CN109067476A - 一种多天线系统发射通道校准方法及其校准信号 - Google Patents

Abstract

本发明一种多天线系统发射通道校准方法及其校准信号，包括：步骤1，将通道两两组合形成若干相互关联的通道对；步骤2，为每个通道对分配一个校准频点；步骤3，为每个通道对中的两个通道分别设定校准信号的幅度和初始相位，作为一个校准信号发射场景发射，由基带校准通道采集测得各通道对相应频点合成信号的功率；步骤4，在只改变通道对中两通道校准信号相位差的条件下重复步骤3至少一次，得到至少两个校准信号发射场景下的合成信号功率；步骤5，计算各通道对中两通道的相位差和幅度差，补偿各通道误差。本发明结合单音信号两两通道校准方法和CDMA多路同时校准的特点，能够校准非整数采样点时延并且能够同时对多个通道进行补偿校准。

Description

一种多天线系统发射通道校准方法及其校准信号

技术领域

本发明属于电子信息技术领域，涉及一种多天线系统发射通道校准方法及其校准信号。

背景技术

在多天线无线发射系统中，通过对多天线通道的幅度/相位加权可以达到空间波束赋型的效果，例如，将发射信号能量聚集于某空间方向(即形成波束)，或抑制能量在某空间方向的辐射(即形成零陷)。而这些应用需要多天线的发射通道之间具有幅度/相位的一致性，即需要进行多通道发射校准。

现有方法是将各通道校准信号通过耦合器耦合至发射校准接收机，根据校准信号和校准接收机的硬件的不同，主要分为采用单音信号两两通道校准和通过码分多址CDMA多路同时校准。单音信号两两通道校准方法每次只校准两个通道，存在校准过程复杂，通道校准误差累积等问题；CDMA码分多路同时校准方法虽然能够同时校准多个通道，但存在无法补偿非整数采样点时延的问题，校准精度差，并且无法针对不同频率给出不同的校准值。

发明内容

本发明目的在于提供一种多天线系统发射通道校准方法及其校准信号，其结合单音信号两两通道校准方法和CDMA多路同时校准的特点，能够校准非整数采样点时延并且能够同时对多个通道进行补偿校准。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种多天线系统发射通道校准方法，包括如下步骤：

步骤1，将通道两两组合形成若干通道对，通道对的个数不大于OFDM频点数，且每个通道对中至少有一个通道也包含在另一个或若干个通道对中，使所有的通道对能够互相关联起来；

步骤2，为每个通道对分配一个校准频点；

步骤3，为每个通道对中的两个通道分别设定校准信号的幅度和初始相位，从而得到各通道的频域校准信号；

步骤4，对频域校准信号进行IFFT变换为时域校准信号，得到各通道的时域校准信号，作为一个校准信号发射场景，由基带各通道同时发射，输送给基带校准通道采集，测得该发射场景下各通道对相应频点合成信号的功率；

步骤5，在只改变通道对中两通道校准信号相位差的条件下重复步骤3和步骤4的操作至少一次，构建不同的校准信号发射场景，得到至少两个校准信号发射场景下的合成信号功率；

步骤6，计算各通道对中两通道的相位差和幅度差，获得各通道在不同频点的幅频相频特性曲线；

步骤7，根据各通道在不同频点的幅频相频特性曲线，补偿各通道误差。

优选的，步骤1中，通道对的配置规则为：记发射通道数为N，编号为0…N-1，选择K’点FFT的OFDM系统，其中可用子载波编号为0…K-1；通道对数为K(K<＝K’)，第k个(k＝0,…,K-1)通道对包含的通道为{mod(k,N),mod(k+1,N)}，其中mod为取余操作。

优选的，步骤1中，通道对的配置规则为：记发射通道数为N，编号为0…N-1；选择K’点FFT的OFDM系统，其中可用子载波编号为0…K-1；通道对数为K，第k个(k＝0,…,K-1)通道对包含的通道为{0,mod(k+1,N-1)+1}，其中mod为取余操作。

