CN107528643B

CN107528643B - 一种多通道发射机及其通道一致性误差自动补偿方法

Info

Publication number: CN107528643B
Application number: CN201710784800.0A
Authority: CN
Inventors: 全大英; 陶波; 孔维太; 刘恒良; 金小萍
Original assignee: China Jiliang University
Current assignee: China Jiliang University
Priority date: 2017-09-04
Filing date: 2017-09-04
Publication date: 2020-11-24
Anticipated expiration: 2037-09-04
Also published as: CN107528643A

Abstract

本发明提出了一种多通道发射机，应用于雷达和通信领域的阵列信号产生。多通道发射机包含在FPGA实现的信号产生逻辑、多路的DAC、多个信号耦合通道、以及由多个ADC组成的信号采集通道；本发明还提出了上述多通道发射机的通道一致性误差自动补偿方法，包含离线自动补偿和在线补偿两种工作模式，能够完成自适应误差检测和补偿，不仅能够补偿幅度误差和载波相位误差，还能够补偿基带信号以及信号包络的延时误差。所提出的多通道发射机及其通道一致性误差自动补偿方法在补偿发射通道一致性误差之前，首先补偿信号耦合和采集通道的一致性误差，进一步提高了通道一致性性能。

Description

一种多通道发射机及其通道一致性误差自动补偿方法

技术领域

本发明涉及雷达和通信信号产生特别是阵列信号产生的技术领域，具体为一种多通道发射机及其通道一致性误差自动补偿方法。

背景技术

阵列信号处理能够实现空域滤波、空域抗干扰检测、以及提高通信的信道容量和抗扰性能，在雷达和通信信号处理得到了广泛应用。为了实现高精度、高分辨的阵列信号处理和测试，必须分别保证发射和接收各阵元通道的延时、幅度和相位一致性。表现到信号产生就是需要产生延时、幅度、相位一致的多通道信号。

传统阵列信号产生往往采用离线调整的模拟或者数字延迟线和移相器实现延时和相位一致性误差补偿，而采用放大器实现幅度一致性误差补偿，这些方法在设备运行的时候调整比较麻烦，而且随着时间的推移往往需要重新校准；模拟的延迟线和移相器价格昂贵，影响了大规模应用。

随着数字信号处理技术和数字波束形成技术的发展，越来越多的数字信号处理技术应用到了阵列多通道信号产生和自适应校准。授权公告号为CN 101236247 B的发明专利给出了一种星载多通道天线SAR数据通道幅相误差校正平台，该方法采用一系列除法在频域对于相位和幅度进行补偿，主要针对SAR的应用场景具有更好的效果。授权公告号为CN101483273 B的发明专利提供了一种阵列天线的幅相校准方法，该方法采用空间天线耦合，存在易受环境影响的问题。授权公告号为CN 102394679 B的发明专利提供了一种采用发射DBF直接补偿延时引起的相位的星载多波束天线系统发射通道实时校准系统和方法。

上述文献所公布的方案，在阵列信号通道一致性误差的半自动和自适应补偿有较完整的设计，但是存在以下不足：

1）针对特定的应用，比如合成孔径雷达成像SAR，能够在频域进行幅度和相位补偿，但是没有提供针对通用场合的多通道发射的方案；

2）主要解决幅度误差和延时引起的相位误差，而没有解决延时引起的包络误差，不满足部分高分辨高精度的应用场合的应用需求；

3）部分方案无法进行自适应校准；

4）采用天线耦合易受环境影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种支持通道一致性误差自动补偿的多通道发射机。为此，本发明采用如下技术方案。

一种多通道发射机，其特征在于，包括以下4个组成部分：

1-a）一颗FPGA，其作用是实现信号产生逻辑、通道一致性误差自动检测和通道一致性补偿功能；

所述信号产生逻辑，是指产生基带调制信号，并进行采样率变换和上变频的运算逻辑；

所述通道一致性误差自动检测功能，是指能够产生特定波形的信号，控制多路DAC进行数模变换，同时控制信号采集通道ADC采集耦合通道信号，进行下变频和降采样后，完成发送信号分别和多路返回信号的比较，进而计算多路信号延时、幅度和相位的差异；

所述通道一致性补偿功能，是指将计算得到的多路信号的延时差异，通过分数采样插值的方法补偿到基带信号产生逻辑，即补偿延时引起的包络误差，将多路信号的幅度误差通过增益控制的方法补偿到基带信号产生逻辑，将载波相位误差通过复乘补偿到本振信号；

1-b）多路DAC，其作用是实现发射信号的数模变换；

1-c）多个信号耦合通道，其作用是提供发射信号反馈，经采集后计算通道间的信号延时、幅度和相位误差；所述多个信号耦合通道可以选择只耦合通道1信号，或者同时耦合全部通道的发射信号；

