无线信道相关时间的实验测试装置

马延军，余 蕾

（1. 西安科技大学 通信与信息工程学院，陕西 西安 710054；2. 96910 部队 26 分队，中国）

随着第五代移动通信的快速发展，无线通信的速率将提升 10～1000 倍，其大规模应用也逐渐展开[1-3]。第五代移动通信系统的相关产业将会得到长足的发展，由此带来的相关科研及产品研发也快速增长[4]。现有研究很多是对特定场景的实际信道测量并得到大量数据，进行统计分析后得出毫米波在特定场景下的传播统计特性。进一步，考虑大规模天线阵列时，也提出了波束合成的很多方法，并取得了很多有实际意义的结果[5-10]。无线信道的关键参数有相关带宽、相关时间等；其中，相关带宽参数本质是由于多径传播引发的，直接关系到系统需要采用何种调制解调方式，或者说如何设计收发信机。相关时间概念来源于多普勒频移，涉及接收机最大的移动速度，例如：步行速度与高速铁路环境中此参数变化极大，此值的大小涉及如何进行系统的编解码及纠错码的设计。在实际教研系统中，需要对其基本理论模型进行验证测量。这时，需要特定的测量装置及相应的方法来完成[11]。

利用软件无线电等平台搭建实际收发信机，可设计信道测量程序，但随着测试带宽的增加系统实现难度及成本急剧增加，此类测试装置带宽很少超过1 GHz。采用矢量网络分析仪连接收发信机，且通过移动收发信机方式对无线信道做测量。此方法的缺点显著，由于收发信机连接到矢量网络分析仪，当收发信机移动时不可避免地使连接矢量网络分析仪与收发信机的电缆移动。这种方式由于需要较长的电缆且电缆的移动会引入相位误差，测试精度受到较大影响。

针对上述问题，本文设计了一种信道相关时间测试装置及具体实现方法，用于测量无线信道的相关时间。通过设置 2 条反射路径，一条反射路径以特定速度向前移动，另外一条反射路径以同样速度向后移动，进而等效得到接收机移动时候的2 条路径，接收机接收到的信号幅度及相位都随时发生变化。利用矢量网络分析仪得到测量数据，利用计算机进行计算，即可得到无线信道的相关时间。避免了移动收发信机带来的电缆相位误差，以及由于电缆移动导致的信道测量误差等问题。

1 信道相关时间测试装置及具体方法

1.1 信道相关时间

相关时间是指接收机在运动中接收到的信号从最大值变化到最小值所经历的时间。如图 1(a)所示，基站到接收机的距离为r0，基站到一强反射体的距离为d，则接收机接收到的信号为来自2 条路径的叠加。当接收机以速度v运动时候，其接收到信号强度将不断变化。

其中，r1(t)为接收机收到的第1 条路径信号，为第1 条路径的传播时延，为第1 条路径的衰减系数；r2(t)为接收机接收到的经过反射后的信号，为第2条路径的传播时延，为第2 条路径的衰减系数。则接收机接收到的合成信号为：

2 条路径的相位差为：

若相位差为2π，则信号变得最强，如图1(b)所示；若相位差为π，则信号相位抵消，接收信号很弱，如图1(c)所示。

1.2 测试装置及测量方法

本测试装置包括矢量网络分析仪一台，计算机一台，基于 STM32 控制器，及导轨移动装置一套，如图2 所示。具体步骤如下：

（1）计算机通过GPIB 线缆连接到矢量网络分析仪，完成通信及命令交互； 计算机发送GPIB 命令，设置工作频率，输出功率，扫描时间等参数。

图1 接收机接收到的信号与两路信号的相位差的关系

（2）计算机通过串口线连接到STM32 控制系统，并发送命令到 STM32 控制系统，设置反射板 1 移动速度参数v，STM32 控制器控制丝杆滑台控制电机按照给定速度移动。则此反射路径接收机收到的信号为：

其中，r0为发射天线到反射板1 加上反射板1 到接收天线的初始距离，c为光速。

（3）计算机通过串口线连接到STM32 控制系统，并发送命令到 STM32 控制系统，设置反射板 2 移动速度参数v，STM32 控制器控制丝杆滑台控制电机按照给定速度移动。图 3 为距离关系示意图，其中L1为 10 cm，L2为 100 cm。可见，L2/L1＞＞1。L3=300 cm，L4= 10 cm。由于收发天线的距离较近，同时，收发天线到反射板的距离远大于收发天线之间的距离，从而，此反射路径接收机收到的信号可近似为：

其中，r1是第2 条路径的初始距离，即发射天线到反射板2 的距离加上反射板2 到接收天线的距离。

（4）收发天线到反射板的距离远大于收发天线之间的距离（见图3），则接收机接收到的合成信号可近似为：

（5）随着测量的进行，矢量网络分析仪不断得到数据并更新，导轨滑台不断移动，直到导轨滑台到达端面不能继续移动为止，此时计算机发送命令到STM32 控制系统，结束扫描。发送命令到矢量网络分析仪获取测试数据，得到相关时间计算需要的参数。

（6）根据相关时间的定义，接收机收到的信号从最大变化到最低时所经历的时间即为相关时间，即：

其中，T c为相关时间，为信号最大值的时刻，Tmin为与Tmax最相邻的接收信号最小值的时刻。

图2 无线信道相关时间测量装置

图3 距离关系示意图

2 实验测试

2.1 反射体固定不动

图4 速度为零时候测量结果

利用Anritsu 37247A 矢量网络分析仪进行测量，测量之前首先对矢量网络分析仪进行校准[12-14]。图 4给出了反射体移动速率为零时候的测试结果，其中，S21为发射机到接收机的路径衰减，测试频率为19 GHz，横坐标轴为时间。由图4 可见，此时信道衰减33.4 dB左右，相位值为-167.5°左右。由于信道中没有物体移动，所以随着时间的流逝，其幅度衰减值及相位保持不变，信道的相关时间几乎为无穷大。

2.2 反射体移动

图5 给出了反射体移动速度为0.05 m/s 时的测试结果，横轴扫描时间约为400 ms。由图可见，接收机接收到的信号发生了周期性的变化且变化幅度接近20 dB。整个过程出现了约4 个周期的大幅度变化，从而其相关时间约为100 ms。

图5 反射体移动速度为0.05 m/s 时测量结果

图6 速度为0.15 m/s 时候测量结果

图6 给出了反射体移动速度为0.15 m/s 时的测试结果。由图可见，接收机接收到的信号发生了周期性的变化且变化幅度接近 20 dB。整个过程出现了约12 个周期的大幅度变化，从而其相关时间约为33 ms。

3 结语

本文设计了无线信道相关时间的测试装置并给出了具体了测量方法，实际测试表明：本装置能够有效测试信道的相关时间。所设计的装置还可以进一步测量相关带宽等参数，此装置可广泛应用到无线通信实验测量中。