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一种基于USRP的多径衰落信道测量系统发明专利

更新时间:2024-07-01
一种基于USRP的多径衰落信道测量系统发明专利 专利申请类型:发明专利;
源自:北京高价值专利检索信息库;

专利名称:一种基于USRP的多径衰落信道测量系统

专利类型:发明专利

专利申请号:CN202211026517.9

专利申请(专利权)人:北京航空航天大学
权利人地址:北京市海淀区学院路37号

专利发明(设计)人:路辉,张若柳,雷万军

专利摘要:本发明是一种基于USRP的多径衰落信道测量系统,属于无线通信信道测量技术领域。本发明系统包括发送端模块、接收端模块和时钟同步模块。发送端模块包括发送端PC、发送USRP、发送天线和移动电源,实现信道测量信号的生成和发送,在发送端PC上设置发送配置模块。时钟同步模块完成发送端和接收端的频率同步。接收端模块包括接收天线、接收USRP、接收端PC和移动电源,实现信道测量信号的接收、存储、显示和处理。在接收端PC上设置接收配置、信号处理和误差补偿模块。本发明系统基于USRP硬件结构实现,具有可编程性、使用便捷和兼容性强等优点,可用于完成不同场景中的信道测量任务,能获得更加精确的信道测量结果。

主权利要求:
1.一种基于USRP的多径衰落信道测量系统,其特征在于,所述系统包括:
硬件平台,包括发送端模块、接收端模块以及时钟同步模块;其中,发送端模块包括发送端PC、发送USRP、发送天线和移动电源A;时钟同步模块包括GPS时钟和同步时钟;接收端模块包括接收天线、接收USRP、接收端PC和移动电源B;其中,USRP表示通用软件无线电外设,PC表示计算机,GPS表示全球定位系统;
软件功能模块,包括设置在发送端PC上的发送配置模块,设置在接收端PC上的接收配置模块、信号处理模块和误差补偿模块;
所述发送端PC通过发送配置模块产生用作多径衰落信道测量的数字基带信号以及设置发送USRP的相关参数;发送USRP将发送端PC产生的数字基带信号调制至指定的频点生成高频信号;发送天线将发送USRP产生的高频信号传输至无线信道中;移动电源A为发送USRP供电;
所述时钟同步模块用于对发送USRP和接收USRP进行信号同步;当信道测量任务在室外场景时,采用GPS时钟进行同步,在室内场景时采用射频线连接的同步时钟进行同步;
所述接收天线从无线信道中获取包含有信道信息的高频信号,并传输给接收USRP;接收USRP将高频信号解调为数字基带信号传输至接收端PC;接收端PC通过接收配置模块设置接收USRP的相关参数,存储和显示接收信号、发送信号以及接收信号与发送信号的相关函数;所述接收信号是指接收USRP发送来的数字基带信号,所述发送信号为接收端PC采用与发送端PC相同参数和方式生成的数字基带信号;通过误差补偿模块采用基于系统超调响应的误差补偿算法计算用于补偿的系统参数;通过信号处理模块从接收信号中估计出信道多径时延和多径幅度参数,并结合误差补偿模块输出的系统参数进行误差补偿,输出正确的信道测量结果;移动电源B为接收USRP供电;
所述的接收端PC中,通过信号处理模块,根据接收信号与发送信号的相关函数找到相关值最大处,得到接收信号数据帧头的位置,对接收信号进行移位操作;通过误差补偿模块将发送信号与测量系统响应数据进行相关运算找到相关值最大处,得到测量系统响应数据的起始位置;然后信号处理模块执行如下处理:(1)对接收信号进行基于最大期望算法的信道参数估计,得到信道多径时延和幅度参数估计结果M={τ;α};其中τ和α均表示含有L个元素的集合,L为正整数;
(2)由测量系统响应数据获取超调响应指标,包括延迟时间τd和调节时间τs;
设一条真实路径由于系统误差产生P0条估计路径,估计路径中幅度呈上升趋势的连续路径数目为P1,估计路径中时延最小的路径与真实路径的时间差为P2;
根据调节时间τs计算P0,具体是:设接收信号与发送信号的相关函数为R(τ),选取相关函数二阶微分导数R″(τ)满足设定阈值thresh的采样点数为P0,表示如下:P0=card{τ|R″(τ)>thresh,0≤τ≤τs};
其中,card(A)表示集合A的元素数目;τ表示时延;
