基于實時載噪比測量的分集增益測試方法

葉禮邦，陳登偉，郭新海

(中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471003)

0 引言

在無線移動通信系統中，移動臺經常工作在各種復雜的地理環境中，移動的方向和速度是任意的，發送的信號經過附近各種物體的反射、散射等而形成多路徑傳播，到達接收機輸入端的信號往往是多個幅度和相位各不相同的信號的疊加，從而形成快衰落[1]。分集接收技術是對抗快衰落的有效措施，在惡劣電磁環境下能提高信噪比，提升信號傳輸的有效性和可靠性[2]。因此，在遙測系統、短波通信和微波散射通信等具有快衰落信道的通信設備中，分集接收技術運用十分廣泛[3]。

分集增益是分集接收設備的重要技術指標[4]。在分集接收設備的研制、調試過程中，都需要得到接收機的分集增益分析。除了理論計算[5-6]，在工程上更多的是進行測試。關于分集增益的測試方法，文獻[7]介紹了Telecom Analyzer Systemg公司的FLEX/diversity系統，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的誤碼率和信噪比，實現對分集增益的測試。文獻[8]重點介紹了3GPP規范中涉及的接收分集的測試方法，并詳細分析了2個代表性的用例。

目前的方法是利用信號調制設備和誤碼儀，產生符合要求的測試通信信號，根據分集接收設備的信號支路數量，由分路設備分為幾個支路，每個支路的信號功率由本支路的衰減器獨立控制，并添加互相獨立的白噪聲，以控制每個支路的載噪比。分集接收設備解調數據輸出至誤碼儀，誤碼儀進行比特差錯概率或符號差錯概率的測量，從而測試設備的分集增益。測試方法需要包括數據調制/解調部分，無法對中頻分集接收設備進行單獨測試，具有一定的局限性。

本文提出了一種基于實時載噪比測量的分集增益測試方法，通過給分集接收設備輸入多路(文中以2路為例)不同信噪比、獨立衰落的信號，同時利用功率計測量得到瞬時載噪比的關系，通過對比輸入信號和輸出信號載噪比關系，得出分集接收設備的分集增益。

1 分集增益測試方法

1.1 分集技術

在無線通信中，由于受多徑傳播和其他用戶的干擾，信號在到達接收端時，失真較大，不能完全被接收端正確地解調[9]。為了能使接收端正確地恢復所傳輸的信號，信號的多個復本被一起傳輸，以便接收端從中挑選出失真較小的復本，這種冗余傳輸的策略就是分集技術[10]。分集技術利用信道衰落在空間、頻率和時間上的分布，利用技術手段將攜帶有相同可用信息，不同衰落特性的信號通過不同的合并方式進行接收[11]。分集接收包含接收到2個或更多衰落信道中重復攜帶相同信息的信號，然后在接收端對這多個復本進行合成，以提高整體接收載噪比[12]。

分集接收設備在獲得多個衰落獨立的信號后，需要對他們進行合并處理[13]。分集接收設備的作用就是把經過相位和時延調整后的各分集支路信號相加。對大多數通信系統而言，M重分集對這些信號的處理概括為M支路信號的線性疊加。

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；ak(t)為第k支路信號的加權因子。合并后的信號和原始接收信號相比，其載噪比和系統誤碼性能將得到提高，工程實踐中常用分集增益來評價改善的程度。分集增益也成為衡量一個分集接收設備性能的重要指標。

1.2 測試方法

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

在測試過程中，利用信號源產生測試通信信號，經過信道模擬器模擬信道衰落，加入高斯白噪聲，混合后的信號進入分集接收設備，利用編寫的功率計控制軟件同時控制3臺高性能的峰值功率計，在一定的采樣速率下對2路輸入信號和1路輸出信號功率進行實時測量，并記錄測量的結果，通過比較每一采樣時刻支路信號與合路信號的載噪比(通過信號功率和噪聲功率進行折算)，二者之間的差值即為設備的分集增益。分集增益測試設備連接如圖1所示。

