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        常用無(wú)線信道測(cè)量方法

        2018-10-19 09:29:48劉廷銀劉巖趙雙江中國(guó)人民解放軍65589部隊(duì)
        數(shù)碼世界 2018年9期
        關(guān)鍵詞:沖激響應(yīng)時(shí)域數(shù)據(jù)處理

        劉廷銀 劉巖 趙雙江 中國(guó)人民解放軍65589部隊(duì)

        信道測(cè)量通常采用的方法是首先進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量,得到實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù),再根據(jù)數(shù)據(jù)處理算法對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,最終得到與實(shí)測(cè)環(huán)境和條件相符合的信道模型。信道測(cè)量主要涉及測(cè)量系統(tǒng)的硬件構(gòu)成和配置等;后期數(shù)據(jù)處理完成相應(yīng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)變換和校正等。目前,信道測(cè)量的方法有很多種,具體選擇那一種方法進(jìn)行測(cè)量主要取決于測(cè)量環(huán)境,待測(cè)頻率范圍,捕獲速度限制等。

        1 大尺度測(cè)量

        主要測(cè)量方法是連續(xù)波測(cè)量法。測(cè)量步驟包括:1)選擇站址:覆蓋足夠多的地物類(lèi)型,第一菲涅耳區(qū)無(wú)障礙物,高于周?chē)ㄖ锏钠骄叨龋?)測(cè)量平臺(tái)搭建分為基站系統(tǒng):發(fā)射天線、饋線、功放、信號(hào)源和測(cè)量系統(tǒng):接收機(jī)、GPS、測(cè)距儀、測(cè)量軟件及便攜式計(jì)算機(jī);3)掃頻測(cè)試;4)測(cè)量數(shù)據(jù)采集,按時(shí)間采樣,要去除快衰落的影響,數(shù)據(jù)采集的速率必須滿(mǎn)足李氏定理,即

        36<40λn/v<50

        其中λ為波長(zhǎng),n表示每秒采樣點(diǎn)數(shù),v表示車(chē)速。

        建模方法包括測(cè)量數(shù)據(jù):測(cè)得的功率值并采樣該功率所對(duì)應(yīng)的接收機(jī)位置。其中路損計(jì)算公式為PL=PT+GR+GT-Loss-PR。具體步驟包括:確定參考距離、數(shù)據(jù)預(yù)處理、去除信號(hào)強(qiáng)度異常點(diǎn)、去除GPS坐標(biāo)異常點(diǎn)、去除近場(chǎng)數(shù)據(jù)點(diǎn)、修正GPS坐標(biāo)誤差、確定傳輸距離、數(shù)據(jù)平均、估計(jì)路徑損耗指數(shù)(公式為PL(d)=PL(d0)+10nlg(d/d0) )、根據(jù)所得到的一組d值和相應(yīng)的PL值,運(yùn)用最小二乘法估計(jì)未知量n的值、估計(jì)陰影衰落偏差(公式為PL(d)=PL(d0)+10nlg(d/d0)+χ),其中χ為陰影衰落因子、該公式服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布??梢杂梅植紨M合方法求出接收到的數(shù)據(jù)服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

        存在的問(wèn)題是路徑損耗存在頻率相關(guān)性,并且由于系統(tǒng)帶寬很寬,造成天線增益和多徑傳播特性均會(huì)隨頻率變化。

        2 小尺度測(cè)量

        2.1 測(cè)量方法:

        2.1.1 時(shí)域測(cè)量法

        A、測(cè)量:

        時(shí)域測(cè)量方法是通過(guò)直接發(fā)射窄脈沖,接收信號(hào)的時(shí)域響應(yīng)波形,從接收信號(hào)中去除發(fā)射信號(hào)波形、接收天線的影響,得到信道的沖激響應(yīng)。具體來(lái)講,是由脈沖發(fā)生器發(fā)射窄脈沖(納秒級(jí)或亞納秒級(jí)),脈沖信號(hào)經(jīng)功率放大器、發(fā)射天線后進(jìn)入信道,接收信號(hào)經(jīng)接收天線、低噪放后直接送數(shù)字抽樣示波器,并轉(zhuǎn)存到計(jì)算機(jī)中。脈沖發(fā)生器和數(shù)字抽樣示波器均由觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的信號(hào)觸發(fā)。后期數(shù)據(jù)處理中對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行去卷積,再通過(guò)數(shù)據(jù)格式處理就可以得到信道沖激響應(yīng)。

