适用于乘性和加性复合信道的信道测试仪器及测试方法与流程

本发明涉及一种信道测试技术领域，具体涉及一种适用于乘性和加性复合信道的信道测试仪器及测试方法。应用于以大气激光通信系统为例的通信系统中，通过接收端解调器输出的基带信号分析并反映信道(包括带有乘性和加性噪声)的性能。

背景技术：

以激光通信系统为例的高速通信系统中，现有的技术产品对于接收端信号的测试，一般将模拟电信号输入高速示波器，观察其眼图，从而得到信道起伏状态，或者将其输入误码仪，测量其误码率，从而得到误码性能。从原理上讲，用示波器观察眼图需要用到高速数模转换器a/d，而当数据速率很高例如在10gbps量级时，a/d速率和示波器的采样点储存数量将制约观测时间，导致无法长时间连续观测。现有的误码仪可以测量瞬时误码率和累积误码率，但是没有办法反映出信道的衰落特性和系统的吞吐量。吞吐量指的是单位时间内正确传输的数据包的个数。以2.5gbps速率为例，如果每一个数据包时长为1us，如果在1分钟的测量中，出现了10ms的衰落，其余的时候全部正确，那么吞吐量为99.98％。考虑另一种极端情况，10ms长的衰落均匀分布在每一个数据包内，那么系统的吞吐量仅为58.33％。然而这两种情况的误码率完全一致。所以，误码仪并不能反映信道的衰落特性。不仅如此，误码仪还无法获得不同分组长度的误码率，即丢包率(本专利以数据包层面的吞吐量来描述)。此外，示波器和误码仪在测量时，需要外接连线，无法嵌入到接收机当中，无法在接收端完成解调的同时，进行系统性能的统计。

除了对误码性能和吞吐量的测量，示波器和误码仪无法在比特层面和帧层面无法描述同步/失同步统计特性，无法测量信道衰落的持续时间及分布情况，从而无法得到最适合传输帧长度和交织深度。

技术实现要素：

本发明为解决现有通信系统中信道对传输指标的影响等问题，提供一种适用于乘性和加性复合的信道测试仪器。

适用于乘性和加性复合的信道测试仪器，包括位同步测试模块、本地序列产生模块、帧同步测试模块、分组误码率计算模块、信道衰落测试模块、吞吐量测试模块以及衰落信息统计模块；

所述位同步测试模块可对输入的待测试序列进行位同步或者未同步的指示；

所述本地序列产生模块产生与发射端发送的待测试的相同速率、相同码型的序列，该序列与所述位同步测试模块输出的序列进入分组误码率计算模块；

所述分组误码率计算模块的计算结果分别输入至帧同步测试模块和衰落信息统计模块；

所述帧同步测试模块将帧同步测试结果传送至信道衰落测试模块；

所述衰落信息统计模块包括帧同步状态衰落信息统计模块与帧失同步状态衰落信息统计模块；根据分组误码率计算模块的结果，获得帧同步与帧失同步误码性能下衰落信息的统计；

所述吞吐量测试模块根据帧同步测试模块与衰落信息统计模块输出的统计结果，获得吞吐量测试结果。

适用于乘性和加性复合的信道测试方法，该测试方法包括同步性能测试、误码性能测试、吞吐量测试和信道衰落测试；所述帧同步测试模块用于完成帧同步性能测试，分组误码率计算模块用于误码性能测试，吞吐量测试模块用于吞吐量测试，衰落信息统计模块用于完成信道衰落测试；

所述帧同步测试方法由以下步骤实现：

步骤a1、设置帧同步标志位fsyn的初值为0；判断位同步测试模块输出的结果是否为位同步，如果是，执行步骤a2；如果否，执行步骤a1；

步骤a2、设置nno-err初值为0，所述nno-err为位同步测试模块输出信号a(n)与本地序列产生模块产生的序列b(n)的相同比特计数；

步骤a3、判断接收到的位同步测试模块输出信号a(n)与本地序列产生模块产生的序列b(n)是否相同，如果是，则执行步骤a4；如果否，将nno-err清零并重新计数并重置本地序列产生模块，返回执行步骤a1；

