CN101895512B - 对射频发射机进行增益校准的方法以及一种射频发射机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对射频发射机进行增益校准的方法以及一种射频发射机，将码分复用信号进行逆傅立叶变换转换为频域信号，针对该频域信号中各个频点分别实施增益校准，能够显著地改善发射机工作频带的增益平坦度和纹波，进而改善发射机的整体性能。本发明采用的增益校准方法，是在数字域实现增益校准，该方法不需要模拟链路的VGA或PGC器件，简化了模拟电路设计，降低了发射机成本；数字域的增益校准可以实现很小的调整步进，精确度相对于现有技术得到了显著提高。

Description

对射频发射机进行增益校准的方法以及一种射频发射机

技术领域

本发明涉及移动通信射频发射机技术领域，特别涉及对射频发射机进行增益校准的方法以及一种射频发射机。

背景技术

长期演进项目(Long Term Evolution，LTE)是移动通信系统继3G之后的演进技术。与3G系统采用码分复用多址(CDMA)扩频技术不同的是，LTE采用正交频分复用(OFDM)和多输入输出(MIMO)等作为关键技术，具有更高的频谱效率，更适合高数据率系统的应用。同时，为了给用户提供更高速的业务数据速率，LTE系统的信号带宽更宽，设备工作频段也更广。例如LTE时分双工(LTE-TDD)的信号带宽最大配置达20MHz，中国为LTE-TDD分配的频段为C频段2300～2400MHz，工作带宽达100MHz。因此，移动通信系统射频发射机的宽带化是今后发射机设计重要的发展方向。宽带发射机在整个工作频带内增益平坦、纹波较小是保证发射机整体性能的基本而重要的技术指标。

现有的移动通信系统射频发射机以3G系统CDMA发射机为典型，框图如图1所示：

现有的CDMA系统的发射机由信号处理模块101输出单载波或多载波的CDMA扩频调制信号，经过数模转换器(DAC)102的数模转换、低通滤波器103的低通滤波、上变频器104将信号上变频为射频、可变增益控制器件(一般是可变增益放大器(VGA)或可编程增益控制器(PGC))105进行增益放大、射频滤波器106进行滤波、功放模块107进行信号放大、天线滤波器108，最后再通过天线109发射出去。

现有CDMA射频发射机增益校准方法，是根据发射机电路温度调整链路增益。如图1所示，发射机中包括：

温度传感器110，用于检测当前发射机电路的温度；

存储单元111，用于存储发射机电路的增益相对于温度变化的数据，这些数据要事先通过测试得到；

可变增益控制器件105，可调整链路增益的大小。

工作时，温度传感器110监控发射机当前的工作温度，信号处理模块101根据所述工作温度，以及根据存储单元111存储的增益-温度曲线向可变增益控制器件105发出控制指令，使可变增益控制器件105调整发射机增益的大小以维持增益的稳定，防止发射机电路由于温度的变化而引起增益的变化。

现有CDMA发射机的增益校准方法，是一种针对增益的温度飘移所做的校准。主要的缺点如下：

(1)、现有增益校准仅仅是针对发射机的增益相对于发射机温度变化而产生增益变化时，进行的增益校准。不能针对发射机工作频段内增益相对于频率变化而产生的变化进行校准。也就是说，不能区分发射机工作频段内增益的平坦度和纹波并加以校准，无法改善发射机增益性能。

(2)、现有增益控制器件是一般为VGA或PGC等模拟器件。这类模拟器件实现增益补偿时，是将工作频段内整体的增益进行提升或衰减，不能针对不同频率点进行区分的补偿。同时，模拟器件的增益调整步长进一般在1dB左右，精度较差。

(3)、CDMA信号是扩频调制信号，一个载波的CDMA调制信号作为整体经过数字域处理，再经射频发射机发送出去。因此，对于一个CDMA载波带宽内的增益平坦度或增益纹波，无论通过数字域或模拟域都无法找到针对频率进行精确的增益补偿的环节。

