CN115277318A - 一种用于测试仪的噪声抑制的方法及系统 - Google Patents

一种用于测试仪的噪声抑制的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于测试仪的噪声抑制的方法及系统，本发明方法包括步骤：信道估计：获取包含噪声分量的信道估计值
Figure 899831DEST_PATH_IMAGE001
；插值拟合：将信道估计值中的空白子载波剔除，对剩余的承载数据的子载波进行插值拟合，获取信道估计值
Figure 576931DEST_PATH_IMAGE001
等长的信道估计值
Figure 922462DEST_PATH_IMAGE002
；噪声分析：对信道估计值
Figure 541662DEST_PATH_IMAGE002
进行时域变换，然后根据时域值分析噪声参数，获取窗函数值长；消除噪声干扰：采用窗函数值长，构造窗函数，消除信道估计值时域值的噪声干扰；更新信道估计：将干扰消除后的时域值变换到频域，得到最终的信道估计值。本发明能够提升综测仪测试DUT性能的精确性。

Description

一种用于测试仪的噪声抑制的方法及系统
技术领域
本发明涉及一种信号分析测试技术，尤其涉及一种用于测试仪的噪声抑制的方法及系统。
背景技术
在IEEE802.11基于OFDM(正交频分复用)通信的Wi-Fi标准(802.11a/g/n/ac/ax/be)中，传输带宽划分成多个带宽相同且相互正交的独立子信道并行传输数据。当发射信号经过多径信道进行传输时，会引起频率选择性衰落现象，不同频率上会产生不同的随机衰落，从而导致接收信号的各个子载波的频率、幅度以及相位失真，破坏接收信号子载波之间的正交性，引入载波间干扰。随着传输速率不断提升，频率选择性衰落问题会愈发严重，进一步影响OFDM系统的可靠性。虽然OFDM系统本身具有一定的抗多径衰落能力，但是并不能保证可以完美的消除符号间干扰，即接收信号存在一定失真。
Wi-Fi标准(802.11a/g/n/ac/ax/be)在前导码中插入了特定的训练序列，用于接收信号完成同步、频偏估计和信道估计。应用于测试环境，综测仪需要模拟真实的接收场景。DUT(待测物)发出的信号的失真信息由信道估计来计算。然后根据信道估计对接收信号进行补偿移除，恢复出原始的发射信号。
LS(Least Square，最小二乘法)信道估计算法由于其结构非常简单，计算复杂度也很低，在实际中得到了更广泛地推广，LS算法是一种实用价值很高的算法，但是它受噪声的影响比较大，当接收端存在较明显的噪声时，接收性能会急剧下降。因此在综测仪测试DUT这类高精度测试需求中，必须考虑噪声带来的影响。
综测仪对DUT进行性能测试的时候，由于DUT物理器件及电路设计上引入的误差，使得DUT发出的信号存在器件干扰和噪声，综测仪需要具备抑制干扰和噪声的能力，用以反馈评估DUT自带噪声和干扰对接收性能的影响。现阶段已经有了很多LS降噪方法，主要是通过设立阈值门限、保留主要信道能量的方式，但是仍然不够理想，需要进一步降低噪声的影响，同时还要降低降噪带来的复杂度。
发明内容
为解决现有技术中的技术问题，本发明提供一种用于测试仪的噪声抑制的方法及系统，从而在信道估计模块上降低噪声和干扰、抑制多径效应。
本发明用于测试仪的噪声抑制的方法包括如下步骤：
S1：信道估计：获取包含噪声分量的信道估计值HLS；
S2：插值拟合：将信道估计值中的空白子载波剔除，对剩余的承载数据的子载波进行插值拟合，获取与步骤S1获取的信道估计值HLS等长的信道估计值H* LS；
S3：噪声分析：对信道估计值H* LS进行时域变换，然后根据时域值分析噪声参数，获取窗函数值长；
S4：消除噪声干扰：采用步骤S3得到的窗函数值长，构造窗函数，基于所述窗函数消除信道估计值时域值的噪声干扰；
S5：更新信道估计：将干扰消除后的时域值变换到频域，得到最终的信道估计值。
本发明作进一步改进，步骤S1中，信道估计的处理方法为：
