仪在步骤S403中计算得到的信道估计值也求出各个对应的角度值，其计算公式如下：φ1n,m＝arg(h1n,m)＝arg(c1n,m+jd1n,m)，其中为综测仪自身计算得到的信道估计值计算得到的角度值；φ1n,m为待测设备送给综测仪信道估计值计算得到的角度值；其中m为每条天线的有效信道估计值标号，且m∈(1,M)；M为每条天线有效信道估计值个数；n为天线标号，且n∈(1,N)；N为天线个数。
本例所述步骤S6中，通过两组信道的角度值分为天线数N组对应相减求均值，最后的均值相减得到待测设备各个天线方向角度差值，其计算公式如下：其中，为综测仪自身计算得到的信道估计值的角度值，φ1n,m为待测设备送给综测仪的信道估计值的角度值，M为有效的信道估计值角度值个数；在得到均值θn后，对应的天线方向角度差值为：δn-1,n∈(2,N)＝θn-θ1；其中，为各天线方向角度与天线1方向角度的差值，θ1为前面中n为1时天线1方向角度值；θ1做为计算天线方向角度差值的参考值。
本例还提供一种用于综测仪的隐式波束赋形测试校准系统，采用了如上所述的用于综测仪的隐式波束赋形测试校准方法。
本例提出了一种实现综测仪单天线对待测设备多天线的隐式波束赋形的天线方向角度差的测试校准以及数据处理的方法，即提出了所述用于综测仪的隐式波束赋形测试校准方法，设计合理，采用了定时同步步骤、频偏估计步骤与补偿以及信道估计步骤等实现信道估计值的计算，能够保证综测仪对接收信号的准确处理，计算的最后结果真实反应待测设备天线角度方向差，具有高稳定性和精确度高的特点。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于综测仪的隐式波束赋形测试校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，将综测仪与待测设备进行连接；
步骤S2，待测设备发送MIMO信号，所述MIMO信号为多输入多输出信号；
步骤S3，综测仪单天线接收待测设备所发送过来的MIMO信号；
步骤S4，综测仪对接收到的MIMO信号进行数据处理，得到待测设备各个发送天线到综测仪接收天线之间的信道估计值；
步骤S5，综测仪发送SISO信号，待测设备多天线接收综测仪所发送的SISO信号，并计算得到综测仪单天线到待测设备的多个接收天线之间的信道估计值，所述SISO信号为单输入单输出信号；
步骤S6，待测设备将计算得到的综测仪单天线到待测设备的多个接收天线之间的信道估计值返回至综测仪，所述综测仪计算得到待测设备的各个天线方向角度差值；
步骤S7，综测仪将计算得到的待测设备的各个天线方向角度差值写入待测设备；
所述步骤S4包括以下子步骤：
步骤S401，定时同步步骤，利用WiFi帧结构中的伪随机训练序列，采用本地训练序列与接收信号共轭相关取峰值以得到接收WiFi信号起始位置；
步骤S402，频偏估计与补偿步骤，在所述步骤S401的定时同步步骤的基础上，利用WiFi帧结构中的长训练序列时域数据辅助最大似然估算载波频偏的方法计算求得频偏值，并对接收信号当前分析帧进行频偏补偿；
步骤S403，信道估计步骤，利用IEEE 802.11n或者IEEE 802.11ac中特有的长训练序列采用最小平方信道估计算法计算出信道冲击响应函数以得到信道估计值；
所述步骤S401中，设本地长训练序列为pn，接收信号为rn，接收信号rn每移位一个数据对应本地长训练序列pn长度的信号共轭后与本地信号rn相乘再累加求和，其公式如下：其中，L为本地长训练序列pn一个不含循环前缀的一个符号的长度，Cn为计算得到的相关和序列；共轭相关和或者相关累加和取峰值为代表定时同步起始位置的相关和峰值，该相关和峰值为对相关和序列Cn求模值的最大值MAX(|Cn|)。
2.根据权利要求1所述的用于综测仪的隐式波束赋形测试校准方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述待测设备为多天线待测设备，所述综测仪为单天线综测仪，所述综测仪与待测设备之间实现一对多连接。
3.根据权利要求2所述的用于综测仪的隐式波束赋形测试校准方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述待测设备根据其发送天线的数目N发送N路MIMO信号。
4.根据权利要求3所述的用于综测仪的隐式波束赋形测试校准方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述待测设备所发送的N路MIMO信号混合为一路信号被综测仪接收。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的用于综测仪的隐式波束赋形测试校准方法，其特征在于，所述步骤S402中，接收信号rn每次移位一个数据，后一个本地长训练序列共轭后与前一个本地长训练序列通过公式得到相乘后的累加和；其中，y为接收信号rn前后符号共轭相关累加和，该累加和的峰值位置就是定时精同步位置；然后通过频偏计算公式求得频偏值f，其中，T为符号时钟周期。
6.根据权利要求5所述的用于综测仪的隐式波束赋形测试校准方法，其特征在于，所述步骤S403中，若所述MIMO信号为4路发射天线的MIMO数据，则综测仪接收到的接收信号rn为：其中，[Y1 Y2 Y3 Y4]为综测仪接收到的对应的高速长训练序列或特高速长训练序列；而对应的为已知的发送时的标准高速长训练序列或特高速长训练序列；[H11 H12 H13 H14]为对应待测设备的发射天线到综测仪单接收天线之间的信道值；在所述步骤S401和步骤S402完成之后，通过公式能够得到对应待测设备发射天线到综测仪接收天线的信道估计值。
7.根据权利要求6所述的用于综测仪的隐式波束赋形测试校准方法，其特征在于，所述步骤S6中，通过两组信道的角度值分为天线数N组对应相减求均值，最后的均值相减得到待测设备各个天线方向角度差值，其计算公式如下：其中，为综测仪自身计算得到的信道估计值的角度值，φ1n,m为待测设备送给综测仪的信道估计值的角度值，M为有效的信道估计值角度值个数；在得到均值θn后，对应的天线方向角度差值为：δn-1,n∈(2,N)＝θn-θ1。
8.一种用于综测仪的隐式波束赋形测试校准系统，其特征在于，采用了如权利要求1至7任意一项所述的用于综测仪的隐式波束赋形测试校准方法。
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