CN112910804A - 测试仪用单个vsa同时分析mimo信号的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种测试仪用单个VSA同时分析MIMO信号的方法，包括以下步骤：步骤S1，实现复合多输入多输出的信道估计；步骤S2，根据信道估计值和对应的参考信号，恢复出C‑MIMO时第
条流第
符号子载波
的频域数据，实现数据流分离；步骤S3，计算各流信号功率以及误差向量幅度EVM。本发明仅使用一个VSA实现MIMO信号的功率和误差向量幅度EVM分析，在测试仪接收端完成对复合信号的分离和提取，完成各路信号各项指标分析，本发明节省了测试射频资源，能够降低测试成本，同时还保证了各路信号各项指标的准确性和实时性。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于OFDM无线系统的MIMO信号分析方法，尤其涉及一种在802.11n/ac/ax标准的MIMO场景下，测试仪用单个VSA同时分析MIMO信号的方法，并涉及其测试仪用单个VSA同时分析MIMO信号的系统。
背景技术
在现代无线通信系统中，OFDM技术与MIMO技术的结合，极大的提升了系统的容量。Wi-Fi联盟推动的802.11n、802.11ac和802.11ax标准，都采用了这两项技术。
对于支持MIMO的DUT(待测设备或待测件)，由于每个数据流承载着不同的信息，因此需要测试仪多个RF口测试DUT多个射频发射天线口的信号。如图1所示，此种测试方法业界称为True MIMO测试，从图2中可以看出，要完成True MIMO测试，需要4套射频到基带链路的硬件成本。
对于True MIMO测试系统，由于信道矩阵可以表示为矩阵
并且有发射天线数Nt＝接收天线数Nr＝信号流数N，即使用射频线对DUT的每根输出天线与测试仪的VSA端口相连，分别对每路信号进行分析。
发送信号矩阵频域表示为X＝[x1，x2，...，xN]T，接收信号矩阵频域表示为Y＝[y1，y2，...，yN]T，噪声信号频域表示为N＝[n1，n2，...，nN]T，其中上标T表示转置，则输出信号和输入信号及信道矩阵H的关系是：Y＝HX+N。
即
训练序列的符号数大于等于天线数，在训练序列部分，上式相当于X和Y已知，忽略噪声可计算到信道估计H。在数据符号部分，由输出矩阵Y和信道矩阵H，可以得到输入信号矩阵X。如LS信道估计方法WLS＝(H*H)-1H*。其中上标*表示共轭转置。则
为了降低MIMO测试成本，一种方法是将并行的MIMO数据变为串行处理，利用测试仪内部开关矩阵，分时切换到各个端口并采集，完成所有连接端口采集后进入SwitchedMIMO分析，Switched MIMO组网如图3所示。即Switched MIMO与True MIMO的区别是：前者是分时采集DUT的MIMO数据，后者为并行采集DUT MIMO数据。True MIMO需要多个VSA才能测试MIMO性能，而Switched MIMO只需要一个VSA就可以了。在算法层面的上的分析TRUE MIMO和Switched MIMO理论是一致的，区别在于信道估计是退化的，除了主对角线上的值以外，其余值全部为0，即
其余步骤和True MIMO一致。
True MIMO从测试成本上来讲比较高，从节省成本上来讲，似乎Switched MIMO也能够做到，但因为Switch MIMO测试是分时采集信号的，合并之时需要同步。还有就是发射天线端进行波束赋型时，信道矩阵H的元素hj，i在i≠j一般不为0，Switch MIMO是无法获得信道估计矩阵H在i≠j上的信道估计值，因信道失真而使用受限。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是需要提供一种仅使用一个分析器VSA来分析MIMO信号，在测试仪接收端完成对复合信号的分离和提取，完成各路信号各项指标分析的测试仪用单个VSA同时分析MIMO信号的方法，进而能够降低测试成本，同时还保证了各路信号各项指标的准确性；在此基础上，还进一步提供测试仪用单个VSA同时分析MIMO信号的系统。
