CN110299951B - 一种相位校准方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种相位校准的方法及装置，涉及通信领域，所述方法包括：根据天线阵列发射单音信号时的发射功率，确定各个射频发射通道的第一相位差异数据。根据每个射频发射通道传输的校正数据的相位和从每个所述射频发射通道耦合至射频接收通道的校正数据的相位，确定所述各个射频发射通道的第二相位差异数据。利用所述各个射频发射通道的所述第一相位差异数据和所述第二相位差异数据，对所述各个射频发射通道相位进行补偿。本发明实施例通过硬件电路优化设计和软件校正的方法，极大地降低了各个通道的相位差，提高了无线收发信机的性能，增加了产品的市场竞争力。

Description

一种相位校准方法及装置
技术领域
本发明涉及通信领域，特别涉及一种相位校准方法及装置。
背景技术
随着通讯技术的发展，对于无线基站产品载频个数要求越来越多，要求实现更多的射频通道，尤其随着5G技术如火如荼的展开，大规模多入多出(Massive Multiple-InputMultiple-Output，Massive MIMO)技术需求更多的硬件通道以支持大量天线个数。其中，多个硬件通道之间的相位同步问题，成为一个急需解决的关键问题。
发明内容
本发明实施例提供的一种相位校准方法及装置，解决多个硬件通道之间的相位同步问题。
根据本发明实施例提供的一种相位校准方法，包括：
根据天线阵列发射单音信号时的发射功率，确定各个射频发射通道的第一相位差异数据；
根据每个射频发射通道传输的校正数据的相位和从每个所述射频发射通道耦合至射频接收通道的校正数据的相位，确定所述各个射频发射通道的第二相位差异数据；
利用所述各个射频发射通道的所述第一相位差异数据和所述第二相位差异数据，对所述各个射频发射通道的相位进行补偿。
优选地，所述根据天线阵列发射单音信号时的发射功率，确定各个射频发射通道的第一相位差异数据包括：
根据一组天线阵列发射的所述单音信号，得到所述一组天线阵列的发射功率作为基准功率；
根据所述一组天线阵列和其它每组天线阵列发射的所述单音信号，分别得到所述一组天线阵列和所述其它每组天线阵列的合成功率；
根据所述基准功率和所述合成功率，确定各个射频发射通道的第一相位差异数据。
优选地，根据所述基准功率和所述合成功率，确定各个射频发射通道的第一相位差异数据包括：
将所述一组天线阵列启用时对应的射频发射通道作为相位基准发射通道；
对所述一组天线阵列与所述其它每组天线阵列启用时对应的每个射频发射通道侧的移相器进行调整，分别得到所述一组天线阵列与所述其它每组天线阵列的所述合成功率的不同幅值；
将所述一组天线阵列与所述其它每组天线阵列的所述合成功率的最小幅值对应的移相器的值，作为每个所述射频发射通道与所述相位基准发射通道的第一相位差异数据。
优选地，所述基准功率和所述合成功率是由设置在远场的频谱仪确定的。
优选地，所述根据每个射频发射通道传输的校正数据的相位和从每个所述射频发射通道耦合至射频接收通道的校正数据的相位，确定所述各个射频发射通道的第二相位差异数据包括：
根据每个所述射频发射通道传输的所述校正数据的相位和从每个所述射频发射通道耦合至所述射频接收通道的所述校正数据的相位，分别确定每个所述射频发射通道与所述射频接收通道的相位差；
根据每个所述射频发射通道与所述射频接收通道的相位差，确定每个所述射频发射通道与所述相位基准发射通道的第二相位差异数据。
优选地，所述利用所述各个射频发射通道的所述第一相位差异数据和所述第二相位差异数据，对所述各个射频发射通道相位进行补偿包括：
将每个所述射频发射通道与所述相位基准发射通道的第一相位差异数据写入校准表，并将所述校准表配置给每个所述射频发射通道的移相器；
将每个所述射频发射通道与所述相位基准发射通道的第二相位差异数据写入现场可编程门阵列。
根据本发明实施例提供的一种相位校准装置，包括：射频发射模块、射频接收模块和多组天线阵列，还包括：
设置在所述射频发射模块侧的第一校准模块，用于根据天线阵列发射单音信号时的发射功率，确定所述射频发射模块的各个射频发射通道的第一相位差异数据,并利用所述第一相位差异数据，对所述各个射频发射通道的相位进行补偿；