步骤a4、更新数值nno-err＝nno-err+1，判断是否出现位同步，如果是，执行步骤a5；如果否，执行步骤a1；

步骤a5、判断nno-err的值是否与帧同步门限的值相同，如果是，则进入帧同步，将帧同步标志位fsyn＝1，如果否，执行步骤a3，将帧同步标志位fsyn置0；

所述帧同步标志位fsyn为帧同步测试模块的输出结果；

误码性能测试的过程具体为：所述分组误码率计算模块分别统计在帧同步状态下瞬时误码率和累计误码率在帧失同步或者位失同步的情况下，不统计误码信息；

所述衰落信息统计模块记录每一时刻累积的同步状态下的比特数以及记录每一时刻累计的同步状态下的错误比特数则累积误码率采用表示，与的关系为

根据记录的瞬时误码率获得瞬时误码率的统计分布的直方图；

所述吞吐量测试包括测试比特层面吞吐量tbit和数据包层面吞吐量tpac；

定义比特层面吞吐量tbit为无差错传输的比特的百分比，定义数据包层面的吞吐量tpac为无差错传输的数据包的百分比；所述比特层面吞吐量tbit，由获得；

所述数据包层面的吞吐量tpac由以下步骤实现：

步骤c1、设定数据包的长度为lpac，对应该长度的无差错传输的数据包的数量为npac，flag0为数据包是否有差错的标志位，0为有差错，1为无差错，初始化标志位flag0为0，npac为0；

步骤c2、设定迭代变量初值k＝1；

步骤c3、判断a(k)与b(k)是否相同，如果是，则标志位flag0为1，执行步骤c4；如果否，标志位flag0为0，执行步骤c4；

步骤c4、k值加1，判断k是否小于数据包长度lpac，如果是，执行步骤c3，如果否，执行步骤c5；

步骤c5、判断flag0是否为1，如果否，执行步骤c2；如果是，无差错传输的数据包的数量为npac＝npac+1，获得数据包层面的吞吐量tpac；

为总比特数；

所述信道衰落测试的具体过程为：

步骤d1、初始化为帧同步状态，设定衰落次数nfad为0；flag1为是否发生信道衰落的标志位，0为未发生衰落，1为发生衰落；

步骤d2、设定flag1＝0，迭代变量初值kk＝1；

步骤d3、判断分组误码率计算模块中得到的第kk组瞬时误码率是否小于帧失同步误码率门限如果是，flag1＝1，执行步骤d4；如果否，执行步骤d2；

步骤d4、更新kk值加1，判断kk是否小于比特长度nfad，如果是，执行步骤d3；如果否，衰落次数nfad＝nfad+1，然后执行步骤d5；

步骤d5、用户判断是否需要停止测试，如果是，则输出nfad；如果否，则返回执行步骤d2。

本发明的有益效果：本发明通过对接收端解调器输出的基带信号，分析在传输过程中的失同步(包括位失同步和帧失同步)、误码性能(包括误码率、丢包率)、系统吞吐量等指标。从而更加具体和完整地反映出信道信息，以便为通信系统的设计和改善时，提供设计输入。

