CN108183841B - 综测仪中基于IEEE802.11ah的基带数据处理方法及系统 - Google Patents

综测仪中基于IEEE802.11ah的基带数据处理方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种综测仪中基于IEEE802.11ah的基带数据处理方法及系统，属于综测仪测试领域。本发明方法包括如下步骤：功率计算；频域计算；帧起始的精确位置获取；频偏值获取；信道估计；信道均衡；相位补偿；采样偏差估计；误差向量幅度计算。本发明还提供一种实现所述基带数据处理方法的系统。本发明的有益效果为：当综测仪接收数据符合IEEE802.11ah标准时，可以实现数据处理的实时性和准确性，真实的反映待测件的性能。

Description

综测仪中基于IEEE802.11ah的基带数据处理方法及系统
技术领域
本发明涉及一种综测仪测试方法，尤其涉及一种综测仪中基于IEEE802.11ah的基带数据处理方法及系统。
背景技术
目前的无线通信协议中，IEEE增加了一项物联网的无线通信协议IEEE802.11ah，该协议是应用于IOT(Internet Of Things)，即通常说的物联网。随着物联网的大发展，IEEE802.11ah协议必将得到广泛引用，而对于该协议产品的测试所应用的综测仪，也将得到大大发展。
基本目前所有的无线通信协议，其中都有一部分是对射频性能的规范，该规范也是综测仪对无线通信协议进行测试的标准，对于IEEE802.11ah协议，该协议规定的协议基带物理层结构如图1、2、3所示，其中，图1-3中各符号代表的中文含义如下：
Figure BDA0001534584100000011
综测仪即是将射频信号采集下来，下变频到基带后，按协议基带物理层结构对数据进行解析，同时得到其信号射频性能。目前，IEEE802.11ah协议刚刚发布，还没有测试方法、无法对该协议的无线射频规范进行性能测试。
发明内容
为解决现有技术中的问题，本发明提供一种综测仪中基于IEEE802.11ah的基带数据处理方法，还提供一种实现所述基带数据处理方法的系统，用于对IEEE802.11ah的基带数据进行处理并测试其性能规范。
本发明基带数据处理方法包括如下步骤：
S1：综测仪的接收端接收IEEE802.11ah的信号，转化成电压值，进行功率计算；
S2：将电压值转换到频域，获取频域功率，并对得到的频域功率在一定长度内求平均，获取该长度内的频域功率谱密度；
S3：根据功率的变化进行帧同步，然后在根据基带物理层结构，进行帧精确同步，获取帧起始的精确位置；
S4：根据帧精确同步的起始位置，对连续的两个长训练序列进行频偏估计，获取频偏值，并对频偏值进行补偿；
S5：根据频偏补偿后的数据和理想的常训练序列进行信道估计；
S6：由估计出的信道对接收数据去除循环前缀，变换到频域后进行信道均衡，恢复原始数据；
S7：根据数据域中的导频信息，进行相位跟踪，将获取的跟踪相位在频域对各子载波数据进行相位补偿；
S8：相位跟踪补偿后，利用前后两帧数据的导频的残余相位差，获取采样偏差；
S9：对采样偏差进行补偿，获取帧中所有有效数据误差的平均值，根据平均值计算误差向量幅度。
本发明作进一步改进，在步骤S1中，还包括帧粗同步步骤：根据各点平均功率的变化，获取帧粗同步。
本发明作进一步改进，所述接收数据的处理方法为：
S101：先将接收的数据转化为电压值，单位为毫伏，然后按特征阻抗50欧姆计算功率，计算公式为：
Figure BDA0001534584100000021
其中，Vr和Vi为接收复数信号转化成的I、Q两路电压值，单位为毫伏，p为计算得到的单点信号功率，单位为毫瓦；
S102：根据各点平均功率的变化，获取帧粗同步，找到数据帧的起始点，平均功率的计算公式为：