一个信号帧内，X为发送的OFDM符号，Y为X对应的接收OFDM符号，N为高斯白噪声，Y＝[Y0,Y1,…,YK-1]T，H＝[H0,H1,…,HK-1,]T，X＝diag[X0,X1,…,XK-1]T，上标T表示转置，K表示当前信号使用的子载波总数，用Xref和Xref分别表示X和Y的数据训练序列符号，那么传输模型为：
Yref＝HXref+N
传输模型中，Yref为接收到的序列，Xref为已知发送的序列，使用LS方法求解信道H，结果记为HLS＝[HLS,0,HLS,1,…,HLS,M-1]T，方法如下：
HLS＝Xref *(XrefXref *)-1*Yref
采用LS信道估计方法计算的信道HLS包含噪声分量。
本发明作进一步改进，步骤S2中，数据训练序列HE-LTF的子载波总数为K，并非所有子载波都承载数据，实际承载信号的子载波数为Kd，不承载子载波数的K0，且有K＝Kd+K0，通过频谱搬移将数据子载波Kd取出，然后将Kd长的频率响应，重采样至K长的频率响应。
本发明作进一步改进，数据训练序列HE-LTF频谱边缘以及频谱中心子载波为空载波，即HLS中
Figure BDA0003789308080000021
不承载数据，将数据子载波Kd取出顺序和方式为：
Figure BDA0003789308080000022
取出后的数据长度为Kd。
本发明作进一步改进，重采样后的数据序列为：
Figure BDA0003789308080000023
Figure BDA0003789308080000024
其中，Resample为重采样，Kd为重采样输入长度，
再按取出方式的过程恢复顺序，恢复后完成插值拟合，恢复方式为：
Figure BDA0003789308080000031
本发明作进一步改进，步骤S3中，对插值拟合的信道估计H* LS进行噪声分析的方法包括如下子步骤：
S31：将插值拟合的信道估计H* LS进行逆傅里叶变换，得到对应的信道时域响应FH；
S32：计算FH功率最大的分量；
S33：计算FH的信号功率；
S34：计算噪声窗位置、噪声功率、信噪比；
S35：根据信噪比获取窗函数值长。
本发明作进一步改进，步骤S35中，所述窗函数值长的不变部分长度记为L1，滚降部分长度为L2。
本发明作进一步改进，步骤S5中，采用设定窗函数值长替代通过信噪比获取窗函数值长。
本发明作进一步改进，步骤S4中，消除噪声干扰的处理方法为：
S41：基于步骤S35中获取的L1和L2，构造窗函数Rect＝[R0,R1,…,RK-1]T，
Figure BDA0003789308080000032
其中，Rk是Rect第k分量，k∈[0,…,K-1]，p为步骤S32最大功率分量对应序号，
S42：干扰消除，消除干扰后的时域信道响应FH*为：
Figure BDA0003789308080000033
对应分量进行点相乘计算，即
Figure BDA0003789308080000034
本发明还提供一种实现所述用于测试仪的噪声抑制的方法的系统，包括：
信道估计模块：用于获取包含噪声分量的信道估计值HLS；
插值拟合模块：用于将信道估计值中的空白子载波剔除，对剩余的承载数据的子载波进行插值拟合，获取与步骤S1获取的信道估计值HLS等长的信道估计值H* LS；
噪声分析模块：用于对信道估计值H* LS进行时域变换，然后根据时域值分析噪声参数，获取窗函数值长；
噪声干扰消除模块：用于基于窗函数值长，构造窗函数，基于所述窗函数消除信道估计值时域值的噪声干扰；
更新信道估计模块：用于将干扰消除后的时域值变换到频域，得到最终的信道估计值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明用于综测仪分析DUT信号评估抑制噪声和多径后的性能，不仅能够有效提升综测仪测试DUT性能的精确性，还能反馈指导DUT改进性能的方向。
附图说明
图1为802.11axSU帧结构示意图；
图2为分析仪分析802.11axSU帧流程图；
图3为本发明方法流程图；
图4为噪声滤波窗结构示意图；
图5为现有技术分析信号结构示意图；