设置在所述射频发射模块侧的第二校准模块，用于将从每个所述射频发射通道耦合输出的校正数据送入所述射频接收模块的射频接收通道，以供基带单元利用每个射频发射通道传输的校正数据的相位和从每个所述射频发射通道耦合至射频接收通道的校正数据的相位，确定所述各个射频发射通道的第二相位差异数据；
设置在所述射频发射模块侧现场可编程门阵列，用于利用所述第二相位差异数据，对所述各个射频发射通道的相位进行补偿。
优选地，所述第一校准模块包括：
移相器，用于根据一组天线阵列发射所述单音信号而得到的所述一组天线阵列的发射功率、所述一组天线阵列和其它每组天线阵列发射所述单音信号而分别得到的所述一组天线阵列和所述其它每组天线阵列的合成功率，确定每个所述射频发射通道与相位基准发射通道的第一相位差异数据；
其中，将所述一组天线阵列启用时对应的射频发射通道作为所述相位基准发射通道；
其中，将所述一组天线阵列和其它每组天线阵列启用时对应的每个所述射频发射通道作为待校准的射频发射通道。
优选地，所述第一校准模块还包括：
耦合器，用于将每个所述射频发射通道传输的校正数据耦合输出至所述第二校验模块。
优选地，所述第二校验模块包括：
射频开关，用于通过切换每个所述射频发射通道与所述射频接收通道的通路，将所述耦合器耦合输出的每个所述射频发射通道传输的校验数据送入所述射频接收通道。
本发明实施例提供的技术方案具有如下有益效果：
本发明实施例通过硬件电路优化设计和软件校正的方法，极大地降低了各个通道的相位差，提高了无线收发信机的性能，增加了产品的市场竞争力。
附图说明
图1是本发明实施例提供的相位校准流程图；
图2是现有技术提供的相位校准装置示意图；
图3是本发明实施例提出的相位校准装置示意图；
图4是本发明实施例提供的射频模块及校准模块1的详细框图；
图5是本发明实施例提供的校准模块2的详细框图；
图6是本发明实施例提供的在线实时校准框图；
图7是本发明实施例提供的链路损耗校准的实施框图；
图8是本发明实施例提供的离线校准示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，应当理解，以下所说明的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是本发明实施例提供的相位校准流程图，如图1所示，步骤包括：
步骤S101：根据天线阵列发射单音信号时的发射功率，确定各个射频发射通道的第一相位差异数据。
其中，根据一组天线阵列发射的所述单音信号，得到所述一组天线阵列的发射功率作为基准功率；将所述一组天线阵列启用时对应的射频发射通道作为相位基准发射通道。
其中，根据所述一组天线阵列和其它每组天线阵列发射的所述单音信号，分别得到所述一组天线阵列和所述其它每组天线阵列的合成功率；将所述一组天线阵列与所述其它每组天线阵列启用时对应的每个射频发射通道作为待校准的射频发射通道。
其中，对所述一组天线阵列与所述其它每组天线阵列启用时对应的每个射频发射通道侧的移相器进行调整，分别得到所述一组天线阵列与所述其它每组天线阵列的所述合成功率的不同幅值，将所述一组天线阵列与所述其它每组天线阵列的所述合成功率的最小幅值对应的移相器的值，作为每个所述射频发射通道与所述相位基准发射通道的第一相位差异数据。
其中，所述基准功率和所述合成功率是由设置在远场的频谱仪确定的。
步骤S102：根据每个射频发射通道传输的校正数据的相位和从每个所述射频发射通道耦合至射频接收通道的校正数据的相位，确定所述各个射频发射通道的第二相位差异数据。
其中，根据每个所述射频发射通道传输的所述校正数据的相位、从每个所述射频发射通道耦合至所述射频接收通道的所述校正数据的相位，分别确定每个所述射频发射通道与所述射频接收通道的相位差，然后根据每个所述射频发射通道与所述射频接收通道的相位差，确定每个所述射频发射通道与所述相位基准发射通道的第二相位差异数据。
步骤S103：利用所述各个射频发射通道的所述第一相位差异数据和所述第二相位差异数据，对所述各个射频发射通道的相位进行补偿。
其中，将每个所述射频发射通道与所述相位基准发射通道的第一相位差异数据写入校准表，并将所述校准表配置给每个所述射频发射通道的移相器，实现对链路的相位补偿。
其中，将每个所述射频发射通道与所述相位基准发射通道的第二相位差异数据写入现场可编程门阵列，从而利用现场可编程门阵列针对多通道数据进行相位补偿。
