CN107682098A - 业务不中断的星载多波束天线发射通道校准系统 - Google Patents

Abstract

业务不中断的星载多波束天线发射通道校准系统，属于雷达天线测量技术领域。本发明将超低功率校准信号与正常通信业务信号叠加，同时经过上变频器、功放等模块后通过发射天线阵列辐射，接收端通过并行相关器提取各发射通道的幅相误差系数，并引入迫零均衡器消除通信信号对超低功率校准信号的强干扰，得到更高精度的幅度和相位校准因子，调整装置根据幅度和相位校准因子对发射通道的幅度和相位进行调整，实现业务不中断的星载多波束天线发射通道校准。本发明能在不中断业务的条件下实现高精度校准，不额外占用频谱资源，同时保证通信质量。

Description

业务不中断的星载多波束天线发射通道校准系统

技术领域

本发明涉及业务不中断的星载多波束天线发射通道校准系统，属于雷达天线测量技术领域。

背景技术

星载多波束天线能大幅度提高卫星通信容量和覆盖性，广泛应用于现代卫星通信系统。由于卫星通信环境的特殊性，卫星上的有源电子器件受到温度漂移、器件老化等因素影响，产生幅度和相位误差，造成波束指向、主瓣增益和副瓣电平等关键性能下降，因此精确、实时地测量幅度和相位误差并进行补偿对于星载多波束天线系统具有重要的实际意义。

精确和实时校准的前提是解决通信信号和校准信号相互干扰问题，传统校准系统主要有两种：一种方法基于FDMA体制，为校准信号与通信业务信号分配不同的频率信道，这种方法需要额外占用有限的频谱资源；另一种方法基于TDMA体制，校准与通信交替进行，这种校准方法需中断正常卫星通信业务流。因此，对于在轨运行中的星载多波束天线，需要设计一种不影响通信业务的校准系统，既能在通信过程中完成多波束天线的实时校准，又能抑制通信信号对超低功率校准信号的强干扰，实现业务不中断条件下的实时、高精度校准。

发明内容

本发明的目的是解决星载多波束天线校准占用频谱资源、中断正常通信业务流的问题，提出一种业务不中断的星载多波束天线发射通道校准系统，将超低功率校准信号与正常通信业务信号叠加，同时经过上变频器、功放等模块后通过发射天线阵列辐射，地面幅相校准接收机通过并行相关器提取各发射通道的幅相误差系数，并引入迫零均衡器消除通信信号对超低功率校准信号的强干扰，得到更高精度的幅度和相位校准因子，调整装置根据幅度和相位校准因子对发射通道的幅度和相位进行调整。本发明能在不中断业务的条件下实现高精度校准，不额外占用频谱资源，同时保证通信质量。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

业务不中断的星载多波束天线发射通道校准系统，其校准步骤包括：

步骤一、每个发射通道对应唯一的正交扩频序列，校准信号产生模块对各路扩频序列分别进行内插和脉冲成型得到基带波形，数字上变频将基带校准信号的频谱搬移至中频，最后，经过数/模转换后得到模拟中频校准信号，同时波束形成网络输出通信信号；

步骤二、每个发射通道的定向耦合器将步骤一得到的模拟中频校准信号和通信信号进行不等功率合成得到中频混合信号；

其中，模拟中频校准信号和通信信号进行不等功率合成时，模拟中频校准信号的功率远低于通信信号功率；

步骤三、射频发射模块将步骤二生成的中频混合信号的频谱从中频搬移至射频，滤除带外杂波，并放大信号功率后得到射频混合信号经过发射天线阵列辐射；

步骤四、地面幅相校准接收机接收步骤三辐射出的射频混合信号，再进行低噪声放大、下变频至中频、滤除带外杂波输出模拟中频混合信号；

步骤五、模拟中频混合信号通过数字处理模块中的模/数转换器和数字下变频器得到数字基带混合信号；

步骤六、并行相关器将数字基带混合信号与相应的扩频序列进行相关，估计各发射通道的幅相误差系数；

其中，并行相关器由校准信号的相关器和通信信号的相关器组成；若以发射通道所对应的扩频序列和观察窗口内通信信号的采样值为列向量组成一个矩阵A，则并行相关器的单位脉冲响应矩阵为A^H，(·)^H表示矩阵的共轭转置，若输入的数字基带混合信号用向量r表示，则并行相关器输出的幅相误差系数向量为其中为复向量，其模值表示各发射通道的幅度误差，其相位角表示各发射通道的相位误差；