对此，本发明提供一种测试仪用单个VSA同时分析MIMO信号的方法，包括以下步骤：
步骤S1，实现复合多输入多输出的信道估计；
步骤S2，根据信道估计值和对应的参考信号，恢复出C-MIMO时第i条流第t符号子载波k的频域数据，实现数据流分离；
步骤S3，计算各流信号功率以及误差向量幅度EVM。
本发明的进一步改进在于，所述步骤S1中，通过公式
实现复合多输入多输出的信道估计，得到接收端第jLTF个训练符号的第k个子载波上接收到的频域数据yjLTF，k，其中，i为循环变量，i∈[1 N]，N为发射天线数；Nt为接收空时流个数，hi，k为第i条流频域传输信道上第k个子载波上的值，k∈[1K]，K为子载波总数；PHTi，iLTF为协议定义的PHT矩阵第i行第iLTF列，CSDi为第i流的循环移位，Rk为训练序列在子载波k上的原始频域值，nk为子载波k上的噪声表示。
本发明的进一步改进在于，所述步骤S1中，通过公式hi，k＝Qi，k/(Nt*Rk)计算出第i条流频域传输信道上第k个子载波上的值hi，k，其中，Qi，k为第i条流在第k个子载波上的复合多输入多输出的信道估计值。
本发明的进一步改进在于，所述步骤S2通过公式
恢复出C-MIMO时第i条流第t符号子载波k的频域数据
其中，Yt，k为t符号时刻接收端信号子载波k的频域信号，N为流的总数，j为循环变量，j≠i，Xtrefj，k为第j条流子载波k的频域参考数据。
本发明的进一步改进在于，所述步骤S3中，通过公式
计算各流信号功率Pi，其中，P为复合信号的功率，
Di为信道估计H第i列权重，D为信道估计H权重总和。
本发明的进一步改进在于，所述步骤S3中，通过公式
计算各流的误差向量幅度EVMi，其中，Nsym为信号传输符号总个数，K为子载波总数，Xtrefi，k为第i条流第t符号子载波k的频域参考数据。
本发明还提供一种测试仪用单个VSA同时分析MIMO信号的系统，采用了如上所述的测试仪用单个VSA同时分析MIMO信号的方法，并包括：
信道估计模块，用于实现复合多输入多输出的信道估计；
数据流分离模块，用于根据信道估计值和对应的参考信号，恢复出C-MIMO时第i条流第t符号子载波k的频域数据，实现数据流分离；
功率和误差向量幅度EVM计算模块，用于计算各流信号功率以及误差向量幅度EVM。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：仅使用一个分析器VSA实现MIMO信号的功率和误差向量幅度EVM分析，在测试仪接收端完成对复合信号的分离和提取，完成各路信号各项指标分析，本发明节省了测试射频资源，能够降低测试成本，同时还保证了各路信号各项指标的准确性和实时性。
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是现有技术中True MIMO测试组网模式示意图；
图3是现有技术中Switch MIMO测试组网模式示意图；
图4是本发明Composite MIMO测试组网模式示意图。
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。
基于True MIMO和Switch MIMO各自的缺点，本例设计了基于Composite MIMO的测试方法，所述Composite MIMO就是本例所应用的复合系统或复合MIMO系统，也称复合多输入多输出系统，其组网如图4所示，多路信号通过功分器合为一路输入到测试仪，测试仪仅需要一条射频接收链路。相比于True MIMO测试和Switch MIMO测试，Composite MIMO测试方法降低了硬件设计成本，并能够保证信号功率及EVM(误差向量幅度)。Composite MIMO的组网模式如图4所示。