根据延迟时间τd计算P1,具体是:在延时小于τd的时间内,选取R″(τ)满足设定阈值thresh的采样点数为P1,表示如下:P1=card{τ|R″(τ)>thresh,0≤τ<τd};
其中,阈值thresh设置为0.25*β,β表示发送信号中上升沿的数目;
根据延迟时间τd和P1确定P2,如下:
P2=τd‑P1;
得到修正误差的补偿信号e(n)=P(n)‑a(n)/E,0≤n<N;其中,E是测量系统响应数据的平均功率,P(n)表示测量系统响应数据,a(n)表示发送信号数据;N表示信号长度;
(3)根据计算得到的参数P0,P1,P2和e(n),从集合M中寻找子集M0,子集M0包含P0个连续时延估计点和对应的估计幅度,M0=(τ0,τ0+1,...,τ0+P0‑1;α(τ0),..,α(τ0+P0‑1)};找到所有子集后,从中筛选出满足条件1或者条件2的子集,作为最后的补偿参数集合,设得到K个补偿参数集合{M1,M2,....MK};
条件1:{α(τ0),..,α(τ0+P1‑1)}是递增序列,包括α(τ0)=0情况;
条件2:{α(τ0),..,α(τ0+P0‑1)}都大于0,且α(τ0+P0)=0;
(4)利用获取的K个补偿参数集合,对接收信号依次进行路径补偿;对每次补偿后的接收信号基于最大期望算法估计信道参数,更新时延的估计幅度,然后继续选择下一个补偿参数集合对接收信号进行路径补偿;经过K次补偿后输出最后测量的信道多径参数。
2.根据权利要求1所述的多径衰落信道测量系统,其特征在于,所述的发送配置模块包括发送信号配置模块和射频发送配置模块;发送信号配置模块采用Labview软件编程产生不同波形的数字基带信号数据,包括m序列、CAZAC序列、以及Chirp信号;射频发送配置模块用于设置发送USRP的相关参数,包括参考时钟源类型、设备IP地址、IQ采样率、信号增益、载波频率、以及有效天线;其中,CAZAC序列为恒包络零自相关序列,Chirp信号为线性调频信号,IQ表示同相‑正交。
3.根据权利要求1所述的多径衰落信道测量系统,其特征在于,所述的接收配置模块包括射频接收配置模块、接收信号存储模块以及接收信号实时显示模块;射频接收配置模块用于设置接收USRP的相关参数,包括参考时钟源类型、设备IP地址、IQ采样率、信号增益、载波频率、以及有效天线;接收信号存储模块根据指定路径,以txt文件形式存储接收信号、发送信号以及接收信号与发送信号的相关函数;接收信号实时显示模块对接收信号、发送信号与接收信号的相关函数数据进行实时显示,同时利用滑动窗口法实时计算接收信号的功率。
4.根据权利要求1所述的多径衰落信道测量系统,其特征在于,所述的信号处理模块包括接收信号读取模块、接收信号同步模块和信道参数估计模块;接收信号读取模块根据指定路径读取接收信号数据;接收信号同步模块截取一个完整周期的接收信号并找到起始位置;信道参数估计模块基于最大期望算法从接收信号中估计出信道多径时延和多径幅度参数,并结合系统参数计算模块提供的用于补偿的系统参数进行误差补偿,最终输出正确的信道测量结果。
5.根据权利要求1所述的多径衰落信道测量系统,其特征在于,所述的误差补偿模块由系统响应数据读取模块和系统参数计算模块组成;系统响应数据读取模块通过射频线直接连接发送USRP和接收USRP,获取测量系统响应数据;系统参数计算模块采用基于系统超调响应的误差补偿算法计算出测量系统的超调响应指标以及用于补偿的系统参数。
6.根据权利要求1所述的多径衰落信道测量系统,其特征在于,所述的发送USRP将从发送端PC传输的数字基带信号进行数字上变频,再进行数模转化将数字信号转化为模拟信号,通过射频混频模块将模拟信号与指定频率的载频信号进行混频后发送;所述的接收USRP接收指定频点的高频信号,进行混频和滤波后得到低频模拟信号,再利用模数转化将模拟信号转化为数字信号,通过数字下变频转化为指定采样率的数字基带信号,通过以太网传输至接收端PC。
7.根据权利要求1所述的多径衰落信道测量系统,其特征在于,所述的接收端PC中,依次根据K个补偿参数集合{M1,M2,....MK}对接收信号进行补偿,根据集合Mi得到的补偿序列如下:(α(τi)+…+α(τi+P0‑1))*e(n‑τi‑P2);
其中,集合Mi={τi,...,τi+P0‑1;α(τi),..,α(τi+P0‑1)},τi为集合Mi中第一个估计时延,α(τi)为时延τi的估计幅度,e(n‑τi‑P2)为补偿信号。
