基于实时载噪比测量的分集增益测试方法

叶礼邦，陈登伟，郭新海

(中国洛阳电子装备试验中心，河南 洛阳 471003)

0 引言

在无线移动通信系统中，移动台经常工作在各种复杂的地理环境中，移动的方向和速度是任意的，发送的信号经过附近各种物体的反射、散射等而形成多路径传播，到达接收机输入端的信号往往是多个幅度和相位各不相同的信号的叠加，从而形成快衰落[1]。分集接收技术是对抗快衰落的有效措施，在恶劣电磁环境下能提高信噪比，提升信号传输的有效性和可靠性[2]。因此，在遥测系统、短波通信和微波散射通信等具有快衰落信道的通信设备中，分集接收技术运用十分广泛[3]。

分集增益是分集接收设备的重要技术指标[4]。在分集接收设备的研制、调试过程中，都需要得到接收机的分集增益分析。除了理论计算[5-6]，在工程上更多的是进行测试。关于分集增益的测试方法，文献[7]介绍了Telecom Analyzer Systemg公司的FLEX/diversity系统，可以模拟不同的传播衰落特性，通过分析不同条件下接收机的误码率和信噪比，实现对分集增益的测试。文献[8]重点介绍了3GPP规范中涉及的接收分集的测试方法，并详细分析了2个代表性的用例。

目前的方法是利用信号调制设备和误码仪，产生符合要求的测试通信信号，根据分集接收设备的信号支路数量，由分路设备分为几个支路，每个支路的信号功率由本支路的衰减器独立控制，并添加互相独立的白噪声，以控制每个支路的载噪比。分集接收设备解调数据输出至误码仪，误码仪进行比特差错概率或符号差错概率的测量，从而测试设备的分集增益。测试方法需要包括数据调制/解调部分，无法对中频分集接收设备进行单独测试，具有一定的局限性。

本文提出了一种基于实时载噪比测量的分集增益测试方法，通过给分集接收设备输入多路(文中以2路为例)不同信噪比、独立衰落的信号，同时利用功率计测量得到瞬时载噪比的关系，通过对比输入信号和输出信号载噪比关系，得出分集接收设备的分集增益。

1 分集增益测试方法

1.1 分集技术

在无线通信中，由于受多径传播和其他用户的干扰，信号在到达接收端时，失真较大，不能完全被接收端正确地解调[9]。为了能使接收端正确地恢复所传输的信号，信号的多个复本被一起传输，以便接收端从中挑选出失真较小的复本，这种冗余传输的策略就是分集技术[10]。分集技术利用信道衰落在空间、频率和时间上的分布，利用技术手段将携带有相同可用信息，不同衰落特性的信号通过不同的合并方式进行接收[11]。分集接收包含接收到2个或更多衰落信道中重复携带相同信息的信号，然后在接收端对这多个复本进行合成，以提高整体接收载噪比[12]。

分集接收设备在获得多个衰落独立的信号后，需要对他们进行合并处理[13]。分集接收设备的作用就是把经过相位和时延调整后的各分集支路信号相加。对大多数通信系统而言，M重分集对这些信号的处理概括为M支路信号的线性叠加。

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

(1)

式中，fk(t)为第k支路的信号；ak(t)为第k支路信号的加权因子。合并后的信号和原始接收信号相比，其载噪比和系统误码性能将得到提高，工程实践中常用分集增益来评价改善的程度。分集增益也成为衡量一个分集接收设备性能的重要指标。

1.2 测试方法

分集增益的测试关键是如何计算分集接收设备输入信号、输入噪声和输出信号、输出噪声的功率大小，从而得到输入输出信号的载噪比。下面以2路输入信号的分集接收设备为例，介绍分集增益的测试的方法，多路输入分集接收设备的测试方法可以根据此方法进行推广。

在测试过程中，利用信号源产生测试通信信号，经过信道模拟器模拟信道衰落，加入高斯白噪声，混合后的信号进入分集接收设备，利用编写的功率计控制软件同时控制3台高性能的峰值功率计，在一定的采样速率下对2路输入信号和1路输出信号功率进行实时测量，并记录测量的结果，通过比较每一采样时刻支路信号与合路信号的载噪比(通过信号功率和噪声功率进行折算)，二者之间的差值即为设备的分集增益。分集增益测试设备连接如图1所示。