本例给出的单个分析器VSA同时分析MIMO信号的方法和系统，旨在既能够像Switch MIMO测试那样节省射频资源，同时也能够达到True MIMO的测试效果。
如图1所示，本发明提供一种测试仪用单个VSA同时分析MIMO信号的方法，包括以下步骤：
步骤S1，实现复合多输入多输出的信道估计；
步骤S2，根据信道估计值和对应的参考信号，恢复出C-MIMO时第i条流第t符号子载波k的频域数据，实现数据流分离；
步骤S3，计算各流信号功率以及误差向量幅度EVM。
事实上，本例在进行步骤S1的复合多输入多输出的信道估计之前，即在进行Composite MIMO信道估计之前，优选实现常规的信号预处理，包括帧同步、载波同步、采样时钟同步、初始信道估计和解SIG消息等步骤，如图1所示，当然，这些常规的步骤并不属于本申请的发明点所在，通过现有技术可以实现，就不再另行描述。
对于4x1的Composite MIMO测试系统组网如图4所示。DUT发出MIMO数据，多根天线采用功分器合为一路，输出到测试设备VSA的RF口，因此对于一个Nt×1的Composite MIMO系统，信道矩阵可以表示为如下形式
在一个OFDM传输符号上，发送信号矩阵形式记为
接收信号合并后只有一路，记为Y＝[y1]T，噪声信号在接收端合并形式为：N＝[n1]T，则接受信号可以表示为：
由于在做Composite MIMO测试的时候，多条天线的数据在在空间上混合为一路后输入到测试仪。在做分析的时候，需要把每一条天线的数据流分离出来，才能够估计功率和EVM值。
对于MIMO情形下的信道估计，协议里面专门定义了多个符号的长训序列，发送端有多少个流，在前导(preamble)里就携带多个长训序列。以802.11n Mixed format场景下的帧格式为例，假如发送N个流，则在HT Preamble里有N个长训序HT-LTF1，...，HT-LTFN。同样的，在802.11ac里的长训序列是VHT-LTF，在802.11ax里的长训序列是HE-LTF。
首先基于训练序列完成帧同步、载波同步、采样时钟同步和初始信道估计等步骤，然后解析SIG消息获得解析数据符号使用的基本信息。本例所提供的主要是测试仪用单个VSA同时分析MIMO信号的方法和系统的主流程。
更为详细的，本例所述步骤S1用于实现Composite MIMO信道估计，
在天线数为Nt的Composite MIMO系统中，xi表示第i流传输信号，根据当有NLTF个训练序列，其中NLTF与Nt关系，
如果训练序列在子载波k上的原始频域值为Rk，Rk是协议确定并已知的。另外，不同数据流上有不同的循环移位保护措施，具体表现在频域上，为乘以一个幅度为1相位为θi的复信号，相位θi与循环移位长度相关，为协议固定值，第i流的循环移位记为CSDi＝cos(θi)+i*sin(θi)。
Xi，iLTF表示第i流传输信号第iLTF个训练序列子载波k上的频域值，那么Xi，iLTF＝PHTi，iLTF*CSDi*Rk，其中k∈[1K]，K为子载波总数。
根据协议设计，PHTi，iLTF有以下和积属性，
由上模型，我们可得以利用数据帧中HT-LTFN符号来来估计出每条流的传输信道。对于接收端，第k个子载波上接收到的频域数据为
其中，yjLTF，k为接收端第jLTF个训练符号的第k个子载波上接收到的频域数据，Nt为接收空时流个数，hi，k为第i条流频域传输信道上第k个子载波上的值，在紧邻的几个时间符号内，频域信道值假定衡定。
对接收端收到的多个符号训练序列值进行求和，并乘以反向的PHT矩阵，并忽略噪声项做Compsite信道估计
这里利用到了PHT的和积属性。一般的，循环移位CSDi同时出现在信道估计和均衡里，实际运算和推导过程中都不需要出现的，上式可求得h1，k＝Q1，k/(Nt*Rk)。
同样的，可以使用
可求得h2，k＝Q2，k/(Nt*Rk)，类推到其余值，从而求得Compsite MIMO信道估计矩阵
