CN1980099B

CN1980099B - 高分辨率的实时多径信道测试方法、数据处理方法及装置

Info

Publication number: CN1980099B
Application number: CN200510111071A
Authority: CN
Inventors: 王萍; 陈迅轶; 陈剑
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS; Shanghai Research Center for Wireless Communications
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS; Shanghai Research Center for Wireless Communications
Priority date: 2005-12-01
Filing date: 2005-12-01
Publication date: 2010-05-05
Anticipated expiration: 2025-12-01
Also published as: CN1980099A

Abstract

本发明提供一种高分辨率的实时多径信道测试方法、数据处理方法及装置。所述测试装置包括：设于接收端的本地参考信号发生器、产生与发射端完全一致的伪随机序列，并经过数字调制、直接序列扩频调制，产生参考信号D高速双通道处理装置、其对接收到的射频信号B与参考信号D进行同步欠采样，数字下变频后成为基带信号E、F快速多径处理装置、对两路基带信号E、F进行快速相关，重复计算相关值G输入到数据处理系统。所述测试方法包括产生与发射端完全一致的伪随机序列；接收射频信号；重复计算相关值；进行显示及数据处理。本发明可提高多径的分辨精度，可获得每一个多径分量幅度与相位信息，并能在外场实时记录处理。

Description

高分辨率的实时多径信道测试方法、数据处理方法及装置

发明领域

本发明涉及一种多径信道测试方法、数据处理方法及装置，尤其涉及一种用于测量及研究无线电波在多径信道中传播所引起的时延扩展以及分离各个多径分量的方法和测试装置。

背景技术

陆地移动通信信道的主要特征之一就是小尺度上的多径传播造成的衰落效应。多径效应会引起无线信号的幅度在经过短时间或短距离传播后快速衰落，这种衰落是同一传输信号沿两个或多个路径传播，以微小的时间差到达接收机的信号相互干涉所引起的，往往被称为“可分辨多径”，简称“多径”。

传统的多径信道测试方法主要包括：直接脉冲测量法，扩频滑动相关器测量法，以及频域信道测量法。其中，公认较好的方法是扩频滑动相关器测量法。该方法的主要内容如下：

首先，在发送端载频信号与一伪噪声序列(PN)混频来扩展频谱；在接收端，接收机接受、过滤扩频信号，并采用与发送端完全相同的PN序列发生器解扩，但其码片时钟与发送端PN序列码片时钟略有差异；当两种时钟的PN序列码片对齐时会给出最大的相关值；信号在解扩后进行包络检波，并在示波器上显示出来。

在实际的城市环境中，移动通信信道的多径强度变化是非常剧烈其复杂，因此传统的扩频滑动相关器测量方法还存在以下不足：

其一，由于扫描时间过长，导致测量不能实时进行，在示波器上的显示时间往往是实际无线信号传播时间的1000倍以上，以至具有不同时延的多径分量的相位在不同时刻被检测，而在此期间信道很可能已经发生了变化。

其二，由于采用的是包络检波的方法，因此是无法检测到多径分量的各自相位。

其三，对多径分量的结果处理采取加权等方法，缺乏反映每一多径分量连续变化的分析。至于其它的两种传统方法，都存在着更加不利于外场信道测试的缺陷：直接脉冲法受到干扰与噪声的影响很严重，覆盖范围有限，并且要精确依赖第一到达脉冲触发；频域信道法需要收发端严格同步，只能在近距离工作，因此不适合外场测试。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高分辨率的实时多径信道测试装置及其所采用的数据处理方法，其可提高多径的分辨精度，可获得每一个多径分量幅度与相位信息，并能在外场实时记录处理。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种高分辨率的实时多径信道测试装置，包括：设于接收端的本地参考信号发生器，产生与发射端完全一致的伪随机序列，并经过数字调制、直接序列扩频调制，产生参考信号D；