1-d）多个ADC组成的信号采集通道，其作用是采集来自信号耦合通道的信号，并将采集的信号送给FPGA进行通道误差自动检测，进而完成通道一致性补偿。

优选的，所述信号产生逻辑，能够实现实时产生基带信号或者通过外部导入基带信号波形；如果实时产生基带信号，通过FPGA逻辑编程可以灵活产生包括幅度调制、相位调制、频率调制、以及正交频分复用（OFDM）调制信号；如果通过外部导入基带信号，则可以实现任意波形产生。

优选的，所述通道一致性补偿功能不仅能够补偿幅度误差和载波相位误差，还能够补偿基带信号以及信号包络的延时误差；并且所述FPGA、多路DAC、多路信号耦合通道，以及多路ADC组成的信号采集通道在硬件上支持自适应的误差检测和补偿。

优选的，所述FPGA通过变频和采样率变换的方法降低了FPGA内部逻辑的运算量。

本发明的另一目的是提供一种多通道发射机的通道一致性误差自动补偿方法。为此，本发明采用如下技术方案。

一种多通道发射机的通道一致性误差自动补偿方法，包含两种工作模式，离线自动补偿模式和在线自动补偿模式；所述离线自动补偿模式采用特定波形发生产生的参考信号进行通道一致性误差检测；所述在线自动补偿模式采用正常工作的信号自带的训练序列或者特定前导进行通道一致性误差检测。

优选的，所述离线自动补偿模式包含如下步骤：

6-a) 自动补偿待命，直到接收到初始化或者校准命令；

6-b) 发送特定波形信号，并且将从通道1耦合的特定波形信号直接送到各个采集通道；

6-c) 采集通道ADC采集通道1的特定波形信号，进行接收通道校准，以补偿信号耦合和采集的通道的一致性误差；

6-d) 将采集通道ADC的输入改成多路耦合信号，进行发射通道一致性误差计算；

6-e) 将发射通道误差存入误差补偿装置和本振相移装置；

6-f) 多通道发射机进入正常工作模式，离线自动补偿功能回到待命状态。

优选的，所述在线自动补偿模式包含如下步骤：

7-a) 开机直接进入发送特定波形信号状态，并且将从通道1耦合的特定波形信号直接送到各个采集通道；

7-b) 采集通道ADC采集通道1的特定波形信号，进行接收通道校准，以补偿信号耦合和采集的通道的一致性误差；

7-c) 多通道发射机进入正常工作模式正常发送信号，将采集通道ADC的输入改成多路耦合信号；

7-d) 采用发送信号的固定帧头进行发射通道特征提取和通道一致性误差计算；

7-e) 将发射通道误差存入误差补偿装置和本振相移装置；

7-f) 在多通道发射机正常工作时实时计算并补偿通道误差。

优选的，在补偿发射通道一致性误差之前，首先补偿信号耦合和采集的通道的一致性误差。

本发明通过采用一种多通道发射机及其通道一致性误差自动补偿方法，实现了通道一致性误差自动补偿，且不易受到环境影响；采用多路DAC、多个信号耦合通道和多路ADC提供了多通道发射的方案；通过分数采样插值的方法补偿到基带信号产生逻辑，从而补偿延时引起的包络误差。

附图说明

图1为本发明所述多通道发射机的硬件组成框图。

图2为本发明所述多通道发射机包含的FPGA的逻辑组成框图。

图3为本发明所述多通道发射机离线自动补偿工作模式下，通道一致性误差自动补偿流程图。

图4为本发明所述多通道发射机在线自动补偿工作模式下，通道一致性误差自动补偿流程图。

具体实施方式

为了充分理解本发明的技术内容，下面给出具体实施例，结合附图对本发明的技术方案进行较为详细的介绍和说明。

图1为本发明所述多通道发射机的硬件组成框图。多通道发射机由一颗FPGA 10，多路数模变换器DAC1 111、DAC2 112、DACn 113，多路信号采集模数变换器ADC1 121、ADC2122、ADCn 123，多路耦合器Coupler1 131、Coupler 2132、Couplern 133和多路二选一MUX1141、MUX2 142、MUXn 143组成。FPGA 10的作用是实现信号产生逻辑、通道误差自动检测和通道一致性补偿功能，自动检测和补偿流程是自适应的过程。多路数模变换器DAC1 111、DAC2 112、DACn 113的作用是实现发射信号的数模变换；多路信号采集模数变换器ADC1121、ADC2 122、ADCn 123的作用是采集来自信号耦合通道的信号，并将采集的信号送给FPGA进行通道误差自动检测，进而完成通道一致性补偿；多路耦合器Coupler1 131、Coupler 2 132、Couplern 133和多路二选一MUX1 141、MUX2 142、MUXn 143组成的信号耦合通道的作用是提供发射信号反馈，经采集后计算通道间的信号延时、幅度和相位误差。