本发明采用fpga硬件实现，并将计算得到的测试结果以通过以太网传输到电脑中，传输的帧频是1000帧/秒。传递的信息速率约为10mbps。

附图说明

图1为本发明所述的适用于乘性和加性复合的信道测试仪器结构框图；

图2为本发明所述的适用于乘性和加性复合的信道测试仪器中同步与失同步状态示意图；

图3为本发明所述的适用于乘性和加性复合的信道测试方法中帧同步测试流程图；

图4为本发明所述的适用于乘性和加性复合的信道测试方法中帧失同步测试流程图；

图5为本发明所述的适用于乘性和加性复合的信道测试方法中数据包吞吐量测试的流程图；

图6为数据包吞吐量中参数npac与lpac的原理示意图；

图7为本发明所述的适用于乘性和加性复合的信道测试方法中信道衰落测试流程图；

图8为同步性能测试效果图，其中，图8a为同步百分比的效果图，图8b为失同步标志位的效果图；

图9中图9a和图b分别为瞬时误码率与累积误码率的效果图；

图10为瞬时误码率统计直方图的效果图；

图11为比特层面瞬时吞吐量的原理图；

图12为数据包层面瞬时吞吐量的原理图；

图13为统计总衰落次数mlos的原理图；

图14为不同时长的tf的衰落占总衰落tfad的百分比tf的原理图；

图15中图15a为本发明所述的适用于乘性和加性复合的信道测试仪器嵌入在接收机内的原理框图，图15b为本发明所述的适用于乘性和加性复合的信道测试仪器独立封装成测试仪器的原理框图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1、图2和图15说明本实施方式，本实施方式中的适用于乘性和加性复合的信道测试仪器可以采用软件或者硬件的方式嵌入到接收机中，也可以单独的以fpga为例的硬件独立进行实现。现有的信道测试仪器多为误码率的测量，并不能反映出信道衰落特性、同步特性。从总体上讲，本实施方式所述的信道测试仪器可以全面测试信道信息，信道特性的测试方法包括同步性能测试方法、误码性能测试方法、吞吐量测试方法、信道衰落的测试方法。

结合图1说明本实施方式，适用于乘性和加性复合的信道测试仪器，包括位同步测试模块、本地序列产生模块、帧同步测试模块、分组误码率计算模块、信道衰落测试模块、吞吐量测试模块以及衰落信息统计模块；

所述位同步测试模块可对输入的待测试序列进行位同步或者未同步的指示；

所述本地序列产生模块产生与发射端发送的待测试的相同速率、相同码型的序列，该序列与所述位同步测试模块输出的序列进入分组误码率计算模块；

所述分组误码率计算模块的计算结果分别输入至帧同步测试模块和衰落信息统计模块；

所述帧同步测试模块将帧同步测试结果传送至信道衰落测试模块；

所述衰落信息统计模块包括帧同步状态衰落信息统计模块与帧失同步状态衰落信息统计模块；根据分组误码率计算模块的结果，获得帧同步与帧失同步误码性能下衰落信息的统计；

所述吞吐量测试模块根据帧同步测试模块与衰落信息统计模块输出的统计结果，获得吞吐量测试结果。

本实施方式中，帧同步测试模块用于同步性能测试，在计算过程中需要位同步测试模块、本地序列产生模块、分组误码率测试模块所输出的部分结果。

分组误码率计算模块用于误码性能测试，需要用到帧同步测试模块的所输出的部分结果。

吞吐量测试模块用于吞吐量测试，需要帧同步测试模块、分组误码率计算模块、衰落信息统计模块所输出的部分结果。

衰落信息统计模块内完成信道衰落，其需要分组误码率计算模块、帧同步测试模块的部分结果。

本实施方式所述的信道测试仪器可以通过高速接口与交互设备(例如pc机)相连，从而完成测试结果的传递和参数设置。连接的高速接口可以是高速串口，以太网接口，usb接口等等。

结合图15说明本实施方式，可以使用在乘性和加性复合信道的信道中，其中，大气激光通信信道是一个典型的应用范例，图15给出了两种应用方法。

图15a是将信道测试仪器嵌入在接收机内，伪随机数据源通过数据处理(组帧，信道编码)并经光调制器调制，然后经发射镜头发射至接收镜头，所述接收镜头将接收的光信号通过光电转换后由激光通信电域接收机接收。

在所述激光通信电域接收机内进行匹配滤波和信道译码后经本实施方式所述的信道测试仪器进行信道特性的测试，最终传送至pc机。

图15b是采用以fpga为代表的硬件独立封装成测试仪器的方式实现，伪随机数据源通过数据处理(组帧，信道编码)并经光调制器调制，然后经发射镜头发射至接收镜头，所述接收镜头将接收的光信号通过光电转换后，进行匹配滤波和信道译码，然后经本实施方式所述的信道测试仪器进行信道特性的测试，上传送至pc机。

