stupid的博客

作者：David A.Hall,无线产品经理,美国国家仪器(NI)公司 

几个月前，我和两个要好的朋友在纽约市开车。第一个朋友是真人，第二个朋友是可信赖的GPS导航系统。遗憾的是，正是这一天我对GPS的信任发生了动摇。如果你去过纽约，你就知道曼哈顿岛和布鲁克林区是在东河的两边，相互间通过著名的布鲁克林桥连接。作为一名无线工程师，你可能也知道城市这个特定环境会给无线通信系统带来很大的挑战。在那个特定的下午，GPS设备估计很难跟踪到卫星，以至于将我们的位置误判为布鲁克林，而当时我们其实是在曼哈顿岛，相互间距离有半英里呢。我的朋友GPS导航系统有史以来第一次迷失了方向。

就象上述故事所描写的那样，城市环境将给无线通信信道带来严重的损伤。由于周围有许多高大建筑和无线发射机，城市环境将导致严重的多径传播和干扰。而且这些特性是动态的，会根据时间、温度甚至天气条件而变化。因此目前的工程师在确认每个新的接收机设计是否能在各种无线环境中有效工作时任务非常艰巨。

虽然无线工程师可以通过信道模拟的方法对无线通信信道中常见的许多损伤进行建模，但光靠建模是不够的。一般来说，接收机确认需要在实际应用环境中做一系列的现场试验。不幸的是，在许多种类的实际环境中测试一个设备代价高昂。而且由于很难重建特殊的环境条件，其测试结果一致性都很差。这是在设计确认阶段存在的问题，在这个阶段保持每个接收机设计版本的一致性非常重要。

正是基于这样的原因，目前许多工程师开始采用无线记录和回放系统作为设计确认的一个主要工具。这些系统可以记录部分无线频谱，时间长达几个小时，并且可以存成基带波形。然后在实验室中用矢量信号发生器回放出来。无线记录和回放系统与传统方法相比具有许多优点，可以帮助工程师用更符合实际的损伤条件去测试接收机。

环境中的挑战

为了理解实际应用环境中接收机确认的重要性，首选要检查无线通信信道上的损伤效应。一般来说，工程师会根据两大测量指标评估接收机的质量，即误码率(BER)和误差矢量幅度(EVM)。BER可能是衡量接收机性能的最通用指标，它代表了接收错误比特的概率。因为测量特别小的BER非常耗时，也可以用EVM来预测BER。如图1所示。

从图1可以看出，当EVM在特定门限值下不断下降时，误码率会急剧降低。为了方便说明，我们可以假设误码是纯粹由白高斯噪声引起的。在这种情况下，我们可以根据下列公式推导出未编码的相干QPSK信道中的BER。

*erfc(x)是误码余函数，可以用来估计概率值。

由于EVM可以用来计算BER，我们在评估各种信道损伤时可以将EVM作为比较尺度。本文要介绍的损伤情形包括了噪声、邻道干扰和多径失真。下文所说的所有损伤都是用NI调制工具套件产生的，这是NI公司开发的用于创建基带波形的一套LabVIEW附加工具。

在理想情况下，发送信号的功率要比接收机的噪声电平大得多。然而，离开发射机的距离越长，信号强度就越弱，因此上述条件并不总是成立的。通常用信噪比(SNR)估计通信信号的质量。

为了描述这种现象，可以在调制过的基带波形中引入额外的白高斯噪声(AWGN)以降低SNR。噪声可以在星座图上显示出来，它导致的结果就是每个符号的展宽。

如图2所示，减少SNR会给调制过的信号增加更多的不确定性。到特定的门限值(本例仿真用的接收机是30dB)，数据几乎没有可靠性可言。事实上，图2中所示旋转的星座图代表了载频失锁。此时EVM将有显著增加。

