CN201910922U - 一种用于信道探测的高速数据采集设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种应用于无线信道探测的高速数据采集设备，包括射频天线单元（101）、混频器（102）、模拟/数字转换器（103）、FPGA基带数字信号处理模块（104）、高速数字传输通道（105）、高速数据存储服务器（106）和高精度参考时钟（107）。射频天线单元接收到无线激励信号，经滤波放大后经混频器一次下变频为中频信号，模拟/数字转换器将中频模拟信号转换为数字信号，在FPGA基带数字信号处理模块进行数字下变频和基带信号预处理，由高速数字传输通道上传至高速数据存储服务器，高精度参考时钟用于收发端的同步。经过本实用新型采集和后处理，可以完成无线信道统计模型建模和实时信道“回放”模型。
Description
技术领域
本实用新型涉及无线移动通信技术领域，特别是涉及一种用于信道探测的高速数据采集设备。
背景技术
无线信道探测是无线通信系统研究领域的基础。随着无线通信技术的发展，宽带无线通信迫切需要进一步获得无线信道的相关统计信息来评估通信系统性能，例如时间延迟扩展、频率扩展和空间扩展。
在宽带无线通信的特殊应用场景，例如高速铁路等，由于高速度运行带来的大多普勒频率扩展，小区的快速切换，两小区的重叠覆盖等问题，导致在该场景下无法发射常规的信道激励信号，如m序列，周期窄脉冲等，无法在如高速列车顶部安置接收天线，这些限制了通用信道探测技术的应用；并且由于主流的宽带信号正交频分复用（OFDM）和多天线（Multiple Input and Multiple Output——MIMO）成为未来通信系统的关键技术，通信系统信号带宽和接收信号通道数量的增加，导致了基于常规方式的信道探测不完全适用于特殊场景，数据的实时采集、存数、分析和处理较为困难。
信道探测仪主要由发射机和信道接收采集器组成。发射机一般发送具有类似白噪声的特殊性能的序列用于激励信道；信道接收采集器一般将接收的信号经过解调处理后，进行实时信号处理或存储后离线处理。已有的商用无线信道测量仪器，如Electrobit的Propsound以及德国MEDAV GmbH公司的RUSK系列，类似接收机价格非常昂贵。
发明内容
有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种新型的用于信道探测的高速数据采集设备，其可以在特定场景条件下，高速实时的实现对于特殊信道激励信号的采集与存储，用于后期信号建模和实时效果显示。
为此，本实用新型提供了一种新型的用于信道探测的高速数据采集设备，包括：
射频天线单元，包括天线阵列和相关射频滤波器，接收单天线系统和多天线系统的无线激励信号；
混频器，将经射频天线单元滤波放大后的射频信号经过一次下变频后到中频；
模拟/数字转换器，将中频模拟信号转换为数字信号，此时采用高精度转化器为16位，最高采样速率为200M采样点/秒；
现场可编程门阵列（FPGA）基带数字信号处理模块，接收模拟/数字转换器转换后得到的多通道的采样数字信号，进行数字下变频和基带信号预处理，其中数字下变频将中频采样的数字信号完成数字域的下变频处理，包括乘法器、上抽样和滤波三个步骤，最终得到数字域的基带数字信号；基带信号预处理完成接收数据信号的同步，同步包括突发分组传输的分组同步、连续传输信号的符号同步；
高速数字传输通道，将FPGA基带数据上传至高速数据存储服务器，上传速率为Gbyte/s；
高速数据存储服务器，存储实时采集数据和数据后处理，统计处理后续信号，提取信道模型和实时数据显示；
高精度参考时钟，用于收发两端的同步。
上述天线阵列采用全向天线或均匀线性天线阵列或均匀圆天线阵列，相关射频滤波器采用射频声表面滤波器和低噪声放大器。
在混频器和模拟/数字转换器之间增加包括低通滤波器、可变增益放大器、中频声表面滤波器的中频滤波器模块。
上述射频信号也可适用零中频的方式，经过混频器直接到基带后实施采样。
上述高速数字传输通道上传数据的通道类型采用PCI-E或以太网或USB。高精度参考时钟包括倍频、分频时钟管理单元，一般采用原子钟。
本实用新型具有强大数据吞吐能力和后台计算能力，基带后信号处理采用纯软件信号处理的开放架构，非常适宜复杂度较高的通信信号处理，软件可以支持发射常规的信道激励信号，如m序列，周期窄脉冲等，或基于现有蜂窝网络覆盖的无线信号；且整个设备成本较低。经过本实用新型采集和后处理，可以完成无线信道统计模型建模和实时信道“回放”模型。
附图说明
图1 为用于信道探测的高速数据采集设备的组成框图；
图2 为射频信号处理模块组成框图；
图3 为中频采样原理组成框图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好的理解本实用新型方案，下面结合附图和实施方式对本实用新型作进一步详细说明。
图1为一种应用于无线信道探测的高速数据采集设备，包括射频天线单元101，混频器102，模拟/数字转换器103，FPGA基带数字信号处理模块104，高速数字传输通道105，高速数据存储服务器106，高精度参考时钟107。其中，射频天线单元101包括天线阵列和相关射频滤波器，在混频器102和模拟/数字转换器103之间还包括中频滤波器模块；各个模块之间相互关系如下：
