基于實(shí)時(shí)載噪比測(cè)量的分集增益測(cè)試方法

葉禮邦，陳登偉，郭新海

(中國(guó)洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心，河南 洛陽(yáng) 471003)

0 引言

在無線移動(dòng)通信系統(tǒng)中，移動(dòng)臺(tái)經(jīng)常工作在各種復(fù)雜的地理環(huán)境中，移動(dòng)的方向和速度是任意的，發(fā)送的信號(hào)經(jīng)過附近各種物體的反射、散射等而形成多路徑傳播，到達(dá)接收機(jī)輸入端的信號(hào)往往是多個(gè)幅度和相位各不相同的信號(hào)的疊加，從而形成快衰落[1]。分集接收技術(shù)是對(duì)抗快衰落的有效措施，在惡劣電磁環(huán)境下能提高信噪比，提升信號(hào)傳輸?shù)挠行院涂煽啃訹2]。因此，在遙測(cè)系統(tǒng)、短波通信和微波散射通信等具有快衰落信道的通信設(shè)備中，分集接收技術(shù)運(yùn)用十分廣泛[3]。

分集增益是分集接收設(shè)備的重要技術(shù)指標(biāo)[4]。在分集接收設(shè)備的研制、調(diào)試過程中，都需要得到接收機(jī)的分集增益分析。除了理論計(jì)算[5-6]，在工程上更多的是進(jìn)行測(cè)試。關(guān)于分集增益的測(cè)試方法，文獻(xiàn)[7]介紹了Telecom Analyzer Systemg公司的FLEX/diversity系統(tǒng)，可以模擬不同的傳播衰落特性，通過分析不同條件下接收機(jī)的誤碼率和信噪比，實(shí)現(xiàn)對(duì)分集增益的測(cè)試。文獻(xiàn)[8]重點(diǎn)介紹了3GPP規(guī)范中涉及的接收分集的測(cè)試方法，并詳細(xì)分析了2個(gè)代表性的用例。

目前的方法是利用信號(hào)調(diào)制設(shè)備和誤碼儀，產(chǎn)生符合要求的測(cè)試通信信號(hào)，根據(jù)分集接收設(shè)備的信號(hào)支路數(shù)量，由分路設(shè)備分為幾個(gè)支路，每個(gè)支路的信號(hào)功率由本支路的衰減器獨(dú)立控制，并添加互相獨(dú)立的白噪聲，以控制每個(gè)支路的載噪比。分集接收設(shè)備解調(diào)數(shù)據(jù)輸出至誤碼儀，誤碼儀進(jìn)行比特差錯(cuò)概率或符號(hào)差錯(cuò)概率的測(cè)量，從而測(cè)試設(shè)備的分集增益。測(cè)試方法需要包括數(shù)據(jù)調(diào)制/解調(diào)部分，無法對(duì)中頻分集接收設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試，具有一定的局限性。

本文提出了一種基于實(shí)時(shí)載噪比測(cè)量的分集增益測(cè)試方法，通過給分集接收設(shè)備輸入多路(文中以2路為例)不同信噪比、獨(dú)立衰落的信號(hào)，同時(shí)利用功率計(jì)測(cè)量得到瞬時(shí)載噪比的關(guān)系，通過對(duì)比輸入信號(hào)和輸出信號(hào)載噪比關(guān)系，得出分集接收設(shè)備的分集增益。

1 分集增益測(cè)試方法

1.1 分集技術(shù)

在無線通信中，由于受多徑傳播和其他用戶的干擾，信號(hào)在到達(dá)接收端時(shí)，失真較大，不能完全被接收端正確地解調(diào)[9]。為了能使接收端正確地恢復(fù)所傳輸?shù)男盘?hào)，信號(hào)的多個(gè)復(fù)本被一起傳輸，以便接收端從中挑選出失真較小的復(fù)本，這種冗余傳輸?shù)牟呗跃褪欠旨夹g(shù)[10]。分集技術(shù)利用信道衰落在空間、頻率和時(shí)間上的分布，利用技術(shù)手段將攜帶有相同可用信息，不同衰落特性的信號(hào)通過不同的合并方式進(jìn)行接收[11]。分集接收包含接收到2個(gè)或更多衰落信道中重復(fù)攜帶相同信息的信號(hào)，然后在接收端對(duì)這多個(gè)復(fù)本進(jìn)行合成，以提高整體接收載噪比[12]。