图1 分集增益测试设备连接示意

在测试过程中，为了计算出输入信号和输出信号的信噪比，采用2步：第1步，关闭信号源输出，利用功率计对2路输入和1路输出的噪声功率进行测量，记为Nin1，Nin2，Nout；第2步，打开信号源输出，利用功率计对2路输入和1路输出信号功率进行测量，记为Sin1+Nin1，Sin2+Nin2，Sout+Nout。根据2次测量结果，便可以推算出输入载噪比和载出信噪比。

通过连续测量，可以绘制出输入、输出信号的载噪比与时间的关系曲线。

2 实时功率测量实现

为了实时测试输入和输出的功率值，采用LabVIEW编写测试软件，利用3台功率计实现对功率的自动测试和数据记录。

LabVIEW 是美国国家仪器公司(NI)开发的，基于G语言的图形编程开发环境，主要面向计算机测控领域的虚拟仪器软件开发平台[14]。LabVIEW 高度集成了各种GPIB，RS-232，RS-485标准设备及数据采集卡的驱动功能，通过NI提供的众多流行仪器的源码及驱动程序，可实现与外部设备进行通信和控制[15]。尤其是VISA标准的制定，为高级仪器驱动程序和低级I/O驱动程序之间提供一个层，使得高级仪器驱动程序和硬件无关，大大提高了各种接口仪器(包括VXI仪器、GPIB仪器、RS232仪器)的互换性。采用LabVIEW控制仪器并从仪器中采集数据的流程如图2所示。

图2 仪器控制流程

在LabVIEW中，VISA包含的功能模块在Instrument I/O>VISA子模板中。大多数的VISA功能模块使用了VISA session参数。 VISA session是每次程序操作过程的唯一逻辑标识，标识了与之通信的设备名称以及进行I/O操作必需的配置信息。它由VISA Open功能模块产生，提供给VISA主功能模块使用。VISA Open功能模块产生标识信息，然后把它传送给下一个VISA功能模块，简化了数据流编程。同时可以利用VISA Open根据Resource Name和VISA session与指定的设备建立通信；利用VISA Read读取由VISA session指定设备中的数据；利用VISA Close关闭由VISA session指定设备的通信过程，释放系统资源。

在软件设计中，关键是控制3台功率计保证测试结果在时间上的一致性。工程中对仪器进行实时控制的方法有并行和串行2种方式[16]。采用并行控制方式时，控制软件多线程之间也存在时间差，且时间差是不可控的；采用串行控制方式时，尽管也存在时间差，但时间的差值是定值，可以使用插值的方法对数据进行修正。在软件设计中，3台功率计在计算机的控制下先后循环采集数据，分别用差值的方式对第1台和第3台功率计的数据进行修正，修正后的数据与第2台功率计在时间上保持一致。在测试时，只要保证采集速率远远大于信号的衰落速率，产生的测量误差在系统的允许范围内，便可满足测试要求[17-18]。

测试系统程序如图3所示。软件实现了同时控制3台功率计开展测试和显示，还可以将数据以文本格式保存，方便后期数据处理。

图3 测试系统程序

3 应用实例

将本文设计的测试方法应用于某分集合成接收中频单元分集增益测试中，测试了在衰落信道中分集接收机性能。输入输出信号的功率曲线如图4所示，输入输出载噪比曲线如图5所示。

图4 信号功率测试曲线

图5 输入/输出载噪比曲线

从图中可以看出，本文方法能实时测量信号的功率值，并计算给出了输入载噪比的变化曲线，通过进一步处理，可以得到设备的分集接收性能。

应用结果表明，基于实时载噪比测量的分集增益测试方法，通过实时采集分集接收设备前后各支路与合路信号的功率值，比较载噪比的差值，得到系统的分集增益，方法可行而且有效。

4 结束语

分集接收设备的使用越来越多，快速准确地测试分集接收设备的分集增益变得越来越重要。本文提出了一种基于实时载噪比测量的分集增益测试方法，采用LabVIEW编写测试软件，利用3台功率计实现对功率的自动测试和数据记录，实现了分集接收设备的分集增益的自动准确测试。与常规静态测试方法或全设备外场测试方法相比，更具有操作性，适用于不具备误码率测试条件的分集接收设备进行测试，同时也保证了测试结果的精度。

在分集接收设备测试过程中，传播特性模拟是测试的关键环节，下一步可以通过模拟试验与实际测试对比，不断校正传播特性模型，提高测试方法的准确性。