        優(yōu)點(diǎn):1)、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單

        2)、多徑分辨率等于周期脈沖的時(shí)間寬度

        3)、可對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解調(diào),可以得到多普勒譜

        缺點(diǎn):1)、接收機(jī)帶通濾波器是寬帶的,噪聲和干擾比較大

        2)、要獲得高的多徑分辨率,需要高速的RF轉(zhuǎn)換器和窄脈沖產(chǎn)生器

        3)、需要較高的功率峰均比,因?yàn)榘l(fā)射機(jī)功率受限,測(cè)量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍受限

        B、數(shù)據(jù)處理:

        時(shí)域測(cè)量系統(tǒng)的后期數(shù)據(jù)處理主要解決由時(shí)域接收信號(hào)到時(shí)域信道沖激響應(yīng)的變換,即從時(shí)域接收信號(hào)中去除發(fā)射信號(hào)波形及收發(fā)天線等的影響,這主要通過(guò)Clean算法完成。

        r(t)=p(t)*Tx(t)*h(t)*Rx(t)+n(t)

        數(shù)據(jù)處理過(guò)程主要利用Clean算法對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行去卷積,設(shè)置時(shí)間零點(diǎn)和確定系統(tǒng)分辨率,并重新計(jì)算多徑幅度三部分。

        a、利用Clean算法對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行去卷積

        首先通過(guò)實(shí)測(cè)的方法,獲得s(t)=Tx(t)*p(t)*Rx(t)+n’(t)即所謂模板信號(hào) ,繼而通過(guò)迭代算法利用模板信號(hào)從接收信號(hào)r(t)中去掉Tx(t)、Rx(t)和n’(t)的影響,計(jì)算信號(hào)沖激響應(yīng)的近似值。

        b、設(shè)置時(shí)間零點(diǎn)

        確定去卷積后的信道沖激響應(yīng)的時(shí)間起點(diǎn),并設(shè)置為時(shí)間零點(diǎn)(一般以計(jì)算得到的時(shí)間位置最靠前的多徑為首徑),以確定后續(xù)到達(dá)多徑分量的到達(dá)時(shí)間。

        c、確定系統(tǒng)分辨率,并重新計(jì)算多徑幅度。

        Clean算法處理得到的信道沖激響應(yīng)中多徑分量的時(shí)間間隔遠(yuǎn)小于系統(tǒng)的實(shí)際時(shí)間分辨率,需要按照系統(tǒng)的時(shí)間分辨率重新計(jì)算多徑幅度。在確定系統(tǒng)分辨率后,將沖激響應(yīng)按系統(tǒng)時(shí)間分辨率分成相等的時(shí)間片,將每個(gè)時(shí)間片內(nèi)的所有多徑幅度相加作為此時(shí)間片多徑分量幅度。

        2.1.2 掃頻法

        原理是用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀控制信號(hào)產(chǎn)生器使其在某一頻段上進(jìn)行步進(jìn)變頻,然后測(cè)量信道在每個(gè)頻點(diǎn)上的譜響應(yīng),最終通過(guò)逆傅里葉變換獲得信道的時(shí)域沖激響應(yīng)。

        A、測(cè)量

        具體的測(cè)試為由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Vector Network Analyzer,VNA)的發(fā)射端發(fā)出某一頻率的信號(hào),經(jīng)功率放大器、發(fā)射天線后進(jìn)入信道,接收信號(hào)經(jīng)有接收天線、低噪聲放大器后送至VNA的接收端,通過(guò)VNA的計(jì)算即可得到信道頻率響應(yīng)對(duì)應(yīng)某頻率分量的幅度值和相位值,VNA在測(cè)量頻帶內(nèi)重復(fù)上述過(guò)程,即可得到需測(cè)量頻帶內(nèi)的信道頻率響應(yīng)。計(jì)算機(jī)通過(guò)Labview軟件控制VNA的掃頻過(guò)程,得到的數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中。后期處理包括對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正、加窗、IDFT、設(shè)置門(mén)限和時(shí)間零點(diǎn)處理,之后可以得到實(shí)測(cè)信道的沖激響應(yīng)。

        優(yōu)點(diǎn):

        1)、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單

        2)、多徑分辨率高,正比于頻率步進(jìn)的間隔

        3)、受測(cè)量設(shè)備非線性影響較小

        缺點(diǎn):

        1)、矢量分析儀必須和發(fā)射機(jī)與接收機(jī)進(jìn)行物理連接,只在短距離信道下可用

        2)、必須在有限時(shí)間內(nèi)完成一次頻率掃描,對(duì)于大的帶寬或小的步進(jìn)間隔來(lái)說(shuō),測(cè)量不是實(shí)時(shí)的,因此,掃頻測(cè)量系統(tǒng)只適用于時(shí)不變信道或慢時(shí)變信道,掃頻測(cè)量法無(wú)法測(cè)量多普勒頻移和多普勒譜。

        B、數(shù)據(jù)處理:

        r(f)=P(f)Tx(f)H(f)Rx(f)+N(f)