邻道干扰   在无线通信信道中常见的第二种损伤是来自邻近载频的干扰。虽然相关的政府法规和标准组织为了限制干扰对辐射到相邻波段的信号电平有规定，但不能完全消除这种辐射。因此现代接收机一般都要采用滤波技术来解决邻道干扰问题。图3给出了与WCDMA载频相邻的一个单音信号。   干扰对调制过的信号的影响程度取决于干扰功率及其频率偏移。一般来说干扰的功率越大、与目标波段越接近，干扰问题就越严重。为了便于解释，我们可以比较存在单音载频的16-QAM信号的星座图，其中单音载频与中心频率相距4MHz。   如图4所示，EVM随着邻道干扰功率的增加而增加。在最右边的那张图中可以看到，随着EVM的急剧增加，接收机的载频将失锁。           模拟多径传播   无线环境的一个最有趣的特性是多径信号传播。为了便于理解多径传播如何影响接收机，可以设想站在长廊的一头听声音。在这种情况下，说话者的声音会沿着多个路径传送，因为它会在传送过程中碰到墙、椅子和其它东西而反射。由于其中某些路径比其它路径长，你的耳朵(接收机)将听到声音有一点失真。   在无线通信信道中，电磁波同样具有上述回声特性。在这种环境中，反射波会比直接路径信号稍慢些到达接收机。结果就造成了码间干扰(ISI)现象，它将降低接收机性能。这一现象如图5所示。       在美国国家仪器公司(NI)的LabVIEW中，多径失真可以通过莱斯衰落理论进行建模。莱斯理论是一种数学模型，用于表述发射机到接收机之间仍存在直接视距的多径特性。值得注意的是，相似的多径衰落理论-瑞利衰落也经常用来建模多径传播。   当应用莱斯衰落理论时，很重要的一点是要考虑环境的两大特性。第一个特性是多普勒频移，这是当载频的波长由于接收机的移动而“出现”不同时产生的明显的频率偏移。第二个特性是莱斯参数，也称作“K”参数。这一参数代表了直接路径强度与合计反射路径强度的比值。K参数越小，直接路径信号的幅度就越小。   为了描述这种效应，图6比较了符号速率为3.84Msps的16-QAM信号的K参数。每个图施加的多普勒频移是5kHz。   如图6所示，视距信号特性越弱，多径衰落的效果就越明显。图6还告诉我们，ISI会造成符号展宽，从而增加EVM。

无线接收机确认

如前所述，信道损伤是工程师在设计确认中必须解决的艰巨挑战。因此确认过程一般需要包括仿真和/或驾车测试，才能确保接收机在最终环境中具有足够的性能。

在仿真阶段，信道模拟器用于施加与上述相同的一些损伤因素。虽然这种方法可以呈现给接收机与最终环境看起来相似的模型，但它不能解决众多环境条件问题。因此信道模拟通常还需要一系列的驾车测试来弥补。

在驾车测试阶段，原型机将在已知对接收机来说相当恶劣的环境中进行测试。这种接收机设计确认方法可以确保接收机可以在最恶劣的环境中正常工作。然而，驾车测试有两个显著的缺点。第一，这种方法成本高，非常耗时，特别是当测试涉及多个物理位置时。第二，现场测试可能产生不一致的结果，因为很象重建象交通、天气和天线方向等变量。因此对无线工程师来说就很难在每次接收机设计改版时实施可重复的测量。

由于存在这些挑战，一种越来越流行的确认方法是采用面向仪器的PCI扩展(PXI)无线记录和回放系统记录真实信号。在应用这种方法时，需要在实际环境中设立一台无线矢量信号分析仪用于捕获感兴趣的频谱。捕获到的信号再以基带波形的方式存储到磁盘阵列(RAID)中。一旦存储好后，可以在实验室环境中用矢量信号发生器产生记录的信号，并以此作为测试激励。

无线记录和回放系统可以使设计师的确认工作变得准确和可重复。由于记录的信号包含干扰和多径传播等损伤条件，因此这些波形可以提供对实际应用环境更真实的再现。

将无线数据流存储到磁盘

PXI无线记录和回放系统只有通过仪器技术的多项重要创新才有可能实现。包括了数据总线速度和磁盘速度提高的这些创新实现了波形存储的新突破。近来最著名的创新之一是PCI Express数据总线的采用，它能使传送到每个仪器的数据速率高达1GB/s。

传统的无线仪器利用嵌入式RAM实现波形存储，因此最大波形数据量被限制在数百兆字节。然而，向更快总线速度的演变使得PXI仪器可以使用高速RAID存储长得多的波形。使用外部RAID阵列后，PXI仪器可以产生或捕获的波形数据长度在仪器全速的情形下可以达到数吉比特。

在NI公司的LabVIEW中，无线数据流到磁盘的应用通过一个叫生产者-消费者环的并发环路结构获得了最佳结果。在这个案例中，生产者环捕获来自矢量信号分析仪的基带数据，并将它发送给队列结构。队列结构再将每条记录传送给第二个环，即消费者环，通过它将数据写入磁盘。图7说明了如何用软件配置这个系统。

图7所示的并行编程方法能以仪器的全带宽实现无线数据流到磁盘的应用。作为例子的新型NI PXIe-5672可以支持高达20MHz无线带宽的连续波形产生。当与2TB RAID结合使用时，该仪器可以连续产生5小时以上的波形。

本文小结

无线信道对通信系统提出了艰巨的挑战。因此接收机确认和验证要求设计与测试工程师进行建模或者处理各种环境条件。以前无线环境的各种特性是采用数学的方法建模AWGN、邻道干扰和莱斯衰落等损伤条件。如今，无线数据流到磁盘系统提供了另外一种创建“完美仿真”的方法。无线工程师可以使用记录下的实际信号进行无线接收机的确认，并且其确认精度和可重复性比以往都要高。