综上所述，现有发射机的增益校准技术仅能实现相对温度变化进行整体的增益校准，无法实现对频率进行精确增益校准。并且校准分辨率也受CDMA信号特性的限制而无法做到很精确，如WCDMA系统载波间隔为5MHz，校准分辨率最小为5MHz，因此也就不能有效地改善发射机的增益平坦度和增益纹波。同时，现有校准技术是在模拟域实现的增益校准，校准精度较差。这些缺点对于LTE宽带射频发射机的设计和实现是非常不利的。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于，提出一种对射频发射机进行增益校准的方法和一种射频发射机，可以区分发射机工作频段内增益的平坦度和纹波并加以校准，改善发射机增益性能。

本发明实施例提出的一种对射频发射机进行增益校准的方法，预先在射频发射机的存储单元保存各个频点增益值相对于常温增益值的温度系数，以及各频点的常温增益值G_fix0(Fm)；该方法包括如下步骤：

A、将输入的n路串行码分复用信号a₀、a₁、......a_n-1转换为并行信号，并对所述并行信号在频域上进行离散傅立叶逆变换，得到离散傅立叶逆变换后的对应于n个频点的频域信号X₀、X₁、......、X_n-1；

B、检测射频发射机当前的温度，并读取存储单元中预先存储的温度系数以及各频点常温增益值；

C、根据所读取的温度系数和常温增益值，计算得到对应于每一个频点的当前应当补偿的增益系数K₀、K₁、...K_n-1；将第i个频点的增益系数乘以该频点对应的频域信号，得到X_i×K_i，其中i＝0，1，2，...n-1；

D、将所述并行的n路信号X_i×K_i转换为串行信号，其中i＝0，1，2，...n-1。

本发明实施例提出的一种射频发射机，包括信号处理模块、温度传感器和存储单元，温度传感器用于检测射频发射机当前温度，并将检测到的当前温度值输出至信号处理模块；

所述存储单元用于存储各个频点增益值相对于常温增益值的温度系数，以及各频点的常温增益值G_fix0(Fm)；

所述信号处理模块包括：

串并转换单元，用于将输入的n路串行码分复用信号a₀、a₁、......a_n-1转换为并行信号；

IDFT单元，用于对所述串并转换单元输出的并行信号在频域上进行离散傅立叶逆变换，得到离散傅立叶逆变换后的对应于n个频点的频域信号X₀、X₁、......、X_n-1；

增益调整单元，用于根据温度传感器测量得到的当前温度，从存储单元读取温度系数和常温增益值，计算得到当前应当补偿的增益系数K0、K1、K2...Kn-1；将增益系数分别乘以IDFT单元输出的各路频域数据；

并串转换单元，用于将所述增益调整单元输出的并行频域数据转换为串行数据。

从以上技术方案可以看出，将码分复用信号进行逆傅立叶变换转换为频域信号，针对该频域信号中各个频点分别实施增益校准，能够显著地改善发射机工作频带的增益平坦度和纹波，进而改善发射机的整体性能。本发明采用的增益校准方法，是在数字域实现增益校准，该方法不需要模拟链路的VGA或PGC器件，简化了模拟电路设计，降低了发射机成本；数字域的增益校准可以实现很小的调整步进，精确度相对于现有技术得到了显著提高。

附图说明

图1为现有技术中的射频发射机的组成框图；

图2为本发明实施例提出的射频发射机的组成框图；

图3为本发明实施例的研发测试阶段的增益校准流程图；

图4为本发明实施例的生产校准阶段的增益校准流程图；

图5为本发明实施例的正式运行阶段的增益校准流程图；

图6为射频发射机的实际工作频段的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细阐述。

本发明实施例提出的射频发射机的组成框图如图2所示。该LTE射频发射机包括信号处理模块201、数模转换器(DAC)202和后级的低通滤波器203、上变频器204、射频滤波器205、功放模块206、天线滤波器207和天线208，以及用于存储校准相关参数的存储单元210，用于检测发射机温度的温度传感器209。其中，信号处理模块201的内部包括：