图6为采用本发明噪声抑制方法后的结果示意图。
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。
待测设备DUT发出的信号存在噪声和干扰，综测仪需要具备抑制干扰和噪声的能力，用以反馈评估DUT自带噪声和干扰对接收性能的影响。本发明在综测仪内部设计一种在信道估计模块上降低噪声和和干扰以及抑制多径的方法和系统，用于综测仪分析DUT信号性能，以及评估抑制噪声、干扰和多径后的性能，一方面提升综测仪测试DUT性能的精确性，另一方面能反馈指导DUT改进性能的方向。
应当指出，本发明应用于测试设备对DUT进行性能测试。
应当指出，本发明的操作方法容易变更，使用本发明信道估计思想和迭代消除分析思想，都属于本发明的保护范围。
以下结合附图对本发明进行说明，应当理解，此处所作的描述仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
IEEE802.11基于OFDM通信的常用协议标准有11a/g/n/ac/ax/be，图1是11axSU的帧结构，前向兼容于11a/g/n/ac，后向演进为11be，本例仅以11ax举例。传统训练序列L-STF和L-LTF用于同步、频偏估计和补偿，系统信息字段L-SIG和HE-SIGA记录Data域解析的系统信息，HE-LTF用于信道估计，辅助解析Data域信息。
综测仪分析DUT信号完整流程如图2所示，本发明主要在数据HE-LTF信道估计模块上做降噪和抑制干扰效果，如图3所示。类似的，11a/g协议标准在L-LTF字段上应用本发明，11n协议在HT-LTF字段上应用本发明，11ac协议在VHT-LTF字段上应用本发明，11be协议再EHT-LTF字段上应用本发明。
本发明在执行本发明前后流程，由图2流程按常规方法操作，不作详述。以下对本发明进行详细说明。
步骤S1：信道估计
一个信号帧内，X为发送的OFDM符号，Y为X对应的接收OFDM符号，N为高斯白噪声，Y＝[Y0,Y1,…,YK-1]T，H＝[H0,H1,…,HK-1,]T，X＝diag[X0,X1,…,XK-1]T，上标T表示转置，K表示当前信号使用的子载波总数。用Xref和Yref分别表示X和Y的数据训练序列(HE-LTF)符号，那么传输模型可表示为
Yref＝HXref+N
传输模型中，Yref为接收到的序列，Xref为已知发送的序列，使用LS方法求解信道H，结果记为HLS＝[HLS,0,HLS,1,…,HLS,M-1,]T，方法如下
HLS＝Xref *(XrefXref *)-1*Yref
即LS信道估计方法将噪声忽略，即HLS是包含噪声分量的。
步骤S2：插值拟合
数据训练序列(HE-LTF)子载波总数为K，并非所有子载波都承载数据，实际数据子载波数为Kd，空白子载波数为K0，且有K＝Kd+K0。根据协议定义的HE-LTF频谱边缘以及频谱中心子载波为空白子载波，可知HLS中
Figure BDA0003789308080000051
是不承载数据的空载波。通过频谱搬移将数据子载波取出，取出顺序和方式为：
Figure BDA0003789308080000052
取出后的数据长度为Kd。
然后将Kd长的频率响应，重采样至K长的频率响应，重采样后的数据序列为：
Figure BDA0003789308080000053
Figure BDA0003789308080000054
其中,Resample为重采样，Kd为重采样输入长度，K为输出长度，重采样过程是成熟技术，不做详细描述。
再按取出方式的过程恢复顺序，恢复后完成插值拟合，恢复方式为：
Figure BDA0003789308080000055
步骤S3：噪声分析
步骤S2计算信道估计H* LS是信道的频域响应，将H* LS做K点逆傅里叶变换，得到对应的信道时域响应FH，计算公式为：
FH＝IDFT(H* LS)，FH＝[FH0,FH1,…,fHK-1]T
时域响应是一个冲击响应，其中
Figure BDA0003789308080000061
H* LS,i是H* LS的第i分量；
