無線信道的多參量自動化測量系統設計與實現

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(湖北省射頻微波應用工程技術研究中心，武漢 430070)

0 引言

21世紀，隨著互聯網技術不斷進步，我們逐漸進入了萬物互聯的物聯網時代。各種移動設備的問世，導致了數據流量急劇增加[1]，為了滿足如此大數據流量的需求，第五代移動通信的研究引入了毫米波波段，提供高速率、高寬帶、低時延的通信服務[2-3]。國內外各大運營商、企業、研究團隊早就開始了毫米波波段在各種熱點場景下的無線通信測量[4-5]。從網絡覆蓋率、資金、物力等方面考慮，信道的測量對于移動蜂窩網絡構建的具有重要意義[6]。無線信道的測量需要對不同信道環境，積累大量的信道參量并進行分析，如果僅靠人力和傳統的測量記錄手段非常耗時耗力。現代通信技術與計算機技術的有機結合[7]，保證了測量技術的飛躍發展。目前的信道測量系統包括時域測量系統和頻域測量系統，測量用儀器具有一定的存儲功能，可以直接將數據存儲，測量結束后將數據導出到筆記本電腦，進行數據后處理和分析。現在大部分的研究主要是假設了測量信道環境為準靜態的非時變信道[8]，然而，對于熱點場景，必然存在人員的流動以及環境溫濕壓的變化等造成信道的變化，因此，對于信道環境的實時監控以及信道多參量的獲取是非常重要的。針對28 GHz毫米波的無線信道測量需求，探索出了一種基于LabVIEW平臺[9-10]的，通過GPIB(General-Purpose Interface Bus)接口建立與上位機的數據交互，編寫VI(Virtual Instrument)控制程序來控制儀器、自動化測量、數據采集和保存、波形曲線以及環境實時監控系統，通過測量得到了信號通過無線信道環境后的功率大小，并且開展了人體對信號的遮擋損耗研究[11]，驗證了測量系統的敏感度較高。

1 測量系統結構及原理

無線信道自動化測量系統由硬件系統和軟件系統組成，其設計結構框架如圖1所示。硬件部分主要包括Keysight公司的信號發生器和信號接收儀N9010A以及一對喇叭天線，軟件部分主要是基于LabVIEW平臺設計的大氣環境監控與儀器控制、自動化測量為一體的高效率系統。在筆記本電腦上用標準命令語言(SCPI)編寫系統程序，號發生器E8267D和信號分析儀N9010A通過GPIB轉USB(Universal Serial Bus)數據線與筆記本電腦連接，上位機控制信號發生器產生特定信號通過天線發射出去，信號接收儀通過接收天線接收信號，然后模擬信號實時顯示在信號接收儀上，同時，上位機前端面板也會實時顯示數據波形曲線。溫濕壓傳感器由內置傳感裝置測量大氣環境中溫度、濕度和壓強，上位機編寫發送指令通過433無線收發模塊發送給溫濕壓傳感器，接收到指令后，回傳與指令對應的信息。

圖1 無線信道測量系統結構框圖

2 硬件系統搭建

2.1 硬件平臺組成

如圖2所示，硬件系統的組成主要包括矢量信號發生器E8267D、信號分析儀N9010 A、喇叭天線、溫濕壓傳感裝置等。E8267D的發射頻率范圍為250 kHz～31.8 GHz之間，發射功率最大為21 dBm，高達4 GHz帶寬能夠仿真復雜的電磁環境。信號分析儀N9010 A能夠接收的信號頻率范圍為10 Hz～44 GHz之間，為毫米波測量提供經濟高效的分析。利用GPIB轉USB數據線，通過儀器后面板的GPIB接口與上位機連接實現數據交互。再將儀器的前面板輸入、輸出接口分別接上高增益喇叭天線，通過低損耗傳輸線連接。如圖2所示，溫濕壓傳感器裝置主要包括溫濕壓傳感器模塊和無線接收器以及連接接收器與筆記本電腦的485轉USB轉化器，系統的各個參數設置為表1所示。