进一步的，通道0的频域校准信号可以采用低峰均比的Zadoff-Chu序列构成。

优选的，步骤5中重复步骤3和步骤4操作三次，构建四个校准信号发射场景，由各通道分时发射。

进一步的，通道对中两个通道的校准信号相位差在四个校准信号发射场景中分别为0、π/2、π和3π/2。

进一步的，步骤6中，计算各通道对中两通道的相位差和幅度差的方法具体为：

任一通道对的四个校准信号发射场景如下：

S1：Δφ_i＝0，

S2：Δφ_i＝π/2，

S3：Δφ_i＝π，

S4：Δφ_i＝3π/2，

记接收到该校准频点的合成信号的功率为S_i，i＝1,2,3或4，则该通道对中两通道的相位差为：

方法1，令K＝A₂/A₁，

解过定方程，得到K；

其中，A₁和A₂分别为通道对中两通道校准信号的幅度，下标i表示不同的校准信号发射场景，θ为通道对中两通道间的相位差，Δφ_i为通道对中两通道间校准信号的相位差，S_i为第i个校准信号发射场景发射得到的合成信号功率。

优选的，通道对中两通道校准信号幅度一致。

优选的，通道对中通道校准信号的配置规则为：通道对中一通道校准信号的幅度设定为1，相位设定为0；通道对中另一通道发射信号的幅度设定为1，四个校准信号发射场景中相位分别设定为i表示不同的校准信号发射场景。

所述的多天线系统发射通道校准方法得到的校准信号。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明可用于多天线系统的发射通道校准与补偿。本发明通过在频域正交分配各通道的校准子载波，从而能够对多个发射通道同时校准，同时，由于在一个通道对内采用单音信号对通道幅度和相位校准，避免了CDMA校准方法无法补偿非整数采样点时延的问题，另外，整个校准过程的计算量采用闭式直接求解，较现有CDMA方法搜索相关峰值效率更高，校准速度更快。

附图说明

图1为多通道发射系统校准框图。

图2为余弦定理示意图。

图3为实施例1通道校准分配频点示意图。

图4为实施例2通道校准分配频点示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1所示，多通道发射系统由基带和射频两部分组成，系统工作方式分为业务模式和校准模式。

当处于业务模式时，基带部分开关选择业务信号，各通道的业务信号经过对应的校准系数加权后，经射频通道最终由天线发射。

当处于校准模式时，基带部分开关选择校准信号，各通道的校准信号同时发射，经过对应的发射通道，由耦合器耦合至合路器，形成耦合回路信号，最后输送给基带校准通道采集，并根据采集信号计算得出各通道校准系数。

为了达到多通道同时高精度校准的目的，需要产生每个通道各自的校准信号。本发明的校准信号基于OFDM信号产生，可用OFDM频点覆盖整个通道频率范围。

本发明所述的多天线系统发射通道校准方法，包括如下步骤：

步骤1，将通道两两组合形成若干通道对(即任意两个通道)，通道对的个数不大于OFDM频点数，且要求每个通道对中至少有一个通道也包含在另一个通道对中。

步骤2，为每个通道对分配一个校准频点。校准频点的分配可根据通道变化的特性在可用OFDM频点内均匀或不均匀的分配。

步骤3，在每个校准频点的通道对中选择一个通道作为参考通道，设定参考通道校准信号的幅度和初始相位，幅度可以为任意非零值，初始相位可以为0～360度内任意值。设定通道对中另一个通道校准信号的幅度；及其与参考通道校准信号的相位差，从而可以得到该通道校准信号的初始相位，并可以得到该通道校准信号与参考通道校准信号的幅度比例，优选该通道校准信号与参考通道校准信号幅度一致。从而得到各通道的频域校准信号。

步骤4，确定好各通道的频域校准信号后，对频域校准信号进行IFFT变换为时域校准信号，得到各通道的时域校准信号，作为一个发射场景，由基带各通道同时发射，由耦合器耦合至合路器，形成耦合回路信号，最后输送给基带校准通道采集，测得第一个发射场景下各通道对合成信号的功率。

步骤5，在只改变通道对中另一个通道校准信号与参考通道校准信号的相位差的条件下重复步骤3和步骤4至少一次，构建不同的校准信号发射场景，得到至少两个校准信号发射场景的合成信号的功率。