具体实施方式二、结合图3至图14说明本实施方式，本实施方式为采用具体实施方式一所述的适用于乘性和加性复合的信道测试仪器进行测试的方法，包括同步性能测试、误码性能测试、吞吐量测试和信道衰落测试；

一、同步性能测试；

同步性能测试方法包括位同步和帧同步两个层面的测试。要求输入的待测量序列为解调后的伪随机序列(以prbs7序列为例)。

所述位同步测试模块中，采用fpga内的吉比特收发器判断是否位同步，设置位同步标识bsyn＝1时为位同步，位同步标识bsyn＝0时为未位同步。

本实施方式中，帧同步的测试与传统判断帧同步的方式不同，本实施方式中，并不通过检测到帧头与否来判定帧同步，这是由于输入的序列是伪随机序列，不包含帧格式与帧头，所以采用通过输入序列与本地产生的序列的差异性来进行等效判断。令a(n)和b(n)分别代表位同步模块和本地序列产生模块第n(n＝1,2,3,...)个比特的输出。系统的初始状态为未位同步并且未帧同步状态。当位同步后，开始判断是否进入帧同步。通过判断接收到的信号a(n)与本地产生的序列b(n)是否相同，如果对于比特a(n)和比特b(n)完全相同，那么nno-err＝nno-err+1，然后判断nno-err是否达到误码率同步门限如果达到门限则判断进入帧同步；如果比特a(n)和比特b(n)不同，或者出现位失同步，则将nno-err清零并重新计数并重置本地序列产生模块。具体流程结合图3：

步骤a1、设置帧同步标志位fsyn的初值为0；判断位同步测试模块输出的结果是否为位同步，如果是，执行步骤a2；如果否，执行步骤a1；

步骤a2、设置nno-err初值为0，所述nno-err为位同步测试模块输出信号a(n)与本地序列产生模块产生的序列b(n)的相同比特计数；

步骤a3、判断接收到的位同步测试模块输出信号a(n)与本地序列产生模块产生的序列b(n)是否相同，如果是，则执行步骤a4；如果否，将nno-err清零并重新计数并重置本地序列产生模块，返回执行步骤a1；

步骤a4、更新数值nno-err＝nno-err+1，判断是否出现位同步，如果是，执行步骤a5；如果否，执行步骤a1；

步骤a5、判断nno-err的值是否与帧同步门限的值相同，如果是，则进入帧同步，将帧同步标志位fsyn＝1，如果否，执行步骤a3，将帧同步标志位fsyn置0；

所述帧同步标志位fsyn为帧同步测试模块的输出结果；

本实施方式中，帧同步到失帧同步的判定是通过每一帧的瞬时误码率来判断，假定帧长度为nl，需要注意的是帧长度nl的值可以由用户设定。那么通过统计每一个分组长度为nl内，a(n)和b(n)的相异的比特数作为每个分组长度的误码数。即对于i＝1,2,3,...，在第i个分组长度为nl的帧中，该帧中的误码数为那么该帧中的瞬时误码率为上标(i)指示第i帧。定义瞬时误码率门限由可以由同步性能测试部分的误码率同步门限与帧长度之比求得，即如果大于了失同步误码率门限那么则认为系统帧失同步了。当然，除此之外，如果在帧同步期间出现了位失同步，那么系统也将处于帧失同步的情况。具体流程如图4：

步骤a1、设定帧长度为nl，长度为nl帧中的误码数为初值为0，迭代变量初值i＝1，帧失同步误码率门限为

步骤a2、判断是否位同步，如果是，执行步骤a3，如果否，帧失同步；

步骤a3、计算nl帧中的误码数和瞬时误码率所述其中a(j)与b(j)分别为位同步测试模块输出信号与本地序列产生模块产生的序列的第j个比特，瞬时误码率i值加1；

步骤a4、判断是否小于失同步误码率门限如果是，返回步骤a2；如果否，帧失同步。

在已知系统是否帧同步之后，本实施方式中提出记录同步百分比psync并输出帧同步信号的标志位fsyn。本实施方式中可以测量在帧同步状态下的时间tsyn，以及总测试时间为tall。记录传输的总比特数同步状态下的比特数那么同步百分比为而帧同步信号的标志位fsyn只有两种取值，0和1，分别代表失同步和同步状态，以供用户观测。