8.根据权利要求1所述的多径衰落信道测量系统,其特征在于,所述的接收端PC还对信道测量结果进行分析,包括:(1)在同一场景下进行T次测量,获得该场景下T组多径衰落信道参数测量结果;T为大于2的整数;
(2)获取多径衰落信道参数测量结果的概率密度分布,由该概率密度分布得到该场景下的主要路径;根据系统最小分辨率,以概率的形式给出主要路径的测量误差;
(3)由T次测量结果确定主要路径的幅度统计平均值,得到该场景下的一次多径衰落信道参数测量结果。 说明书 : 一种基于USRP的多径衰落信道测量系统技术领域[0001] 本发明涉及一种基于USRP(UniversalSoftwareRadioPeripheral,通用软件无线电外设)的多径衰落信道测量系统,属于无线通信信道测量技术领域。背景技术[0002] 随着科学技术的发展和信息化、网络时代的到来,无线通信技术得到了飞速发展,成为通信领域的重要组成部分,并逐渐融入到人们生活和工作的方方面面。无线信道作为无线通信的传输媒质,直接决定了通信系统的整体性能。对信道环境进行准确的描述对新一代通信系统的研发、部署和优化等都发挥着基础性和先导性的作用。相比于单一传播的有线通信,无线信号经过发射机以电磁波的形式直接发射到空间中,在复杂多样的空间环境中,信号经过不同程度的直射,反射,散射等传播过程,造成能量衰减,多径干扰等多种影响。传播环境的复杂性使得信道特性研究成为无线通信领域研究的热点和难点。[0003] 信道测量是研究无线信道特性的主要方法,信道测量结果提供了信道模型理论分析与真实环境之间的桥梁,为信道统计型建模提供真实的数据支撑和实践参考,以此来验证模型的有效性和合理性。其中,信道的多径测量研究为无线通信系统中信号带宽大小的设计,以及新型的均衡技术和抗衰落技术的研究提供了有力支撑。信道测量在实际研究过程中主要包括两方面的工作,第一是利用现有的通信系统设备,通过发射具有一定探测作用的信号,在接收端获得包含信道特性的数据。第二是通过对信道测量的数据处理,提取描述信道特性的参数。在实际信道研究过程中,现有信道测量系统存在集成度高,可扩展性差等缺点,无法适用于特定的测量需求。USRP架构以通用、标准、模块化的硬件平台为依托,通过软件编程来实现各种功能,具有使用便捷,兼容性强的优点,可以很好解决上述问题。因此,基于USRP的信道测量平台受到了广泛的关注。目前,针对于USRP架构搭建的信道测量系统,一般采用扩频滑动相关法进行信道测量,对于信道测量信号的处理过程仅采用简单的相关计算以获得信道特性,这就导致了测量精度上的局限性。另外,基于扩频滑动相关法的信道测量方法在系统实现时,其测量系统自身导致的测量误差是无法忽略的,比如测量系统带宽限制带来的信号波形失真。而现有针对USRP架构搭建的信道测量系统,于上述系统误差分析和补偿的研究比较少。因此,在信道测量系统实现过程中,除了考虑硬件功能的完备性,软件功能上信号处理和误差处理的功能也是必不可少的。发明内容[0004] 针对上述问题,本发明基于USRP架构搭建多径衰落信道测量平台,在软件功能上解决上述问题,实现不同多径衰落场景下的信道测量功能。本发明提供了一种基于USRP的多径衰落信道测量系统,基于软件无线电的思想,采用软硬件结合的架构搭建信道测量平台,可编程性强,兼容性好,为不同场景下信道特性的研究提供测量平台、测量方法以及测量数据支撑。[0005] 本发明的基于USRP的多径衰落信道测量系统,其硬件平台包括发送端模块、接收端模块以及时钟同步模块;其中,发送端模块包括发送端PC、发送USRP、发送天线和移动电源A;时钟同步模块包括GPS时钟和同步时钟;接收端模块包括接收天线、接收USRP、接收端PC和移动电源B。移动电源A/B的作用是为发送USRP/接收USRP供电。[0006] 本发明多径衰落信道测量系统的软件功能主要在发送端PC和接收端PC上实现。在发送端PC上设置发送配置模块,在接收端PC上设置接收配置模块、信号处理模块和误差补偿模块。[0007] 所述发送端模块的主要功能是根据参数设置生成具有探测作用的发送信号传输至无线信道中。其中,发送端PC通过发送配置模块产生用作多径衰落信道测量的数字基带信号以及设置发送USRP信号处理过程的参数。发送USRP将发送端PC产生的数字基带信号调制至指定的频点。