步骤6，计算各通道对中两通道的相位差和幅度差，获得各通道在不同频点的幅频相频特性曲线，

步骤7，各通道在不同频点的幅频相频特性曲线，补偿各通道误差。

本发明还提供上述方法得到的各通道的校准信号。

下面描述一对通道在一个频点上的校准过程：

该通道对中的参考通道记为通道1，另一通道记为通道2，系统基于OFDM，每个子载波为可分配的频点，每个频点上同时有两个通道的信号发射，不同发射通道在不同时间发射等幅或不等幅且具有一定相位差的信号。

为表述简单且不失一般性，记通道1发射的校准信号为通道2发射的校准信号为接收的合成信号为

其中，w为校准频点对应的信号频率，

A₁,φ_1i分别为参考通道校准信号的幅度和初始相位，

A₂,φ_2i分别为另一通道校准信号的幅度和初始相位，

下标i表示不同的校准信号发射场景，

θ为两通道间的相位差。

即合成信号为一个频率为w，幅度为A₁和A₂两个矢量和的幅度。

根据图2所示，计算矢量和幅度利用余弦定理：

其中，Δφ为参考通道和另一通道校准信号的相位差。下标i表示不同的校准信号发射场景。

即合成信号幅度与两通道校准信号幅度响应、初相差和两通道相位差有关。

本发明优选实施下面4个校准信号发射场景，即分时发射4种校准信号：

S1：Δφ_i＝0，

S2：Δφ_i＝π/2，

S3：Δφ_i＝π，

S4：Δφ_i＝3π/2，

即设定通道对中另一通道与参考通道的校准信号相位差，由于参考通道校准信号的相位已经设定，因此可以确定第二通道校准信号的相位。

记接收到该校准频点的合成信号的功率为S_i，即则两通道的相位差为：

两通道的幅度差有多种计算方法，本发明给出两种示例性的计算方法：

方法1，令K＝A₂/A₁，

解过定方程，得到K。

方法2，令

解得：A₁或

A₂或

至此获得了一对通道在一个频点上的幅频、相频特性，由此获得通道对内两通道的幅相差。

校准信号发射场景的数量还可以是大于等于2的其他整数值，例如2、3、5、6等，按照上述4个校准信号发射场景的计算方法类推，计算得到通道对内两通道的幅相差。

对每个通道对进行上述的两通道幅相差计算的过程，可解得各通道内两通道的幅相差，实际发射校准信号过程因各个频点同时正交发射，因此无需重复发射过程。

由于每个通道对内至少有一个通道也包含在另一个通道对中，因此可以通过不同通道对的测量结果，计算获得各通道在不同频点的幅频相频特性曲线。

根据各通道的幅频相频特性，通过业内公知的方法(例如复系数加权或滤波器方式)可以补偿通道误差。

这里给出两种优选的具体实施方式：

实施例1

记发射通道数为N，编号为0…N-1。选择K’点FFT的OFDM系统，其中可用子载波编号为0…K-1。

通道对数为K(K<＝K’)，第k个(k＝0,…,K-1)通道对包含的通道为{mod(k,N),mod(k+1,N)}，其中mod为取余操作。分配频点方式如图3所示。

每个通道对选取编号小的通道为参考通道，参考通道的幅度设定为1，相位设定为0；通道对中另一通道发射信号幅度设定为1，相位设定为

综上，每个通道将具有4种频域发射校准信号，经过IFFT变换后转变为4种时域发射校准信号，由各通道分时发出。

各通道发射信号经耦合器耦合至校准耦合回路，采样后得到4种校准信号下的接收信号。对接收信号进行FFT变换得到频域接收校准信号。通过子载波的正交性，系统可以分离各个通道对，对各频点的通道对可以分别处理。

实施例2：

本优选实施例与优选实施例1区别在于通道对的选取和通道校准信号的配置。

记发射通道数为N，编号为0…N-1。选择K’点FFT的OFDM系统，其中可用子载波编号为0…K-1。

通道对数为K，第k个(k＝0,…,K-1)通道对包含的通道为{0,mod(k+1,N-1)+1}，其中mod为取余操作，即通道0作为所有通道对共同的参考通道。分配频点方式如图4所示。