步骤七、将步骤六得到的各发射通道的幅相误差系数通过迫零均衡器消除通信信号对超低功率校准信号的强干扰，得到更高精度的幅相误差系数，其倒数的模值即为幅度校准因子，其倒数的相位角即为相位校准因子，然后将幅度和相位校准因子反馈回星载多波束天线上的调整装置；

其中，若令迫零均衡器的输出值组成的向量为M，则解算公式为(·)^-1为矩阵求逆；

步骤八、星载多波束天线上的调整装置根据接收到的幅度和相位校准因子对各发射通道的幅度和相位进行调整；

至此，从步骤一到步骤八，实现了业务不中断的星载多波束天线发射通道校准。

业务不中断的星载多波束天线发射通道校准系统包括星载多波束天线和地面幅相校准接收机。

其中，星载多波束天线包括：波束形成网络、定向耦合器、调整装置、射频发射模块、发射天线阵列和校准信号产生模块；地面幅相校准接收机包括：接收天线、射频接收模块和数字处理模块；

其中，校准信号产生模块包括：正交扩频序列发生器、内插滤波器、脉冲成型滤波器、数字上变频器和数/模转换器；数字处理模块包括：模/数转换器、数字下变频器、并行相关器和迫零均衡器。

业务不中断的星载多波束天线发射通道校准系统中各模块的功能如下：

波束形成网络，用于对输入信号按预设的幅度和相位关系进行相应的衰减和移相，得到用于通信业务的通信信号；

校准信号产生模块，用于为各发射通道产生模拟中频校准信号；

定向耦合器，用于将波束形成网络得到的通信信号和校准信号产生模块得到的模拟中频校准信号进行不等功率合成得到中频混合信号，为保证通信质量不受影响，合成时模拟中频校准信号功率远低于通信信号功率；

射频发射模块，用于将定向耦合器得到的中频混合信号的频谱从中频搬移至射频频段，滤除带外杂波，并放大信号功率得到射频混合信号；

发射天线阵列，用于辐射射频发射模块得到的射频混合信号；

接收天线，用于接收发射天线阵列辐射的射频混合信号；

射频接收模块，用于对接收天线接收到的射频混合信号进行低噪声放大、下变频和滤除带外杂波得到中频混合信号；

数字处理模块，用于对射频接收模块输出的中频混合信号进行相关运算，提取各发射通道的幅度和相位校准因子并反馈给调整装置；

调整装置，用于根据输入的校准因子对各发射通道的幅度和相位进行调整。有益效果

本发明业务不中断的星载多波束天线发射通道校准系统，与现有技术相比，具有如下有益效果：

1.将超低功率校准信号注入正常卫星通信业务流，通信和校准同时进行，实现了业务不中断的实时校准，并且不额外占用频率信道，节省卫星频率资源；

2.和传统的业务中断的校准系统相比本发明的通信信号和校准信号在同一个时隙发送，不中断正常卫星通信业务流；

3.引入迫零均衡器消除大功率通信信号对微弱校准信号的强干扰，提高了星载多波束天线校准精度。

附图说明

图1是本发明业务不中断的星载多波束天线发射通道校准系统的校准流程图；

图2是本发明业务不中断的星载多波束天线发射通道校准系统示意图；

图3是本发明业务不中断的星载多波束天线发射通道校准系统中校准信号产生模块的工作原理图；

图4是本发明业务不中断的星载多波束天线发射通道校准系统中数字处理模块的工作原理图；

图5是传统业务中断的星载多波束天线发射通道的通信和校准时隙和本发明实施例业务不中断的星载多波束天线发射通道的通信和校准时隙对比图；其中(a)图表示传统校准系统的通信和校准时隙，(b)图表示本发明实施例校准系统的通信和校准时隙；