高速双通道处理装置，其对接收到的射频信号B与参考信号D进行同步欠采样，数字下变频后成为基带信号E、F；

快速多径处理装置，对两路基带信号E、F进行快速相关，重复计算相关值G输入到数据处理系统；所述的高分辨率的实时多径信道测试装置还包括设于发射端的：

数字调制PN序列发生器，其产生完全一致的伪随机序列，并对该序列进行数字调制，从而生成经过数字调制的伪随机信号A；

D/A转换载波调制装置，对伪随机信号A进行数模转换并对载波进行直接序列扩频调制，从而生成模拟射频信号B。

相应地，本发明还提供一种高分辨率的实时多径信道测试方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、产生与发射端完全一致的伪随机序列，并经过数字调制、直接序列扩频调制，产生参考信号D；

步骤2、对接收到的射频信号B与参考信号D进行同步欠采样，数字下变频后成为基带信号E、F；

步骤3、对两路基带信号E、F进行快速相关，重复计算相关值G进行显示及数据处理；所述步骤1之前还依次包括有以下两步骤：

发射端产生完全一致的伪随机序列，并对该序列进行数字调制，从而生成经过数字调制的伪随机信号A；

对伪随机信号A进行数模转换并对载波进行直接序列扩频调制，从而生成模拟射频信号B。

同时，本发明还提供一种上述高分辨率的实时多径信道测试装置所采用的数据处理方法，包括如下的步骤：

步骤1、对输入的复相关值处理结果进行记录，然后判断搜索最强主径，去除最强主径以及能量比主径低一定分贝以内的其他多径分量后，利用平均方法选取噪声门限；

步骤2、在最强主径周围选取合适的处理时间窗T，在最强主径周围PN序列周期的时间范围内，选择包含所有多径分量的时间窗长τ；

步骤3、按照步骤2选取的处理窗长τ，在观测时间窗T内连续处理计算处理窗长τ内的多径信道的相关值并将结果记录输出；

步骤4、统计各个多径分量的幅度概率分布；步骤4中还包括统计相位分布概率。

本发明的测试装置及其数据处理方法具有如下优点：

第一，本发明采用的基于扩频原理的方法能够实现处理增益和去除带同方面的干扰，在外场实测过程中相比于直接射频脉冲法可以提高系统对于给定发射功率的覆盖范围，同时使得多径分辨能力更好。

第二，本发明在中频采样是为了获得高精度的数字化数据，由于被采样的信号频率范围很宽，使得A/D转换需要很宽的模拟带宽和很高的信噪比，而采用欠采样的方法可实现频谱搬移而使系统变得简单，同时也使得多径分辨的精度提高。

第三，本发明采用的快速基带相关器，是在基带频域上来处理计算互相关功率峰值，很大程度上降低了运算复杂度，另一方面与传统的扩频滑动相关器法相比，由于不需利用发射机和接收机PN序列时钟的频移，因此多径分量的扫描时间与实际时间是一致的，只要合适的选择处理信号的相关窗长就可以实时反映信道的情况，在外场实测过程中可以大大提高工作效率。

第四，由于采用的是非包络检波的方法，所以可以获得每一个多径分量幅度与相位信息。

第五，本发明不仅支持对处理窗长内多径分布情况的统计，而且支持对每一个多径分量的时变情况进行连续纪录并且显示，并通过后处理输出统计结果，对于信道研究工作很有意义。

附图说明

图1为本发明的多径测试装置的原理示意框图。

图2显示图1中更详细的接收端处理框图。

图3多径测量结果处理流程图。

图4为多径衰落信道相关结果示意图。

图5对利用本发明的装置获得多径情况变化连续记录示意图。

图6对单一多径分量统计结果分析图。

图7利用该装置完成的某一多径实测结果图。

图8实测结果中最强主径幅度变化图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的方法和装置作进一步地详细说明：

如图1所示：本发明的高分辨率的实时多径信道测试装置包括：

发射端包括：

数字调制PN序列发生器、其产生完全一致的伪随机(PN)序列，并对该序列进行数字调制，从而生成经过数字调制的伪随机信号A；本具体实施例中采用BPSK(二进制移项键控)调制方法。

