CN109451509A - Nb-iot基站信号测量设备及其测量处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种NB‑IOT基站信号测量设备，包括信号采集装置，用于采集射频信号，并对信号进行增益控制；信号滤波处理装置，与所述的信号采集装置相连接，用于对信号进行滤波处理；信号计算处理装置，与所述的信号滤波处理装置相连接，用于将模拟信号转换为数字信号，并进行计算处理。本发明还涉及一种基于该设备实现针对NB‑IOT基站信号的测量处理方法。采用了该NB‑IOT基站信号测量设备及其测量处理方法，具有以下优点：用户通过单个仪表直接测量结果，而不需要额外的附件；电路结构简洁，针对性强，电路的功耗较低，成本大幅降低；本方案具有一定可可扩展性，以实现其它网络制式的信号测量；可以在软件和FPGA中进行处理，进一步简化了硬件的复杂度。
Description
技术领域
本发明涉及物联网领域，尤其涉及NB-IOT窄带物联网领域，具体是指一种NB-IOT基站信号测量设备及其测量处理方法。
背景技术
NB-IOT窄带物联网近年得到广泛推广，相关的运营和业务已逐步展开。NB-IOT广泛应用于物流、家居、医疗、农业、水电网、智慧城市等各种行业，具有网络覆盖广、链接数量大、低速率、低成本、低功耗等特点，是未来万物互联时代的硬件基础。在行业应用中，现场安装和维护是日常的主要工作，由于采用的是无线空口传输连接，一些特定场景下的安装维护需要一些基本测试手段，以确定该位置的网络覆盖是否有效，设备的安装位置能够正常工作，比如地下室、地下管井等。但由于NB-IOT的技术特点，在现有网络应用中存在以下一些问题：
由于行业渗透客户广泛，不是所有行业客户对射频和无线网络有概念性的了解。这些客户在现场作业和施工时，缺乏有效的、简洁直观的测试工具进行现场的网络环境评估以进行现场安装和维护。
现有的网络测试手段主要是采用扫频仪和测试模组，具有设备庞大、操作复杂、专业性强的特点，且价格较为昂贵，对于行业客户来说不可接受。
NB-IOT的网络具有广覆盖的特点，其工作模组具有极高的接收灵敏度，3GPP标准要求-140dBm左右，这对现场测试设备来说，要求具有更高的测量灵敏度和整机噪声系数，普通仪表无法满足。
不同运营商的给定的NB-IOT频点不同，要求设备同时能够满足所有运营商的网络，这要求设备具有多频点调谐能力，因此仪表的频段覆盖范围较宽。
综上所述，从技术、价格和可操作性上，目前还没有满足此类工程测试的NB-IOT现场测试仪表，对现场网络环境质量进行评估测试，给出现场施工和维护定量分析。本发明结合上述需求，提出了一种结构简单、低成本、低功耗、手持式NB-IOT测试仪，频率范围从500MHz～2700MHz，可实时测量指定运营商的最强小区及其网络信号质量，直接给出评估结果，并且具有操作简单的特点，适合各种行业用户直接使用。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种具有针对性、功耗低、成本低的NB-IOT基站信号测量设备及其测量处理方法。
为了实现上述目的，本发明的NB-IOT基站信号测量设备及其测量处理方法如下：
该NB-IOT基站信号测量设备，其主要特点是，所述的设备包括：
信号采集装置，用于采集射频信号，并对信号进行增益控制；
信号滤波处理装置，与所述的信号采集装置相连接，用于对信号进行滤波处理；
信号计算处理装置，与所述的信号滤波处理装置相连接，用于将模拟信号转换为数字信号，并进行计算处理。
较佳地，所述的信号采集装置包括：
天线，用于接收射频信号；
耦合器，与所述的天线相连接，用于耦合部分信号功率，进行系统的自动增益控制；