Figure BDA0001534584100000031
其中，中
Figure BDA0001534584100000032
表示长度为N的接收数据的平均功率，i表示当前计算的是第i个平均功率。pj是步骤S101中得到的接收数据点功率。
本发明作进一步改进，在步骤S3中，采用接收数据与本地长训练序列相关求精确同步，计算公式为：
Figure BDA0001534584100000033
其中，ri表示综测仪接收到的数据，i表示接收数据序号，qi-n表示本地理想长训练序列的时域数据，其长度为N，q* i-n表示本地理想长训练序列的时域数据共轭，Sn表示接收到的数据与本地长训练序列的相关累加和；
然后对Sn根据公式Dn＝|Sn|2求取其能量，计算结果有两个值最大点，分别对应两个长训练序列的起始点，其中第一个最大值所对应的位置即为长训练序列的起始位置。
本发明作进一步改进，在步骤S4中，得到精确起始位置后，对连续的两个长训练序列进行时域共轭相关，计算公式为：
Figure BDA0001534584100000034
然后由时域共轭相关值求频偏，计算公式如下：
fΔ＝arg(c)/(2πNTs)
其中，r(n)表示综测仪接收到的长训练序列数据，N表示长训练序列相关长度，Ts表示接收数据采样周期。
本发明作进一步改进，在步骤S5中，采用最小平方信道估计算法技术进行信道估计，计算公式为：
H＝Y/X
其中，Y是接收到的长训练序列或接收到的定向长训练序列；X是理想的长训练序列或接收到的定向长训练序列。
本发明作进一步改进，在步骤S6中，根据快速傅里叶变换算法变换到频域，原始数据估计的处理公式为：
Z＝R/H
其中，R为接收数据中的基带物理层结构中的数据域，H为信道估计值，Z为对实际发送数据的估计。
本发明作进一步改进，在步骤S7中，跟踪相位的计算公式如下：
Figure BDA0001534584100000041
其中，Np表示每个频域中包含的导频个数，
Figure BDA0001534584100000042
表示导频位置均衡后的接收数据与理想导频数据之间的相位差；
在步骤S8中，采样偏差的计算公式为：
Figure BDA0001534584100000043
其中，Nr表示中心频点右边的导频信号，Nl表示中心频点左边的导频信号，Ng表示各个符号中保护间隔的大小，Ns表示各个符号有效数据的长度，ρi表示各个导频子载波的序号。
本发明作进一步改进，在步骤S9中，所有有效数据误差的平均值的计算公式为：
Figure BDA0001534584100000044
其中，Nf表示参与计算的帧的个数，Lp表示各个帧内的符号的个数，Nd表示单个符号内的有用数据个数或者是有用子载波数，P0表示的是每个符号映射的标准星座图的平均功率；所述误差向量幅度的计算公式为：EVM＝20log(ErrorRMS)。
本发明还提供一种实现所述基带数据处理方法的系统，包括：
功率获取模块：用于将综测仪的接收端接收IEEE802.11ah的信号，转化成电压值，进行功率计算；
频域获取模块：用于将电压值转换到频域，获取频域功率，并对得到的频域功率在一定长度内求平均，获取该长度内的频域功率谱密度；
帧起始的精确位置获取模块：用于根据功率的变化进行帧同步，然后在根据基带物理层结构，进行帧精确同步，获取帧起始的精确位置；
频偏值获取模块：用于根据帧精确同步的起始位置，对连续的两个长训练序列进行频偏估计，获取频偏值，并对频偏值进行补偿；
信道估计模块：用于根据频偏补偿后的数据和理想的常训练序列进行信道估计；
信道均衡模块：用于由估计出的信道对接收数据去除循环前缀，变换到频域后进行信道均衡，恢复原始数据；
相位补偿模块：用于根据数据域中的导频信息，进行相位跟踪，将获取的跟踪相位在频域对各子载波数据进行相位补偿；