圖2 硬件系統裝置圖

類型參數值發射頻率28/GHz發射功率20/dBm信號波形連續波天線類型喇叭天線天線高度1.3/m天線極化垂直極化

2.2 硬件系統測試及方法

在進行信道環境測量和軟件系統控制之前，需要對硬件系統進行測試，判定硬件系統本身的可靠性。首先，用傳輸線連接信號發生器和分析儀，保證信號從發生器發射出來后，能在傳輸線中正常的傳輸并且被分析儀接收，同時測量傳輸線對信號的損耗情況；然后，如圖3(a)所示，將信號分析儀信號輸入端與信號發生器的信號輸出端用低損耗傳輸線連接，打開信號發生器的射頻(Radio Frequency, RF)開關，手動設置發射信號的頻率和發射功率，這樣不僅檢測了傳輸線在特定頻率下的信號傳輸損耗，也可以保證射頻通信的可靠性。然后將儀器的信號輸出端和輸入端接口分別通過傳輸線連接上喇叭天線，在喇叭天線相距1 m，離水平面1.3 m距離，以垂直極化方式水平對準的情況下，測試了信號在無線信道中傳輸可靠性。最后，通過串口助手軟件測試了溫濕壓傳感裝置的可靠性，將溫濕壓傳感裝置與PC端連接，設置好串口助手上串口地址為COM3，波特率為9600 b/s，數據位為8，停止位為1，其中流控和校驗位默認為None，并且在Hex模式下發送16進制數，如圖3(b)所示，發送指令：FF 0300 0000 03 10 15，接收到回傳信息為：FF 03 06 19 AD 1B E4 27 15 79FA，經過指定通信協議計算得到十進制表示溫度、濕度和壓強數值。

圖3 硬件系統測試

3 軟件系統設計

3.1 SCPI命令

SCPI(Standard Commands for Programmable Instruments)是可編程儀器標準命令語言，最初的SCPI命令與IEEE 488.2協議是一起被應用于儀器命令。對于不同類別的儀器，其規定的命令格式是一致的，但是具體的命令指令是不同的。一般SCPI命令可以分為兩組:常用命令和子系統命令。圖4為SCPI兩個命令組分類，常用命令用于管理宏、狀態寄存器，同步和數據存儲，一般這種命令形式是以星號(*)開頭的。例如，“*IDN?”、“*OPC”、“*RST”是常見的命令。常見的命令不包括在任何子系統中。子系統命令一般是以冒號(:)開頭的，而且每一個子系統有包括一套功能模塊的命令。以信號發生器為例，能量子系統(:POWer)包括能量產生命令，狀態子系統(:STATus)包括控制狀態寄存器的命令，一般可以省略命令中的小寫字母。如(:POWer)可以簡化為(:POW)。SCPI命令一般具有兩種功能，一種是改變儀器的運行狀態的設置操作，一種是詢問儀器狀態查詢操作，一般以問號(?)結尾表示，也有少部分命令是設置和查詢功能為一體。

這里的子系統命令與文件系統命令一樣，具有樹結構的特性，如圖4所示，其中AA相當于關鍵字，BB和CC相當于參數形式，DD、EE和FF相當于注釋，三部分組成了SCPI的命令語法。對于每一個子系統命令，會形成固定的樹結構，機器如果要執行來自上位機的SCPI命令，就會按照一定的規則去在這個樹結構中尋找命令對應的信息。當上位機發送SCPI命令通過GPIB總線傳入機器，機器內置的固件會通過解析器解碼命令傳遞的信息，解析器將信息分解成組件命令，使用一組規則來確定所使用的命令樹路徑。解析器跟蹤當前的路徑(樹命令中的級別)以及它期望找到下一個命令語句的位置，尋找到了樹的頂端，停止尋找當前路徑，對于一些程序語言而言，一般會設置有返回消息中斷的指令。因為相同的關鍵字可能出現在不同的路徑中，特定路徑由命令語句中的一個或者多個關鍵字決定，因此跟蹤尋找程序是很重要的步驟。

