CN108418611B - 一种大规模多输入输出无线信道仿真仪 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子信息技术领域，尤其涉及一种大规模多输入输出无线信道仿真仪及相位自动校准的实现方法，包括：多个信号处理板、信号交换板、频率综合源板、主控板、背板、电源、显示终端和录入终端，本发明解决了单台设备对32*8的MIMO仿真，简化了测试系统的复杂性，提高了工作效率，其具备有单台设备具备64个输入输出通道、支持32*8规模的Massive MIMO仿真、输入信号相位不需要借助外部仪表就可实现校准、各个通道数据间的大流量数据交换的功能。

Description

一种大规模多输入输出无线信道仿真仪

技术领域

本发明属于电子信息技术领域，尤其涉及一种大规模多输入输出无线信道仿真仪及相位自动校准的实现方法。

背景技术

MIMO技术是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。它能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量，显示出明显的优势、被视为下一代移动通信的核心技术。

随着下一代移动通信技术的发展，大规模多输入输出（Massive MIMO）技术得到了广泛的应用，无线信道仿真仪是Massive MIMO通信系统中对空间无线环境仿真的有效手段。Massive MIMO通信系统在天线数量、信号带宽、信号传输速率、信号延时等方面性能要求比MIMO系统具有很大的提高，从而对无线信道仿真仪的仿真性能也在通道数量、信号处理等方面要求更多。因此，设计一个通道数量多、信号带宽大、信号传输速率高、仿真信号延时长、信号相位校准方便的全双工无线信道仿真仪就尤为必要，目前，市面上无线信道仿真仪的通道数量不超过32通道，对Massive MIMO的仿真测试支持存在着通道数量少的缺点，要实现32*8规模的Massive MIMO仿真，则需要两台设备级联才能实现，同时，现有的无线信道仿真仪通道为单输入单输出模式，对信号相位校准时需要借助外用仪表进行。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种无线信道仿真仪，其具备有单台设备具备64个输入输出通道、支持32*8规模的Massive MIMO仿真、输入信号相位不需要借助外部仪表就可实现校准、各个通道数据间的大流量数据交换的功能。

一种大规模多输入输出无线信道仿真仪，包括：多个信号处理板、信号交换板、频率综合源板、主控板、背板、电源、显示终端和录入终端，所述信号处理板包含八个输入输出双工通道，所述输入输出双工通道包括一个高隔离度功分器、一个IQ解调器、一个ADC、一个DAC、一个IQ调制器和一个大动态时延控制模块，所述的八个输入输出双工通道共用一个信号处理器FPGA，所述信号处理板的数量为八个。

相位自动校准的实现方法为：

信号处理板的信号处理FPGA产生连续波数字信号，输出到DAC，经过DAC转换后形成I、Q两路信号，通过IQ调制器后形成1路模拟信号输出到高隔离度功分器，信号通过高隔离度功分器输入到IQ解调器解调成I、Q两路信号，通过ADC采集后输入到FPGA，即完成了自发自收的信号处理工程，FPGA通过发送的信号与接收到的信号进行相位误差计算，得到了本通道的相位误差，FPGA依次计算出所有通道的相位误差，选择第一个通道的相位误差作为参考值，其余通道的相位误差与第一个通道的相位误差进行比较，得到各个通道与第一个通道的相位误差相对值，将所有相对值作为误差参数保存，在进行实际仿真测试时，各个通道的输入信号的相位误差通过相对值作为补偿值，从而保证了所有通道与第一个通道的相对误差为0.从而实现了不需要外接网络分析仪即可实现相位自动校准

优选的，所述信号处理板完成输入信号的处理、输入信号的仿真和信号的输出。

优选的，所述频率综合源板为各个信号处理板提供本振信号。

优选的，所述信号交换板完成多个信号处理板之间的数据交换。

优选的，所述主控板运行人机界面接口软件。

优选的，所述信号处理板、频率综合源板与主控板通过背板实现控制信号的传输。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明解决了单台设备对32*8的MIMO仿真，简化了测试系统的复杂性，提高了工作效率，其具备有单台设备具备64个输入输出通道、支持32*8规模的Massive MIMO仿真、输入信号相位不需要借助外部仪表就可实现校准、各个通道数据间的大流量数据交换的功能。