二、误码性能测试；

在误码性能的测试当中，包括瞬时误码率和累积误码率还有瞬时误码率的统计直方图。

输入的待统计序列为伪随机序列。考虑到衰落信道可能会造成传输中断，为了充分地反映误码性能，可以分别统计在帧同步状态下瞬时误码率和累计误码率而在帧失同步或者位失同步的情况下，不统计误码信息。瞬时误码率即为上文所述的记录每一时刻累积的同步状态下的比特数还有每一时刻累计的同步状态下的错误比特数累积误码率就是与此同时，可以用来表示，与的关系也可以表示为

如果将瞬时误码率记录下来，那么可以得到其统计分布的直方图。

三、吞吐量测试；

结合图5和图6说明本实施方式，在吞吐量的方法测试中，可以测试比特层面吞吐量tbit和数据包层面吞吐量tpac。

定义比特层面吞吐量tbit为无差错传输的比特的百分比。定义数据包层面的吞吐量tpac为无差错传输的数据包的百分比。那么比特层面吞吐量tbit，可以由计算得到。在计算数据包层面的吞吐量tpac时，需要设定数据包的长度，不妨为lpac，对应该长度的无差错传输的数据包的数量为npac，其中flag0是数据包是否有差错的标志位，0代表有差错，1代表无差错，flag0可以输出，以供用户观测。具体流程为：

数据包层面吞吐量tpac的计算流程结合图5：

步骤c1、设定数据包的长度为lpac，对应该长度的无差错传输的数据包的数量为npac，flag0为数据包是否有差错的标志位，0为有差错，1为无差错，初始化标志位flag0为0，npac为0；

步骤c2、设定迭代变量初值k＝1；

步骤c3、判断a(k)与b(k)是否相同，如果是，则标志位flag0为1，执行步骤c4；如果否，标志位flag0为0，执行步骤c4；

步骤c4、k值加1，判断k是否小于数据包长度lpac，如果是，执行步骤c3，如果否，执行步骤c5；

步骤c5、判断flag0是否为1，如果否，执行步骤c2；如果是，无差错传输的数据包的数量为npac＝npac+1，获得数据包层面的吞吐量tpac；

本实施方式中，可以同时设置多个数据包长度lpac的值，在相同信道下通过对比不同数据包长度lpac的包吞吐量，从而确定信道中最优传输的数据包的长度。图6给出了数据包时间长度为1us时，即lpac＝rb·10^-6时，npac的计算方式。

四、信道衰落测试；

在信道衰落测试部分，可以得到衰落时间占总测试时间的百分比pfad、统计不同时长的tf的衰落占总衰落tfad的百分比tf、总衰落次数为mlos。

通过设定瞬时误码率门限的值，来描述由信道衰落造成的中断事件。在本专利中，衰落的总时间tfad，可以由tfad＝tall-tsyn计算得到。那么衰落时间占总测试时间的百分比pfad，其可以由pfad＝1-psync求得。除此之外，统计不同时长的tf的衰落占总衰落tfad的百分比tf。如果数据速率为rb，那么时长为tf的衰落的统计，对应比特长度nfad的衰落次数nfad统计，其中nfad＝rb·tf。除此之外，本专利中信道衰落测试还包括衰落次数的统计，令衰落次数为mlos。

具体流程如图7：

步骤d1、初始化为帧同步状态，设定衰落次数nfad为0；flag1为是否发生信道衰落的标志位，0为未发生衰落，1为发生衰落；

步骤d2、设定flag1＝0，迭代变量初值kk＝1；

步骤d3、判断分组误码率计算模块中得到的第kk组瞬时误码率是否小于帧失同步误码率门限如果是，flag1＝1，执行步骤d4；如果否，执行步骤d2；

步骤d4、更新kk值加1，判断kk是否小于比特长度nfad，如果是，执行步骤d3；如果否，衰落次数nfad＝nfad+1，然后执行步骤d5；

步骤d5、用户判断是否需要停止测试，如果是，则输出nfad；如果否，则返回执行步骤d2；

得到nfad后，可以得到衰落时长为tf占总衰落时长的百分比为了更精确地测量信道，本专利可以在一次测量中设置多个tf的值，从而在一次测量得到多个tf值，这些tf值将组成衰落的统计直方图。总衰落次数为mlos的初值是0，如果进入了帧同步状态，那么mlos继续为0，系统一直检测同步标志位fsyn的下降沿，如果出现fsyn的下降沿，那么mlos＝mlos+1。