分集接收設(shè)備在獲得多個(gè)衰落獨(dú)立的信號(hào)后，需要對(duì)他們進(jìn)行合并處理[13]。分集接收設(shè)備的作用就是把經(jīng)過相位和時(shí)延調(diào)整后的各分集支路信號(hào)相加。對(duì)大多數(shù)通信系統(tǒng)而言，M重分集對(duì)這些信號(hào)的處理概括為M支路信號(hào)的線性疊加。

f(t)=a1(t)f1(t)+a2(t)f2(t)+…+aM(t)fM(t)=

(1)

式中，fk(t)為第k支路的信號(hào)；ak(t)為第k支路信號(hào)的加權(quán)因子。合并后的信號(hào)和原始接收信號(hào)相比，其載噪比和系統(tǒng)誤碼性能將得到提高，工程實(shí)踐中常用分集增益來評(píng)價(jià)改善的程度。分集增益也成為衡量一個(gè)分集接收設(shè)備性能的重要指標(biāo)。

1.2 測(cè)試方法

分集增益的測(cè)試關(guān)鍵是如何計(jì)算分集接收設(shè)備輸入信號(hào)、輸入噪聲和輸出信號(hào)、輸出噪聲的功率大小，從而得到輸入輸出信號(hào)的載噪比。下面以2路輸入信號(hào)的分集接收設(shè)備為例，介紹分集增益的測(cè)試的方法，多路輸入分集接收設(shè)備的測(cè)試方法可以根據(jù)此方法進(jìn)行推廣。

在測(cè)試過程中，利用信號(hào)源產(chǎn)生測(cè)試通信信號(hào)，經(jīng)過信道模擬器模擬信道衰落，加入高斯白噪聲，混合后的信號(hào)進(jìn)入分集接收設(shè)備，利用編寫的功率計(jì)控制軟件同時(shí)控制3臺(tái)高性能的峰值功率計(jì)，在一定的采樣速率下對(duì)2路輸入信號(hào)和1路輸出信號(hào)功率進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并記錄測(cè)量的結(jié)果，通過比較每一采樣時(shí)刻支路信號(hào)與合路信號(hào)的載噪比(通過信號(hào)功率和噪聲功率進(jìn)行折算)，二者之間的差值即為設(shè)備的分集增益。分集增益測(cè)試設(shè)備連接如圖1所示。

圖1 分集增益測(cè)試設(shè)備連接示意

在測(cè)試過程中，為了計(jì)算出輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的信噪比，采用2步：第1步，關(guān)閉信號(hào)源輸出，利用功率計(jì)對(duì)2路輸入和1路輸出的噪聲功率進(jìn)行測(cè)量，記為Nin1，Nin2，Nout；第2步，打開信號(hào)源輸出，利用功率計(jì)對(duì)2路輸入和1路輸出信號(hào)功率進(jìn)行測(cè)量，記為Sin1+Nin1，Sin2+Nin2，Sout+Nout。根據(jù)2次測(cè)量結(jié)果，便可以推算出輸入載噪比和載出信噪比。

通過連續(xù)測(cè)量，可以繪制出輸入、輸出信號(hào)的載噪比與時(shí)間的關(guān)系曲線。

2 實(shí)時(shí)功率測(cè)量實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)時(shí)測(cè)試輸入和輸出的功率值，采用LabVIEW編寫測(cè)試軟件，利用3臺(tái)功率計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的自動(dòng)測(cè)試和數(shù)據(jù)記錄。

LabVIEW 是美國(guó)國(guó)家儀器公司(NI)開發(fā)的，基于G語(yǔ)言的圖形編程開發(fā)環(huán)境，主要面向計(jì)算機(jī)測(cè)控領(lǐng)域的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)[14]。LabVIEW 高度集成了各種GPIB，RS-232，RS-485標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備及數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)功能，通過NI提供的眾多流行儀器的源碼及驅(qū)動(dòng)程序，可實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備進(jìn)行通信和控制[15]。尤其是VISA標(biāo)準(zhǔn)的制定，為高級(jí)儀器驅(qū)動(dòng)程序和低級(jí)I/O驅(qū)動(dòng)程序之間提供一個(gè)層，使得高級(jí)儀器驅(qū)動(dòng)程序和硬件無關(guān)，大大提高了各種接口儀器(包括VXI儀器、GPIB儀器、RS232儀器)的互換性。采用LabVIEW控制儀器并從儀器中采集數(shù)據(jù)的流程如圖2所示。

