CN112073097B - 混合波束成形接收阵列自校准装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合波束成形接收阵列自校准装置，通过天线阵列接收外部输入的通信信号，将通信信号依次传输至定向耦合器和低噪声放大器，低噪声放大器放大通信信号，得到放大信号，将放大信号发送至混频器，混频器对放大信号进行下变频处理，得到下变频信号，下变频信号依次经过滤波器、中频放大器放大后进入数控矢量合成中频移相器中，再经过数控衰减器进行幅度调整，得到多路信号，合路器将各路信号合为一路，注入自校准模块；自校准模块对合路后的信号进行自校准调整，获取调整后的参数值，并根据调整后的参数值对数控矢量合成中频移相器和数控衰减器进行控制，可以实现对外部输入的通信信号中所包括波束的准确接收。

Description

混合波束成形接收阵列自校准装置

技术领域

本发明涉及微波毫米波无线通信技术领域，尤其涉及一种混合波束成形接收阵列自校准装置。

背景技术

自二十世纪八十年代以来，无线通信经历了从简单语音系统到宽带多媒体数据业务的快速发展。几乎每十年就会出现新一代的无线通信技术，每一代通信技术都对人们的日常生活和人类社会的发展产生深远的影响。近年来，消费者需求对移动宽带服务的发展影响力逐步提升，预计到2025年，移动设备连接数量将达到500亿。为了满足世界范围内爆炸式提升的通信需求，第五代移动通信(5G)在通信业和学术领域引起了极大的关注。相较于第四代通信技术，5G具有传输速率高、传输容量大、传输时延低、能量利用效率高等特点。大规模MIMO系统在提升频谱资源利用率、改善多用户间干扰、提高能量利用效率等方面有着显著的优势，因而在众多5G关键技术中得到了广泛的关注。然而，在大规模MIMO系统中，动辄数百根天线和射频通道的引入将为系统校准带来极大的挑战。因此如何能简化校准步骤，减小对场地的要求，是要面对的难题之一。

对于大规模MIMO系统，各个通道之间相对的幅度与相位误差可以分为静态误差和动态误差两类。静态误差是由于芯片本身的不一致性、电路加工、焊接等过程中引入的，这种不随时间、环境因素变化的静态误差可以通过暗室校准得到补偿。动态误差是与时间、环境因素有关的误差，这种误差无法避免，也不能通过远场OTA校准一次性去除，只能通过实时的系统自校准来进行补偿。

在大规模MIMO系统中，为了获得稳定的合成波束性能，各个通道间的相对相位及幅度误差应当为0。然而，射频前端不可避免地会使用有源元件，如放大器和混频器，这些有源器件对温度等环境因素较为敏感，且随着系统投入使用一段时间之后，这些有源器件的老化也将会使各个通道的初始相移和增益不再一致。这种差异将会影响到合成波束方向的准确性以及旁瓣电平的大小，可见传统方案所合成的波束往往存在准确性低的问题。

发明内容

针对以上问题，本发明提出一种混合波束成形接收阵列自校准装置。

为实现本发明的目的，提供一种混合波束成形接收阵列自校准装置，包括天线阵列、毫米波射频前端阵列、移相阵列和自校准模块；所述毫米波射频前端阵列包括定向耦合器、低噪声放大器和混频器；所述移相阵列包括滤波器、中频放大器、数控矢量合成中频移相器、数控衰减器和合路器；

所述天线阵列接收外部输入的通信信号，将通信信号依次传输至定向耦合器和低噪声放大器，所述低噪声放大器放大所述通信信号，得到放大信号，将所述放大信号发送至所述混频器，所述混频器对所述放大信号进行下变频处理，得到下变频信号，所述下变频信号依次经过滤波器、中频放大器放大后进入数控矢量合成中频移相器中，再经过数控衰减器进行幅度调整，得到多路信号，所述合路器将各路信号合为一路，注入自校准模块；所述自校准模块对合路后的信号进行自校准调整，获取调整后的参数值，并根据调整后的参数值对数控矢量合成中频移相器和数控衰减器进行控制。

在一个实施例中，所述自校准模块包括自校准处理器、单刀双掷开关、本振模块、混频器、和数字基带处理模块；

在处于正常混合波束成形接收状态时，合路后的信号经过单刀双掷开关输入到数字基带处理模块中，以进行实现通信；在进入自校准状态时，自校准处理器产生自校准信号进行上变频处理，生成毫米波自校准信号，所述毫米波自校准信号通过所述定向耦合器输入所述天线阵列，作为所述天线阵列的自校准信号，以与前一时刻的自校准信号形成对标，对相应信号通道的相位和幅度再次进行自校准调整。

