一种多频段无线信道测量校准方法和系统与流程

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种多频段无线信道测量校准方法和系统。

背景技术：

无线移动通信正从传统的人与人通信延伸到物与物、人与物智能互联，渗透至更加广阔的行业和领域，缔造出规模空前的新兴产业，但同时海量的设备连接和多样化的网络架构也会给移动通信带来新的技术挑战。新一代移动通信系统面临的无线环境更为复杂多样，只有深入研究无线信道特性，才能根据具体应用环境进行有针对性的系统设计，优化系统性能。

研究无线信道特性最直接的方法是进行实地场景的无线信道测量。未来移动通信系统的高速率特性要求信道测量结果必须更加精确。根据信道测量理论，系统的时延分辨力与测量带宽成反比，即要想获得更精确的多径信道测量结果，就必须提高测量信号带宽。但是，硬件系统的AD/DA采样率和射频器件工作带宽有限，这限制了系统的测量带宽；若采用更高速率的AD/DA和更宽频段的射频器件，会显著增加硬件成本。

技术实现要素：

本发明的实施例提供了一种多频段无线信道测量校准方法和系统。

本发明提供了如下方案：

一种多频段无线信道测量校准方法，主要步骤包括：

构造单径校准信道，执行N个连续频段的单径校准信道测量，其中，N不少于1个；

对N个频段上的频域响应建模：

其中，f为频率，R_si(f)为频域接收信号，T(f)为频域发送信号，A_si(f)为系统的幅频响应，φ_si(f)为系统的相频响应，i表示第i个频段；

获取每个频段幅频响应，通过幅频校准处理，获取幅度校准数据；

对每个频段的相频响应建模：

其中，k_i为相频响应的斜率，为非线性相位；

获取每个频段的相频响应斜率，并据此获取采样误差校准数据；

获取每个频段内非线性相位，通过非线性相位校准处理，获取非线性相位校准数据；

采用所述N个连续频段对实际信道进行测量，获得实测信道各频段的频域响应；

根据所述幅度校准数据、所述采样误差校准数据以及所述非线性相位校准数据对实测信道各频段的频域响应进行校准。

进一步，所述幅频校准处理，包括：

将N个频段的系统幅频响应拼接，以幅频响应最高点为参照进行归一化处理，获取单次幅度校准A_s0(f)(dB)；

获取多次测量结果的幅度校准A_s0(f)(dB)，取平均值，抑制噪声影响，并取对数坐标，获取幅度校准数据A_sv(f)(dB)。

进一步，所述获取每个频段的相频响应斜率，并据此获取采样误差校准数据，包括：

估测每个频段的相频响应斜率k_i，每个频段的相频响应的斜率对应于时域信号的采样时延误差Δt_i＝-k_i；

多次测量N个频段，对多次测量的Δt_i取平均值，获取采样误差校准数据Δt_vi。

进一步，所述获取每个频段内非线性相位，通过非线性相位校准处理，获取非线性相位校准数据，包括：

对每个频段取相对第一个频点的差值：

对N个频段处理，并依次拼接，获得单次测量结果的非线性相位获取多次测量结果的非线性相位取平均值，获取非线性相位校准数据

进一步，所述根据所述幅度校准数据、所述采样误差校准数据以及所述非线性相位校准数据对实测信道各频段的频域响应进行校准，包括：

获得实测信道的每个频段的初始信道频域响应H_i(f)；

根据所述采样误差校准数据Δt_vi对每个频段的初始信道频域响应H_i(f)进行采样误差补偿；

将采样误差补偿后的各频段拼接，分别根据所述幅度校准数据对每个频段进行幅度补偿；

分别根据所述非线性相位校准数据对每个频段进行非线性相位补偿；

再获取实测信道相邻频段相频响应之间的随机相位误差：

其中，i为频段序号，K为一个频段内的频点数，为第i个频段内第K个频点上的实测信道相频响应，为第i+1个频段内第1个频点上的实测信道相频响应；

对实测信道的N个频段依次进行随机相位误差校准，消除每个频段的实测信道随机相位误差：