S-P单元，或称为串并转换单元，用于将输入的多路串行码分复用信号转换为并行信号。其中，该码分复用信号可以是2G移动通信的CDMA信号，也可以是3G移动通信的宽带码分复用(WCDMA)、CDMA2000信号，或者其他采用码分复用方式调制的信号。设该码分复用信号共有n路，分别用a₀、a₁、......、a_n-1表示。

IDFT单元，用于对输入的并行数据在频域上进行离散傅立叶逆变换，输出信号用X0、X1、......、X_n-1表示；

增益调整单元，用于根据实际工作频段，根据温度传感器209测量得到的当前温度，从存储单元210读取温度系数和常温增益，计算得到当前应当补偿的增益系数K0、K1、K2...Kn-1；将增益补偿的系数分别乘以IDFT单元输出的各路频域数据上。

P-S单元，或称为并串转换单元，用于将所述增益调整单元输出的并行频域数据转换为串行数据。

较佳地，所述信号处理模块进一步包括一判断单元，用于判断温度传感器当前检测的温度相对于上一次作补偿时的温度的变化是否超过预先设置的温度阈值M，若是，则向增益调整单元输出一个指示信号；所述增益调整单元用于当收到来自判断单元的指示信号时，根据温度传感器测量得到的当前温度，从存储单元读取温度系数和常温增益值，计算得到当前应当补偿的增益系数K0、K1、K2...Kn-1；将增益系数分别乘以IDFT单元输出的各路频域数据上；若增益调整单元没有收到来自判断单元的指示信号时，则用上次计算得到的增益系数分别乘以IDFT单元输出的各路频域数据。

本发明实施例的数模转换器202、低通滤波器203、上变频器204、射频滤波器205、功放模块206、天线滤波器207和天线208与本发明技术方案无关，可以采用现有技术的相应装置。

本发明实施例提出的增益校准过程包括三个阶段，第一阶段是研发测试阶段；第二阶段是生产测试阶段；第三个阶段是实际运行阶段。

研发测试阶段的增益校准过程如图3所示，包括如下步骤：

步骤301：在从高温到低温不同温度环境下，对射频发射机的硬件电路测试，得到发射机在整个工作频段内各个频点处、各个温度点下的增益值。

所述工作频段按照设计要求可能有不同的取值，本实施例中，该工作频段为2300～2400MHz。相邻频点之间的间隔称为频率步长，相邻温度点之间的间隔称为温度步长。频率步长和温度步长越小，则最终得到的结果越精确，但所需的存储量和运算量也越大。本实施例中，频率步长最小可取为15KMz；温度步长取为5摄氏度或10摄氏度，或者5～10摄氏度之间的任意值。

步骤302：抽取一定数量的射频发射机的测试结果，使用曲线拟合的方法得到发射机各个频点的增益的温度系数。

所述曲线拟合具体可以采用多项式拟合的方法，该拟合方法属于本领域常用技术手段，例如利用MATLAB工具提供的polyfit拟合函数，对板卡的温度进行三阶级数拟合，得到温度系数值E1(Fm)、E2(Fm)、E3(Fm)：

G_fix(Fm，T)＝G_fix0(Fm)+E1(Fm)×ΔT+E1(Fm)×E2(Fm)×ΔT²+E1(Fm)×E2(Fm)×E3(Fm)×ΔT³其中，ΔT＝T-T0，T为当前温度，T0为常温温度(一般取为25摄氏度)，Fm为实际工作频段的n个频点中的第m个频点，0≤m≤n；G_fix0(Fm)为频点Fm的常温增益，G_fix(Fm)为频点Fm在温度为T时的增益值。