基于图1实施例的方法，本发明实施例还提供了一种相位校准装置，包括：射频发射模块、射频接收模块和多组天线阵列，以及设置在所述射频发射模块侧的第一校准模块、第二校准模块和现场可编程门阵列。其中：
第一校准模块，用于根据天线阵列发射单音信号时的发射功率，确定所述射频发射模块的各个射频发射通道的第一相位差异数据,并利用所述第一相位差异数据，对所述各个射频发射通道的相位进行补偿；
第二校准模块，用于将从每个所述射频发射通道耦合输出的校正数据送入所述射频接收模块的射频接收通道，以供基带单元利用每个射频发射通道传输的校正数据的相位和从每个所述射频发射通道耦合至射频接收通道的校正数据的相位，确定所述各个射频发射通道的第二相位差异数据；
现场可编程门阵列，用于利用所述第二相位差异数据，对所述各个射频发射通道的相位进行补偿。
其中，所述第一校准模块包括移相器和耦合器，
移相器用于根据一组天线阵列发射所述单音信号而得到的所述一组天线阵列的发射功率、所述一组天线阵列和其它每组天线阵列发射所述单音信号而分别得到的所述一组天线阵列和所述其它每组天线阵列的合成功率，确定每个所述射频发射通道与相位基准发射通道的第一相位差异数据；其中，将所述一组天线阵列启用时对应的射频发射通道作为所述相位基准发射通道；其中，将所述一组天线阵列和其它每组天线阵列启用时对应的每个所述射频发射通道作为待校准的射频发射通道。
耦合器用于将每个所述射频发射通道传输的校正数据耦合输出至所述第二校验模块。
所述第二校验模块包括射频开关，用于通过切换每个所述射频发射通道与所述射频接收通道的通路，将所述耦合器耦合输出的每个所述射频发射通道传输的校验数据送入所述射频接收通道。
图2是现有技术提供的相位校准装置示意图，如图2所示，传统的射频单元，可在天线的馈电口直接进行校准。但是，随着5G技术发展，目前的高频微波天线阵子，按照30G的频率计算，1/2λ的间距为5mm，根本无法放置下校准通道，针对这些问题，本发明实施例提供一种改进的装置。图3是本发明实施例提出的相位校准装置示意图，如图3所示，将校准通道的耦合位置移到射频模块侧，使用耦合器耦合信号出来，连接到校准链路，采用实时在线校准，结合离线校准的方式，实现最终精准的相位校准。
装置的内部结构设计合理，针对于装置的基本应用场景，用于基站产品的射频无线单元电路。
本发明实施例所述的装置主要由以下几个部分构成：射频模块、天线、校准模块(包括校准模块1和校准模块2)，详见图3所示。下面详细描述各模块实现的功能。
射频模块：用于射频信号的上下变频、滤波、放大、衰减等功能，实现模拟信号频率的转换及信号功率大小的调节；
天线：接收和发射无线电磁波；
校准模块：用于通道间的相位校准，可进行通道间的相位差异校正；
耦合器：耦合一部分射频信号连接到校准模块；
移相器：进行相位变化，通过移相器调节，补偿硬件通路带来的相位差。
图4是本发明实施例提供的射频模块及校准模块1的详细框图，
图5是本发明实施例提供的校准模块2的详细框图，如图4和图5所示，本发明实施例所述装置的具体组成和具体链路介绍如下：
射频发射通道：发射机链路，实现射频信号的放大、变频等功能；
射频开关(包括射频开关1和射频开关2)：射频切换开关，用于多通道之间的切换；
射频接收通道：接收机链路，用于射频信号的下变频、功率放大、滤波等作用。
射频发射通道的信号，经过耦合器，耦合部分射频信号进入校准通道，校准通道将耦合过来的发射信号，在射频开关进行切换选择，进入射频接收通道进行相位的校准。
收发信机的相位差异主要产生在两个方面：第一，基带的多通道数据，相位会产生差异；第二、多个通道的器件之间的离散性，单板的PCB布局、走线差异产生的相位差异。针对这些差异，本实施例的装置采用两种方法结合的方式进行校准，一种是离线校准，先采集各个通道的相位差异数据，将数据写入校准表，设备启动后先加载校准表，将校准表数据配置到链路的移相器上，补偿链路之间相位差异；一种是通过校准通道，利用空闲的时隙，在线实时校准，校准数据补偿到有源天线单元(Active Antenna Unit，AAU)的现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)中。
本实施例通过硬件电路优化设计和软件校正，降低了各个通道的相位差。
图6是本发明实施例提供的在线实时校准框图，如图6所示，包括：基带处理单元(BBU)，主要完成基带信号的处理；AAU，通过光纤与BBU连接。其中，AAU包括：