估测实测信道的N个频段上的相频响应的斜率并将其消除，获取信道本身的相频响应。

根据本发明的另一方面，还提供一种多频段无线信道测量校准系统，主要包括：

校准建模模块：其用于构造单径校准信道，执行N个连续频段的单径校准信道测量，其中，N不少于1个；

对N个频段上的频域响应建模：

其中，f为频率，R_si(f)为频域接收信号，T(f)为频域发送信号，A_si(f)为系统的幅频响应，φ_si(f)为系统的相频响应，i表示第i个频段；

幅频校准模块：其用于获取每个频段幅频响应，通过幅频校准处理，获取幅度校准数据；

相频建模模块：其用于对每个频段的相频响应建模：

其中，k_i为相频响应的斜率，为非线性相位；

采样误差校准模块：其用于获取每个频段的相频响应斜率，并据此获取采样误差校准数据；

非线性相位校准模块：其用于获取每个频段内非线性相位，通过非线性相位校准处理，获取非线性相位校准数据；

测量校准模块：其用于采用所述N个连续频段对实际信道进行测量，获得实测信道各频段的频域响应，根据所述幅度校准数据、所述采样误差校准数据以及所述非线性相位校准数据对实测信道各频段的频域响应进行校准。

进一步，所述幅频校准模块，具体用于：

将N个频段的系统幅频响应拼接，以幅频响应最高点为参照进行归一化处理，获取单次幅度校准A_s0(f)(dB)；

获取多次测量结果的幅度校准A_s0(f)(dB)，取平均值，抑制噪声影响，并取对数坐标，获取幅度校准数据A_sv(f)(dB)。

进一步，所述采样误差校准模块，具体用于：

估测每个频段的相频响应斜率k_i，每个频段的相频响应的斜率对应于时域信号的采样时延误差Δt_i＝-k_i；

多次测量N个频段，对多次测量的Δt_i取平均值，获取采样误差校准数据Δt_vi。

进一步，所述非线性相位校准模块，具体用于：

对每个频段取相对第一个频点的差值：

对N个频段处理，并依次拼接，获得单次测量结果的非线性相位

获取多次测量结果的非线性相位取平均值，获取非线性相位校准数据

进一步，所述测量校准模块，具体用于：

获得实测信道的每个频段的初始信道频域响应H_i(f)；

根据所述采样误差校准数据Δt_vi对每个频段的初始信道频域响应H_i(f)进行采样误差补偿；

将采样误差补偿后的各频段拼接，分别根据所述幅度校准数据对每个频段进行幅度补偿；

分别根据所述非线性相位校准数据对每个频段进行非线性相位补偿；

再获取实测信道相邻频段相频响应之间的随机相位误差：

其中，i为频段序号，K为一个频段内的频点数，为第i个频段内第K个频点上的实测信道相频响应，为第i+1个频段内第1个频点上的实测信道相频响应；

对实测信道的N个频段依次进行随机相位误差校准，消除每个频段的实测信道随机相位误差：

估测实测信道的N个频段上的相频响应的斜率并将其消除，获取信道本身的相频响应。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例一种多频段无线信道测量校准方法和系统。包括：构造单径校准信道，执行N个连续频段的单径校准信道测量，其中，N不少于1个；获取每个频段幅频响应，通过幅频校准处理，获取幅度校准数据；获取每个频段的相频响应斜率，并据此获取采样误差校准数据；获取每个频段内非线性相位，通过非线性相位校准处理，获取非线性相位校准数据；采用所述N个连续频段对实际信道进行测量，获得实测信道各频段的频域响应；根据所述幅度校准数据、所述采样误差校准数据以及所述非线性相位校准数据对实测信道各频段的频域响应进行校准。该方法和系统可以在不改变原有信道测量系统基带带宽和采样率的前提下，通过有限复杂度的校准环节，成倍提高实际测量带宽，从而获得更高的时延分辨力，具有低成本、高性能的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一有线单径校准测量系统配置信息表；