在一个实施例中，所述天线阵列包括M个天线，所述M个天线被分成Q组天线子阵，每组天线子阵中包含P＝M/Q个天线单元，各组天线子阵分别具有对应的信号通道。

具体地，各个天线阵对应的波束在射频域中同相合成，以将射频通道和数字通道个数减少至Q个；

每个多波束的数字通道与一个天线子阵相连，天线子阵中的每个天线均对应一个射频移相通道，以合成N个波束。

上述混合波束成形接收阵列自校准装置，通过天线阵列接收外部输入的通信信号，将通信信号依次传输至定向耦合器和低噪声放大器，低噪声放大器放大通信信号，得到放大信号，将放大信号发送至混频器，混频器对放大信号进行下变频处理，得到下变频信号，下变频信号依次经过滤波器、中频放大器放大后进入数控矢量合成中频移相器中，再经过数控衰减器进行幅度调整，得到多路信号，合路器将各路信号合为一路，注入自校准模块；自校准模块对合路后的信号进行自校准调整，获取调整后的参数值，并根据调整后的参数值对数控矢量合成中频移相器和数控衰减器进行控制，可以实现对外部输入的通信信号中所包括波束的准确接收。

附图说明

图1是一个实施例的混合波束成形接收阵列自校准装置示意图；

图2是一个实施例中混合波束成形接收阵列自校准装置的工作流程图；

图3是一个实施例中相位自校准原理框图；

图4是一个实施例中校准前后的方向图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

针对大规模MIMO系统中有源器件的老化及受环境温度等因素的影响出现幅度与相位漂移的问题，本发明的第一目的是为混合波束成形系统提供一种基于串行定向耦合器、OTA暗室校准对比法以及通过对各通道移相器预编码、求解线性方程组的幅度相位检测方案的系统自校准方法。本发明的第二目的是为模拟、全数字及混合波束成形系统提供一种基于串行定向耦合器与暗室OTA校准对比法的幅度、相位自校准方案。

为达到此目的，在一个实施例中，提供一种混合波束成形接收阵列自校准装置，包括天线阵列、毫米波射频前端阵列、移相阵列和自校准模块；所述毫米波射频前端阵列包括定向耦合器、低噪声放大器和混频器；所述移相阵列包括滤波器、中频放大器、数控矢量合成中频移相器、数控衰减器和合路器；

所述天线阵列接收外部输入的通信信号，将通信信号依次传输至定向耦合器和低噪声放大器，所述低噪声放大器放大所述通信信号，得到放大信号，将所述放大信号发送至所述混频器，所述混频器对所述放大信号进行下变频处理，得到下变频信号，所述下变频信号依次经过滤波器、中频放大器放大后进入数控矢量合成中频移相器中，再经过数控衰减器进行幅度调整，得到多路信号，所述合路器将各路信号合为一路，注入自校准模块；所述自校准模块对合路后的信号进行自校准调整，获取调整后的参数值，并根据调整后的参数值对数控矢量合成中频移相器和数控衰减器进行控制，这样可以保证合成波束方向的准确性及低旁瓣电平的特性。

上述混合波束成形接收阵列自校准装置，通过天线阵列接收外部输入的通信信号，将通信信号依次传输至定向耦合器和低噪声放大器，低噪声放大器放大通信信号，得到放大信号，将放大信号发送至混频器，混频器对放大信号进行下变频处理，得到下变频信号，下变频信号依次经过滤波器、中频放大器放大后进入数控矢量合成中频移相器中，再经过数控衰减器进行幅度调整，得到多路信号，合路器将各路信号合为一路，注入自校准模块；自校准模块对合路后的信号进行自校准调整，获取调整后的参数值，并根据调整后的参数值对数控矢量合成中频移相器和数控衰减器进行控制，可以实现对外部输入的通信信号中所包括波束的准确接收。

在一个实施例中，所述自校准模块包括自校准处理器、单刀双掷开关、本振模块、混频器、和数字基带处理模块；

在混合波束成形接收阵列自校准装置处于正常混合波束成形接收状态时，合路后的信号经过单刀双掷开关输入到数字基带处理模块中，以进行实现通信；在混合波束成形接收阵列自校准装置进入自校准状态时，自校准处理器产生自校准信号进行上变频处理，生成毫米波自校准信号，所述毫米波自校准信号通过所述定向耦合器输入所述天线阵列，作为所述天线阵列的自校准信号，以与前一时刻的自校准信号形成对标，对相应信号通道的相位和幅度再次进行自校准调整。

