CN102694758B - 射频前端收发链路在线校准办法 - Google Patents

射频前端收发链路在线校准办法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种射频前端收发链路在线校准方法，包括射频信号接收校准和射频信号发射校准；射频信号接收校准步骤为：初始化校准设置，内部校准源进入输入端定向耦合器，得到接收链路功率计读数；将信号处理单元信号功率和功率计测量结果进行比对，得到功率校准因子。将单刀多掷开关切换到射频输入路径上，对做过校准的频段进行测试，补偿相对应的校准参数即可测得进过校准的射频输入信号。射频信号发射校准的具体步骤为：生成发射基带信号，发射链路I、Q不平衡校准，输出功率的校准，补偿校准参数。本发明设计的模块，射频信号发射和接收都可在不需要外部设备情况下实现实时校准，在模块的生产过程中可省去一部分器件的校准，从而缩短了模块的生产时间。

Description

射频前端收发链路在线校准办法
技术领域
本发明属于射频前端技术领域，具体涉及一种射频前端收发链路在线校准办法。
背景技术
射频前端电路作为射频模块最前端的部分，对射频模块的各项指标有着显著的影响。由于射频模块中所使用的器件种类繁多，在生产时需要进行很多校准与测试工作，以保证模块的各项参数在一定的容差范围内。
现有的校准需要将设备拿到计量实验室中，通过其他设备进行校准。由于校准过程比较繁琐不能进行在线校准，会影响设备的使用效率。
本发明的目的在于提出一种简化的射频前端在线校准办法，它可以显著地缩短模块校准时间，并可以在不借助外部资源的情况下实现自校准。
发明内容
本发明的目的在于提出一种射频前端收发链路在线校准办法。本发明是利用定向耦合器、功率计、校准源等，在不需要其它外部设备，并且不影响测量的情况下，完成在线自校准。
本发明提出的射频前端收发链路在线校准方法，由在线校准装置实现，所述在线校准装置由单刀多掷开关1、输入端定向耦合器2、输入端程控增益模块3、输入端混频模块4、信号处理单元5、内部校准源6、射频开关阵列7、功率计 8、输出端定向耦合器9、输出端程控增益模块10和输出端混频模块11组成，射频输入或外部校准源输出端分别连接单刀多掷开关1的输入端，单刀多掷开关1的输出端连接输入端定向耦合器2，输入端定向耦合器2的输出端连接输入端程控增益模块3，输入端程控增益模块3的输出端连接输入端混频模块4，输入端混频模块4的输出端连接信号处理单元5；射频输出的输入端连接输出端定向耦合器9，输出端定向耦合器9的输入端连接输出端程控增益模块10，输出端程控增益模块10的输入端连接输出端混频模块11，输出端混频模块11连接信号处理单元5；内部校准源6连接单刀多掷开关1；输入端定向耦合器2和输出端定向耦合器9分别连接射频开关阵列7；射频开关阵列7分别连接单刀多掷开关1和功率计8；所述射频前端收发链路在线校准方法包括射频信号接收校准和射频信号发射校准；其中：
射频信号接收校准的具体步骤如下： 
<1> 初始化校准设置：将单刀多掷切开关1切换到内部校准源6路径上；
<2> 输入链路的 I、Q不平衡参数计算：内部校准源6进入输入端定向耦合器2，输入端定向耦合器2中一部分信号经过放大，变频，进入到信号处理单元5；对信号处理单元5接收到的测试校准信号进行分析，即可得到输入链路的I、Q不平衡参数，包括幅度不平衡(A)，相位不平衡(β)，输入链路的I、Q直流偏置(IDC和QDC)；分析计算过程如下所示：
设校准信号                                               为：
，
其中Pcal是输入信号的幅度，是输入信号的频率。
信号处理单元收到的信号为：
， (1)
其中Ir(t) 和Qr(t)分别是信号处理单元接收到的I，Q两路信号，j是虚数单位；PI，PQ是接收链路中I，Q两路信号的幅度值，是接收到信号的频率。
信号处理单元接收到的信号为：
 
其中，，分别是信号处理单元接实际收到的I，Q两路信号，A代表幅度不平衡因子，β代表相位不平衡因子，PQ是Q路信号的幅度，IDC，QDC代表I，Q两路上的直流偏置。