图2为本发明实施例一提供的一种多频段无线信道测量校准方法的处理流程图；

图3为各频段幅频校准处理的示例；

图4为相邻测量频段采样误差示意图；

图5为各频段采样误差示例；

图6为各频段非线性相位补偿数据示例；

图7为有线两径校准信道；

图8为系统校准后获得的两径信道幅频响应和相频响应；

图9为系统校准后获得的两径信道功率时延谱；

图10为本发明实施例二提供的一种多频段无线信道测量校准系统的模块图。

具体实施方式

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一

该实施例提供了一种多频段无线信道测量校准方法的处理流程如图2所示，本实施例中，以5GHz频段连续10个20MHz频带的联合信道测量校准为例，对本发明实施步骤进行详细说明。校准环境参数配置如图1所示，收发端采用同一个高精度GPS时钟源同步，没有频偏，在一个测量周期内进行10个连续频段的信道测量，覆盖200MHz带宽。基带信号格式遵从802.11a标准，但是除DC子载波外其余63个子载波均调制数据。

接收端存储接收信号进行数据后处理，首先进行精准的帧同步，确保没有超前或滞后。然后根据收发两端存储的发送和接收数据，按照如下步骤执行：

步骤11、构造单径校准信道，执行N个连续频段的单径校准信道测量，其中，N不少于1个，

对N个频段上的频域响应建模：

其中，f为频率，R_si(f)为频域接收信号，T(f)为频域发送信号，A_si(f)为系统的幅频响应，φ_si(f)为系统的相频响应，i表示第i个频段；

步骤12、获取每个频段幅频响应，通过幅频校准处理，获取幅度校准数据；

所述幅频校准处理，包括：

将N个频段的系统幅频响应拼接，以幅频响应最高点为参照进行归一化处理，获取单次幅度校准A_s0(f)(dB)；

获取多次测量结果的幅度校准A_s0(f)(dB)，取平均值，抑制噪声影响，并取对数坐标，获取幅度校准数据A_sv(f)(dB)，附图3为本实施例中上述示例的各频段幅频校准处理的示例。

步骤13、对每个频段的相频响应建模：

其中，k_i为相频响应的斜率，为非线性相位；

步骤14、获取每个频段的相频响应斜率，并据此获取采样误差校准数据；

所述获取每个频段的相频响应斜率，并据此获取采样误差校准数据，包括：

估测每个频段的相频响应斜率k_i，每个频段的相频响应的斜率对应于时域信号的采样时延误差Δt_i＝-k_i；

多次测量N个频段，对多次测量的Δt_i取平均值，获取采样误差校准数据Δt_vi。如附图5各频段采样误差示例所示。

帧同步没有误差，即可以确定接收到的第1个样点就是发送信号的第1个样点，但是，由于此处进行操作的是离散的数字信号，即便是收发样点序号对应，仍不能保证在一个码元时长内的采样时刻完全对应，可参照附图4相邻测量频段采样误差，收发采样误差Δt_i范围为[-Ts/2,Ts/2]，其中Ts为码元时长，给校准系统的相频响应引入了一个固定斜率，需要在校准过程中消除。

步骤15、获取每个频段内非线性相位，通过非线性相位校准处理，获取非线性相位校准数据；

所述获取每个频段内非线性相位，通过非线性相位校准处理，获取非线性相位校准数据，包括：

对每个频段取相对第一个频点的差值：

对N个频段处理，并依次拼接，获得单次测量结果的非线性相位

获取多次测量结果的非线性相位取平均值，获取非线性相位校准数据如图6各频段非线性相位补偿数据示例所示。

步骤16、采用所述N个连续频段对实际信道进行测量，获得实测信道各频段的频域响应，根据所述幅度校准数据、所述采样误差校准数据以及所述非线性相位校准数据对实测信道各频段的频域响应进行校准。