发送天线将发送USRP产生的高频信号传输至无线信道中。[0008] 所述时钟同步模块的主要功能是对发送USRP和接收USRP进行信号同步,消除因为时钟频率不一致带来的调制解调误差。在实际测量过程中,对于室外场景的信道测量任务,采用GPS时钟进行同步。在室内场景下,采用射频线连接的同步时钟进行收发端同步。[0009] 所述接收端模块的主要功能是从无线信道中获取包含信道信息的高频信号,并对信号进行存储、显示和处理,以获得信道特征。其中,接收天线用于将接收的高频信号传输至接收USRP。接收USRP将高频信号解调为数字基带信号传输至接收端PC。接收端PC对包含有信道信息的数字基带信号进行存储、显示和处理,输出信道特性,完成整个信道测量任务。接收端PC通过接收配置模块设置接收USRP的相关参数,存储和显示接收信号、发送信号以及接收信号与发送信号的相关函数;所述接收信号是指接收USRP发送来的数字基带信号,所述发送信号为接收端PC采用与发送端PC相同参数和方式生成的数字基带信号;通过误差补偿模块采用基于系统超调响应的误差补偿算法计算测量系统的超调响应指标以及用于补偿的系统参数;通过信号处理模块从接收信号中估计出信道多径时延和多径幅度参数,并结合误差补偿模块输出的系统参数进行误差补偿,输出正确的信道测量结果。[0010] 所述发送配置模块包括发送信号配置模块和射频发送配置模块,基于Labview软件实现。其中,发送信号配置模块用于生成不同波形的数字基带信号,包括m序列、CAZAC序列、以及Chirp信号等。射频发送配置模块用于设置发送USRP的相关参数,包括参考时钟源类型、设备IP地址、IQ采样率、信号增益、载波频率、以及有效天线。[0011] 所述接收配置模块包括射频接收配置模块、接收信号存储模块、以及接收信号实时显示模块。首先,射频接收配置模块用于设置接收USRP的相关参数,如参考时钟源类型、设备IP地址、IQ采样率、信号增益、载波频率、有效天线。接收信号存储模块根据指定路径,以txt文件形式存储接收信号、发送信号以及接收信号与发送信号的相关函数。接收信号实时显示模块对接收信号数据以及发送信号与接收信号的相关函数数据进行实时数据显示,以验证测量过程的可靠性。同时,接收信号实时显示模块利用滑动窗口法实时计算接收信号的功率。[0012] 所述误差补偿模块由系统响应数据读取模块和系统参数计算模块组成,系统响应数据读取模块通过射频线直接连接发送USRP和接收USRP,测量系统响应数据,系统参数计算模块采用基于系统超调响应的误差补偿算法,计算出测量系统的超调响应指标以及用于补偿的系统参数,用于对测量系统带来的波形失真进行修正。[0013] 所述信号处理模块主要完成接收信号的处理以获取信道信息的功能,包括接收信号读取模块、接收信号同步模块、以及信道参数估计模块,均基于Matlab软件实现。其中,接收信号读取模块根据指定路径读取接收信号数据。接收信号同步模块用于截取一个完整周期的接收信号并找到起始位置。信道参数估计模块基于EM(最大期望)算法从接收信号中估计出信道多径时延和多径幅度参数,同时结合系统参数计算模块提供的参数进行误差补偿,最终输出正确的信道测量结果。[0014] 所述的接收端PC还对信道测量结果进行分析,包括:(1)在同一场景下进行T次测量,获得该场景下T组多径衰落信道参数测量结果;T为大于2的整数;(2)获取多径衰落信道参数测量结果的概率密度分布,由该概率密度分布得到该场景下的主要路径;根据系统最小分辨率,以概率的形式给出主要路径的测量误差;(3)由T次测量结果确定主要路径的幅度统计平均值,得到该场景下的一次多径衰落信道参数测量结果。[0015] 本发明的优点在于:[0016] (1)本发明的多径衰落信道测量系统基于USRP硬件结构实现,结合软件无线电思想,具有可编程性强、兼容性好,使用便捷的优点,为不同场景下信道特性的研究提供了测量平台、测量方法以及测量数据支撑。[0017] (2)本发明的多径衰落信道测量系统的接收端模块采用基于EM算法的高分辨率参数估计算法,以获得更精确的信道测量结果。[0018] (3)本发明的多径衰落信道测量系统采用基于系统超调响应的误差补偿算法,对系统带宽限制带来的测量误差进行补偿修正,最终获得正确测量结果。