多路二选一MUX1 141、MUX2 142、MUXn 143可以选择只耦合通道1信号，或者同时耦合全部通道的发射信号。当只耦合通道1信号时，用作采集通道校准，即补偿信号耦合和采集的通道的一致性误差；当耦合全部通道的发射信号时，用于发射通道的一致性误差检测，即不仅能够补偿发射通道一致性误差，而且能够补偿信号耦合和采集通道的一致性误差。

在以上方案的基础上，FPGA内部实现了如图2所示的基带信号产生、特定波形发生器、通道延时补偿、通道幅度补偿、通道相位补偿、本振产生、采样率变换和变频功能等逻辑电路。总体上，FPGA内部逻辑主要包含多个信号发生和校准通道（即图2中的，通道1 20、通道2 21、通道n 22）、特定波形发生器23和本振产生逻辑24。

信号发生和校准通道1 20包含基带信号产生逻辑201，可以实时产生基带信号或者通过外部导入基带信号波形；如果实时产生基带信号，通过FPGA逻辑编程可以灵活产生包括幅度调制、相位调制、频率调制、以及正交频分复用（OFDM）调制信号；如果通过外部导入基带信号，则可以实现任意波形产生；

信号发生和校准通道1 20还包含误差补偿装置202，误差补偿装置包含通道延时补偿装置，通过一个用于采样率变换的基带分数采样滤波器实现；误差补偿装置还包含通道幅度补偿逻辑，通过一组乘法器调整每一路信号的幅度；

信号发生和校准通道1 20还包含二选一逻辑203，可以选择正常工作产生的信号输出或者选择特定波形发生器23产生的信号输出；

信号发生和校准通道1 20还包含通道相位补偿功能204，通过在本振信号上增加一个相位补偿乘法器实现载波相位补偿；

信号发生和校准通道1 20还包含升采样和上变频逻辑205，升采样逻辑将基带信号变换到一个合适的高采样率，为把信号调制到更高载波的上变频做准备；上变频逻辑将经过延时补偿并升采样的基带信号和经过相位补偿的本振信号相乘。

信号发生和校准通道1 20还包含信号特征提取装置206，通过频谱分析、相关、幅度计算等方法实现采集通道和发射通道的延时、幅度、相位一致性特征提取；

信号发生和校准通道1 20还包含下变频和降采样装置207，能够将ADC所采集的耦合通道信号进行下变频和降采样；

信号发生和校准通道2 21和信号发生和校准通道n 22的组成与信号发生和校准通道120完全一致。

特定波形发生器23产生用于误差检测的参考信号，参考型号类型包括单频连续波和伪随机序列。

本振产生逻辑24通过一个NCO产生本振信号。

误差检测装置25通过比较多个通道所采集的耦合通道的信号的延时、幅度和相位特征，并将延时和幅度误差补偿值配置到误差补偿装置202、误差补偿装置212、误差补偿装置222，将载波相位误差补偿值配置到本振相移装置204、本振相移装置214、本振相移装置224。通过控制图1的MUX1 141、MUX2 142、MUXn 143，以选择多个信号产生通道的输出或者只选择信号产生通道1的输出，误差检测装置25不仅能够检测得到信号产生通道的一致性误差，还能够检测得到信号耦合和采集通道的一致性误差。

通过所述特定波形发生器23发送特定波形的信号，经过图1的DAC1 111、DAC2112、DACn 113变换发送出去，然后通过图1的采集通道的ADC1 121、ADC2 122、ADCn 123采集耦合到的信号，能够比较发送信号分别和多路返回信号的延时、幅度和相位差异，进而得到通道幅相误差；将计算得到的误差信息输入到误差补偿装置202、误差补偿装置212、误差补偿装置222和本振相移装置204、本振相移装置214、本振相移装置224，不仅能够补偿幅度误差和载波相位误差，还能够补偿基带信号以及信号包络的延时误差。

本发明中的多通道发射机的通道一致性误差自动补偿方法包含两种工作模式：离线自动补偿和在线自动补偿。所述离线自动补偿模式采用特定波形发生产生的参考信号进行通道一致性误差检测；所述在线自动补偿模式采用正常工作的信号自带的训练序列或者特定前导进行通道一致性误差检测；