结合图8说明本实施方式，对于帧同步测试包括同步百分比psync可以从图8a中的蓝色的曲线得到，其值为91.14％。图8a中的紫色曲线代表每个1ms内的帧同步的百分比。位同步指示位同步标识bsyn和帧同步信号的标志位fsyn，其结果如图8b中所示。从图8a和图8b相结合，可以看出在第1075时刻发生了帧失同步由瞬时误码造成，在第1634～3136个采样时刻发生了帧失同步是由位失同步造成。

结合图9说明本实施方式，在误码性能的测试当中，包括瞬时误码率和累积误码率还有瞬时误码率的统计直方图。由于统计信息经由以太网传输的千帧数据。图9a给出了每1ms采样时间内平均的误码率(紫色的线)和累积误码率(浅蓝色的线)，即nl＝2.5gbps×1ms＝25000。综合图9a与图8a可以发现，在第1075时刻由于瞬时误码率较高造成了帧失同步。综合图9a与图8b可以发现在1075个采样与1633个采样之间，由于帧同步的标志位为高，此时虽然没有显示误码率值，因为此时没有差错。而在第1634～3136个采样时刻，由于发生了位失同步，所以此时也没有统计误码信息。图9b给出了，nl＝8192时的瞬时误码率曲线，可以看出较小的nl值，使瞬时误码率具有更高的分辨率。

除此之外，本专利在误码率测试时，还可以给出误码率统计直方图，如图10所示。可以看出，在nl＝8192时，最右侧的曲线有61.26％左右的概率无差错传输，误码率值对应的概率之和为1。

结合图11和图12说明本实施方式，在吞吐量的方法测试中，可以测试比特层面吞吐量tbit和数据包层面吞吐量tpac。图11给出了比特层面的吞吐量tbit可以由随着时间的变化，与图8a对应，在帧失同步时，认为系统中断，所以对应吞吐量降为0。从图8a中可以得到，在测量时间内平均同步百分比为psync＝91.14％，从图9a中可以知道测试中同步状态下平均的误码率为所以在测试时间内比特层面的总吞吐量为91.1315％，如图11中黄线所示。

数据包层面瞬时吞吐量tpac的仿真图在图12中给出，通过不同的归一化光功率起伏的方差得到对应数据包长度lpac的曲线。仿真中假设数据速率为2.5gbps，采用强度调制直接探测，数据包的时间长度分别为1e-3至4e3ms，也就是数据包长度为2500至1e10。

结合图13和图14说明本实施方式，在信道衰落测试部分，可以得到衰落时间占总测试时间的百分比pfad、统计不同时长的tf的衰落占总衰落tfad的百分比tf、总衰落次数为mlos。

在测试中，总测量时间为30.4s，衰落时间为0.25s，衰落时间占总时间的百分比pfad＝0.82％，这与部分同步百分比pfad＝1-psync＝0.82％的结果相吻合。总衰落次数mlos由图13给出。从图13中可以看出，衰落次数与图7的衰落位置相吻合，分别在1075、1634、3651发生衰落。

关于tf的结果以仿真形式给出，如图14所示。从图4可以看出tf分别代表数据长度为1us、10us、100us、1ms、10ms。仿真中模拟大气光功率起伏时，假设光强起伏方差为从图中可以看出，短时间的衰落(1us)所占比重较高。而随着光强起伏方差增大，长时间的衰落比例增加。

本实施方式所述的测试方法可以全面测试信道信息，而现有的信道测试仪器多为误码率的测量，并不能反映出信道衰落特性、同步特性。