考虑到正弦信号的周期内积分为零，而直流偏置的周期内积分不为零，所以将信号处理单元接收到的信号分别计算I,Q两路周期内的积分，可以得到：
其中，T是信号的周期。
所以信号的直流偏置为：
                               (2)
                             (3)
将I,Q两路信号的直流偏置去除，得到：
分别考虑I,Q两路信号在一个周期内的自相关有：
比较上面两式，可以得到幅度不平衡(A)
                          (4)
另一方面，考虑IQ两路信号在一个周期内的互相关有：
所以得到相位不平衡(β):
                     (5)
至此得到参数A，β，IDC和QDC，完成I、Q不平衡校准。
理想情况下，Ir(t)和Qr(t)幅度相同，相位正交，并且没有直流偏置。
理想情况下，A=1, β=0, IDC=0，QDC=0，而实际信号会受到元器件的幅度不平衡、相位不平衡、直流偏置等干扰需要通过校准来计算A，β， IDC，QDC。
<3> 接收链路功率补偿因子计算：内部校准源6进入输入端定向耦合器2，输入端定向耦合器2中一部分信号经过放大，变频，进入到信号处理单元5，计算得到信号处理单元5内的信号功率；同时内部校准源6进入输入端定向耦合器2，输入端定向耦合器2通过射频开关阵列7将一部分输入信号送入功率计8，得到功率计读数；将信号处理单元的信号功率和功率计测量结果进行比对，可以得到功率校准因子(G)。计算过程如下：
设校准信号为：
其中Pcal是输入信号的幅度，是输入信号的频率。
信号处理单元收到的信号为：
，        (同1)
其中，Ir(t)，Qr(t)分别是信号处理单元接收到的I、Q两路信号，j是虚数单位；PI，PQ是I，Q两路信号的幅度值，是接收到信号的频率。
信号源的发射的信号功率和信号处理单元接收的功率满足：
，
其中G为信号链路上的增益，R是输入阻抗，通常为50欧姆。
另一方面，由功率计的读数与内部校准源功率满足：
，
L是定向耦合器的插损；定向耦合器性能比较稳定，所以L通过查表或者事先校准得到。
对比功率计的读数和信号接收单元的收到的信号功率，可以得到功率校准参数为
。                              (6)
<4> 测量并补偿校准参数：将单刀多掷开关1切换到“射频输入”路径上，对做过校准的频段进行测试，补偿相对应的校准参数即可测得经过校准的射频输入信号。补偿的方法如下：
信号处理单元收到的信号为：
，
其中，Ir(t)，Qr(t)分别是信号处理单元接收到的I，Q两路信号，j是虚数单位。
通过式(2)~(6)可以计算得到幅度不平衡(A)，相位不平衡(β)，I，Q两路信号直流偏置(IDC和QDC)和功率校准因子(G)，代入下面的公式(7)~(8)，就能得到较准后的I,Q信号：
                                      (7)
          (8)
在测试过程中的任意时刻都可以通过切换单刀多掷开关1，来实现信号的测量或进行在线校准；
射频信号发射校准的具体步骤如下：
<1> 生成发射基带信号：信号处理单元5生成基带信号，通过输出端混频器11并经过滤波之后变成RF信号，经过输出端程控增益模块10调理成需要的电平值作为发射信号。
<2> 发射链路I、Q不平衡校准：将发射信号接入输出端定向耦合器9、射频开关阵列7、输入端单刀多掷开关1和输入链路组成闭合的I、Q不平衡校准链路。
由于接收电路已经被校准过，所以可以假设接收链路是理想的。
假设信号处理单元生成的基带发射信号为：
，
其中，Is(t)，Qs(t)分别是信号处理单元生成的I，Q两路基带信号，j是虚数单位；
而信号处理单元接收到的信号为：
。
其中，Ir(t)和Qr(t)分别是信号处理单元接收到的信号，j是虚数单位；PI，PQ是发射链路I，Q两路信号的幅度值，是接收到信号的频率。