圖2 儀器控制流程

在LabVIEW中，VISA包含的功能模塊在Instrument I/O>VISA子模板中。大多數(shù)的VISA功能模塊使用了VISA session參數(shù)。 VISA session是每次程序操作過程的唯一邏輯標(biāo)識(shí)，標(biāo)識(shí)了與之通信的設(shè)備名稱以及進(jìn)行I/O操作必需的配置信息。它由VISA Open功能模塊產(chǎn)生，提供給VISA主功能模塊使用。VISA Open功能模塊產(chǎn)生標(biāo)識(shí)信息，然后把它傳送給下一個(gè)VISA功能模塊，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)流編程。同時(shí)可以利用VISA Open根據(jù)Resource Name和VISA session與指定的設(shè)備建立通信；利用VISA Read讀取由VISA session指定設(shè)備中的數(shù)據(jù)；利用VISA Close關(guān)閉由VISA session指定設(shè)備的通信過程，釋放系統(tǒng)資源。

在軟件設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵是控制3臺(tái)功率計(jì)保證測(cè)試結(jié)果在時(shí)間上的一致性。工程中對(duì)儀器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的方法有并行和串行2種方式[16]。采用并行控制方式時(shí)，控制軟件多線程之間也存在時(shí)間差，且時(shí)間差是不可控的；采用串行控制方式時(shí)，盡管也存在時(shí)間差，但時(shí)間的差值是定值，可以使用插值的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。在軟件設(shè)計(jì)中，3臺(tái)功率計(jì)在計(jì)算機(jī)的控制下先后循環(huán)采集數(shù)據(jù)，分別用差值的方式對(duì)第1臺(tái)和第3臺(tái)功率計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，修正后的數(shù)據(jù)與第2臺(tái)功率計(jì)在時(shí)間上保持一致。在測(cè)試時(shí)，只要保證采集速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)的衰落速率，產(chǎn)生的測(cè)量誤差在系統(tǒng)的允許范圍內(nèi)，便可滿足測(cè)試要求[17-18]。

測(cè)試系統(tǒng)程序如圖3所示。軟件實(shí)現(xiàn)了同時(shí)控制3臺(tái)功率計(jì)開展測(cè)試和顯示，還可以將數(shù)據(jù)以文本格式保存，方便后期數(shù)據(jù)處理。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)程序

3 應(yīng)用實(shí)例

將本文設(shè)計(jì)的測(cè)試方法應(yīng)用于某分集合成接收中頻單元分集增益測(cè)試中，測(cè)試了在衰落信道中分集接收機(jī)性能。輸入輸出信號(hào)的功率曲線如圖4所示，輸入輸出載噪比曲線如圖5所示。

圖4 信號(hào)功率測(cè)試曲線

圖5 輸入/輸出載噪比曲線

從圖中可以看出，本文方法能實(shí)時(shí)測(cè)量信號(hào)的功率值，并計(jì)算給出了輸入載噪比的變化曲線，通過進(jìn)一步處理，可以得到設(shè)備的分集接收性能。

應(yīng)用結(jié)果表明，基于實(shí)時(shí)載噪比測(cè)量的分集增益測(cè)試方法，通過實(shí)時(shí)采集分集接收設(shè)備前后各支路與合路信號(hào)的功率值，比較載噪比的差值，得到系統(tǒng)的分集增益，方法可行而且有效。

4 結(jié)束語(yǔ)

分集接收設(shè)備的使用越來越多，快速準(zhǔn)確地測(cè)試分集接收設(shè)備的分集增益變得越來越重要。本文提出了一種基于實(shí)時(shí)載噪比測(cè)量的分集增益測(cè)試方法，采用LabVIEW編寫測(cè)試軟件，利用3臺(tái)功率計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的自動(dòng)測(cè)試和數(shù)據(jù)記錄，實(shí)現(xiàn)了分集接收設(shè)備的分集增益的自動(dòng)準(zhǔn)確測(cè)試。與常規(guī)靜態(tài)測(cè)試方法或全設(shè)備外場(chǎng)測(cè)試方法相比，更具有操作性，適用于不具備誤碼率測(cè)試條件的分集接收設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)也保證了測(cè)試結(jié)果的精度。

在分集接收設(shè)備測(cè)試過程中，傳播特性模擬是測(cè)試的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，下一步可以通過模擬試驗(yàn)與實(shí)際測(cè)試對(duì)比，不斷校正傳播特性模型，提高測(cè)試方法的準(zhǔn)確性。