[0019] (4)考虑到测量系统硬件的不稳定性,以及测量场景中环境变化带来的随机性,本发明系统采用概率密度分布的形式给出多径衰落信道参数的测量结果和系统最小分辨率下的测量误差,提高测量精度,减小测量误差。附图说明[0020] 图1是本发明的多径衰落信道测量系统的硬件平台框图和软件功能框图;[0021] 图2是本发明多径衰落信道测量系统实例的整体信号处理流程图;[0022] 图3是本发明多径衰落信道测量系统实例的接收信号处理流程图;[0023] 图4是本发明多径衰落信道测量系统实例的系统参数示意图;[0024] 图5是本发明多径衰落信道测量实例的一次接收信号补偿过程图;[0025] 图6是本发明多径衰落信道测量实例的信道测量结果分析图。具体实施方式[0026] 下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。[0027] 本发明实现的基于USRP的多径衰落信道测量系统,其包含的硬件平台和软件功能如图1所示。整体信号处理流程如图2所示。本发明的多径衰落信道测量系统的硬件平台主要由三部分组成:发送端模块,接收端模块以及时钟同步模块。其中发送端模块实现信道测量信号的生成和发送功能,接收端模块实现信道测量信号的接收、存储、显示和处理功能,时钟同步模块实现发送端和接收端的频率同步功能。本发明的多径衰落信道测量系统的软件功能模块设置在PC上,主要包括发送配置模块、接收配置模块、信号处理模块和误差补偿模块。[0028] 如图1所示,发送端模块包括发送端PC(计算机)1、发送USRP2、发送天线3和移动电源4;时钟同步模块包括GPS(全球定位系统)时钟5和同步时钟6;接收端模块包括接收天线7、接收USRP8、接收端PC9和移动电源10。具体可实现的信号类型如表1所示。[0029] 表1多径衰落信道测量系统配置[0030][0031][0032] 其中,CAZAC序列为恒包络零自相关序列,Chirp信号为线性调频信号。[0033] 发送端模块的主要功能是根据参数设置生成具有探测作用的发送信号传输至无线信道中。发送端PC1完成发送配置功能,发送配置模块主要包括发送信号配置模块11和射频发送配置模块12。发送信号配置模块11采用Labview软件编程产生不同波形的数字基带信号数据,包括m序列,CAZAC序列,Chirp信号等。射频发送配置模块12用于设置发送USRP的相关参数,包括参考时钟源类型、设备IP地址、IQ(同相‑正交信号)采样率、信号增益、载波频率、以及有效天线等。发送端PC1将数字基带信号和USRP的相关参数通过以太网传输给发送USRP2。[0034] 发送USRP2将发送端PC产生的数字基带信号调制至指定的频点,然后发送天线3将发送USRP2产生的高频信号传输至无线信道中。移动电源4的作用是为发送USRP2供电。[0035] 时钟同步模块的主要功能是对发送USRP2和接收USRP8进行同步,消除因为时钟频率不一致带来的调制解调误差。在实际测量过程中,对于室外场景的信道测量任务,可以采用GPS时钟5进行同步。在室内场景下,由于GPS信号受到建筑物墙壁的干扰影响,所以采用射频线连接的同步时钟6进行收发端同步。[0036] 接收端模块的主要功能是从无线信道中获取包含信道信息的接收信号,并进行存储、显示和处理,以获得信道特征。其中,接收天线7用于将接收信号传输至接收USRP8进行处理。接收USRP8将无线信道中的高频信号解调为数字基带信号传输至接收端PC9。而接收端PC9对包含有信道信息的数字基带信号进行存储、显示和处理,输出信道特性,完成整个信道测量任务。移动电源10的作用是为接收USRP8供电。[0037] 发送USRP2和接收USRP8的硬件参数如表1所示。首先利用数字上变频功能或数字下变频功能,将发送端PC1传输的低速IQ数字信号转化为高速IQ数字信号,或者将高速IQ数字信号转化为低速IQ数字信号传输至接收端PC8。然后,通过数模或模数转换器,实现数字和模拟之间的转换。最后,通过射频混频模块将低频模拟信号直接转化为射频信号进行发送,或者将射频信号转化为低频模拟信号进行传输。[0038] 接收端PC9主要完成接收配置、信号处理和误差补偿功能。其中,接收配置模块采用Labview软件编程实现,信号处理功能和误差补偿功能均采用Matlab软件编程实现。[0039] 接收配置模块包括射频接收配置模块13、接收信号存储模块14、以及接收信号实时显示模块15。