检波器，与所述的耦合器和信号计算处理装置相连接，用于对信号功率进行检波，将信号幅度转化成电压。
较佳地，所述的天线的频率范围覆盖通信频段的600MHz～2700MHz。
较佳地，所述的信号滤波处理装置包括：
第一低噪声放大器，与所述的耦合器相连接，用于对信号进行放大；
带通滤波器组，与所述的第一低噪声放大器相连接，用于对输入信号进行预选，滤除系统无用的杂波；
第二低噪声放大器，与所述的带通滤波器组相连接，用于对信号进行放大；
混频器，与所述的第二低噪声放大器相连接，用于将射频信号下变频到适合处理的中频信号；
本振，与所述的混频器相连接，用于提供下变频所需的射频本振信号；
中频带通滤波器，与所述的混频器相连接，用于滤除混频后产生的其它杂波信号。
较佳地，所述的带通滤波器组包括第一带通滤波器、第二带通滤波器和第三带通滤波器，所述的第一带通滤波器、第二带通滤波器和第三带通滤波器均并联接于所述的第一低噪声放大器和第二低噪声放大器之间，用于对输入信号进行预选，滤除系统无用的杂波。
较佳地，所述的信号计算处理装置包括：
压控增益放大器，与所述的中频带通滤波器相连接，用于控制放大器的增益；
自动增益控制电路，与所述的压控增益放大器和检波器相连接，用于提供放大器的增益控制电压，自动调节整个链路的增益；
模数转换器，与所述的压控增益放大器相连接，用于将中频模拟信号变换成数字信号；
数字下变频器，与所述的模数转换器相连接，用于将数字中频信号正交下变频，产生正交的I/Q基带信号，并对信号速率进行抽取降速；
中央处理器，与所述的数字下变频器相连接，用于对I/Q信号进行计算，同时控制硬件电路和系统配置。
较佳地，所述的模数转换器的位数不小于16bits。
该基于上述设备实现针对NB-IOT基站信号的测量处理方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：
(1)对所述的数字下变频器的数字信号进行连续捕获与存储；
(2)对存储的数据进行搜索和同步；
(3)提取参考信号，计算RSRP和SNR的值并显示，重复步骤(1)直至处理完毕。
较佳地，所述的步骤(2)具体包括以下步骤：
(2.1)对存储的数据进行主同步搜索；
(2.2)进行频偏估计与校准，补偿本地时钟与基站信号的参考时钟频率误差；
(2.3)进行辅同步和精细同步，对最强相关值的小区进行PCI搜索，得到最强小区的PCI值。
采用了本发明的NB-IOT基站信号测量设备及其测量处理方法，与其它设备相比，具有以下优点：(1)用户通过单个仪表直接测量结果，而不需要额外的附件。(2)本方案电路结构简洁，针对性强，电路的功耗较低，而成本大幅降低。非常适合NB-IOT现场测试的低成本测试需求。(3)本方案具有一定可可扩展性，根据算法不同，可以实现其它网络制式的信号测量。(4)本方案的信号处理采用了大量数字信号处理技术，可以在软件和FPGA中进行处理，进一步简化了硬件的复杂度。
附图说明
图1为本发明的NB-IOT基站信号测量设备的电路结构图。
图2为本发明的NB-IOT基站信号测量设备的实施例一电路结构图。
图3为本发明的NB-IOT基站信号测量设备的实施例二电路结构图。
图4为本发明的实现针对NB-IOT基站信号的测量处理方法的流程图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
该NB-IOT基站信号测量设备，其中，所述的设备包括：
信号采集装置，用于采集射频信号，并对信号进行增益控制；
信号滤波处理装置，与所述的信号采集装置相连接，用于对信号进行滤波处理；
信号计算处理装置，与所述的信号滤波处理装置相连接，用于将模拟信号转换为数字信号，并进行计算处理。
作为本发明的优选实施方式，所述的信号采集装置包括：
天线，用于接收射频信号；