本实施例中，为了能够验证本发明方法的准确性，此处采用有线两径信道，参见附图7，两条路径的相对时延和相对功率是确定的，可以用于验证校准后的实测结果是否符合实际信道。测量过程与上面单径校准测量相同。由于10个频段总共覆盖200MHz的测量带宽，对应的时延分辨力为5ns，因此有线两径信道长度相差3m，理论上对应的时间差为10ns，如果能区分出两径信号，则证明测量系统达到了理论性能，校准方法切实可行。需要注意的是，由于同轴电缆的相对介电常数一般大于1，因此电波在同轴电缆中的传播速度小于光速，实际两径信道的相对时延可能大于10ns。

所述根据所述幅度校准数据、所述采样误差校准数据以及所述非线性相位校准数据对实测信道各频段的频域响应进行校准，包括：

获得实测信道的每个频段的初始信道频域响应H_i(f)；

根据所述采样误差校准数据Δt_vi对每个频段的初始信道频域响应H_i(f)进行采样误差补偿；

将采样误差补偿后的各频段拼接，分别根据所述幅度校准数据对每个频段进行幅度补偿；

分别根据所述非线性相位校准数据对每个频段进行非线性相位补偿；

再获取实测信道相邻频段相频响应之间的随机相位误差：

其中，i为频段序号，K为一个频段内的频点数，为第i个频段内第K个频点上的实测信道相频响应，为第i+1个频段内第1个频点上的实测信道相频响应；

对实测信道的N个频段依次进行随机相位误差校准，消除每个频段的实测信道随机相位误差：

估测实测信道的N个频段上的相频响应的斜率并将其消除，获取信道本身的相频响应。

具体地，消除各频段间随机相位误差后，N个频段的整体相频响应可以表示为：

其中，k₀为斜率，主要由采样误差校准阶段引入，为实际信道的相频响应。估测整体相频响应斜率k₀并将其消除，获取信道本身的相频响应。整体相频响应的斜率是由采样误差阶段引入的，消除方法也与之类似，即有线校准获得的各个频段的采样误差与实际信道测量时获得的各频段采样误差可能均存在一个Δt＝-k₀的误差，这样采样误差校准后仍会有一个残留误差，在最后消除。

以上述附图7的两径信道为例，

获得实测信道的每个频段的初始信道频域响应H_i(f)；

根据所述采样误差校准数据Δt_vi对每个频段的初始信道频域响应H_i(f)进行采样误差补偿：H_i(f)*exp(-j2πfΔt_vi)；

将采样误差补偿后的各频段拼接获取H₀(f)，分别根据所述幅度校准数据对每个频段进行幅度补偿H₁(f)＝H₀(f)*10^(Asv(f)(dB)/20)；

再分别根据所述非线性相位校准数据对每个频段进行非线性相位补偿

消除相邻频段相频响应之间的随机相位误差使整体相频响应具有连续性，得到H₃(f)；

估计所有频段的整体相频响应斜率，消除采样误差校准环节引入的系统误差，得到H₄(f)＝H₃(f)*exp(-j2πk₀)。

由H₄(f)获取时域信道冲击响应h(t)＝IFFT{H₄(f)}。

经过以上校准步骤后，得到待测信道的频域响应和时域冲击响应，如附图8和附图9所示。根据设置的有线两径信道，两径时延差应略大于10ns，功率差经实际测量为8.1dB。从恢复的信道时域冲击响应来看，两径时延差为12.5ns，功率差为7.65dB，与实际信道设置比较吻合，证明本发明所提出的多频段联合测量信道校准方法是可行的。