在一个实施例中，所述天线阵列包括M个天线，所述M个天线被分成Q组天线子阵，每组天线子阵中包含P＝M/Q个天线单元，各组天线子阵分别具有对应的信号通道。

具体地，各个天线阵对应的波束在射频域中同相合成，以将射频通道和数字通道个数减少至Q个；

每个多波束的数字通道与一个天线子阵相连，天线子阵中的每个天线均对应一个射频移相通道，以合成N个波束。

进一步地，上述混合波束成形接收阵列自校准装置，需要假定系统中天线(天线阵列)及定向耦合器性能稳定，不随环境温度等因素变化，通过在天线与低噪声放大器之间插入串行定向耦合器来实现自校准信号的注入，利用暗室OTA校准对比法抵消阵列中各天线及定向耦合器带来的通道间的相对的幅度与相位误差，并利用求解线性方程组的方式实现各通道相位与幅度的自检测。其中天线阵列包括混合波束成形接收阵列，该阵列可以作为混合波束成形的相控子阵列，实现相控子阵列架构的混合波束成形阵面。对于混合多波束架构，M个天线被分成Q个组，每组天线阵中包含P＝M/Q个天线单元。每组天线的波束在射频域中同相合成，可以将射频通道和数字通道个数减少至Q个。每个多波束的数字通道与一个天线接收线阵列相连，子阵中的每个天线均对应一个射频移相通道，这样可以合成N个波束。相控子阵架构的混合多波束系统相比于数字多波束系统，数字通道将减少为原来的Q分之一；相比于模拟多波束系统，移相通道将减少为原来的N分之一。

在一个示例中，上述混合波束成形接收阵列自校准装置可以参考图1所示，包括天线阵列、毫米波射频前端阵列、移相阵列和自校准模块四部分。其中天线阵列为实现混合波束成形接收阵列的天线单元所组成的阵列；毫米波射频前端阵列包含定向耦合器、低噪声放大器、混频器等；移相阵列包含滤波器、中频放大器、数控矢量合成中频移相器、数控衰减器、合路器等器件；自校准模块包含自校准处理器、单刀双掷开关、本振模块、混频器和幅度控制、下变频及数字基带处理模块。

在一个示例中，混合波束成形接收阵列自校准装置的工作流程可以参考图2所示，图2为该可应用于混合多波束接收阵列幅度、相位自校准方法的流程图。首先通过OTA校准得到各接收通道的校准相位值和幅度值，然后通过系统自校准电路进行接收通道的暗室自校准，并记录下暗室自校准相位值和幅度值；当系统投入使用一段时间后，再次进行系统自校准，并将该自校准值与暗室自校准值对比，将其差值补在暗室OTA方式校准得到的相位和幅值上，形成所谓的“对标”。该自校准方案可以分为五个步骤：暗室OTA校准、暗室自校准、使用环境下自校准、使用环境下自校准对标暗室OTA校准、幅度及相位补偿。当阵列处于自校准模式的时候，通过在天线与低噪声放大器之间插入定向耦合器来实现自校准信号的注入，并假定低噪声放大器之前的无源器件性能稳定，接收通道正常接收信号，合路后的信号由单刀双掷开关接入自校准处理器，通过分析计算之后，对相应的数控矢量合成中频移相器进行赋值校准处理。

如图1所示，在实现混合波束成形接收阵列自校准方案的装置结构图，该装置可以是1*8接收阵列。该接收阵列自校准系统主要包括天线阵列、毫米波射频前端阵列、移相阵列和自校准模块四部分。如图1所示，天线阵列接收到信号通过毫米波射频前端阵列中的定向耦合器输入到低噪声放大器进行信号放大，然后通过毫米波射频前端阵列中的谐波混频器进行下变频。下变频后的信号经移相阵列中的滤波器、中频放大器放大后进入基于矢量合成原理的移相器(303)中，再经过数控衰减器(304)对信号的幅度进行调整，八路信号通过威尔金森功率合成器合为一路，注入自校准模块。当接收阵列处于正常混合波束成形接收状态时，合成的波束经过自校准模块中的单刀双掷开关输入到幅度控制、下变频及数字基带处理模块中进行正常的通信工作。当接收阵列进入自校准状态时，此时由自校准模块中的频率源与自校准模块中的自校准处理器所产生的的自校准信号进行上变频处理，生成毫米波自校准信号；通过毫米波前端阵列中的基于双十字形缝隙的双层SIW定向耦合器注入，该耦合器的耦合度约为25dB，此时接收阵列接收的是自校准信号，与之前的校准形成对标，对通道的相位和幅度再次进行自校准调整，并将调整后的参数值对移相器和数控衰减器进行控制，以保证阵列做多波束处理的时候，有精确的指向性和良好的旁瓣抑制特性。