或者，利用微软EXCEL程序提供的图形趋势线功能，分别绘制出各个发射机温度和增益的散点值，在此基础上绘制趋势线，从趋势线的公式得到温度系数值。

步骤303：将所述温度系数将被写入正式生产的发射机的存储单元中，每个发射机的温度系数是相同的。

生产测试阶段的增益校准过程如图4所示，包括如下步骤：

步骤401：在常温环境下，测试射频发射机在整个工作频段内各个频点处的增益值。其中，常温环境是发射机通常所处的温度环境，一般选取为25摄氏度。

步骤402：将所测得的各频点常温增益值写入发射机自身的存储单元中。

由于不同发射机的增益曲线可能不同，因此需要对每一台发射机单独进行测试，并将测试结果写入发射机的存储单元。

正式运行阶段的增益校准过程如图5所示，包括如下步骤：

步骤501：射频发射机上电。

步骤502：基站设置发射机实际工作频段。

前述研发测试阶段的增益校准过程中提到的发射机整个工作频段，是发射机能够支持的全部工作频段，实际工作频段是其中的一个子集。如图6所示，信道带宽由通信协议规定，传输配置带宽是发射机的整个工作频段，而实际工作频段就是其中的传输带宽。

步骤503：射频发射机通过温度传感器检测当前的温度。

步骤504：射频发射机读取存储单元中预先存储的温度系数，各频点常温增益。

步骤505：根据设置的实际工作频段和所读取的温度系数和常温增益，计算得到当前应当补偿的增益系数K0、K1、K2...Kn-1；将这些增益系数设置到图2中信号处理模块内部IDFT单元输出的各路频域数据上，也就是将第i个频点的增益系数乘以该频点对应的频域信号，得到X_i×K_i，其中i＝0，1，2，...n-1，完成增益的校准。

计算增益系数的方法具体如下：

步骤A：读取实际工作频段内各个频点对应的常温增益G_fix0(Fm)和温度系数E1(Fm)、E2(Fm)、E3(Fm)，根据公式(1)计算得到当前实际温度下的各个频点的实际增益值G_fix(Fm)：

G_fix(Fm，T)＝G_fix0(Fm)+E1(Fm)×ΔT×[1+E2(Fm)×ΔT×(1+E3(Fm)×ΔT](1)

其中，ΔT＝T-T0，T为当前温度，T0为常温温度(一般取为25摄氏度)，Fm为实际工作频段的n个频点中的第m个频点，0≤m≤n。

公式(1)也可以展开为：

G_fix(Fm，T)＝G_fix0(Fm)+E1(Fm)×ΔT+E1(Fm)×E2(Fm)×ΔT²+E1(Fm)×E2(Fm)×E3(Fm)×ΔT³

步骤B：根据当前实际温度下各个频点的实际增益值G_fix(Fm)计算应当补偿的增益系数：

$K0={10}^{\frac{G0-G(F0,T)}{20}}$

$K1={10}^{\frac{G0-G(F1,T)}{20}}$

……

$\mathrm{Kn}={10}^{\frac{G0-G(\mathrm{Fn},T)}{20}}$

其中，G0是发射机的额定链路增益，是固定的常数。

步骤506：实时地检测射频发射机当前温度，如果当前温度相对于上一次作补偿时的温度的变化超过预先设置的温度阈值M，则转至步骤504，重新进行一次增益的校准；否则按照当前增益系数的继续执行步骤506。所述温度阈值M可以设置为5摄氏度至10摄氏度之间的任意值，或者等于前述温度步长。

相对于现有的发射机增益校准技术，本发明实施例提出的增益校准方法可以精确地对工作频段内的各个频点处的增益进行数字域校准。因此可以有效地改善发射机的增益平坦度和增益纹波。以20MHz信号带宽的LTE-TDD系统为例，发射机发射的OFDM调制信号包含了1200个子载波，相邻的两个子载波之间的间隔为15KHz，在信号处理模块201内部采用的是2048点的IFFT处理(包括填零)。那么就可以在IFFT之后，按照上述校准过程得到K0、K1、K2...K2047共2048个增益校准系数，对发射机工作频段内的增益进行校准。也就是说，可以在数字域实现以15KHz的频率分辨率对发射机增益相对于频率的平坦度和纹波进行校准，有效地消除宽带发射机工作带宽内的增益不平坦性和存在增益纹波的问题。现有技术在模拟链路上使用PGC或VGA仅仅能够实现发射机增益相对于温度变化的校准，是整体调整发射机增益而不区分增益相对于频率的变化，因此也无法达到本发明的增益校准方法所具有的显著改善发射机增益特性的效果。