实施例二

该实施例提供了一种多频段无线信道测量校准系统，其具体实现结构如图10所示，具体可以包括如下的模块：

校准建模模块101：其用于构造单径校准信道，执行N个连续频段的单径校准信道测量，其中，N不少于1个；

对N个频段上的频域响应建模：

其中，A_si(f)为系统的幅频响应，φ_si(f)为系统的相频响应，i表示第i个频段；

幅频校准模块102：其用于获取每个频段幅频响应，通过幅频校准处理，获取幅度校准数据；

相频建模模块103：其用于对每个频段的相频响应建模：

其中，k_i为相频响应的斜率，为非线性相位；

采样误差校准模块104：其用于获取每个频段的相频响应斜率，并据此获取采样误差校准数据；

非线性相位校准模块105：其用于获取每个频段内非线性相位，通过非线性相位校准处理，获取非线性相位校准数据；

测量校准模块106：其用于采用所述N个连续频段对实际信道进行测量，获得实测信道各频段的频域响应，根据所述幅度校准数据、所述采样误差校准数据以及所述非线性相位校准数据对实测信道各频段的频域响应进行校准。

所述幅频校准模块102，具体用于：

将N个频段的系统幅频响应拼接，以幅频响应最高点为参照进行归一化处理，获取单次幅度校准A_s0(f)(dB)；

获取多次测量结果的幅度校准A_s0(f)(dB)取平均值，抑制噪声影响，并取对数坐标，获取幅度校准数据A_sv(f)(dB)。

所述采样误差校准模块104，具体用于：

估测每个频段的相频响应斜率k_i，每个频段的相频响应的斜率对应于时域信号的采样时延误差Δt_i＝-k_i；

多次测量N个频段，对多次测量的Δt_i取平均值，获取采样误差校准数据Δt_vi。

所述非线性相位校准模块105，具体用于：

对每个频段取相对第一个频点的差值：

对N个频段处理，并依次拼接，获得单次测量结果的非线性相位

获取多次测量结果的非线性相位取平均值，获取非线性相位校准数据

所述测量校准模块106，具体用于：

获得实测信道的每个频段的初始信道频域响应H_i(f)；

根据所述采样误差校准数据Δt_vi对每个频段的初始信道频域响应H_i(f)进行采样误差补偿；

将采样误差补偿后的各频段拼接，分别根据所述幅度校准数据对每个频段进行幅度补偿；

再分别根据所述非线性相位校准数据对每个频段进行非线性相位补偿；

分别根据所述非线性相位校准数据对每个频段进行非线性相位补偿；

再获取实测信道相邻频段相频响应之间的随机相位误差：

其中，i为频段序号，K为一个频段内的频点数，为第i个频段内第K个频点上的实测信道相频响应，为第i+1个频段内第1个频点上的实测信道相频响应；

对实测信道的N个频段依次进行随机相位误差校准，消除每个频段的实测信道随机相位误差：

估测实测信道的N个频段上的相频响应的斜率并将其消除，获取信道本身的相频响应。

具体地，消除各频段间随机相位误差后，N个频段的整体相频响应可以表示为：

其中，k₀为斜率，主要由采样误差校准阶段引入，为实际信道的相频响应。估测整体相频响应斜率k₀并将其消除，获取信道本身的相频响应。

用本发明实施例的系统进行多频段无线信道测量校准的具体过程与前述方法实施例类似，此处不再赘述。

综上所述，本发明实施例提供了一种多频段无线信道测量校准方法和系统。包括：构造单径校准信道，执行N个连续频段的单径校准信道测量，其中，N不少于1个；获取每个频段幅频响应，通过幅频校准处理，获取幅度校准数据；获取每个频段的相频响应斜率，并据此获取采样误差校准数据；获取每个频段内非线性相位，通过非线性相位校准处理，获取非线性相位校准数据；采用所述N个连续频段对实际信道进行测量，获得实测信道各频段的频域响应；根据所述幅度校准数据、所述采样误差校准数据以及所述非线性相位校准数据对实测信道各频段的频域响应进行校准。该方法和系统可以在不改变原有信道测量系统基带带宽和采样率的前提下，通过有限复杂度的校准环节，成倍提高实际测量带宽，从而获得更高的时延分辨力，具有低成本、高性能的特点。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。