本示例提供的自校准方案假定系统中无源的定向耦合器以及天线性能稳定，不随环境因素而改变。通过在天线与低噪声放大器之间插入串行定向耦合器来实现自校准信号的注入，利用暗室OTA校准对比法来抵消阵列中各天线及定向耦合器带来的通道间的相对的幅度与相位误差。通过对每组射频通道中的移相器进行预编码，求解得到线性方程组来实现各通道相位与幅度的自检测。

进一步地，图3为接收阵列第n通道的相位自校准原理框图，幅度校准同理。其中，φ_Rxn表示第n接收通道从耦合器③端到ADC的通道相位；φ_an表示第n接收通道从天线端到耦合器③端的相位变化；φ_ln表示第n通道从校准源到耦合器③端相位变化。

如表1所示，在大规模MIMO系统投入使用之前，首先对系统在暗室进行远场OTA校准，此时校出的第n通道的相位为φ_Rxn+φ_an；紧接着在暗室进行系统的自校准，得到暗室自校准值φ_Rxn+φ_ln；在系统投入使用一段时间之后，进行使用环境下的自校准，得到自校准值φ¹ _Rxn+φ_ln。因此φ¹ _Rxn-φ_Rxn表示系统使用过一段时间后第n射频通道的相位变化，对比远场OTA校准值可知，φ¹ _Rxn-φ_Rxn就是系统投入使用一段时间之后第n个通道的相位值。将各个通道的相位值相对于第一通道的进行归一化，得到各个通道的相对校准相位值，然后利用移相器对其进行补偿，即可实现系统的自校准。

表1

暗室OTA远场校准的相位值	φ<sub>Rxn</sub>+φ<sub>an</sub>
		暗室自校准相位值	φ<sub>Rxn</sub>+φ<sub>ln</sub>
投入使用后的自校准相位值	φ<sup>1</sup><sub>Rxn</sub>+φ<sub>ln</sub>

该自校准方案主要硬件结构是低噪声放大器与天线之间的定向耦合器，该定向耦合器采用串行结构，相比于并行的定向耦合器，串行耦合更加简单，无需额外的功分器将一路校准信号分为八路，减小了电路面积。但是串行耦合器各个耦合端之间存在相位差，因此需要对标远场OTA校准获得的数据才能得到真实的通道相对误差。

为了实现系统的自校准，还需要求解出各个通道的相对幅度与相位，利用求解线性方程组的思路可以实现混合多波束阵列通道幅度与相位的自检测。在接收阵列校准中，八个通道为一组，八个通道经移相器移相后合为一路送入ADC中。假设各射频通道的复数信号为

通过对八路移相器阵列的移相状态进行预编码，假设预编码矩阵为H，即对移相器阵列赋八组值，并假设输出端记下的8次接收到的复数信号值

则有：

x＝H^-1y

通过解算上述线性方程组就可以推算出8个接收通道信号

从而得到校准相位值，最简单的预编码矩阵为单位阵。

当预编码矩阵为单位阵时，表示每次只开一个通道，其他通道关闭，重复八次，显然，这种方法是可以直接得到各个通道的相对相位值与幅度值的。但是这种方法要求各个通道具有独立关断功能，但是在波束赋形阵列中，各个通道常常是同时工作的，且各个通道之间存在互耦，每次只打开一个通道而关闭其他通道并不能反映真实工作状态下的通道相对误差，因此需要考虑在通道全都打开时进行系统自校准。除此之外，矩阵的条件数反映了矩阵计算对误差的敏感性，对于线性方程组Ax＝b，如果A的条件数大，那么b的微小改变将会引起较大的方程组的解x的改变，当矩阵A的条件数很小时，b带来的微小误差对解x的影响比较小，这样的解比较稳定，最小的矩阵条件数为1。因此在选择移相器阵列的预编码矩阵时不仅应该选择各个通道全部打开即没有零元素的矩阵，同时还应该选择条件数小的矩阵，Hadamard矩阵就是一个很好的选择。八阶Hadamard矩阵如下所示，将其作为移相器阵列预编码矩阵时，元素1代表0相移，-1代表180度相移。