圖4 SCPI命令分組和樹結構

3.2 軟件系統和關鍵點設計

要實現儀器的自動化測量，需要在儀器和上位機之間構建數據鏈路，通過標準命令語言對儀器進行控制，第一步便是尋找儀器的物理地址。如下圖7為軟件系統的設計程序框圖。當儀器通過GPIB轉USB數據線連接后，可以用I/O軟件檢測到已經連接到的儀器，將識別到的儀器物理地址作為VISA控件寫入緩存，實現了對儀器的尋址。只有當儀器與上位機之間實現了數據鏈路才能夠繼續寫入SCPI命令以及對溫濕壓傳感裝置的指令，即信號發射頻率、功率、數據采集個數等。在程序執行串行命令時，對于溫濕壓傳感裝置，接收到指令，會將相應的信息通過代碼回傳，與筆記本連接的433無線接收端收到回傳信息，根據數據類型可知，回傳的代碼是十六進制，通過該溫濕壓傳感裝置通信協議，數據經過指定的規則計算后，將分別代表溫度、濕度、壓強的十進制數據存儲到數組中。對于信號發生器輸入的信號信息，首先要經過計數點判斷，當信號每發送一次出去，計數器就會計數一次，當信號發送次數達到預定的值，就會停止發送信號，這時，波形顯示和數據存儲都會停止。如果想要大量記錄數據，可以增大計數點數值。

圖5 軟件系統程序框圖

軟件系統的關鍵模塊包括控制面板、尋址和輸入命令模塊、波形和數據存儲模塊、計數點模塊和溫濕壓模塊。圖6給出了程序的可視化操作界面，實現物理地址輸入，信號輸入，接收信號的和波形實時顯示。

圖6 控制面板模塊

3.2.1 軟件控制面板

軟件系統的控制面板，包括儀器物理地址、發射信號屬性、計數點等參數的輸入，接收數據實時數顯以及波形曲線圖動態顯示。當軟件系統在運行過程中出現錯誤，會在面板右端顯示錯誤代碼，可以根據錯誤代碼的具體含義尋找產生運行錯誤原因；對整個系統命令的打開、寫入、讀取、清零都使用VISA控件完成。

3.2.2 尋址與輸入命令模塊

信號發生器E8267D和溫濕壓傳感裝置做出的命令程序模塊，通過VISA的寫入和讀取控件完成尋址和信號屬性命令編寫，首先是對儀器物理地址尋址，當地址正確，在執行SCPI命令“*RST”對儀器進行初始化，然后執行“：POW”命令，輸入發射信號頻率、功率以及單位設置，其中SCPI命令“：FREQ：MODE SWE”和“：FREQ：STAR”表示設置信號發生器工作模式為掃頻模式以及設置開始頻率，再用“：OUTP ON”命令開始執行射頻開關為開啟狀態，將信號通過天線發送到無線信道中。可以通過前面板界面輸入不同的數值，只要在儀器允許的范圍內，均可以進行測量。

3.2.3 波形曲線圖

為了更加直觀地觀察接收到的信號隨著時間和無線信道環境的變化的數值變化，最為有效的方式便是將每一次接收到的信號功率值以曲線動態形勢表現出來。不僅在軟件系統程序中加入了數據的存儲模塊，而且加入了接收功率隨測量點變化的波形曲線顯示模塊。其中，SCPI命令“:CALC:MARK1:X?”和“:CALC:MARK1:Y?”查詢波形曲線坐標中的X和Y軸對應值，其中X軸表示記錄次數，Y軸表示接收到的信號功率，單位為dBm。接收到的信號數據被實時存儲到數組中，并存放到筆記電腦本的指定路徑中。

3.2.4 計數點程序模塊

計數點程序模塊是在自動化測量過程中，需要暫停或者記錄某一時段數據，可以通過修改計數點個數來控制。該循環程序設置與信號發送與信號接收之間，當信號每被接收一次，該循環程序就運行一次，同時在上一次的計數點基礎上減去1，直到接收到的信號次數等于設定的計數點，軟件系統停止工作，軟件程序不再發送命令給儀器，信號發生器和信號分析儀接也會停止工作。

3.2.5 溫濕壓傳感模塊

因為溫濕壓傳感裝置只需要發送固定的指令，獲取大氣環境的溫度、濕度和壓強三種數據信息，因此在尋址到傳感器裝置后，可以將指令直接寫入軟件系統程序中，不需要在前面板輸入指令，當軟件系統開始執行命令的時，對于溫濕壓傳感器的固定指令“FF 03 00 00 00 03 10 15”就會不斷發送，上位機也會不斷收到回傳信息，回傳信息為一串十六進制代碼，經過軟件程序按照該傳感器指定通信協議計算后，會在前面板實時顯示十進制的數值，并且存儲在數組中。如圖3(b)中收到的回傳信息“FF 03 06 19 AD 1B E4 27 15 79 FA”，則代碼“19 AD(H)”表示溫度值，“1B E4(H)”表示濕度值，“27 15(H)”表示壓強值，通過16進制轉10進制數值協議，則本次得到溫濕壓數值分別為：溫度=6573(D)/100-40=25.74℃，濕度=7140(D)/100=71.4%，壓強=10005(D)/100=100.05 kPa。需要注意的是，在傳感器接收到指令與無線接收器的接收過程中存在時延，在軟件程序的指令發送到信息接收之間需要設置一個延時。