采样偏差获取模块：用于在相位跟踪补偿后，利用前后两帧数据的导频的残余相位差，获取采样偏差；
误差向量幅度获取模块：用于对采样偏差进行补偿，获取帧中所有有效数据误差的平均值，根据平均值计算误差向量幅度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：当综测仪接收数据符合IEEE802.11ah标准时，可以实现数据处理的实时性和准确性，真实的反映待测件的性能。
附图说明
图1为1G内短帧格式；
图2为1G内长帧格式；
图3为1G内1M帧格式；
图4为本发明方法流程简图；
图5为平均功率变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
如图4所示，本发明的基带数据处理方法包括如下步骤：
(1)综测仪的接收端接收IEEE802.11ah的信号，进行功率计算。数据先转化为电压值毫伏(mv)，然后按特征阻抗50欧姆计算功率，计算公式为：
Figure BDA0001534584100000051
其中，Vr和Vi为接收复数信号转化成的I、Q两路电压值，单位为毫伏，p为计算得到的单点信号功率，单位为毫瓦(mw)。
同时，根据各点平均功率的变化，找到数据帧的起始点，是为粗同步，平均功率的计算公式为：
Figure BDA0001534584100000052
其中，中
Figure BDA0001534584100000053
表示长度为N的接收数据的平均功率，i表示当前计算的是第i个平均功率。pj是步骤S101中得到的接收数据点功率。N的选取一般根据采样率的大小而自由改变。由上述得到的平均功率如图5所示，由图2可见，在有信号和无信号的噪声之间，其平均功率变化非常剧烈。正是由此功率变化，可以得到帧粗同步。
(2)功率计算后，将对应的以电压表示的接收数据转换到频域，按步骤(1)的功率计算步骤在频域再计算一遍数据的频域功率。由于通常数据长度很大，而每次FFT(FastFourier Transformation，快速傅里叶变换)的长度M是有限的，所以最后需要将各次FFT得到的频域功率在长度M内求平均，并输出长度为M的频域功率谱密度，也就是频谱。
(3)频谱计算后，已经根据功率的变化得到了数据帧起始的大概位置，帧同步就是根据基带物理层结构的特点，来得到帧起始的精确位置。由图1、2、3可知，IEEE802.11ah的基带物理层结构在帧头都包含有STF(Short Training Field)和LTF(Long TrainingField),各种物理层结构的LTF都包含有2个symbol结构的长训序列。采用接收数据与本地长训练序列相关求精确同步，计算公式为：
Figure BDA0001534584100000061
其中，ri表示综测仪接收到的数据，i表示接收数据序号，qi-n表示本地理想长训练序列的时域数据，其长度为N，q* i-n表示本地理想长训练序列的时域数据共轭，Sn表示接收到的数据与本地长训练序列的相关累加和；
然后对Sn根据公式Dn＝|Sn|2求取其能量，计算结果有两个值最大点，分别对应两个长训练序列的起始点，其中第一个最大值所对应的位置即为长训练序列的起始位置。
(4)得到精确起始位置后，对连续的两个长训练序列进行时域共轭相关，计算公式为：
Figure BDA0001534584100000062
然后由时域共轭相关值求频偏，计算公式为：fΔ＝arg(c)/(2πNTs)
其中，r(n)表示综测仪接收到的长训练序列数据，N表示长训练序列相关长度，Ts表示接收数据采样周期。后续数据将估计出的频偏值进行补偿。
(5)频偏补偿后的数据，根据帧精确同步的起始点和物理层结构特点，取基带结构中Data之前的LTF(或者是D_LTF)，由接收到的LTF和理想LTF(或者是D_LTF)，利用最小平方信道估计算法技术进行信道估计，计算公式为：