由于发射机温度不会产生瞬间大范围变化，所以上述校准过程不需要非常快速、实时地运算和执行。因此上述校准过程对于数字电路的运算速度、逻辑资源量的要求比较低，信号处理模块201可以使用微处理器、数字信号处理器件(Digital Signal Processing，DSP)或现场可编程门阵列(FieldProgrammable Gate Array，FPGA)等数字电路实现，或以上器件相互配合工作以实现校准的工作过程。当然，如果需要进一步节省信号处理模块201和存储模块的数据存储和计算的资源，在性能允许的前提下，也可以将上述校准方法的频率分辨率降低一些。例如不再以15KHz的子载波间隔为单位在存储模块中存储常温增益值、计算和配置增益校准系数，而是采用一个资源块(Resource Block，RB)(12个子载波组成一个RB，RB之间的间隔为180KHz)为单位，或15KHz到180KHz之间的任意频率间隔，或者更大的频率间隔为单位进行计算和校准。

本发明提出了一种LTE宽带射频发射机的增益校准方法以及一种射频发射机。本发明预先测试LTE宽带发射机的工作频段内增益值相对于频点的数据并存入存储模块；然后在LTE的IFFT处理之后，根据测试数据对信号带宽内各个频点进行增益的校准，以改善发射机增益平坦度和纹波性能，改善发射机整体性能；校准的实施在数字域IFFT之后进行，可以实现频率分辨率高、校准系数精确的增益校准，不需要模拟链路使用VGA或PGC实现。此外，现有的增益相对于温度的校准也保留，并且一起集成到上述的校准过程中。

相对于现有技术只对发射机增益受温度变化所做的校准，本发明增加了发射机增益相对于频率的校准。此校准方法在LTE的IFFT之后，针对各个频率的子载波或RB实施增益校准。能够显著地改善发射机工作频带的增益平坦度和纹波，进而改善发射机的整体性能。此发明同时也包含现有技术的温度变化对增益的校准。而现有的技术是将整个发射机通道作为整体进行增益的校准，无法改善发射机工作频带内部的增益平坦度和纹波。

此发明包含的校准算法是在LTE发射链路的IFFT之后，针对各个频率的子载波或RB实施增益校准，具有频率分辨率高的优点，最小可以每个1个LTE子载波间隔进行校准，也就是15KHz。

此发明包含的增益校准的实施方法，是在数字域实现增益校准。此方法不需要模拟链路的VGA或PGC器件，简化了模拟电路设计，降低了发射机成本；数字域的增益校准可以实现很小的调整步进，比模拟域1dB的调整步进精确得多。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种对射频发射机进行增益校准的方法，其特征在于，预先在射频发射机的存储单元保存各个频点增益值相对于常温增益值的温度系数，以及各频点的常温增益值G_fix0（Fm）；该方法包括如下步骤：

A、将输入的n路串行码分复用信号a₀、a₁、……a_n-1转换为并行信号，并对所述并行信号在频域上进行离散傅立叶逆变换，得到离散傅立叶逆变换后的对应于n个频点的频域信号X₀、X₁、……、X_n-1；

B、检测射频发射机当前的温度，并读取存储单元中预先存储的温度系数以及各频点常温增益值；

C、根据所读取的温度系数和常温增益值，计算得到对应于每一个频点的当前应当补偿的增益系数K₀、K₁、…K_n-1具体包括：根据公式G_fix(Fm,T)=G_fix0(Fm)+E1(Fm)×ΔT×[1+E2(Fm)×ΔT×(1+E3(Fm)×ΔT]计算得到当前实际温度下的各个频点的实际增益值G_fix（Fm），其中ΔT=T-T0，T为当前温度，T0为常温温度，Fm为实际工作频段的n个频点中的第m个频点，0≤m≤n；E1（Fm）、E2（Fm）、E3（Fm）为三阶级数拟合的温度系数；根据公式