参考通道(通道0)的频域校准信号可以采用低峰均比的Zadoff-Chu序列构成。而其他通道校准信号的相位相对于该频点参考通道相位相差0,90,180,270度，即其他通道在频点k上的第i组校准信号为 其中为参考通道在频点k上的校准信号。

Claims (10)

1.一种多天线系统发射通道校准方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，将通道两两组合形成若干通道对，通道对的个数不大于OFDM频点数，且每个通道对中至少有一个通道也包含在另一个或若干个通道对中，使所有的通道对能够互相关联起来；

步骤2，为每个通道对分配一个校准频点；

步骤3，为每个通道对中的两个通道分别设定校准信号的幅度和初始相位，从而得到各通道的频域校准信号；

步骤4，对频域校准信号进行IFFT变换为时域校准信号，得到各通道的时域校准信号，作为一个校准信号发射场景，由基带各通道同时发射，输送给基带校准通道采集，测得该发射场景下各通道对相应频点合成信号的功率；

步骤5，在只改变通道对中两通道校准信号相位差的条件下重复步骤3和步骤4的操作至少一次，构建不同的校准信号发射场景，得到至少两个校准信号发射场景下的合成信号功率；

步骤6，计算各通道对中两通道的相位差和幅度差，获得各通道在不同频点的幅频相频特性曲线；

步骤7，根据各通道在不同频点的幅频相频特性曲线，补偿各通道误差。

2.根据权利要求1所述的多天线系统发射通道校准方法，其特征在于，步骤1中，通道对的配置规则为：记发射通道数为N，编号为0…N-1，选择K’点FFT的OFDM系统，其中可用子载波编号为0…K-1；通道对数为K(K<＝K’)，第k个(k＝0,…,K-1)通道对包含的通道为{mod(k,N),mod(k+1,N)}，其中mod为取余操作。

3.根据权利要求1所述的多天线系统发射通道校准方法，其特征在于，步骤1中，通道对的配置规则为：记发射通道数为N，编号为0…N-1；选择K’点FFT的OFDM系统，其中可用子载波编号为0…K-1；通道对数为K，第k个(k＝0,…,K-1)通道对包含的通道为{0,mod(k+1,N-1)+1}，其中mod为取余操作。

4.根据权利要求3所述的多天线系统发射通道校准方法，其特征在于，通道0的频域校准信号可以采用低峰均比的Zadoff-Chu序列构成。

5.根据权利要求1所述的多天线系统发射通道校准方法，其特征在于，步骤5中重复步骤3和步骤4操作三次，构建四个校准信号发射场景，由各通道分时发射。

6.根据权利要求5所述的多天线系统发射通道校准方法，其特征在于，通道对中两个通道的校准信号相位差在四个校准信号发射场景中分别为0、π/2、π和3π/2。

7.根据权利要求6所述的多天线系统发射通道校准方法，其特征在于，步骤6中，计算各通道对中两通道的相位差和幅度差的方法具体为：

任一通道对的四个校准信号发射场景如下：

S1：Δφ_i＝0，

S2：Δφ_i＝π/2，

S3：Δφ_i＝π，

S4：Δφ_i＝3π/2，

记接收到该校准频点的合成信号的功率为S_i，i＝1,2,3或4，则该通道对中两通道的相位差为：

方法1，令K＝A₂/A₁，

解过定方程，得到K；

其中，A₁和A₂分别为通道对中两通道校准信号的幅度，下标i表示不同的校准信号发射场景，θ为通道对中两通道间的相位差，Δφ_i为通道对中两通道间校准信号的相位差，S_i为第i个校准信号发射场景发射得到的合成信号功率。

8.根据权利要求1所述的多天线系统发射通道校准方法，其特征在于，通道对中两通道校准信号幅度一致。

9.根据权利要求1所述的多天线系统发射通道校准方法，其特征在于，通道对中通道校准信号的配置规则为：通道对中一通道校准信号的幅度设定为1，相位设定为0；通道对中另一通道发射信号的幅度设定为1，四个校准信号发射场景中相位分别设定为i表示不同的校准信号发射场景。

10.权利要求1-9任一项所述的多天线系统发射通道校准方法得到的校准信号。