耦合器，与所述的天线相连接，用于耦合部分信号功率，进行系统的自动增益控制；
检波器，与所述的耦合器和信号计算处理装置相连接，用于对信号功率进行检波，将信号幅度转化成电压。
作为本发明的优选实施方式，所述的天线的频率范围覆盖通信频段的600MHz～2700MHz。
作为本发明的优选实施方式，所述的信号滤波处理装置包括：
第一低噪声放大器，与所述的耦合器相连接，用于对信号进行放大；
带通滤波器组，与所述的第一低噪声放大器相连接，用于对输入信号进行预选，滤除系统无用的杂波；
第二低噪声放大器，与所述的带通滤波器组相连接，用于对信号进行放大；
混频器，与所述的第二低噪声放大器相连接，用于将射频信号下变频到适合处理的中频信号；
本振，与所述的混频器相连接，用于提供下变频所需的射频本振信号；
中频带通滤波器，与所述的混频器相连接，用于滤除混频后产生的其它杂波信号。
作为本发明的优选实施方式，所述的带通滤波器组包括第一带通滤波器、第二带通滤波器和第三带通滤波器，所述的第一带通滤波器、第二带通滤波器和第三带通滤波器均并联接于所述的第一低噪声放大器和第二低噪声放大器之间，用于对输入信号进行预选，滤除系统无用的杂波。
作为本发明的优选实施方式，所述的信号计算处理装置包括：
压控增益放大器，与所述的中频带通滤波器相连接，用于控制放大器的增益；
自动增益控制电路，与所述的压控增益放大器和检波器相连接，用于提供放大器的增益控制电压，自动调节整个链路的增益；
模数转换器，与所述的压控增益放大器相连接，用于将中频模拟信号变换成数字信号；
数字下变频器，与所述的模数转换器相连接，用于将数字中频信号正交下变频，产生正交的I/Q基带信号，并对信号速率进行抽取降速；
中央处理器，与所述的数字下变频器相连接，用于对I/Q信号进行计算，同时控制硬件电路和系统配置。
作为本发明的优选实施方式，所述的模数转换器的位数不小于16bits。
该基于上述设备实现针对NB-IOT基站信号的测量处理方法，其中包括以下步骤：
(1)对所述的数字下变频器的数字信号进行连续捕获与存储；
(2)对存储的数据进行搜索和同步；
(3)提取参考信号，计算RSRP和SNR的值并显示，重复步骤(1)直至处理完毕。
作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(2)具体包括以下步骤：
(2.1)对存储的数据进行主同步搜索；
(2.2)进行频偏估计与校准，补偿本地时钟与基站信号的参考时钟频率误差；
(2.3)进行辅同步和精细同步，对最强相关值的小区进行PCI搜索，得到最强小区的PCI值。
本发明的具体实施方式中，图1是本发明的实施例一硬件框图和连接关系，内置天线ANT接收来自空口的NB信号，频率范围从600MHz～2700MHz。定向耦合器Coupler用于耦合一部分信号进行幅度检测，送往AGC电路进行自动增益控制。低噪声放大器LNA用于改善整体噪声系数，同时考虑强信号存在的可能，该低噪声放大器是可以直通的，由AGC电路统一控制处理。其后经过多路可选带通滤波器BPF1～BPF3，该滤波器作用是提取相关频段的NB-IOT空口信号，滤除其它非NB信号的杂波。由于不同运营商部署的频段不同，故选择多路滤波器进行选择，也可以根据实际工作频段增加路数。经滤波后的NB-IOT下行信号进入混频器Mixer，变换成可供后端处理的中频信号，这里选择中频频率是46.08MHz或15.36MHz，本振LO提供变频所需的本振信号，按照调谐方程，本振单元需提供频率范围553.92MHz～2653.92MHz的本振信号。混频器的输出含有本振、射频及中频以及各种多次响应的信号，需经过带通滤波器BPF4提取有用的中频信号，滤除其它杂波信号。经滤波后的中频信号经过压控增益放大器VGA，该放大器的增益控制电压由自动增益控制电路AGC提供，其作用是自动调节整个链路的增益，将信号调整到高速模数变换器ADC的最佳工作电平上。高速数模变换器完成中频信号数字化，采样频率是61.44MHz，其后经过数字下变频器DDC进行I/Q正交变换，无失真的将数字中频信号变换成采样率为1.92MHz的I/Q数据，该数据流送往CPU进行计算处理，计算出当前位置下最强NB小区的相关信息，并送往LCD显示器显示测量结果。