其中k∈[1K]，K为子载波总数。
在每个符号上，频域接收模型为
因此，本例所述步骤S1中，通过公式
计算复合多输入多输出的信道估计值Qi，k。通过公式hi，k＝Qi，k/(Nt*Rk)计算出第i条流频域传输信道上第k个子载波上的值hi，k，其中，Qi，k为第i条流在第k个子载波上的复合多输入多输出的信道估计值。
本例所述步骤S1中，通过公式
实现复合多输入多输出的信道估计，得到接收端第jLTF个训练符号的第k个子载波上接收到的频域数据yjLTF，k，其中，i为循环变量，i∈[1 N]，N为发射天线数；Nt为接收空时流个数，hi，k为第i条流频域传输信道上第k个子载波上的值，k∈[1 K]，K为子载波总数；PHTi，iLTF为协议定义的PHT矩阵第i行第iLTF列，CSDi为第i流的循环移位，Rk为训练序列在子载波k上的原始频域值，nk为子载波k上的噪声表示。
本例所述协议定义的PHT矩阵在4×4以下(含)为HT-LTF映射矩阵，即：
本例所述步骤S2用于分离数据流，Compsite MIMO生产测试的目的，是要测量每条空时流的发送质量，因此，要从总的复合信号中，将每一条流剥离出来，才能够对其进行测量。
这里，可以应用Switch MIMO的方法，将每条流的频域参考数据分析出来。
为了便于说明，先以两条空时流来说明。设应用Switch MIMO的方法，处理Data部分第t符号，获取第1条流子载波k的频域参考数据为Xtref1，k，第2条流子载波k的频域参考数据为Xtref2，k，t符号时刻接收端信号子载波k频域信号为Yt，k。假设信道在接收端是平坦的，步骤1中，已求得在子载波k时的信道响应h1，k和h2，k。可以推导得t符号时刻第1条流子载波k实际传输接收到的频域信号
同理t符号时刻第2条流子载波k实际传输接收到的频域信号
对于本领域技术人员来说，本例同样适用于11n协议3×3，4×4的Compsite MIMO接收信号的分离，也同样适用于求11ac，11ax协议N×N，N∈[28]的Compsite MIMO接收信号的分离。
即经过信道后，本例所述步骤S2通过公式
恢复出C-MIMO时第i条流第t符号子载波k的频域数据
其中，Yt，k为t符号时刻接收端信号子载波k的频域信号，N为流的总数，j为循环变量，j≠i，Xtrefj，k为第j条流第t符号子载波k的频域参考数据。
本例所述步骤S3用于实现功率和EVM计算，功率计算，对于本领域技术人员来说，步骤S1的信道估计H中每个分量的大小表现了对功率的贡献性。复合信号的功率通过分析复合信号的接收电压大小可计算到，假设复合信号的功率为P，各流信号功率记为Pi。
本例所述步骤S3中，通过公式
计算各流信号功率Pi，其中，P为复合信号的功率，
Di为信道估计H第i列权重，D为信道估计H权重总和。
EVM计算，在步骤S2分离数据流过程中，实际已经获取到第i条流第t符号子载波k接收到的频域数据
以及其相应的参考信号Xtrefi，k。
本例所述步骤S3中，通过公式
计算各流的误差向量幅度EVMi，其中，Nsym为信号传输符号总个数，K为子载波总数，Xtrefi，k为第i条流第t符号子载波k的频域参考数据。
完成步骤S3之后，Compsite MIMO的主要参数功率和EVM计算完成。
本例采用Compsite MIMO先实现信道估计再进行数据流分离，相对True MIMO节省了测试射频资源，相对Switch MIMO保证了各流之间的实时性，属于一种具有实际应用价值的新型的测试方法。
综上所述，本例仅使用一个分析器VSA实现MIMO信号的功率和误差向量幅度EVM分析，在测试仪接收端完成对复合信号的分离和提取，完成各路信号各项指标分析，本例节省了测试射频资源，能够降低测试成本，同时还保证了各路信号各项指标的准确性和实时性。
本例还提供一种测试仪用单个VSA同时分析MIMO信号的系统，采用了如上所述的测试仪用单个VSA同时分析MIMO信号的方法，并包括：