H＝Y/X
其中，Y是接收到的长训练序列或接收到的定向长训练序列；X是理想的长训练序列或接收到的定向长训练序列。
(6)由估计出的信道对接收数据去除循环前缀，进行FFT(Fast FourierTransformation，快速傅里叶变换)到频域后进行信道均衡，恢复原始数据。即：
Z＝R/H
其中，R为接收数据中的基带物理层结构中的数据域，H为信道估计值，Z为对实际发送数据的估计。
(7)在IEEE802.11ah的基带物理层结构，data(数据)域的symbol(符号)结构中包含有已知的pilot(导频)信息，正是这些pilot可以在数据域进行相位跟踪，纠正残余频偏导致的随时间增加而增大的相位变化，跟踪相位的计算公式如下：
Figure BDA0001534584100000071
其中，Np表示每个频域中包含的导频个数，
Figure BDA0001534584100000072
表示导频位置均衡后的接收数据与理想导频数据之间的相位差。将求得的跟踪相位在频域对各子载波数据进行相位补偿。
(8)相位跟踪补偿之后，利用前后两帧数据的pilot(导频)的残余相位差，计算采样偏差，采样偏差的计算公式为：
Figure BDA0001534584100000073
其中，Nr表示中心频点右边的导频信号，Nl表示中心频点左边的导频信号，Ng表示各个符号中保护间隔的大小，Ns表示各个符号有效数据的长度，ρi表示各个导频子载波的序号。
(9)对采样偏差进行补偿，补偿之后，计算帧中所有有效数据误差的平均值，计算公式如下：
Figure BDA0001534584100000074
其中，Nf表示参与计算的帧的个数，Lp表示各个帧内的符号的个数，Nd表示单个符号内的有用数据个数或者是有用子载波数，P0表示的是每个符号映射的标准星座图的平均功率。
然后根据平均功率计算，EVM(error vector magnitude，误差向量幅度)，EVM的计算公式为：EVM＝20log(ErrorRMS)。
本发明可以采用软件方式实现，比如可以用于综测仪的内部软件，也可以通过芯片实现算法。
本发明具有如下创新点：
(1)提出一种基于IEEE802.11ah基带物理层结构的基带数据处理方法，弥补IEEE802.11ah协议信号测试的空白；
(2)采用基于功率能量变化进行粗同步，用物理层结构中的接收训练序列和本地理想训练序列相关进行精确同步，同时进行了功率和频谱计算与定时同步，大大减少了基带分析所占用的时间；
(3)利用前后连续的长训练序列进行频偏估计，提高频偏估计的精度；
(4)利用最小平方信道估计算法，快速的得到信道估计；
(5)在信道均衡后进行相位跟踪和采样偏估计与补偿，大大提高后续的EVM计算性能，更贴切的反映待测件的实际信号质量。
相应地，本例本发明还提供一种实现所述基带数据处理方法的系统，包括功率获取模块：用于将综测仪的接收端接收IEEE802.11ah的信号，转化成电压值，进行功率计算；
频域获取模块：用于将电压值转换到频域，获取频域功率，并对得到的频域功率在一定长度内求平均，获取该长度内的频域功率谱密度；
帧起始的精确位置获取模块：用于根据功率的变化进行帧同步，然后在根据基带物理层结构，进行帧精确同步，获取帧起始的精确位置；
频偏值获取模块：用于根据帧精确同步的起始位置，对连续的两个长训练序列进行频偏估计，获取频偏值，并对频偏值进行补偿；
信道估计模块：用于根据频偏补偿后的数据和理想的常训练序列进行信道估计；
信道均衡模块：用于由估计出的信道对接收数据去除循环前缀，变换到频域后进行信道均衡，恢复原始数据；
相位补偿模块：用于根据数据域中的导频信息，进行相位跟踪，将获取的跟踪相位在频域对各子载波数据进行相位补偿；
采样偏差获取模块：用于在相位跟踪补偿后，利用前后两帧数据的导频的残余相位差，获取采样偏差；