FPGA，现场可编程门阵列；
RFADC：采用了射频采样技术的模数转换器；
RFDAC：采用了射频采样技术的数模转换器；
射频模块：用于射频信号的上下变频、滤波、放大、衰减等功能，实现模拟信号频率的转换及信号功率大小的调节；
校准模块：用于通道间的相位校准，可进行通道间的相位差异校正。
在不影响业务的前提下，利用TX与RX的保护时隙，进行实时的通道间校准。BBU发AC校正序列，经过光纤连接到AAU，进入FPGA、RFDAC，进入射频链路，先进行通道0校准，如图4和图5所示，将射频开关1切换到A，射频开关2切换到A，经过射频接收通道，数据经FPGA、光纤，传回BBU，BBU比较发送数据与接收数据的相位，得出发射0通道的相位差X0，然后，将射频开关1切换到B，BBU采集通道1的数据，得到发射1通道的相位差X1，逐步进行每个通道的校准，得到所有通道的相位差，AAU将各通道间相位差异数据X0、X1…Xn补偿到FPGA中。
图7是本发明实施例提供的链路损耗校准的实施框图，图8是本发明实施例提供的离线校准示意图，如图7和图8所示，离线校准过程如下：
首先，架起两个喇叭天线，一个是标准增益喇叭口天线A、一个是喇叭口天线B，见附图6。信号源设置功率为Py，经过喇叭天线A辐射电磁波，喇叭天线B接收电磁波，经过线缆连接到频谱仪，读取频谱仪读数Px。其中，Py为信号源的发射功率；Ly为射频线缆损耗；Gs为喇叭天线A的增益；Px为频谱仪的读数；Pc为两个喇叭天线的空间损耗加上喇叭天线B到频谱仪的线缆损耗，再加上喇叭天线B的增益，Pc＝Py-Px+Gs-Ly。
需要说明的是两个喇叭天线之间的距离R，需要按照天线的远场公式进行估算，也就是说两个喇叭天线之间的距离R应满足以下公式：R＝2D2/λ。其中，R为待测天线到远场区的距离；D为天线物理口径的最大尺寸；λ为工作波长。
将附图7中的标准增益喇叭口天线A，更换为待校准设备AAU，见附图8。AAU中的FPGA发单音信号，经过RFDAC、射频模块、校准模块，打开第一组天线阵列，经过空间传播，喇叭天线B接收到功率，经过线缆连接到频谱分析仪，频谱仪预埋链路损耗Pc，显示出AAU发射的功率值，再打开第二组天线阵列，频谱仪得到两组天线阵列的合成功率；调节第二组通道的移相器，遍历移相器的所有配置，得到其中最小的合成功率值所对应的移相器设置的相位值Y0，记录该数据。依次测试所有通道，得到Y0、Y1…Yn，校准值Z0＝180+Y0、Z1＝180+Y1…Zn＝180+Yn，将Z0、Z1…Zn写入校准表。
综上所述，本发明的实施例具有以下技术效果：
在无线通信产品的基站设备中，本发明实施例通过优化硬件设计，提供一种相位校准方法，达到多个硬件通道输出相位同步的目的。
尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本技术领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种相位校准的方法，其特征在于，包括：
根据天线阵列发射单音信号时的发射功率，确定包括天线阵列的各个射频发射通道的离线校准的第一相位差异数据；
根据每个射频发射通道传输的校正数据的相位和从每个所述射频发射通道的射频发射模块侧耦合至射频接收通道的校正数据的相位，确定所述各个射频发射通道的在线校准的第二相位差异数据；
利用包括天线阵列的所述各个射频发射通道的离线校准的所述第一相位差异数据和所述各个射频发射通道的在线校准的所述第二相位差异数据，对所述各个射频发射通道的相位进行补偿。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据天线阵列发射单音信号时的发射功率，确定包括天线阵列的各个射频发射通道的离线校准的第一相位差异数据包括：
根据一组天线阵列发射的所述单音信号，得到所述一组天线阵列的发射功率作为基准功率；
根据所述一组天线阵列和其它每组天线阵列发射的所述单音信号，分别得到所述一组天线阵列和所述其它每组天线阵列的合成功率；
根据所述基准功率和所述合成功率，确定各个射频发射通道的第一相位差异数据。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述基准功率和所述合成功率，确定各个射频发射通道的第一相位差异数据包括：