信道估计模块，用于实现复合多输入多输出的信道估计；
数据流分离模块，用于根据信道估计值和对应的参考信号，恢复出C-MIMO时第i条流第t符号子载波k的频域数据，实现数据流分离；
功率和误差向量幅度EVM计算模块，用于计算各流信号功率以及误差向量幅度EVM。
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 (7)
1.一种测试仪用单个VSA同时分析MIMO信号的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，实现复合多输入多输出的信道估计；
步骤S2，根据信道估计值和对应的参考信号，恢复出C-MIMO时第i条流第t符号子载波k的频域数据，实现数据流分离；
步骤S3，计算各流信号功率以及误差向量幅度EVM。
2.根据权利要求1所述的测试仪用单个VSA同时分析MIMO信号的方法，其特征在于，所述步骤S1中，通过公式
实现复合多输入多输出的信道估计，得到接收端第jLTF个训练符号的第k个子载波上接收到的频域数据yjLTF,k，其中，i为循环变量，i∈[1N]，N为发射天线数；Nt为接收空时流个数，hi,k为第i条流频域传输信道上第k个子载波上的值，k∈[1K]，K为子载波总数；PHTi,iLTF为协议定义的PHT矩阵第i行第iLTF列，CSDi为第i流的循环移位，Rk为训练序列在子载波k上的原始频域值，nk为子载波k上的噪声表示。
3.根据权利要求2所述的测试仪用单个VSA同时分析MIMO信号的方法，其特征在于，所述步骤S1中，通过公式hi,k＝Qi,k/(Nt*Rk)计算出第i条流频域传输信道上第k个子载波上的值hi,k，其中，Qi,k为第i条流在第k个子载波上的复合多输入多输出的信道估计值。
4.根据权利要求2或3所述的测试仪用单个VSA同时分析MIMO信号的方法，其特征在于，所述步骤S2通过公式
恢复出C-MIMO时第i条流第t符号子载波k的频域数据
其中，Yt,k为t符号时刻接收端信号子载波k的频域信号，N为流的总数，j为循环变量，j≠i，Xtrefj,k为第j条流第t符号子载波k的频域参考数据。
5.根据权利要求4所述的测试仪用单个VSA同时分析MIMO信号的方法，其特征在于，所述步骤S3中，通过公式
计算各流信号功率Pi，其中，P为复合信号的功率，
Di为信道估计H第i列权重，D为信道估计H权重总和。
6.根据权利要求4所述的测试仪用单个VSA同时分析MIMO信号的方法，其特征在于，所述步骤S3中，通过公式
计算各流的误差向量幅度EVMi，其中，Nsym为信号传输符号总个数，K为子载波总数，Xtrefi,k为第i条流第t符号子载波k的频域参考数据。
7.一种测试仪用单个VSA同时分析MIMO信号的系统，其特征在于，采用了如权利要求1至6任意一项所述的测试仪用单个VSA同时分析MIMO信号的方法，并包括：
信道估计模块，用于实现复合多输入多输出的信道估计；
数据流分离模块，用于根据信道估计值和对应的参考信号，恢复出C-MIMO时第i条流第t符号子载波k的频域数据，实现数据流分离；
功率和误差向量幅度EVM计算模块，用于计算各流信号功率以及误差向量幅度EVM。
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| CN109818660A (zh) * | 2019-01-23 | 2019-05-28 | 南京信息工程大学 | 基于frft的mimo-ofdm水声系统设计方法 |
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2021
- 2021-01-13 CN CN202110044129.2A patent/CN112910804A/zh active Pending
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