误差向量幅度获取模块：用于对采样偏差进行补偿，获取帧中所有有效数据误差的平均值，根据平均值计算误差向量幅度。
以上所述之具体实施方式为本发明的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本发明所作的等效变化均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.综测仪中基于IEEE802.11ah的基带数据处理方法，其特征在于包括如下步骤：
S1：综测仪的接收端接收IEEE802.11ah的信号，转化成电压值，对电压值进行功率计算；
S2：将电压值转换到频域，根据步骤S1的功率计算方法获取频域功率，并对得到的频域功率在一定长度内求平均，获取该长度内的频域功率谱密度；
S3：根据功率的变化进行帧同步，然后再根据基带物理层结构，进行帧精确同步，获取帧起始的精确位置；
S4：根据帧精确同步的帧起始的精确位置，对连续的两个长训练序列进行频偏估计，获取频偏值，并对频偏值进行补偿；
S5：根据频偏补偿后的数据和理想的长训练序列进行信道估计；
S6：由估计出的信道对接收的IEEE802.11ah的信号数据去除循环前缀，变换到频域后进行信道均衡，恢复原始数据；
S7：根据数据域中的导频信息，进行相位跟踪，将获取的跟踪相位在频域对各子载波数据进行相位补偿；
S8：相位跟踪补偿后，利用前后两帧数据的导频的残余相位差，获取采样偏差；
S9：对采样偏差进行补偿，获取帧中所有有效数据误差的平均值，根据平均值计算误差向量幅度，所述有效数据误差的平均值是实际接收的所有数据帧中有用数据个数或者是有用子载波数与理想数据帧的误差的平均值，所述误差向量幅度是指在一个给定时刻理想无误差基准信号与实际发射信号的向量差。
2.根据权利要求1所述的基带数据处理方法，其特征在于：在步骤S1中，还包括帧粗同步步骤：根据各点平均功率的变化，获取帧粗同步。
3.根据权利要求2所述的基带数据处理方法，其特征在于：接收数据的处理方法为：
S101：先将接收的数据转化为电压值，单位为毫伏，然后按特征阻抗50欧姆计算功率，计算公式为：
Figure FDA0002508666280000011
其中，Vr和Vi为接收复数信号转化成的I、Q两路电压值，单位为毫伏，p为计算得到的单点信号功率，单位为毫瓦；
S102：根据各点平均功率的变化，获取帧粗同步，找到数据帧的起始点，平均功率的计算公式为：
Figure FDA0002508666280000012
其中，中
Figure FDA0002508666280000013
表示长度为N的接收数据的平均功率，i表示当前计算的是第i个平均功率，pj是步骤S101中得到的接收数据点功率。
4.根据权利要求1所述的基带数据处理方法，其特征在于：在步骤S3中，采用接收数据与本地长训练序列相关求精确同步，计算公式为：
Figure FDA0002508666280000021
其中，ri表示综测仪接收到的数据，i表示接收数据序号，qi-n表示本地长训练序列的时域数据，其长度为N，q* i-n表示本地长训练序列的时域数据共轭，Sn表示接收到的数据与本地长训练序列的相关累加和；
然后对Sn根据公式Dn＝|Sn|2求取其能量，计算结果有两个值最大点，分别对应两个长训练序列的起始点，其中第一个最大值所对应的位置即为长训练序列的起始位置。
5.根据权利要求4所述的基带数据处理方法，其特征在于：在步骤S4中，得到精确起始位置后，对连续的两个长训练序列进行时域共轭相关，计算公式为：
Figure FDA0002508666280000022
然后由时域共轭相关值求频偏，计算公式如下：
fΔ＝arg(c)/(2πNTs)
其中，r(n)表示综测仪接收到的长训练序列数据，N表示长训练序列相关长度，Ts表示接收数据采样周期。