射频接收配置模块13用于设置接收USRP的相关参数,如参考时钟源类型、设备IP地址、IQ采样率、信号增益、载波频率、以及有效天线。接收信号存储模块14根据指定路径,以txt文件形式存储接收信号、发送信号以及接收信号与发送信号的相关函数。此处的接收信号是指接收USRP8解调后发送来的数字基带信号。在接收端PC9上设置有与发送端PC1同样的发送信号生成程序,设置相同的参数产生数字基带信号,即发送信号。接收信号实时显示模块15对接收信号数据以及发送信号与接收信号的相关函数数据进行实时数据显示,以验证测量过程的可靠性。同时接收信号实时显示模块15还利用滑动窗口法实时计算接收信号的功率。[0040] 信号处理模块包括接收信号读取模块16、接收信号同步模块17、以及信道参数估计模块18。接收信号读取模块16根据指定路径读取接收信号数据。接收信号同步模块17用于截取一个完整周期的接收信号并找到起始位置。信道参数估计模块18基于EM算法从接收信号中估计出信道多径时延和多径幅度参数,同时结合系统参数计算模块20提供的参数进行误差补偿,最终输出正确的信道测量结果。[0041] 误差补偿模块具体由系统响应数据读取模块19和系统参数计算模块20实现。本发明采用基于系统超调响应的误差补偿算法,对测量系统带来的波形失真进行修正。系统响应数据读取模块19用于读取发送USRP2和接收USRP8直接连接得到的系统响应数据。系统参数计算模块20采用基于系统超调响应的误差补偿算法计算出测量系统的超调响应指标以及用于补偿的系统参数。[0042] 下面详细说明本测量系统的实现步骤。采用矩形脉冲成型的m序列为信道测量信号,接收信号具体处理过程如图3所示。具体包括以下5个步骤:[0043] 第1步:根据测量场景需要,如图1所示搭建整个多径衰落信道测量系统。[0044] 第2步:发送信号参数配置。[0045] 步骤2.1,产生数字基带信号。[0046] 在发送端PC1上选择需要发送的信道测量信号类型,如矩形脉冲成型的m序列,并设置发送信号时间长度,信号幅度值,码元个数(可选)三个参数。这一步完成发送数据比特的产生,信号调制映射和信号脉冲成型。[0047] 步骤2.2,配置发送信号参数。[0048] 在发送端PC1上设置时钟参考源类型为RefIn,选择有效天线为TX1。输入设备IP地址,设置IQ采样率,载波频率以及增益。[0049] 在发送端PC1上完成上述配置即可运行程序循环发送信号。发送USRP2根据参数配置,将从发送端PC1传输的数字基带信号进行数字上变频,转化为400MS/s的高速数字信号,然后利用数模转化模块将数字信号转化为模拟信号,最后将模拟信号与指定频率的载频信号进行混频并发送。[0050] 第3步:接收信号参数配置。[0051] 步骤3.1,接收数据存储配置。[0052] 在接收端PC9上输入存储文件夹的名称作为接收信号的存储路径,设置接收信号时间长度与步骤2.1中发送信号时间长度一致。选择发送数据类型与步骤2.1中一致。[0053] 步骤3.2,配置接收信号参数。[0054] 在接收端PC9上设置时钟参考源类型为RefIn,选择有效天线为RX2。输入设备IP地址和增益。设置IQ采样率和载波频率与步骤2.2中一致。[0055] 在接收端PC9上完成上述配置即可运行程序接收信号,并以txt格式存储到指定路径。接收USRP8根据参数配置,接收指定频点的高频信号,并进行混频和滤波得到低频模拟信号,然后利用模数转化模块将模拟信号转化为100MS/s高速数字信号,通过数字下变频模块将高速数字信号转化为指定采样率的数字基带信号,通过以太网传输至接收端PC9。[0056] 第4步:处理接收信号获取信道特性,整体接收信号处理流程如图3所示。[0057] 步骤4.1,读取接收信号数据,并进行同步处理。[0058] 在Matlab软件中,根据步骤3.2中指定路径读取接收信号数据。将发送信号与接收信号进行相关运算,找到相关值最大处,即为接收信号数据帧头的位置。将接收信号进行移位操作。[0059] 步骤4.2,读取测量系统响应数据,并进行同步处理。[0060] 通过射频线直接连接发送USRP2和接收USRP8,得到测量系统响应数据。在Matlab软件中,读取上述数据。将发送信号与测量系统响应数据进行相关运算,找到相关值最大处,即测量系统响应数据的起始位置。