将所述一组天线阵列启用时对应的射频发射通道作为相位基准发射通道；
对所述一组天线阵列与所述其它每组天线阵列启用时对应的每个射频发射通道侧的移相器进行调整，分别得到所述一组天线阵列与所述其它每组天线阵列的所述合成功率的不同幅值；
将所述一组天线阵列与所述其它每组天线阵列的所述合成功率的最小幅值对应的移相器的值，作为每个所述射频发射通道与所述相位基准发射通道的第一相位差异数据。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述基准功率和所述合成功率是由设置在远场的频谱仪确定的。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据每个射频发射通道传输的校正数据的相位和从每个所述射频发射通道的射频发射模块侧耦合至射频接收通道的校正数据的相位，确定所述各个射频发射通道的在线校准的第二相位差异数据包括：
根据每个所述射频发射通道传输的所述校正数据的相位和从每个所述射频发射通道的射频发射模块侧耦合至所述射频接收通道的所述校正数据的相位，分别确定每个所述射频发射通道与所述射频接收通道的相位差；
根据每个所述射频发射通道与所述射频接收通道的相位差，确定每个所述射频发射通道与所述相位基准发射通道的第二相位差异数据。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述利用包括天线阵列的所述各个射频发射通道的离线校准的所述第一相位差异数据和所述各个射频发射通道的在线校准的所述第二相位差异数据，对所述各个射频发射通道的相位进行补偿包括：
将每个所述射频发射通道与所述相位基准发射通道的第一相位差异数据写入校准表，并将所述校准表配置给每个所述射频发射通道的移相器；
将每个所述射频发射通道与所述相位基准发射通道的第二相位差异数据写入现场可编程门阵列。
7.一种相位校准的装置，包括：射频发射模块、射频接收模块和多组天线阵列，其特征在于，还包括：
设置在所述射频发射模块侧的第一校准模块，用于根据天线阵列发射单音信号时的发射功率，确定包括天线阵列的各个射频发射通道的离线校准的第一相位差异数据，并利用包括天线阵列的所述各个射频发射通道的离线校准的所述第一相位差异数据，对所述各个射频发射通道的相位进行补偿；
设置在所述射频发射模块侧的第二校准模块，用于将从每个所述射频发射通道的射频发射模块侧耦合输出的校正数据送入所述射频接收模块所在的射频接收通道，以供基带单元利用每个射频发射通道传输的校正数据的相位和从每个所述射频发射通道的射频发射模块侧耦合至射频接收通道的校正数据的相位，确定所述各个射频发射通道的在线校准的第二相位差异数据；
设置在所述射频发射模块侧现场可编程门阵列，用于利用所述各个射频发射通道的在线校准的所述第二相位差异数据，对所述各个射频发射通道的相位进行补偿。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一校准模块包括：
移相器，用于利用包括天线阵列的所述各个射频发射通道的离线校准的所述第一相位差异数据，对所述各个射频发射通道的相位进行补偿，其中，根据一组天线阵列发射所述单音信号而得到的所述一组天线阵列的发射功率、所述一组天线阵列和其它每组天线阵列发射所述单音信号而分别得到的所述一组天线阵列和所述其它每组天线阵列的合成功率，确定每个所述射频发射通道与相位基准发射通道的第一相位差异数据；
其中，将所述一组天线阵列启用时对应的射频发射通道作为所述相位基准发射通道；
其中，将所述一组天线阵列和其它每组天线阵列启用时对应的每个所述射频发射通道作为待校准的射频发射通道。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第一校准模块还包括：
耦合器，用于将每个所述射频发射通道传输的校正数据耦合输出至所述第二校准模块。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第二校准模块包括：
射频开关，用于通过切换每个所述射频发射通道与所述射频接收通道的通路，将所述耦合器耦合输出的每个所述射频发射通道传输的校验数据送入所述射频接收通道。
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