D/A转换载波调制装置，对伪随机信号A进行数模转换并对载波进行直接序列扩频调制，从而生成模拟射频信号B，并通过发射端天线发射信号B。

接收端包括：

本地参考信号发生器、产生与发射端完全一致的伪随机序列，并经过数字调制、直接序列扩频调制，产生参考信号D；

RF接收下变频器、其将接收到的射频信号B滤波并下变频到中频信号C。

高速双通道处理装置，如图2所示，其对接收到的射频信号B与参考信号D进行同步欠采样，数字下变频后成为基带信号E、F；(本具体实施例中，该高速通道处理装置包括：同步装置，用于为双通道欠采样装置提供同步信号，以保证双通道欠采样装置对C、D两路信号进行同步D/A模数转换，同时进行欠采样；下变频器、对中频数字信号进行数字下变频，生成基带信号E、F；)

快速多径处理装置、对两路基带信号E、F进行快速相关，并记录相关值G，按照最小的采样间隔T_s同时滑动两路基带信号，重复计算相关值G输入到数据处理系统。

数据处理系统、完成对多径分量相关的三维统计处理，三维即处理窗长τ，连续观测时间窗T，以及多径分量经相关处理的归一化幅度。

其中，所述的中频高速处理器包括：

欠采样装置、对C、D两路信号进行同步D/A模数转换，并进行欠采样。由于利用了欠采样技术，可以提高系统的采样带宽，从而在降低系统设计复杂度的基础上提高了采样速率。

下变频器、对中频数字信号进行数字下变频，生成基带信号E、F；

其中，所述的快速多径处理装置包括：

快速相关器、接收基带信号E、F，并对该两路基带信号做相关处理，为了降低处理的复杂度，采用的一种频域上计算时域相关信号的方法，遵循公式R_yx(τ)＝IFFT(FFT(y)×conj[FFT(x)])，其中R_yz(τ)为复数互相关值，其中包含了幅度和相位信息，x，y分别为两路基带信号。为了能够分析多径分量连续的变化情况，按照最小的采样间隔T_s同时滑动两路基带信号，重复计算相关值，并将相关值G输入到数据处理系统。

相应地，本发明还提供一种高分辨率的实时多径信道测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、发射端产生完全一致的伪随机序列，并对该序列进行数字调制，从而生成经过数字调制的伪随机信号A；

步骤2、对伪随机信号A进行数模转换并对载波进行直接序列扩频调制，从而生成模拟射频信号B；

步骤3、产生与发射端完全一致的伪随机序列，并经过数字调制、直接序列扩频调制，产生参考信号D；

步骤4、对接收到的射频信号B与参考信号D进行同步欠采样，数字下变频后成为基带信号E、F；

步骤5、对两路基带信号E、F进行快速相关，重复计算相关值G进行显示及数据处理。

进一步地，所述步骤3中所述的参考信号D为中频参考信号，所述的步骤4包括：

步骤41、在射频端，将接收到的射频信号B滤波并下变频到中频信号C；

步骤42、在中频频，对两路信号C、D进行同步欠采样，量化，滤波后得到数字中频信号，两路数字中频信号经过数字下变频后成为基带信号E、F。

当然，本发明还可以直接在射频端进行两路信号同步采样。

结合图3所示：本发明的数据处理系统所采用的数据处理流程包含了如下的步骤：

1、对输入的复相关值处理结果进行记录，便于以后进一步对多径分量幅度、相位后处理分析需要。然后判断搜索最强主径，参阅图4，在一个PN序列周期内，直接通过对复相关值的幅度比较来判断最强主径。去除最强主径以及能量比主径低一定分贝(一般考虑6-8dB)以内的其他多径分量后，利用平均方法选取噪声门限。

2、在最强主径周围选取合适的处理时间窗，窗长长度必须足够长，能够反映出多径信道的各个多径分量，另一方面，窗长多长会增加处理的运算数据量，同时考虑到窗长要在PN序列周期的范围内；如图4所示，在最强主径周围PN序列周期的时间范围内，选择包含所有多径分量的时间窗长τ。

3、按照步骤2选取的处理窗长τ，在观测时间窗T内连续处理计算处理窗长τ内的多径信道的相关值并将结果记录输出；每一次处理计算窗内多径信道相关值的时间间隔最小可以取采样时间间隔T_s，如图5所示，根据步骤2确定的时间窗长τ，连续处理并记录多径的信道变化情况，观测连续时间选择T，可以根据需要由使用者选择，一般情况下T/T_s越大，记录的数据也就越多，在步骤4中统计结果也越精确，一般情况下T/T_s至少大于100。