所以实际接收到的信号为：
通过和接收端校准的相同方法，利用式 (2)~(5)可以计算得到幅度不平衡(A)，相位不平衡(β)，直流偏置(IDC和QDC)。
<3> 输出功率的校准：将发射信号接入输出端定向耦合器9，控制开关阵列7以及功率计8，组成输出功率校准回路。将信号处理单元生成的基带信号功率和功率计测量结果进行比对，可以得到功率校准因子(G)。
信号处理单元生成的基带信号为：
，
其中，Is(t)，Qs(t)分别是信号处理单元生成的I，Q两路基带信号，j是虚数单位；PI，PQ是发射链路I，Q两路信号的幅度值，是发射信号的基带频率。
另一方面功率计的读数为，和接收功率因子校准方法相同，利用式(6)可以得到发射链路中的信号增益G。
<4> 补偿校准参数：信号处理单元获取发射校准参数，并调整发射基带信号的参数，向射频输出端口送出校准过的射频信号，补偿过程如下：
信号处理单元期望发射的基带信号为：
，
其中，I(t)，Q(t)分别是信号处理单元期望发射的基带信号，j是虚数单位。
通过式(2)~(6)可以计算得到发射链路的幅度不平衡(A)，相位不平衡(β)，直流偏置(IDC和QDC)和功率校准因子(G)，代入上面的式(7)~(8)，就能得到较准后的I,Q信号。
本发明中，当输出端使用简化设计，省略掉射频开关阵列7时，“射频信号发射校准”的功率校准、IQ不平衡、直流偏置都将复用“射频信号接收校准”的测试流程。    
本发明中，所述输入端定向耦合器2可以采用开关。
本发明中，输出端定向耦合器9可以采用开关。
本发明的有益效果在于：模块在测量和发射时可以实时校准，避免了温度环境对测试结果的影响；另外在模块生产过程中只需要对关键器件进行校准，减少了模块生产过程的部分校准环节。
附图说明
图1为本零中频射频前端在线校准模块的结构图示。
图2为RF输入端的在线校准流程。
图3为RF输出端的在线校准流程。
图中标号；1为单刀多掷开关，2为输入端定向耦合器，3为输入端程控增益模块，4为输入端混频模块，5为信号处理单元，6为内部校准源，7为射频开关阵列，8为功率计，9为输出端定向耦合器，10为输出端程控增益模块，11为输出端混频模块。
具体实施方式
下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。
实施例1：
系统中的单刀多掷开关1使用PE42440，选择输入信号的通道；
输入端定向耦合器2和输出端定向耦合器9使用SYD-20-33+；当选择开关代替定向耦合器时，可以选择开关PE42552；
输入端程控增益模块3和输出端程控增益模块10使用PE4309和NBB-400的组合；
输入端混频模块4使用ADL5387，来实现下变频；
信号处理单元5使用NI PXIe-7965R和NI 5781来生成和接收两路信号；
内部校准源6使用ZY2000，配合内部的本振产生校准信号；
射频开关阵列7使用两块PE42552来搭建；
功率计8使用ZX47-55+实现宽带功率检测；
输出端混频模块11可选用ADL5386，来实现上变频；
将上述各部件按图1所示方式连接，该领域技术人员均能顺利实施。
射频信号接收校准的具体步骤如下，
<1> 将单刀多掷开关切向内部校准源。
<2>从信号处理单元读取采集到的内部校准源的信号， 。通过式(2)~(5)可以计算得到接收链路的幅度不平衡(A)，相位不平衡(β)，直流偏置(IDC和QDC)。
<3>读取功率计的读数。通过式(6)得到功率校准因子(G)。
<4>将单刀多掷开关切向射频输入端口，接收信号。将信号处理单元接收到的信号通过式(7)~(8)处理，得到实际射频输入端口的信号。
射频信号发射校准的具体步骤如下，
<1>将发射信号接入输出端定向耦合器9、射频开关阵列7、输入端单刀多掷开关1和输入链路切换到闭合的I、Q不平衡校准链路。
<2>信号处理单元5生成基带信号，，经过校准路径信号处理单元接收到的信号为：。通过和接收端校准的相同方法，利用式 (2)~(5)可以计算得到幅度不平衡(A)，相位不平衡(β)，直流偏置(IDC和QDC)。