圖1 分集增益測試設備連接示意

在測試過程中，為了計算出輸入信號和輸出信號的信噪比，采用2步：第1步，關閉信號源輸出，利用功率計對2路輸入和1路輸出的噪聲功率進行測量，記為Nin1，Nin2，Nout；第2步，打開信號源輸出，利用功率計對2路輸入和1路輸出信號功率進行測量，記為Sin1+Nin1，Sin2+Nin2，Sout+Nout。根據2次測量結果，便可以推算出輸入載噪比和載出信噪比。

通過連續測量，可以繪制出輸入、輸出信號的載噪比與時間的關系曲線。

2 實時功率測量實現

為了實時測試輸入和輸出的功率值，采用LabVIEW編寫測試軟件，利用3臺功率計實現對功率的自動測試和數據記錄。

LabVIEW 是美國國家儀器公司(NI)開發的，基于G語言的圖形編程開發環境，主要面向計算機測控領域的虛擬儀器軟件開發平臺[14]。LabVIEW 高度集成了各種GPIB，RS-232，RS-485標準設備及數據采集卡的驅動功能，通過NI提供的眾多流行儀器的源碼及驅動程序，可實現與外部設備進行通信和控制[15]。尤其是VISA標準的制定，為高級儀器驅動程序和低級I/O驅動程序之間提供一個層，使得高級儀器驅動程序和硬件無關，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據的流程如圖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。大多數的VISA功能模塊使用了VISA session參數。 VISA session是每次程序操作過程的唯一邏輯標識，標識了與之通信的設備名稱以及進行I/O操作必需的配置信息。它由VISA Open功能模塊產生，提供給VISA主功能模塊使用。VISA Open功能模塊產生標識信息，然后把它傳送給下一個VISA功能模塊，簡化了數據流編程。同時可以利用VISA Open根據Resource Name和VISA session與指定的設備建立通信；利用VISA Read讀取由VISA session指定設備中的數據；利用VISA Close關閉由VISA session指定設備的通信過程，釋放系統資源。

在軟件設計中，關鍵是控制3臺功率計保證測試結果在時間上的一致性。工程中對儀器進行實時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，控制軟件多線程之間也存在時間差，且時間差是不可控的；采用串行控制方式時，盡管也存在時間差，但時間的差值是定值，可以使用插值的方法對數據進行修正。在軟件設計中，3臺功率計在計算機的控制下先后循環采集數據，分別用差值的方式對第1臺和第3臺功率計的數據進行修正，修正后的數據與第2臺功率計在時間上保持一致。在測試時，只要保證采集速率遠遠大于信號的衰落速率，產生的測量誤差在系統的允許范圍內，便可滿足測試要求[17-18]。

測試系統程序如圖3所示。軟件實現了同時控制3臺功率計開展測試和顯示，還可以將數據以文本格式保存，方便后期數據處理。

圖3 測試系統程序

3 應用實例

將本文設計的測試方法應用于某分集合成接收中頻單元分集增益測試中，測試了在衰落信道中分集接收機性能。輸入輸出信號的功率曲線如圖4所示，輸入輸出載噪比曲線如圖5所示。

圖4 信號功率測試曲線

圖5 輸入/輸出載噪比曲線

從圖中可以看出，本文方法能實時測量信號的功率值，并計算給出了輸入載噪比的變化曲線，通過進一步處理，可以得到設備的分集接收性能。

應用結果表明，基于實時載噪比測量的分集增益測試方法，通過實時采集分集接收設備前后各支路與合路信號的功率值，比較載噪比的差值，得到系統的分集增益，方法可行而且有效。

4 結束語

分集接收設備的使用越來越多，快速準確地測試分集接收設備的分集增益變得越來越重要。本文提出了一種基于實時載噪比測量的分集增益測試方法，采用LabVIEW編寫測試軟件，利用3臺功率計實現對功率的自動測試和數據記錄，實現了分集接收設備的分集增益的自動準確測試。與常規靜態測試方法或全設備外場測試方法相比，更具有操作性，適用于不具備誤碼率測試條件的分集接收設備進行測試，同時也保證了測試結果的精度。

在分集接收設備測試過程中，傳播特性模擬是測試的關鍵環節，下一步可以通過模擬試驗與實際測試對比，不斷校正傳播特性模型，提高測試方法的準確性。