显而易见，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明和详细描述。

实施例1

本实施例叙述了本发明的校准流程、校准系统及校准工作原理。

图1是本发明业务不中断的星载多波束天线发射通道校准系统的校准流程图，如图1所示，校准信号产生模块产生中频校准信号，通过定向耦合器将产生的中频校准信号与波束形成网络输出的正常通信信号进行不等功率合成，合成时中频校准信号功率远低于通信信号功率，然后将合成得到的中频混合信号同时经过射频发射模块处理得到射频混合信号，最后将其通过发射天线阵列辐射。地面幅相校准接收机接收射频混合信号，并将其通过射频接收模块处理得到模拟中频混合信号，数字处理模块中的模/数转换器和数字下变频器对模拟中频信号处理后输出数字基带混合信号，然后将其通过并行相关器估计各发射通道的幅相误差系数，最后经过迫零均衡器消除通信信号对超低功率校准信号的强干扰，得到更高精度的幅度和相位校准因子，调整装置根据幅度和相位校准因子对各发射通道的幅度和相位进行调整。

图2是本发明业务不中断的星载多波束天线发射通道校准系统示意图，从图2可以看出，业务不中断的星载多波束天线发射通道校准系统包括：星载多波束天线和地面幅相校准接收机；其中，星载多波束天线包括：波束形成网络、定向耦合器、调整装置、射频发射模块、发射天线阵列和校准信号产生模块；而地面幅相校准接收机包括：接收天线、射频接收模块和数字处理模块。

图3是本发明业务不中断的星载多波束天线发射通道校准系统中校准信号产生模块的工作原理图，由图3可知，校准信号产生模块将每个发射通道对应的扩频序列进行内插、脉冲成型、数字上变频和数/模转换后得到对应于各发射通道的模拟中频校准信号。

图4是本发明业务不中断的星载多波束天线发射通道校准系统中数字处理模块的工作原理图，由图4可知，数字处理模块接收从射频接收模块输出的模拟中频混合信号，首先将其进行模/数转换变为数字信号，再经过数字下变频器将频谱从中频搬到基带，然后通过并行相关器估计各发射通道的幅相误差系数，最后通过迫零均衡器消除通信信号对超低功率校准信号的强干扰，得到更高精度的幅度和相位校准因子。

实施例2

以64个发射通道、选用码长512的Walsh序列作为校准扩频码的星载多波束天线发射通道校准系统为例，对本发明的具体实施过程进行说明。

步骤A、校准信号产生模块产生64个码片速率为100kHz、码长为512的Walsh序列作为校准扩频码,然后进行32倍内插和脉冲成型，成型滤波器为根升余弦滤波器，滚降因子为1，得到64路信号带宽为200kHz、数据速率为3200kHz的基带校准波形，数字上变频将信号频谱从基带搬移到中频10.7MHz，最后经数/模转换输出64路模拟中频校准信号，同时波束形成网络输出通信信号；

步骤B、每个发射通道的定向耦合器将模拟中频校准信号和通信信号进行不等功率合成得到中频混合信号，然后将其发送给射频发射模块；

其中，模拟中频校准信号和通信信号进行不等功率合成时，模拟中频校准信号的功率远低于通信信号功率；

步骤C、射频发射模块将步骤B所得中频混合信号频谱从10.7MHz搬到2.2GHz(S波段)，滤除带外杂波，并放大功率后得到射频混合信号，最后经过发射天线阵列辐射；

步骤D、地面幅相校准接收机接收步骤C发射的射频混合信号，射频接收模块对接收的信号进行低噪放、下变频和滤除带外杂波后得到中心频率为10.7MHz的模拟中频信号；其中，模拟中频信号仍为64路校准信号和通信信号的混合；