<3>读取功率计的读数。通过式(6)得到发射增益(G)。
<4>将射频开关阵列切回输出链路，准备发射信号。将期望发射的信号通过式(7)~(8)处理，使得实际射频输出端口的发射信号和期望的一致。
和传统的校准方法相比，本发明的方法缩短了模块生产过程中的校准时间，并可以实现发射和接收信号的在线校准。

Claims (4)

1.一种射频前端收发链路在线校准方法，其特征在于由在线校准装置实现，所述在线校准装置由单刀多掷开关(1)、输入端定向耦合器(2)、输入端程控增益模块(3)、输入端混频模块(4)、信号处理单元(5)、内部校准源(6)、射频开关阵列(7)、功率计(8)、输出端定向耦合器(9)、输出端程控增益模块(10)和输出端混频模块(11)组成，射频输入或外部校准源输出端分别连接单刀多掷开关(1)的输入端，单刀多掷开关(1)的输出端连接输入端定向耦合器(2)，输入端定向耦合器(2)的输出端连接输入端程控增益模块(3)，输入端程控增益模块(3)的输出端连接输入端混频模块(4)，输入端混频模块(4)的输出端连接信号处理单元(5)；射频输出的输入端连接输出端定向耦合器(9)，输出端定向耦合器(9)的输入端连接输出端程控增益模块(10)，输出端程控增益模块(10)的输入端连接输出端混频模块(11)，输出端混频模块(11)连接信号处理单元(5)；内部校准源(6)连接单刀多掷开关(1)；所述射频前端收发链路在线校准方法包括射频信号接收校准和射频信号发射校准；输入端定向耦合器(2)和输出端定向耦合器(9)分别连接射频开关阵列(7)；射频开关阵列(7)分别连接单刀多掷开关(1)和功率计(8)；其中：
射频信号接收校准的具体步骤如下： 
<1> 初始化校准设置：将单刀多掷切开关(1)切换到内部校准源(6)路径上；
<2> 输入链路的 I、Q不平衡参数计算：内部校准源(6)进入输入端定向耦合器(2)，输入端定向耦合器(2)中一部分信号经过放大，变频，进入到信号处理单元(5)；对信号处理单元(5)接收到的测试校准信号进行分析，即可得到输入链路的I、Q不平衡参数，包括幅度不平衡A，相位不平衡β，输入链路的I、Q直流偏置IDC和QDC；分析计算过程如下所示：
设校准信号                                                为：
，
其中Pcal是输入信号的幅度，是输入信号的频率；
信号处理单元收到的信号为：
， (1)
其中Ir(t) 和Qr(t)分别是信号处理单元接收到的I，Q两路信号， j是虚数单位；PI，PQ是接收链路中I，Q两路信号的幅度值，是接收到信号的频率；
信号处理单元接收到的信号为：
 
其中，，分别是信号处理单元接实际收到的I，Q两路信号，A代表幅度不平衡因子，β代表相位不平衡因子，PQ是Q路信号的幅度，IDC，QDC代表I，Q两路上的直流偏置；
考虑到正弦信号的周期内积分为零，而直流偏置的周期内积分不为零，所以将信号处理单元接收到的信号分别计算I,Q两路周期内的积分，得到：
其中，T是信号的周期；
信号的直流偏置为：
               (2)
              (3)
将I,Q两路信号的直流偏置去除，得到：
分别考虑I,Q两路信号在一个周期内的自相关有：
比较上面两式，得到幅度不平衡A：
             (4)
另一方面，考虑IQ两路信号在一个周期内的互相关有：
所以得到相位不平衡β：
          (5)
至此得到参数A，β，IDC和QDC，完成I、Q不平衡校准；
<3> 接收链路功率补偿因子计算：内部校准源(6)进入输入端定向耦合器(2)，输入端定向耦合器(2)中一部分信号经过放大，变频，进入到信号处理单元(5)，计算得到信号处理单元(5)内的信号功率；同时内部校准源(6)进入输入端定向耦合器(2)，输入端定向耦合器(2)通过射频开关阵列(7)将一部分输入信号送入功率计(8)，得到功率计读数；将信号处理单元的信号功率和功率计测量结果进行比对，得到功率校准因子G；计算过程如下：
设校准信号为：