计算FH功率最大的分量，假设为FHp＝max(FHk*FHk),k∈[0,…,K-1]，即p为最大功率分量对应序号；
计算FH的信号功率S，本例的计算公式为：
Figure BDA0003789308080000062
计算噪声窗位置n0,…,n9,其中
Figure BDA0003789308080000063
计算噪声功率
Figure BDA0003789308080000064
计算信噪比SINR＝10*log10(S/N)。
最后，根据信噪比SINR求窗函数值长，其中不变部分长度记为L1，滚降部分长度为L2，L1和L2由仿真得到。一个典型取值是L1＝14,L2＝6，使用固定窗长或者使用信噪比等特征设置窗长的方法都是本发明的简单改进，属于本发明的保护范围。
步骤4干扰消除
由步骤3得到L1和L2，构造窗函数Rect＝[R0,R1,…,RK-1]T，Rect第k分量记为Rk，k∈[0,…,K-1]，窗函数具体为：
Figure BDA0003789308080000065
其中，取模运算是在K周期内循环，实际效果如图4所示，在
Figure BDA0003789308080000066
和
Figure BDA0003789308080000067
Figure BDA0003789308080000068
取1，在
Figure BDA0003789308080000069
为从1到0的线性下降，在
Figure BDA00037893080800000610
Figure BDA00037893080800000611
为从0到1的线性上升，其余部分取值为0。另外，窗函数Rect不限于三角窗，汉明窗、汉宁窗、高斯窗及这些联合窗都属于此方法变形。
干扰消除操作为：
Figure BDA00037893080800000612
对应分量进行点相乘计算，即
Figure BDA00037893080800000613
步骤5：更新信道估计
将干扰消除后的时域信道响应FH*通过逆傅里叶变换到频域，Hnew＝IDFT(FH*)，用Hnew作为图3下方流程数据信道估计，Hnew的分量计算方式为：
Figure BDA0003789308080000071
实验验证：
综测仪通过界面开关控制，对比本发明方法和系统是否开启的情况，通过EVM值反馈DUT信号的质量，以及噪声、干扰和多径对信号影响的大小。
应用于极致汇仪科技有限公司WT328综测仪，分析11ax 160M信号，如图5所示，未启用本发明的噪声抑制方法和系统，分析结果EVM VS Carrier可以看出边缘子载波EVM性能比中间差，且非常不稳定，EVM为-41.35。图6是启用了本发明的噪声抑制方法和系统，EVMVS Carrier相对未启用更加平稳，EVM为-42.94。从测试结果来看是有明显效果的，从而可以证实，本发明改进的方法和系统一方面能够有效提升综测仪测试DUT性能的精确性，另一方面能反馈指导DUT改进性能的方向。
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)

1.一种用于测试仪的噪声抑制的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：信道估计：获取包含噪声分量的信道估计值HLS；
S2：插值拟合：将信道估计值中的空白子载波剔除，对剩余的承载数据的子载波进行插值拟合，获取与步骤S1获取的信道估计值HLS等长的信道估计值H* LS；
S3：噪声分析：对信道估计值H* LS进行时域变换，然后根据时域值分析噪声参数，获取窗函数值长；
S4：消除噪声干扰：采用步骤S3得到的窗函数值长，构造窗函数，基于所述窗函数消除信道估计值时域值的噪声干扰；
S5：更新信道估计：将干扰消除后的时域值变换到频域，得到最终的信道估计值。
2.根据权利要求1所述的用于测试仪的噪声抑制的方法，其特征在于：步骤S1中，信道估计的处理方法为：