所述的离线自动补偿工作模式下，通道一致性误差自动补偿的流程如图3所示，主要包含如下步骤：

a) 自动补偿待命301，直到接收到初始化或者校准命令302；

b) 发送特定波形信号303，并且通过控制图1的二选一MUX1 141、MUX2 142、MUXn 143逻辑，将从发射通道1耦合的特定波形信号直接送到各个采集通道；

c) 采集通道ADC采集通道1的特定波形信号，进行接收通道校准304，以补偿信号耦合和采集的通道的一致性误差；

d) 通过控制图1的二选一MUX1 141、MUX2 142、MUXn 143逻辑，将采集通道ADC的输入改成多路耦合信号，进行发射通道一致性误差计算305；

e) 将发射通道误差存入误差补偿装置和本振相移装置306，不仅能够补偿幅度误差和载波相位误差，还能够补偿基带信号以及信号包络的延时误差；

f) 多通道发射机进入正常工作模式306，离线自动补偿功能回到待命状态301。

所述的在线自动补偿工作模式下，通道一致性误差自动补偿的流程如图3所示，主要包含如下步骤：

a) 开机401直接进入发送特定波形信号状态402，并且通过控制图1的二选一MUX1141、MUX2 142、MUXn 143逻辑，将从通道1耦合的特定波形信号直接送到各个采集通道；

b) 采集通道ADC采集通道1的特定波形信号，进行接收通道校准403，以补偿信号耦合和采集的通道的一致性误差；

c) 多通道发射机进入正常工作模式正常发送信号404；通过控制图1的二选一MUX1141、MUX2 142、MUXn 143逻辑，将采集通道ADC的输入改成多路耦合信号；

d) 采用发送信号的固定帧头进行发射通道特征提取和通道一致性误差检测405；

e) 将发射通道误差存入误差补偿装置和本振相移装置406，不仅能够补偿幅度误差和载波相位误差，还能够补偿基带信号以及信号包络的延时误差；

f) 在多通道发射机正常工作时实时计算并补偿通道误差。

应当理解的是，以上所述从具体实施例的角度对本发明的技术内容进一步地披露，其目的在于让大家更容易了解本发明的内容，但不代表本发明的实施方式和权利保护局限于此。本发明保护范围阐明于所附权利要求书中，凡是在本发明的宗旨之内的显而易见的修改，亦应归于本发明的保护之内。

Claims

1.一种多通道发射机，其特征在于，包括以下4个组成部分：

1-b）多路DAC，其作用是实现发射信号的数模变换；

1-d）多个ADC组成的信号采集通道，其作用是采集来自信号耦合通道的信号，并将采集的信号送给FPGA进行通道误差自动检测，进而完成通道一致性补偿；

所述通道一致性补偿功能不仅能够补偿幅度误差和载波相位误差，还能够补偿基带信号以及信号包络的延时误差；并且所述FPGA、多路DAC、多路信号耦合通道，以及多路ADC组成的信号采集通道在硬件上支持自适应的误差检测和补偿；

所述FPGA通过变频和采样率变换的方法降低了FPGA内部逻辑的运算量；

所述多通道发射机的通道一致性误差自动补偿方法包含两种工作模式，离线自动补偿模式和在线自动补偿模式；所述离线自动补偿模式采用特定波形发生产生的参考信号进行通道一致性误差检测；所述在线自动补偿模式采用正常工作的信号自带的训练序列或者特定前导进行通道一致性误差检测。

2.如权利要求1所述的一种多通道发射机，其特征在于，所述信号产生逻辑，能够实现实时产生基带信号或者通过外部导入基带信号波形；如果实时产生基带信号，通过FPGA逻辑编程可以灵活产生包括幅度调制、相位调制、频率调制、以及正交频分复用（OFDM）调制信号；如果通过外部导入基带信号，则可以实现任意波形产生。

3.一种权利要求1所述的多通道发射机的通道一致性误差自动补偿方法，其特征在于，包含两种工作模式，离线自动补偿模式和在线自动补偿模式；所述离线自动补偿模式采用特定波形发生产生的参考信号进行通道一致性误差检测；所述在线自动补偿模式采用正常工作的信号自带的训练序列或者特定前导进行通道一致性误差检测。

4.如权利要求3所述的多通道发射机的通道一致性误差自动补偿方法，其特征在于，所述离线自动补偿模式包含如下步骤：

6-a) 自动补偿待命，直到接收到初始化或者校准命令；

6-e) 将发射通道误差存入误差补偿装置和本振相移装置；

5.如权利要求3所述的一种多通道发射机的通道一致性误差自动补偿方法，其特征在于，所述在线自动补偿模式包含如下步骤：

7-e) 将发射通道误差存入误差补偿装置和本振相移装置；

7-f) 在多通道发射机正常工作时实时计算并补偿通道误差。

6.如权利要求3、4或5任一项所述的一种多通道发射机的通道一致性误差自动补偿方法，其特征在于，在补偿发射通道一致性误差之前，首先补偿信号耦合和采集的通道的一致性误差。