附图说明

图1是本发明专利中多通道无线信道仿真仪整体框图；

图2是本发明专利中信号处理板内部连接图；

图3是本发明专利中信号处理板与信号交换板连接图；

图4是本发明专利中大动态高精度时延的信道模拟设备的模块框图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种大规模多输入输出无线信道仿真仪由多个信号处理板、信号交换板、频率综合源板、主控板、背板、电源和外接的显示器、键盘鼠标组成，其中，信号处理板的具体应用数量在实际应用时可选择1-8个。

信号处理板完成输入信号的处理、输入信号的仿真和信号的输出，频率综合源板为各个信号处理板提供本振信号，信号交换板完成多个信号处理板之间的数据交换，主控板运行人机界面接口软件，各个信号处理板、频率综合源板与主控板通过背板实现控制信号的传输，电源为系统各个模块工作提供电源，外接显示器为人机界面显示设备，键盘鼠标为系统的输入设备。

实施例2

如图2所示，每个信号处理板包含最多8个输入输出通道，每个输入输出双工通道包括1个高隔离度功分器、1个IQ解调器、1个ADC、1个DAC、1个IQ调制器、1个大动态时延控制模块，8个输入输出双工通道共用1个信号处理器FPGA，实际应用时输入输出双工通道可选择1-8个通道。

通过8个信号处理板，每个信号处理板配置8个通道，实现了单台设备64个通道的设计。更进一步的，如果通道数需求小于64个通道，只需要根据通道数减少信号处理板或者某个信号处理板的通道硬件配置即可。

实施例3

相位自动校准实现方式：如图2所示，1个信号处理板的信号处理FPGA产生连续波数字信号，输出到DAC，经过DAC转换后形成I、Q两路信号，通过IQ调制器后形成1路模拟信号输出到高隔离度功分器，信号通过高隔离度功分器输入到IQ解调器解调成I、Q两路信号，通过ADC采集后输入到FPGA，即完成了自发自收的信号处理工程。FPGA通过发送的信号与接收到的信号进行相位误差计算，得到了本通道的相位误差，FPGA依次计算出所有通道的相位误差，选择第一个通道的相位误差作为参考值，其余通道的相位误差与第一个通道的相位误差进行比较，得到各个通道与第一个通道的相位误差相对值，将所有相对值作为误差参数保存。在进行实际仿真测试时，各个通道的输入信号的相位误差通过相对值作为补偿值，从而保证了所有通道与第一个通道的相对误差为0.从而实现了不需要外接网络分析仪即可实现相位自动校准。

实施例4

如图4所示，本大动态高精度的信道模拟设备包括：射频输入单元、信道时延配置单元、信道时延模拟单元、射频输出单元。其中信道时延模拟单元为本系统核心单元，包含输入信号多径配置模块、大动态时延控制模块、高精度时延控制模块、输出信号选择模块。其中大动态时延控制模块由片外高速内存和FPGA共同组成，实现秒级和毫秒级时延控制，高精度时延控制模块在FPGA上实现，实现纳秒级和皮秒级时延。

（2）信道时延配置单元根据通信信道时延要求，将每个通道的时延值分解为四部分，秒级时延、毫秒级时延、纳秒级时延和皮秒级时延，将秒级时延和毫秒级时延下发到大动态时延控制模块、纳秒级时延和皮秒级时延下发到高精度时延控制模块。

大动态时延控制模块的内部处理子模块包括：抽取模块，缓存模块，插值模块。抽取和内插的倍数由时延要求和硬件内存大小共同决定，同时应满足奈奎斯特采样定律。通过抽取、缓存、内插，可以降低需要存贮的信号采样点数，从而实现大动态时延仿真。高精度时延控制模块的内部处理子模块包括：采样周期整数倍时延缓存模块，采样周期分数倍时延模块，其中分数倍延时模块采用FARROW结构的三阶拉格朗日滤波器实现，可以实现皮秒级时延。由于是信道均为多径信道，因此上述的模块均为多路并行。

实施例5

大流量数据交换：当输入输出通道数量不大于8个通道时，大流量数据交换在信号处理板内处理，输入信号经过数字信号处理器FPGA处理后，按照逻辑分配直接进行输出，更进一步的，当输入输出通道数不大于16通道是，数据交换主要在两个信号处理板间进行，数字信号处理板1的数字信号处理器FPGA处理完成后，通过高速收发器传输到数字信号处理板2的数字信号处理器FPGA，经过数字信号处理器FPGA处理后再输出，更进一步的，当输入输出通道大于16通道时，通道间的数据交换需要使用信号交换板实现，即数字信号处理板的数字信号处理器FPGA完成数据处理后，将信号通过FPGA高速收发器传输到数字交换板，信号交换板完成对齐后，将数字信号处理板的信号传输到其他数字信号处理板，从而实现通道间的数据交换。