其中Pcal是输入信号的幅度，是输入信号的频率；
信号处理单元收到的信号为：
，    
其中，Ir(t)，Qr(t)分别是信号处理单元接收到的I、Q两路信号，j是虚数单位；PI，PQ是I，Q两路信号的幅度值，是接收到信号的频率；
信号源的发射的信号功率和信号处理单元接收的功率满足：
，
其中G为信号链路上的功率校准因子，R是输入阻抗，通常为50欧姆；
另一方面，由功率计的读数与内部校准源功率满足：
，
L是定向耦合器的插损；定向耦合器性能比较稳定，所以L通过查表或者事先校准得到；
对比功率计的读数和信号接收单元的收到的信号功率，得到功率校准因子为：
；               (6)
<4> 测量并补偿校准参数：将单刀多掷开关(1)切换到“射频输入”路径上，对做过校准的频段进行测试，补偿相对应的校准参数即可测得进过校准的射频输入信号；补偿的方法如下：
信号处理单元收到的信号为：
，
其中，Ir(t)，Qr(t)分别是信号处理单元接收到的I，Q两路信号，j是虚数单位；
通过式(2)~(6)计算得到幅度不平衡A，相位不平衡β，I，Q两路信号直流偏置IDC和QDC、功率校准因子G，代入下面的公式(7)~(8)，得到较准后的I,Q信号：
                   (7)
     (8)
在测试过程中的任意时刻都通过切换单刀多掷开关(1)，实现信号的测量或进行在线校准；
射频信号发射校准的具体步骤如下：
<1> 生成发射基带信号：信号处理单元(5)生成基带信号，通过输出端混频器(11)并经过滤波之后变成RF信号，经过输出端程控增益模块(10)调理成需要的电平值作为发射信号；
<2> 发射链路I、Q不平衡校准：将发射信号接入输出端定向耦合器(9)、射频开关阵列(7)、输入端单刀多掷开关(1)和输入链路组成闭合的I、Q不平衡校准链路；
由于接收电路已经被校准过，假设接收链路是理想的；
假设信号处理单元生成的基带发射信号为：
，
其中，Is(t)，Qs(t)分别是信号处理单元生成的I，Q两路基带信号，j是虚数单位；
信号处理单元接收到的信号为：
；
其中，Ir(t)和Qr(t)分别是信号处理单元接收到的信号，j是虚数单位；PI，PQ是发射链路I，Q两路信号的幅度值，是接收到信号的频率；
所以实际接收到的信号为：
通过和接收端校准的相同方法，利用式 (2)~(5)计算得到幅度不平衡A，相位不平衡β，直流偏置IDC和QDC；
<3> 输出功率的校准：将发射信号接入输出端定向耦合器(9)，控制开关阵列(7)以及功率计(8)，组成输出功率校准回路；将信号处理单元生成的基带信号功率和功率计测量结果进行比对，得到功率校准因子G；
信号处理单元生成的基带信号为：
，
其中，Is(t)，Qs(t)分别是信号处理单元生成的I，Q两路基带信号，j是虚数单位；PI，PQ是发射链路I，Q两路信号的幅度值，是发射信号的基带频率；
另一方面功率计的读数为，和接收功率因子校准方法相同，利用式(6)得到发射链路中的功率校准因子G；
<4> 补偿校准参数：信号处理单元获取发射校准参数，并调整发射基带信号的参数，向射频输出端口送出校准过的射频信号，补偿过程如下：
信号处理单元期望发射的基带信号为：
，
其中，I(t)，Q(t)分别是信号处理单元期望发射的基带信号，j是虚数单位；
通过式(2)~(6)计算得到发射链路的幅度不平衡A，相位不平衡β，直流偏置IDC和QDC、功率校准因子G，代入上面的式(7)~(8)，就能得到较准后的I,Q信号。
2.根据权利要求1所述的射频前端收发链路在线校准方法，其特征在于当输出端使用简化设计，省略掉射频开关阵列(7)时，射频信号发射校准的功率校准、IQ不平衡、直流偏置都将复用射频信号接收校准的测试流程。
3.根据权利要求1所述的射频前端收发链路在线校准方法，其特征在于所述输入端定向耦合器(2)采用开关。
4.根据权利要求1所述的射频前端收发链路在线校准方法，其特征在于输出端定向耦合器(9)采用开关。
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