一个信号帧内，X为发送的OFDM符号，Y为X对应的接收OFDM符号，N为高斯白噪声，Y＝[Y0，Y1，…，YK-1]T，H＝[H0，H1，…，HK-1，]T，X＝diag[X0，X1，…，XK-1]T，上标T表示转置，K表示当前信号使用的子载波总数，用Xref和Yref分别表示X和Y的数据训练序列符号，那么传输模型为：
Yref＝HXref+N
传输模型中，Yref为接收到的序列，Xref为已知发送的序列，使用LS方法求解信道H，结果记为HLS＝[HLS，0，HLS，1，…，HLS，M-1，]T，方法如下：
HLS＝Xref *(XrefXref *)-1*Yref
采用LS信道估计方法计算的信道HLS包含噪声分量。
3.根据权利要求2所述的用于测试仪的噪声抑制的方法，其特征在于：步骤S2中，数据训练序列HE-LTF的子载波总数为K，并非所有子载波都承载数据，实际承载信号的子载波数为Kd，不承载子载波数的K0，且有K＝Kd+K0，通过频谱搬移将数据子载波Kd取出，然后将Kd长的频率响应，重采样至K长的频率响应。
4.根据权利要求3所述的用于测试仪的噪声抑制的方法，其特征在于：数据训练序列HE-LTF频谱边缘以及频谱中心子载波为空载波，即HLS中
Figure FDA0003789308070000011
为不承载数据的空载波，将承载数据子载波Kd取出顺序和方式为：
Figure FDA0003789308070000012
取出后的数据长度为Kd。
5.根据权利要求4所述的用于测试仪的噪声抑制的方法，其特征在于：重采样后的数据序列为：
Figure FDA0003789308070000021
Figure FDA0003789308070000022
其中，Resample为重采样，Kd为重采样输入长度，
再按取出方式的过程恢复顺序，恢复后完成插值拟合，恢复方式为：
Figure FDA0003789308070000023
6.根据权利要求1-5任一项所述的用于测试仪的噪声抑制的方法，其特征在于：步骤S3中，对插值拟合的信道估计H* LS进行噪声分析的方法包括如下子步骤：
S31：将插值拟合的信道估计H* LS进行逆傅里叶变换，得到对应的信道时域响应FH；
S32：计算FH功率最大的分量；
S33：计算FH的信号功率；
S34：计算噪声窗位置、噪声功率、信噪比；
S35：根据信噪比获取窗函数值长。
7.根据权利要求6所述的用于测试仪的噪声抑制的方法，其特征在于：步骤S35中，所述窗函数值长的不变部分长度记为L1，滚降部分长度为L2。
8.根据权利要求6所述的用于测试仪的噪声抑制的方法，其特征在于：步骤S5中，采用一设定窗函数值长替代通过信噪比获取窗函数值长。
9.根据权利要求7所述的用于测试仪的噪声抑制的方法，其特征在于：步骤S4中，消除噪声干扰的处理方法为：
S41：基于步骤S35中获取的L1和L2，构造窗函数Rect＝[R0，R1，…，RK-1]T，
Figure FDA0003789308070000024
其中，Rk是Rect第k分量，k∈[0，…，K-1]，p为步骤S32最大功率分量对应序号，
S42：干扰消除，消除干扰后的时域信道响应FH*为：
Figure FDA0003789308070000031
对应分量进行点相乘计算，即
Figure FDA0003789308070000032
10.一种系统，用于实现权利要求1-9任一项所述的用于测试仪的噪声抑制的方法，其特征在于，包括：
信道估计模块：用于获取包含噪声分量的信道估计值HLS；
插值拟合模块：用于将信道估计值中的空白子载波剔除，对剩余的承载数据的子载波进行插值拟合，获取与步骤S1获取的信道估计值HLS等长的信道估计值H* LS；
噪声分析模块：用于对信道估计值H* LS进行时域变换，然后根据时域值分析噪声参数，获取窗函数值长；
噪声干扰消除模块：用于基于窗函数值长，构造窗函数，基于所述窗函数消除信道估计值时域值的噪声干扰；
更新信道估计模块：用于将干扰消除后的时域值变换到频域，得到最终的信道估计值。
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