利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种大规模多输入输出无线信道仿真仪，其特征在于包括：多个信号处理板、信号交换板、频率综合源板、主控板、背板、电源、显示终端和录入终端，所述频率综合源板为信号处理板提供本振信号，所述信号交换板完成多个信号处理板之间的数据交换，所述每个信号处理板包含八个输入输出双工通道，所述输入输出双工通道包括一个高隔离度功分器、一个IQ解调器、一个ADC、一个DAC、一个IQ调制器和一个大动态时延控制模块，所述的八个输入输出双工通道共用一个信号处理器FPGA，所述信号处理板的数量为八个；

当输入输出双工通道数量不大于8个通道时，大流量数据交换在信号处理板内处理，输入信号经过FPGA处理后，按照逻辑分配直接进行输出，当输入输出双工通道数量不大于16通道时，大流量数据交换在两个信号处理板间进行，第一块数字信号处理板的FPGA处理完成后，通过高速收发器传输到第二块数字信号处理板的FPGA，经过第二块数字信号处理板的FPGA处理后再输出，当输入输出双工通道大于16通道时，大流量数据交换需要使用信号交换板，即信号处理板的FPGA完成数据处理后，将信号通过FPGA传输到数字交换板，信号交换板完成对齐后，将信号处理板的信号传输到其他信号处理板，从而实现通道间的数据交换；

所述无线信道仿真仪安装有相位自动校准系统，所述相位自动校准系统的实现方法为：

1）所述多个信号处理板的信号处理FPGA产生连续波数字信号，输出到DAC，经过DAC转换后形成I、Q两路信号，通过IQ调制器后形成1路模拟信号输出到高隔离度功分器，信号通过高隔离度功分器输入到IQ解调器解调成I、Q两路信号，通过ADC采集后输入到FPGA，完成自发自收，

2）FPGA通过发送的信号与接收到的信号进行相位误差计算，得到本通道的相位误差，FPGA依次计算出所有通道的相位误差，

3）选择第一个通道的相位误差作为参考值，其余通道的相位误差与第一个通道的相位误差进行比较，得到各个通道与第一个通道的相位误差相对值，将所有相对值作为误差参数保存，

4）在进行实际仿真测试过程中，各个通道的输入信号的相位误差通过相对值作为实际测量的补偿值；

所述信号处理板完成输入信号的处理、输入信号的仿真和信号的输出；

所述主控板运行人机界面接口软件；

所述信号处理板、频率综合源板与主控板通过背板实现控制信号的传输；

所述大规模多输入输出无线信道仿真仪还包括：射频输入单元、信道时延配置单元、信道时延模拟单元、射频输出单元；

其中信道时延模拟单元为核心单元，包含输入信号多径配置模块、大动态时延控制模块、高精度时延控制模块、输出信号选择模块，其中大动态时延控制模块由片外高速内存和FPGA共同组成，实现秒级和毫秒级时延控制，高精度时延控制模块在FPGA上实现，实现纳秒级和皮秒级时延；

信道时延配置单元根据通信信道时延要求，将每个通道的时延值分解为四部分，秒级时延、毫秒级时延、纳秒级时延和皮秒级时延，将秒级时延和毫秒级时延下发到大动态时延控制模块、纳秒级时延和皮秒级时延下发到高精度时延控制模块；

所述信道时延模拟单元中，大动态时延控制模块的内部处理子模块包括：抽取模块，缓存模块，插值模块；抽取和内插的倍数由时延要求和硬件内存大小共同决定，同时应满足奈奎斯特采样定律，通过抽取、缓存、内插，可以降低需要存贮的信号采样点数，从而进行大动态时延仿真；高精度时延控制模块的内部处理子模块包括：采样周期整数倍时延缓存模块，采样周期分数倍时延模块，其中分数倍延时模块采用FARROW结构的三阶拉格朗日滤波器，可以完成皮秒级时延，且各模块为多路并行模式。