上述方案中，低噪声放大器LNA置于系统的前端，前端没有选频器件，天线接收的信号可能包含其它种类基站的强信号，这样会造成前端出现非线性失真，噪声小信号测量误差，甚至不能检测。系统动态范围较差，图2是方案的变体，将前端带通滤波器和低噪声放大器的位置进行了互换，可以解决这个问题。
图2是改善了动态范围的实施例二的系统框图。实施例二的动态范围虽然得到了改善，但系统噪声系数将恶化，恶化程度与前端预选带通滤波器的插损有关，噪声系数的恶化相应的会将降低系统灵敏度。NB-IOT的终端灵敏度很高，系统覆盖的NB-IOT基站信号强度检测需要更高的灵敏度以保证检测的有效性。因此，图3提供了兼具高灵敏度和高线性度的方案。
图3是改进方案系统框图。图3将两级低噪声放大器接入系统前端，统一由AGC进行控制处理。在有强干扰信号存在时，LNA1直通，可对信号先滤波再放大。当需要高灵敏度时，LNA1和LNA2可以同时打开，改善系统噪声系数，提供灵敏度，下面就图中的各个模块的功能进行说明如下：
天线ANT：用于接收来自空口的射频信号，内置于设备中，已降低设备的使用复杂度，频率范围覆盖通信频段的600MHz～2700MHz。
耦合器Coupler：耦合一部分信号功率，进行系统的自动增益控制。
检波器DET：对信号功率进行检波，将信号幅度转化成电压，有AGC电路接收，进行系统的自动增益控制。
带通滤波器BPF1～BPF3：对输入信号进行预选，滤除系统无用的杂波。
低噪声放大器LNA：对信号进行放大，具有低噪声和高线性的特点。
混频器Mixer：将射频信号下变频到适合处理的中频信号。
本振LO：提供下变频所需的射频本振信号。
中频带通滤波器BPF4：滤除混频后产生的其它杂波信号，保证中频信号的频谱纯度。
压控增益放大器VGA：放大器的增益由电压控制，内部包含放大器和衰减器，是自动增益控制AGC的核心部件。
模数转换器ADC：将中频模拟信号变换成数字信号，为保证系统精度，ADC的位数至少达到16bits。
数字下变频器DDC：将数字中频信号正交下变频，产生正交的I/Q基带信号，并对信号速率进行抽取降速。
中央处理器CPU：对I/Q信号进行计算，同时控制硬件电路和系统配置，可采用DSP、X86等芯片。
数字I/Q信号进入CPU后进行计算，提取NB-IOT基站信号的相关信息，CPU的软件处理流程图4所示。
首先对来自DDC的数字信号进行连续捕获与存储，根据协议，保证每次计算的有效性，一次存储的数据周期不小于10ms。然后对存储的数据进行主同步搜索，之后需要进行频偏估计与校准，以补偿本地时钟与基站信号的参考时钟频率误差，再进行辅同步精细同步，对最强相关值的小区PCI搜索，得到最强小区的PCI值。根据协议，在相关位置提取参考信号，计算RSRP和SNR的值，并最终以数字、图表显示出来。在完成整个流程后，可以重复以上流程，计算下一次结果。
采用了本发明的NB-IOT基站信号测量设备及其测量信号的后处理方法，与其它设备相比，具有以下优点：(1)用户通过单个仪表直接测量结果，而不需要额外的附件。(2)本方案电路结构简洁，针对性强，电路的功耗较低，而成本大幅降低。非常适合NB-IOT现场测试的低成本测试需求。(3)本方案具有一定可可扩展性，根据算法不同，可以实现其它网络制式的信号测量。(4)本方案的信号处理采用了大量数字信号处理技术，可以在软件和FPGA中进行处理，进一步简化了硬件的复杂度。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (9)