射频天线单元101接收到单天线（SISO）系统和多天线（MIMO）系统的无线激励信号，经滤波放大后，射频信号经混频器102一次下变频为中频信号，中频信号的中心频率相对射频较低，更适合宽带信号模拟/数字采样；射频信号也可适用零中频的方式，经过混频器直接到基带后实施采样。模拟/数字转换器103将中频模拟信号转换为数字信号，在FPGA基带数字信号处理模块104进行数字下变频和基带信号预处理，高速数字传输通道105将处理完的FPGA基带数据上传至高速数据存储服务器106，高速数据存储服务器存储实时采集数据和数据后处理，统计处理后续信号，提取信道模型和实时数据显示，高精度参考时钟107用于收发端的同步。
模拟/数字转换器103将中频模拟信号转换为数字信号时采用高精度转化器为16位，最高采样速率为200M采样点/秒(Msps)。
高速数字传输通道105采用PCI-E接口，上传速率为Gbyte/s，也可采用以太网或USB。
高精度参考时钟107一般采用原子钟，如铷钟等，其作用是倍频、分频时钟管理。
图2是射频信号处理模块组成框图，其中包括射频声表面滤波器201，低噪声放大器202，混频器102，低通滤波器203，可变增益放大器204，中频声表面滤波器205，PLL锁相环。
射频声表面滤波器201，滤出所需射频带宽内的射频信号；滤波后的信号进入低噪声放大器202实施低噪声放大；放大后信号进入混频器102进行下变频至中频，目的是信号的频谱搬移；混频后的信号进入低通滤波器203，滤除2倍频分量；滤波后信号进入可变增益放大器204进行放大或压缩，而后进入中频声表面滤波器205，进行再次滤波，最终输出一组I路和Q路的中频信号；PLL锁相环，用于从高精度参考时钟107获得高精度时钟，将该时钟经过锁相环实施倍频处理，得到混频器102的本地振荡频率。
图3是中频采样原理组成框图，其中包括模拟/数字转换器103，FPGA基带数字信号处理模块104和PLL锁相环。
模拟/数字转换器103，用于将中频的模拟信号，转换为数字信号，这里采用模拟/数字转换器最高采样率为200M采样点/秒，且为双通道，支持经过一次下变频的一组I路和Q路信号，采样后的信号位宽为16位；采样后的信号进入FPGA基带数字信号处理模块104，用于完成数字下变频（DDC）和基带信号预处理。其中数字下变频用于将中频采样的数字信号完成数字域的下变频处理，包括乘法器、上抽样和滤波三个步骤，最终得到数字域的基带数字信号；基带信号预处理包括完成接收数据信号的同步，同步包括突发分组传输的分组同步、连续传输信号的符号同步；PLL锁相环，用于从高精度时钟107获得高精度时钟，将该时钟经过锁相环实施倍频处理，得到模拟/数字转换器103的采样时钟，确保收发端同步。
将本用于高速数据采集设备用于如高速铁路信道探测等特殊场景，可以实现数据完整实时的存储及后期处理和效果显示。由于上传上位机数据带宽足够大，因此可以支持射频端多天线阵列接收信号；后端信号处理采用全服务器结构，保证足够的信号处理能力。因此用于信道探测的高速数据采集设备具有强大数据吞吐能力和后台计算能力，基带后信号处理采用纯软件信号处理的开放架构，非常适宜复杂度较高的通信信号处理；且整个设备成本较低。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种用于信道探测的高速数据采集设备，其特征在于包括：
射频天线单元，包括天线阵列和相关射频滤波器，接收单天线系统和多天线系统的无线激励信号；
混频器，将经射频天线单元滤波放大后的射频信号经过一次下变频后到中频；
模拟/数字转换器，将中频模拟信号转换为数字信号，此时采用高精度转化器为16位，最高采样速率为200M采样点/秒；
FPGA基带数字信号处理模块，接收模拟/数字转换器转换后得到的多通道的采样数字信号，进行数字下变频和基带信号预处理，其中数字下变频将中频采样的数字信号完成数字域的下变频处理，包括乘法器、上抽样和滤波三个步骤，最终得到数字域的基带数字信号；基带信号预处理完成接收数据信号的同步，同步包括突发分组传输的分组同步、连续传输信号的符号同步；
高速数字传输通道，将FPGA基带数据上传至高速数据存储服务器，上传速率为Gbyte/s；
高速数据存储服务器，存储实时采集数据和数据后处理，统计处理后续信号，提取信道模型和实时数据显示；
高精度参考时钟，用于收发两端的同步。
2.根据权利要求1所述的一种用于信道探测的高速数据采集设备，其特征在于：天线阵列采用全向天线或均匀线性天线阵列或均匀圆天线阵列，相关射频滤波器采用射频声表面滤波器和低噪声放大器。
3.根据权利要求1所述的一种用于信道探测的高速数据采集设备，其特征在于：在混频器和模拟/数字转换器之间还包括中频滤波器模块。
4.根据权利要求3所述的一种用于信道探测的高速数据采集设备，其特征在于：中频滤波器模块包括低通滤波器、可变增益放大器、中频声表面滤波器。
5.根据权利要求1所述的一种用于信道探测的高速数据采集设备，其特征在于：所述射频信号也可适用零中频的方式，经过混频器直接到基带后实施采样。
6.根据权利要求1所述的一种用于信道探测的高速数据采集设备，其特征在于：高速数字传输通道上传数据的通道类型采用PCI-E或以太网或USB。
7.根据权利要求1所述的一种用于信道探测的高速数据采集设备，其特征在于：高精度参考时钟包括倍频、分频时钟管理单元。
8.根据权利要求1或7所述的一种用于信道探测的高速数据采集设备，其特征在于：高精度参考时钟采用原子钟。
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