4、统计各个多径分量的幅度概率分布，每一个多径分量也是可以通过多条路径的电波信号合成的，因此往往符合多径效应造成的如瑞利分布，莱斯分布等，如图6所示，统计多径分量的幅度概率分布来验证是否符合瑞利信道。统计的范围可以根据统计的实际需要来选择，一般最少要统计均值左右各3倍σ(σ²为方差)范围内的分布情况，统计量还可包括相位分布概率。

采用本发明的多径搜索方法和装置在外场中实测的结果显示参见图7，其中a是最强主径，在持续观测时间窗T内，a的幅度变化情况如图8所示。

本发明可广泛地用于各类无线宽带通信系统的外场信道测试中，并可用于多天线、分布式天线等系统的信道测试中，统计的多径分量信道模型也是可以被代替的。

原理和最佳实施方案已经在说明中作了阐述，然而随着硬件技术的发展，可通过其他等同物来进行变更和改变，例如可以直接在射频端进行两路信号的同步欠采样，这并不偏离本发明的精神，因此应被包含在内。

Claims

1.一种高分辨率的实时多径信道测试装置，其特征在于，包括设于接收端的：

本地参考信号发生器，产生与发射端完全一致的伪随机序列，并经过数字调制、直接序列扩频调制，产生参考信号D；

高速双通道处理装置，其对接收到的射频信号与参考信号D进行同步欠采样，数字下变频后成为基带信号E、F；

快速多径处理装置，对两路基带信号E、F进行快速相关，重复计算相关值G输入到数据处理系统；

所述的高分辨率的实时多径信道测试装置还包括设于发射端的：

2.根据权利要求1所述的高分辨率的实时多径信道测试装置，其特征在于，所述的参考信号D为中频参考信号，所述的高速双通道处理装置之前还设有：

RF接收下变频器，其将接收到的射频信号B滤波并下变频到中频信号C。

3.根据权利要求2所述的高分辨率的实时多径信道测试装置，其特征在于，所述的高速双通道处理装置包括：

同步装置，用于为双通道欠采样装置提供同步信号；

欠采样装置，对C、D两路信号进行同步D/A模数转换，并进行欠采样；

下变频器，对中频数字信号进行数字下变频，生成基带信号E、F。

4.一种高分辨率的实时多径信道测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、产生与发射端完全一致的伪随机序列，并经过数字调制、直接序列扩频调制，产生参考信号D；

步骤2、对接收到的射频信号与参考信号D进行同步欠采样，数字下变频后成为基带信号E、F；

步骤3、对两路基带信号E、F进行快速相关，重复计算相关值G进行显示及数据处理；

所述步骤1之前还依次包括有以下两步骤：

5.根据权利要求4所述的高分辨率的实时多径信道测试方法，其特征在于，步骤1中所述的参考信号D为中频参考信号，所述的步骤2包括：

步骤21、在射频端，将接收到的射频信号B滤波并下变频到中频信号C；

步骤22、在中频端，对两路信号C、D进行同步欠采样，量化，滤波后得到数字中频信号，两路数字中频信号经过数字下变频后成为基带信号E、F。

6.根据权利要求4所述的高分辨率的实时多径信道测试方法，其特征在于，步骤2中所述的欠采样是在射频端完成的。

7.根据权利要求4所述的一种高分辨率的实时多径信道测试方法，其特征在于，步骤3中所计算时域相关信号的公式为：R_yx(τ)＝IFFT(FFT(y)×conj[FFT(x)])，其中R_yx(τ)为复数互相关值，x，y分别为两路基带信号。

8.一种根据权利要求1所述的高分辨率的实时多径信道测试装置所采用的数据处理方法，包括如下的步骤：

步骤2、在最强主径周围选取合适的处理时间窗T，在最强主径周围PN序列周期的时间范围内，选择包含所有多径分量的时间窗长τ；其特征在于，还包括：

步骤4、统计各个多径分量的幅度概率分布；

步骤4中还包括统计相位分布概率。

9.根据权利要求8所述的数据处理方法，其特征在于，步骤4中每一个多径分量通过多条路径的电波信号合成的。