1.一种NB-IOT基站信号测量设备，其特征在于，所述的设备包括：
信号采集装置，用于采集射频信号，并对信号进行增益控制；
信号滤波处理装置，与所述的信号采集装置相连接，用于对信号进行滤波处理；
信号计算处理装置，与所述的信号滤波处理装置相连接，用于将模拟信号转换为数字信号，并进行计算处理。
2.根据权利要求1所述的NB-IOT基站信号测量设备，其特征在于，所述的信号采集装置包括：
天线，用于接收射频信号；
耦合器，与所述的天线相连接，用于耦合部分信号功率，进行系统的自动增益控制；
检波器，与所述的耦合器和信号计算处理装置相连接，用于对信号功率进行检波，将信号幅度转化成电压。
3.根据权利要求1所述的NB-IOT基站信号测量设备，其特征在于，所述的天线的频率范围覆盖通信频段的600MHz～2700MHz。
4.根据权利要求1所述的NB-IOT基站信号测量设备，其特征在于，所述的信号滤波处理装置包括：
第一低噪声放大器，与所述的耦合器相连接，用于对信号进行放大；
带通滤波器组，与所述的第一低噪声放大器相连接，用于对输入信号进行预选，滤除系统无用的杂波；
第二低噪声放大器，与所述的带通滤波器组相连接，用于对信号进行放大；
混频器，与所述的第二低噪声放大器相连接，用于将射频信号下变频到适合处理的中频信号；
本振，与所述的混频器相连接，用于提供下变频所需的射频本振信号；
中频带通滤波器，与所述的混频器相连接，用于滤除混频后产生的其它杂波信号。
5.根据权利要求4所述的NB-IOT基站信号测量设备，其特征在于，所述的带通滤波器组包括第一带通滤波器、第二带通滤波器和第三带通滤波器，所述的第一带通滤波器、第二带通滤波器和第三带通滤波器均并联接于所述的第一低噪声放大器和第二低噪声放大器之间，用于对输入信号进行预选，滤除系统无用的杂波。
6.根据权利要求1所述的NB-IOT基站信号测量设备，其特征在于，所述的信号计算处理装置包括：
压控增益放大器，与所述的中频带通滤波器相连接，用于控制放大器的增益；
自动增益控制电路，与所述的压控增益放大器和检波器相连接，用于提供放大器的增益控制电压，自动调节整个链路的增益；
模数转换器，与所述的压控增益放大器相连接，用于将中频模拟信号变换成数字信号；
数字下变频器，与所述的模数转换器相连接，用于将数字中频信号正交下变频，产生正交的I/Q基带信号，并对信号速率进行抽取降速；
中央处理器，与所述的数字下变频器相连接，用于对I/Q信号进行计算，同时控制硬件电路和系统配置。
7.根据权利要求1所述的NB-IOT基站信号测量设备，其特征在于，所述的模数转换器的位数不小于16bits。
8.一种基于权利要求1所述的设备实现针对NB-IOT基站信号的测量处理方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
(1)对所述的数字下变频器的数字信号进行连续捕获与存储；
(2)对存储的数据进行搜索和同步；
(3)提取参考信号，计算RSRP和SNR的值并显示，重复步骤(1)直至处理完毕。
9.根据权利要求8所述的实现针对NB-IOT基站信号的测量处理方法，其特征在于，所述的步骤(2)具体包括以下步骤：
(2.1)对存储的数据进行主同步搜索；
(2.2)进行频偏估计与校准，补偿本地时钟与基站信号的参考时钟频率误差；
(2.3)进行辅同步和精细同步，对最强相关值的小区进行PCI搜索，得到最强小区的PCI值。
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