[0061] 步骤4.3,对接收信号进行基于EM算法的信道参数估计,得到多径信道时延和幅度参数估计结果M={τ;α},其中τ和α均表示含有L个元素的集合,L为正整数。测量系统带宽限制问题使得接收信号波形产生畸变,进而导致测量误差,主要表现为估计路径结果数目远大于真实路径数目,图4给出了真实信道和含有测量误差的信道估计结果图,需要对接收信号进行补偿,消除误差。[0062] 步骤4.4,定义一条真实路径由于系统误差可以产生P0条估计路径结果,估计路径结果中幅度呈上升趋势的连续路径数目为P1,估计结果中时延最小的路径与真实路径的时间差为P2,由采样点数目表示,具体如图4所示。上述参数P0,P1,P2通过系统超调响应指标计算得到。[0063] 由测量系统响应数据获取超调响应指标,包括延迟时间τd和调节时间τs。根据调节时间τs计算出P0,调整时间τs内,满足相关函数二阶微分导数大于设定阈值的采样点数为P0。[0064] P0=card{τ|R″(τ)>thresh,0≤τ≤τs}[0065] 其中,card(A)表示集合A的元素数目,R(τ)为接收信号与发送信号的相关函数,R″(τ)为相关函数二阶微分导数。τ表示时延。[0066] 根据延迟时间τd计算出P1,在延时小于τd的时间内,满足相关函数二阶微分导数大于设定阈值的失真采样点数量为P1,这反映了可能被估计出的路径。[0067] P1=card{τ|R″(τ)>thresh,0≤τ<τd}[0068] 本发明实施例中,阈值thresh均设置为0.25*β,β表示发送信号中上升沿的数目。[0069] 根据延迟时间τd和P1确定P2的值,用于确定真实路径时延参数。[0070] P2=τd‑P1[0071] 得到修正误差的补偿信号e(n):[0072][0073] 其中,E是测量系统响应信号的平均功率,N表示信号长度。P(n)表示测量系统响应数据,a(n)表示发送信号数据。[0074] 步骤4.5,获取补偿多径参数。[0075] 根据4.3的多径估计结果和步骤4.4的系统参数P0,P1,P2和e(n)。针对于步骤4.3中的估计结果集合M,找到P0个连续时延估计点和对应的估计幅度,构成集合M0={τ0,τ0+1,…,τ0+P0‑1;α(τ0),..,α(τ0+P0‑1)}。根据以下规则获取K个补偿多径参数集合M1,M2,…MK。τ0为多径信道时延参数集合τ中的一个元素,α(τ0)为时延τ0为对应的幅度估计值。集合M0中的时延τ0,τ0+1,…,τ0+P0‑1均在集合τ中,M0是集合M的一个子集。找到所有满足上述条件的子集后,再从中筛选出满足条件1或者条件2的子集,作为最后的补偿参数集合,补偿参数集合的总数目为K。[0076] 条件1:α(τ0),..,α(τ0+P1)是递增序列,包括α(τ0)=0情况。[0077] 条件2:α(τ0),..,α(τ0+P0‑1)都大于0,且α(τ0+P0)=0。[0078] 步骤4.6,根据K个补偿参数集合,依次对接收信号进行补偿。[0079] 利用步骤4.5中的补偿多径参数集合Mi={σi,…,σi+P0‑1;α(σi),..,α(σi+P0‑1)},对接收信号进行路径补偿,即对接收信号依次加上如下序列:[0080] (α(τi)+…+α(σi+P0‑1))*e(n‑τi‑P2)[0081] 其中,σi为集合Mi中第一个估计时延,α(τi)为时延τi的估计幅度,e(n‑τi‑P2)为补偿信号,表示e(n)信号左移τi+P2个采样点。[0082] 步骤4.7,信道参数估计。[0083] 对补偿后的接收信号进行EM算法参数估计,得到估计结果,然后转步骤4.5更新补偿参数集合中时延的幅度估计值,然后继续选择下一个补偿参数集合进行补偿。[0084] 经过K次步骤4.5~4.7的迭代,每次补偿一组参数。[0085] 步骤4.8,输出K次补偿后最终测量的信道多径参数。[0086] 第5步:信道测量结果分析。[0087] 步骤5.1,在同一场景下多次测量,获得该场景下T组信道多径参数测量结果。T为大于2的整数。[0088] 步骤5.2,主要路径确定及测量误差分析。[0089] 给出多径衰落信道参数测量结果的概率密度分布,由概率密度分布得到该测量场景下的主要路径。根据系统最小分辨率,以概率的形式给出主要路径的测量误差。[0090] 步骤5.3,幅度测量结果。