6.根据权利要求5所述的基带数据处理方法，其特征在于：在步骤S5中，采用最小平方信道估计算法技术进行信道估计，计算公式为：
H＝Y/X
其中，Y是接收到的长训练序列或接收到的定向长训练序列；X是理想的长训练序列或理想的接收到的定向长训练序列。
7.根据权利要求6所述的基带数据处理方法，其特征在于：在步骤S6中，根据快速傅里叶变换算法变换到频域，原始数据估计的处理公式为：
Z＝R/H
其中，R为接收数据中的基带物理层结构中的数据域，H为信道估计值，Z为对实际发送数据的估计。
8.根据权利要求7所述的基带数据处理方法，其特征在于：在步骤S7中，跟踪相位的计算公式如下：
Figure FDA0002508666280000031
其中，Np表示每个频域中包含的导频个数，
Figure FDA0002508666280000032
表示导频位置均衡后的接收数据与理想导频数据之间的相位差；
在步骤S8中，采样偏差的计算公式为：
Figure FDA0002508666280000033
其中，Nr表示中心频点右边的导频信号，Nl表示中心频点左边的导频信号，Ng表示各个符号中保护间隔的大小，Ns表示各个符号有效数据的长度，ρi表示各个导频子载波的序号。
9.根据权利要求8所述的基带数据处理方法，其特征在于：在步骤S9中，所有有效数据误差的平均值的计算公式为：
Figure FDA0002508666280000034
其中，Nf表示参与计算的帧的个数，Lp表示各个帧内的符号的个数，Nd表示单个符号内的有用数据个数或者是有用子载波数，P0表示的是每个符号映射的标准星座图的平均功率；I、Q分别是实际接收的两路复数信号，其中，I是指实际接收的复数信号的实部；Q是指实际接收到的复数信号的虚部；I0是指与对应实际接收到的复数信号对应的理想数据的实部；Q0是指与实际接收到的复数信号对应的理想数据的虚部；i是指当前参与计算的是第几个数据帧，1≤i≤Nf；j是指当前参与计算的数据是当前帧内的第几个数据符号，1≤j≤Lp；k是指参与计算的数据是当前数据帧和数据符号内的第几个有用数据或者是有用子载波上的数据，1≤k≤Nd；所述误差向量幅度的计算公式为：EVM＝20log(ErrorRMS)。
10.一种实现权利要求1-9任一项所述基带数据处理方法的系统，其特征在于包括：
功率获取模块：用于将综测仪的接收端接收IEEE802.11ah的信号，转化成电压值，对电压值进行功率计算；
频域获取模块：用于将电压值转换到频域，根据功率获取模块的功率计算方法获取频域功率，并对得到的频域功率在一定长度内求平均，获取该长度内的频域功率谱密度；
帧起始的精确位置获取模块：用于根据功率的变化进行帧同步，然后再根据基带物理层结构，进行帧精确同步，获取帧起始的精确位置；
频偏值获取模块：用于根据帧精确同步的帧起始的精确位置，对连续的两个长训练序列进行频偏估计，获取频偏值，并对频偏值进行补偿；
信道估计模块：用于根据频偏补偿后的数据和理想的长训练序列进行信道估计；
信道均衡模块：用于由估计出的信道对接收的IEEE802.11ah的信号数据去除循环前缀，变换到频域后进行信道均衡，恢复原始数据；
相位补偿模块：用于根据数据域中的导频信息，进行相位跟踪，将获取的跟踪相位在频域对各子载波数据进行相位补偿；
采样偏差获取模块：用于在相位跟踪补偿后，利用前后两帧数据的导频的残余相位差，获取采样偏差；
误差向量幅度获取模块：用于对采样偏差进行补偿，获取帧中所有有效数据误差的平均值，根据平均值计算误差向量幅度，所述有效数据误差的平均值是实际接收的所有数据帧中有用数据个数或者是有用子载波数与理想数据帧的误差的平均值，所述误差向量幅度是指在一个给定时刻理想无误差基准信号与实际发射信号的向量差。
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