4 測量結果與分析

對兩根6 m長傳輸線損耗測量，可得下圖7(a)所示損耗隨自動測量點數變化情況，橫坐標表示自動測量的100個數據點數，縱坐標表示對100個自動測量的接收功率值計算得到的對應傳輸線損耗值。由圖可知，自動化測量系統自動獲取了100個數據點數據，對于靜態工作狀態下，測量結果表現出了一定波動，在研究允許范圍內；三個不同發射功率測量得到的損耗值可知，隨著發射功率從0 dBm增大20 dBm，傳輸線的損耗僅僅增加了0.12 dB，表現出較穩定的特性。

圖7 自動化測量結果與測量點數關系曲線圖

對接收信號功率的統計分析可以反映無線信道環境的大尺度衰落情況，對于28 GHz毫米波頻段而言，其無線傳播損耗非常大，為了測試系統的可靠性能，選定了室內復雜的實驗室環境作為測量場地，天線之間相距5 m，通過水平儀對準兩個喇叭天線并且保持在同一水平面上。

表2給出了從測量中節選的連續10組數據，分別給出了連續10組數據中的接收功率、頻率、溫度、濕度和壓強五個數據。由表2可以看出在這10組數據中，溫度和壓強沒有變化，濕度也只有0.2%波動，對于10組連續的數據來說，在一個準靜態無線信道環境，短時間內，溫濕壓數值基本不會發生變化；在信號無線傳播過程中會發生多徑效應，因此接收頻率會略大于發射頻率28 GHz。圖7(b)給出了10組數據中接收功率的變化曲線圖，由圖可以明顯的觀察到有三個點的數值小于其他數值。為了測量系統的敏感性以及為了測量人體對信號強度的遮擋效果，這三個數據是人體位于兩個天線中間，離信號發射天線不同距離情況下測量，因此，測量到的數值會小于信號沒有遮擋的情況，而且當人體接近發射天線時，接收到的信號功率更小，說明信號衰減更大，如圖中第二個測量點對應的就是當人體靠近發射天線所對應的測量結果，第五個和第八個測量點分別是人體位于收發天線之間相當距離情況下的測量結果；可知人體在收發天線之間遮擋帶來了額外的3 dB損耗，當人體靠近發射天線，造成的額外損耗接近6 dB。這樣的測量手段常常用在研究人體身體遮擋或者人員的走動對信號造成損耗等。

表2 數據接收統計

以上數據以及曲線圖表明，該套系統實現了自動化測量并且保存數據的功能，相比于傳統的人工記錄測量實驗數據，需要多人協同合作，一人負責信號發生器的控制，一人負責信號分析儀上數據記錄，不僅節約了大量時間，而且還節省了人力。同時，該系統監控信道環境中溫濕壓實時變化，對于研究大氣環境對信號的影響有一定的研究意義。并且該系統的敏感性較強，對于研究無線信道環境中的變化具有很好的實用性。而且對于以后研究信道的時變特性具有很好的研究價值。

5 結束語

基于LabVIEW虛擬儀器圖形化編程平臺，編寫了一套基于SCPI命令的軟件系統與信號收發裝置以及溫濕壓傳感裝置為一體的無線信道的多參量自動化測量系統。經過對硬件和軟件系統的測試，表明可以正常的運作。在室內復雜環境下測量了環境溫濕壓的變化以及信號接收功率的變化情況，通過人體遮擋測試了系統的敏感度較強，同時，研究了人體對信號的遮擋衰減。該系統具備高效率、高智能的自動化測量工作，對于無線信道環境的監控以及信道自動化測量具有很好的適用性。該系統可以在軟件系統程序中加入更多的SCPI命令獲取更多無線信道參數，在信道的小尺度衰落方面可以作進一步研究。