步骤E、模/数转换器以40MHz采样率将模拟中频信号转换为数字信号，然后数字下变频器将10.7MHz中频信号的频谱搬移至基带并进行25倍抽取，得到数据速率为1600kHz的基带混合信号；

步骤F、将步骤E所得的基带混合信号并行通过65路抽头长度为8192(16×512)的并行相关器，估计64路发射通道和一路通信信号的幅相误差系数；

其中，并行相关器由64路校准信号的相关器和1路通信信号的相关器组成；若以发射通道所对应的64个Walsh序列和观察窗口内通信信号的512个采样值为列向量组成一个矩阵A，A为512行、65列的矩阵；则65路并行相关器的单位脉冲响应矩阵为A^H，(·)^H表示矩阵的共轭转置；其中，A^H为一个65行，512列的矩阵，若输入的数字基带混合信号用向量r表示，则并行相关器输出的幅相误差系数向量为其中为复向量，该向量前64个元素的模值表示各发射通道的幅度误差，该向量前64个元素的相位角表示各发射通道的相位误差；

步骤G、将步骤F所得的65个幅相误差系数通过迫零均衡器消除通信信号对超低功率校准信号的强干扰，迫零均衡器每隔5.12ms同时输出65个值，前64个为发射通道更高精度的幅相误差系数，其倒数的模值即为幅度校准因子，倒数的相位角即为相位校准因子，然后将幅度和相位校准因子发送给星载多波束天线上的调整装置，而第65个值无需处理；

其中，若令迫零均衡器输出值所组成的列向量为M，则解算公式为(·)^-1为矩阵求逆；

步骤H、星载多波束天线上的调整装置接收步骤G得到的幅度和相位校准因子对各发射通道的幅度和相位进行调整。

实验结果

图5是传统业务中断的星载多波束天线发射通道的通信和校准时隙和本发明实施例业务不中断的星载多波束天线发射通道的通信和校准时隙对比图，其中用户数量为4。从图5的(a)图可以看出在传统校准系统中，通信信号和校准信号交替发送，因此通信和校准交替进行，校准过程必须中断正常的通信业务流。从图5的(b)图可以看出在本发明实施例业务不中断的校准系统中，将通信信号和校准信号叠加后在同一个时隙中发送，因此通信和校准同时进行，不会中断正常的通信业务。

对于上述实施例，下表为使用无迫零均衡器的校准系统和本实施例引入迫零均衡器的校准系统在不同的通信信号与校准信号功率比的情况下，幅度和相位校准精度的对比。

由上表可知使用无迫零均衡器的校准系统时，受通信信号强干扰影响，幅度校准精度和相位校准精度极差，而本实施例使用引入迫零均衡器的校准系统，完全消除了大功率通信信号对微弱校准信号的影响，极大提高了幅度和相位校准精度，并且其校准性能不随通信信号与校准信号功率比的变化而变化。

综上所述，应用本发明进行校准时，能在不中断业务的条件下实现高精度校准，不额外占用频谱资源，同时保证通信质量。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (2)

1.业务不中断的星载多波束天线发射通道校准系统，其特征在于：将超低功率校准信号与正常通信业务信号叠加，同时经过上变频器、功放等模块后通过发射天线阵列辐射，地面幅相校准接收机通过并行相关器估计各发射通道的幅相误差系数，并引入迫零均衡器消除通信信号对超低功率校准信号的强干扰，得到更高精度的幅度和相位校准因子，调整装置根据幅度和相位校准因子对发射通道的幅度和相位进行调整。本发明能在不中断业务的条件下实现高精度校准，不额外占用频谱资源，同时保证通信质量；

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

业务不中断的星载多波束天线发射通道校准系统，其校准步骤包括：

步骤一、每个发射通道对应唯一的正交扩频序列，校准信号产生模块对各路扩频序列分别进行内插和脉冲成型得到基带波形，数字上变频将基带校准信号的频谱搬移至中频，最后，经过数/模转换后得到模拟中频校准信号，同时波束形成网络输出通信信号；