        該過(guò)程主要包括數(shù)據(jù)校正、加窗、傅里葉反變換、設(shè)置門(mén)限和設(shè)置時(shí)間零點(diǎn)五部分。

        a、數(shù)據(jù)校正

        C(f)=P(f)Tx(f)Rx(f)+N’(f)

        H(f)=r(f)/C(f)

        b、加窗

        每組實(shí)測(cè)頻域數(shù)據(jù)的起點(diǎn)和終點(diǎn)處的數(shù)據(jù)較其他部分的數(shù)據(jù)有明顯的跳變,如果直接對(duì)這樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行IDFT,在時(shí)域沖激響應(yīng)中會(huì)出現(xiàn)所謂的過(guò)調(diào)和拖尾現(xiàn)象。因此通常把頻域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到時(shí)域之前,需要進(jìn)行加窗操作。在實(shí)際測(cè)量中VNA提供了多個(gè)窗函數(shù)可供選擇,由于加窗會(huì)造成等效時(shí)域脈沖主瓣寬度變大,降低時(shí)域分辨率,因此需要綜合考慮選擇合適的窗函數(shù)。

        c、IDFT

        實(shí)數(shù)通帶IDFT:假設(shè)從VNA得到的頻譜是從f1到f2,則先在0到f1之間的頻帶上補(bǔ)零,令-f2到0的頻譜是0到f2頻譜的對(duì)稱(chēng)共軛,由IDFT的理論可知,對(duì)稱(chēng)共軛頻譜的傅里葉反變換結(jié)果是實(shí)數(shù)序列。

        復(fù)數(shù)基帶IDFT:沒(méi)有補(bǔ)零和共軛對(duì)稱(chēng)操作,直接做IDFT

        實(shí)數(shù)通帶IDFT處理獲得的時(shí)間分辨率是復(fù)數(shù)基帶IDFT處理的2倍以上,這可以彌補(bǔ)由于使用窗函數(shù)造成的時(shí)間分辨率損失。

        d、設(shè)置門(mén)限

        由于某些幅度較小的多徑信號(hào)可能有測(cè)量系統(tǒng)的內(nèi)部噪聲產(chǎn)生,此外,幅度較小的多徑信號(hào)對(duì)建立相應(yīng)的多徑模型貢獻(xiàn)較小(其對(duì)平均附加時(shí)延,RMS時(shí)延等信道特征參數(shù)影響較?。虼送ǔMㄟ^(guò)設(shè)置門(mén)限從實(shí)測(cè)信道沖激響應(yīng)中排除幅度較小的多徑分量。由于頻域測(cè)量數(shù)據(jù)門(mén)限的選取與具體數(shù)據(jù)處理算法無(wú)關(guān),其取值相對(duì)簡(jiǎn)單,通常選擇測(cè)量系統(tǒng)噪聲之上6dB的絕對(duì)門(mén)限即可。

        e、設(shè)置時(shí)間零點(diǎn)

        由于IDFT具有周期性,因此必須結(jié)合實(shí)測(cè)信道的物理性質(zhì),對(duì)IDFT后的信道沖激響應(yīng)設(shè)置零點(diǎn)。

        2.1.3 擴(kuò)頻滑動(dòng)相關(guān)測(cè)量法

        2.2 數(shù)據(jù)處理

        在通過(guò)一定的方法測(cè)量得到超寬帶信道數(shù)據(jù)以后,還需要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析,才能提取出需要的信息。

        數(shù)據(jù)處理的基本目標(biāo)是:提取出獨(dú)立于信道激勵(lì)信號(hào)的信道描述方式;估計(jì)傳播環(huán)境引起的失真;得出與傳播環(huán)境有關(guān)的信道參數(shù)的統(tǒng)計(jì)描述方式。

        2.3 建模方法

        1)包絡(luò)統(tǒng)計(jì)特性建模:矩估計(jì)

        u2= E[|r|2]和u4=E[| r|4] 分別為接收信號(hào)包絡(luò)的二階矩和四階矩。

        2)二階統(tǒng)計(jì)特性建模:電平交叉率;平均衰落時(shí)間

        電平交叉率指的是衰落信號(hào)每秒以正斜率(或負(fù)斜率)方向通過(guò)某一信號(hào)電平的次數(shù);

        平均衰落持續(xù)時(shí)間描述的是衰落信號(hào)小于某一信號(hào)電平的平均時(shí)間。

        電平交叉率描述的是在某一信號(hào)電平處信號(hào)衰落的頻率,而平均衰落持續(xù)時(shí)間給出了這一衰落的平均持續(xù)時(shí)間,由這二個(gè)特征量可以決定數(shù)字信號(hào)交織編碼的長(zhǎng)度與深度。

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