计算第i个频点的增益系数Ki，i＝1，2，…n，其中G0为发射机的额定链路增益；将第i个频点的增益系数乘以该频点对应的频域信号，得到X_i×K_i，其中i＝0，1，2，…n-1；

D、将所述并行的n路信号X_i×K_i转换为串行信号，其中i＝0，1，2，…n-1。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述并行的n路信号X_i×K_i转换为串行信号之后，该方法进一步包括：

E、检测射频发射机当前的温度，如果当前温度相对于上一次作补偿时的温度的变化超过预先设置的温度阈值M，则转至步骤A；否则执行如下步骤：

将输入的n路串行码分复用信号a₀、a₁、……a_n-1转换为并行信号，并对所述并行信号在频域上进行离散傅立叶逆变换，得到离散傅立叶逆变换后的对应于n个频点的频域信号X₀、X₁、……、X_n-1；

将已计算得到的第i个频点的增益系数乘以该频点对应的频域信号，得到X_i×K_i，其中i＝0，1，2，…n-1；将所述并行的n路信号X_i×K_i转换为串行信号，并转至步骤E。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述温度阈值M的取值范围为5摄氏度至10摄氏度。

4.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述n个频点中相邻频点之间的间隔为15KHz至180KHz。

5.一种射频发射机，包括信号处理模块、温度传感器和存储单元，温度传感器用于检测射频发射机当前温度，并将检测到的当前温度值输出至信号处理模块；其特征在于，

所述存储单元用于存储各个频点增益值相对于常温增益值的温度系数，以及各频点的常温增益值G_fix0（Fm）；

所述信号处理模块包括：

串并转换单元，用于将输入的n路串行码分复用信号a₀、a₁、……a_n-1转换为并行信号；

IDFT单元，用于对所述串并转换单元输出的并行信号在频域上进行离散傅立叶逆变换，得到离散傅立叶逆变换后的对应于n个频点的频域信号X₀、X₁、……、X_n-1；

增益调整单元，用于根据温度传感器测量得到的当前温度，从存储单元读取温度系数和常温增益值，计算得到当前应当补偿的增益系数K0、K1、K2…Kn-1，具体包括：根据公式G_fix(Fm,T)=G_fix0(Fm)+E1(Fm)×ΔT×[1+E2(Fm)×ΔT×(1+E3(Fm)×ΔT]计算得到当前实际温度下的各个频点的实际增益值G_fix（Fm），其中ΔT=T-T0，T为温度传感器测量得到的当前温度，T0为常温温度，Fm为实际工作频段的n个频点中的第m个频点，0≤m≤n；E1（Fm）、E2（Fm）、E3（Fm）为从存储单元读取的三阶级数拟合的温度系数；根据公式

计算第i个频点的增益系数Ki，i＝1，2，…n，其中G0为发射机的额定链路增益；将增益系数分别乘以IDFT单元输出的各路频域数据；

并串转换单元，用于将所述增益调整单元输出的并行频域数据转换为串行数据。

6.根据权利要求5所述的射频发射机，其特征在于，所述信号处理模块进一步包括：

判断单元，用于判断温度传感器当前检测的温度相对于上一次作补偿时的温度的变化是否超过预先设置的温度阈值M，若是，则向增益调整单元输出一个指示信号；

所述增益调整单元用于当收到来自判断单元的指示信号时，根据温度传感器测量得到的当前温度，从存储单元读取温度系数和常温增益值，计算得到当前应当补偿的增益系数K0、K1、K2…Kn-1；将增益系数分别乘以IDFT单元输出的各路频域数据。

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