图4为校准前后的方向图，由图可知经过系统自校准后，得到的方向图波束指向及旁瓣电平有了明显的改善。

在一个示例中，对于上述混合波束成形接收阵列自校准装置，在系统投入使用之前，由于通道器件和生产加工的不一致性，接收阵列首先进行暗室OTA校准和暗室自校准，对接收阵列的移相器赋初值，以保证每个通道之间的相位一致，以抵消阵列中各天线单元及串行定向耦合器带来的相位与幅度误差。

在系统投入使用后进行使用环境下的自校准，将得到的相位、幅度误差与暗室自校准得到的误差的差值补在暗室OTA校准值上，形成对标，为自校准提供相应的移相器校准后的数据。

进一步地，基于串行定向耦合器与暗室OTA校准对比法的自校准方法除了可以应用于混合波束成形系统，同样也可以应用于模拟波束成形系统及全数字波束成形系统。

进一步地，根据混合多波束系统多个射频链路合成一路后送入自校准处理器的特点，通过对每组射频通道中的移相器进行预编码，求解得到线性方程组来实现各通道相位与幅度的自检测。采用串行的定向耦合器结构而非并行定向耦合器结构，可以缩减电路面积。

此外，由于混合波束成形接收阵列各通道是同时工作的，为了反映真实的工作状态下通道间的误差，移相器预编码矩阵可以采用Hadamard矩阵等矩阵，而不是采用单位阵。

上述混合波束成形接收阵列自校准装置，可以实现大规模MIMO系统中因有源器件的老化及受环境温度等因素出现通道幅度与相位漂移的检测，并利用系统中的相移单元与幅度控制单元实现通道幅度与相位误差的补偿，从而实现系统自校准，提高合成波束的方向稳定性，降低旁瓣电平。除此之外，其中所用定向耦合器为串行定向耦合器，相比于并行定向耦合器，具有结构简单，无需额外的功率合成器件的优点。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

本申请实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种混合波束成形接收阵列自校准装置，其特征在于，包括天线阵列、毫米波射频前端阵列、移相阵列和自校准模块；所述毫米波射频前端阵列包括定向耦合器、低噪声放大器和混频器；所述移相阵列包括滤波器、中频放大器、数控矢量合成中频移相器、数控衰减器和合路器；

所述天线阵列接收外部输入的通信信号，将通信信号依次传输至定向耦合器和低噪声放大器，所述低噪声放大器放大所述通信信号，得到放大信号，将所述放大信号发送至所述混频器，所述混频器对所述放大信号进行下变频处理，得到下变频信号，所述下变频信号依次经过滤波器、中频放大器放大后进入数控矢量合成中频移相器中，再经过数控衰减器进行幅度调整，得到多路信号，所述合路器将各路信号合为一路，注入自校准模块；所述自校准模块对合路后的信号进行自校准调整，获取调整后的参数值，并根据调整后的参数值对数控矢量合成中频移相器和数控衰减器进行控制；

所述自校准模块包括自校准处理器、单刀双掷开关、本振模块、混频器和数字基带处理模块；

在处于正常混合波束成形接收状态时，合路后的信号经过单刀双掷开关输入到数字基带处理模块中，以进行实现通信；在进入自校准状态时，自校准处理器产生自校准信号进行上变频处理，生成毫米波自校准信号，所述毫米波自校准信号通过所述定向耦合器输入所述天线阵列，作为所述天线阵列的自校准信号，以与前一时刻的自校准信号形成对标，对相应信号通道的相位和幅度再次进行自校准调整。

2.根据权利要求1所述的混合波束成形接收阵列自校准装置，其特征在于，所述天线阵列包括M个天线，所述M个天线被分成Q组天线子阵，每组天线子阵中包含P＝M/Q个天线单元，各组天线子阵分别具有对应的信号通道。

3.根据权利要求2所述的混合波束成形接收阵列自校准装置，其特征在于，各个天线阵对应的波束在射频域中同相合成，以将射频通道和数字通道个数减少至Q个；

每个多波束的数字通道与一个天线子阵相连，天线子阵中的每个天线均对应一个射频移相通道，以合成N个波束。

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