步骤二、每个发射通道的定向耦合器将步骤一得到的模拟中频校准信号和通信信号进行不等功率合成得到中频混合信号；

其中，模拟中频校准信号和通信信号进行不等功率合成时，模拟中频校准信号功率远低于通信信号功率；

步骤三、射频发射模块将步骤二生成的中频混合信号的频谱从中频搬移至射频，滤除带外杂波，并放大信号功率后得到射频混合信号经过发射天线阵列辐射；

步骤四、地面幅相校准接收机接收步骤三辐射出的射频混合信号，再进行低噪声放大、下变频至中频、滤除带外杂波输出模拟中频混合信号；

步骤五、模拟中频混合信号通过数字处理模块中的模/数转换器和数字下变频器得到数字基带混合信号；

步骤六、并行相关器将数字基带混合信号与相应的扩频序列进行相关，估计各发射通道的幅相误差系数；

其中，并行相关器由校准信号的相关器和通信信号的相关器组成；若以发射通道所对应的扩频序列和观察窗口内通信信号的采样值为列向量组成一个矩阵A，则并行相关器的单位脉冲响应矩阵为A^H，(·)^H表示矩阵的共轭转置，若输入的数字基带混合信号用向量r表示，则并行相关器输出的幅相误差系数向量为其中为复向量，其模值表示各发射通道的幅度误差，其相位角表示各发射通道的相位误差；

步骤七、将步骤六得到的各发射通道的幅相误差系数通过迫零均衡器消除通信信号对超低功率校准信号的强干扰，得到更高精度的幅相误差系数，其倒数的模值即为幅度校准因子，其倒数的相位角即为相位校准因子，然后将幅度和相位校准因子反馈回星载多波束天线上的调整装置；

其中，若令迫零均衡器的输出值组成的向量为M，则解算公式为(·)^-1为矩阵求逆；

步骤八、星载多波束天线上的调整装置根据接收到的幅度和相位校准因子对各发射通道的幅度和相位进行调整；

至此，从步骤一到步骤八，实现了业务不中断的星载多波束天线发射通道校准。

2.根据权利要求1所述的业务不中断的星载多波束天线发射通道校准系统，其特征在于：包括星载多波束天线和地面幅相校准接收机；

其中，星载多波束天线包括：波束形成网络、定向耦合器、调整装置、射频发射模块、发射天线阵列和校准信号产生模块；地面幅相校准接收机包括接收天线、射频接收模块和数字处理模块；

其中，校准信号产生模块包括：正交扩频序列发生器、内插滤波器、脉冲成型滤波器、数字上变频器和数/模转换器；数字处理模块包括：模/数转换器、数字下变频器、并行相关器和迫零均衡器；

业务不中断的星载多波束天线发射通道校准系统中各模块的功能如下：

波束形成网络，用于对输入信号按预设的幅度和相位关系进行相应的衰减和移相，得到用于通信业务的通信信号；

校准信号产生模块，用于为各发射通道产生模拟中频校准信号；

定向耦合器，用于将波束形成网络得到的通信信号和校准信号产生模块得到的模拟中频校准信号进行不等功率合成得到中频混合信号，为保证通信质量不受影响，合成时模拟中频校准信号功率远低于通信信号功率；

射频发射模块，用于将定向耦合器得到的中频混合信号的频谱从中频搬移至射频频段，滤除带外杂波，并放大信号功率得到射频混合信号；

发射天线阵列，用于辐射射频发射模块得到的射频混合信号；

接收天线，用于接收发射天线阵列辐射的射频混合信号；

射频接收模块，用于对接收天线接收到的射频混合信号进行低噪声放大、下变频和滤除带外杂波得到中频混合信号；

数字处理模块，用于对射频接收模块输出的中频混合信号进行相关运算，提取各发射通道的幅度和相位校准因子并反馈给调整装置；

调整装置，用于根据输入的校准因子对各发射通道的幅度和相位进行调整。