[0091] 由T次测量结果确定主要路径的幅度统计平均值。至此,得到该场景下的一次多径衰落信道测量结果。[0092] 下面给出一个具体的例子更加详细说明上述软件处理部分的内容,即第4步和第5步过程。[0093] 第4步:处理接收信号获取信道特性。[0094] 步骤4.1,读取接收数据存储为变量y。读取发送数据存储为变量s。将变量y与变量s进行如下的相关计算,得到相关结果R(τ)。[0095][0096] 其中,y(l)表示变量y的第l个值,s(l+τ)表示变量s的第l+τ个值。[0097] 取使得相关函数最大值的τ值为σmax。[0098] 如果τmax大于等于0,将变量y左移|τmax|个采样点,如果τmax小于0,将变量y右移|τmax|个采样点。[0099] 步骤4.2,读取系统响应数据存储为变量a。将变量a与变量s进行相关计算,得到相关结果R(τ)。取使得相关函数最大值的τ值为τmax。如果τmax大于等于0,将变量a左移|τmax|个采样点,如果τmax小于0,将变量a右移|τmax|个采样点。[0100] 步骤4.3,对y进行EM算法估计,得到多径信道时延和幅度参数估计结果,如下表2所示。[0101] 表2多径信道时延和幅度参数估计[0102][0103][0104] 步骤4.4,通过步骤4.2中的测量系统响应数据a计算系统超调响应参数,并计算对应的测量系统畸变点数P0,连续畸变点数P1以及起始位置P2,结果如下表3所示。[0105] 表3计算的测量系统参数[0106][0107] 计算修正误差的补偿信号:[0108][0109] 步骤4.5,根据信道参数估计结果和补偿参数,获取补偿多径参数如表4所示。[0110] 表4获取的补偿多径参数[0111][0112] 结合表2,根据估计结果可以得到补偿参数集合:[0113] M1={0,1,2,‑0.0036‑0.0092i,‑0.0083‑0.0185i,0.0079‑0.0059i},满足条件1。[0114] M2={2,3,4,0.0079‑0.0059i,0.0345+0.0079i,0.0186+0.0038i},满足条件1。[0115] M3={3,4,5,0.0345+0.0079i,0.0186+0.0038i,0.0009+0.0016i},满足条件2。[0116] M4={9,10,11,‑0.0006+0.0017i,0.0021+0.0012i,0.0003+0.0005i},满足条件2。[0117] 步骤4.6,补偿第一条路径,根据上表4做如下计算。其中yI表示接收信号y的实部,yQ表示接收信号y的虚部。[0118] y=yI+0.0344e+j[yQ‑0.0395e][0119] 步骤4.7,对上述补偿后的y进行参数估计,得到如下表5的估计结果:[0120] 表5信道参数估计结果[0121][0122] 重复步骤4.5~步骤4.7至如表4所示的4条路径均补偿完毕。补偿过程中的接收信号波形变化如图5所示。[0123] 步骤4.8,输出最终的测量结果,如下表6所示。[0124] 表6最终测量结果[0125][0126] 第5步:信道测量结果分析。[0127] 步骤5.1,在同一场景下多次测量,获得该场景下20组如表6所示的信道多径参数测量结果。[0128] 步骤5.2,主要路径确定及测量误差分析。给出多径衰落信道时延参数测量结果的概率密度分布,如图6所示。选取概率大的作为主要路径。由图6可以确定主要路径为时延为0,2和9个采样点。[0129] 步骤5.3幅度测量结果。根据步骤5.2确定的主要路径,计算对应的幅度统计平均值。最终多径衰落信道测量结果和误差如表7所示。其中,假设系统采样间隔为50ns,也就是系统分辨率为50ns。[0130] 表7多径衰落信道测量结果和误差[0131][0132] 由上说明了本发明的多径衰落信道测量系统,在信道测量信号处理过程中,采用基于系统超调响应的误差补偿算法,对于系统带宽限制带来的测量误差进行补偿修正,同时结合EM估计算法获得更加精确的测量结果。

专利地区:北京

专利申请日期:2022-08-25

专利公开日期:2024-06-18

专利公告号:CN115473596B

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