CN112702237B - 实现针对mimo通信系统通道间时延和相位差进行计算测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实现针对MIMO通信系统通道间时延和相位差进行计算测量的方法，包括以下步骤：信号源输出单音信号，经过功率分配器同时输出至多个接收通道；通过混频器和本振信号得到两个接收通道的相位，分析不同频率零中频信号的相位差，直接计算得到各个频率对应的相位差；根据相位随频率的变化关系，得到接收通道的时延差和本振之间的相位差。采用了本发明的实现针对MIMO通信系统通道间时延和相位差进行计算测量的方法，实现了对MIMO系统各个通道间相位差、时延差的测量。本技术方案的实现难度不大，结果准确可信。本发明实现了对MIMO系统多组发射通道和接收通道之间，相位差、时延差的准确测量。

Description

实现针对MIMO通信系统通道间时延和相位差进行计算测量的 方法

技术领域

本发明涉及仪器仪表技术领域，尤其涉及多输入多输出领域，具体是指一种实现针对MIMO通信系统通道间时延和相位差进行计算测量的方法。

背景技术

随着无线通信的发展，多输入多输出(MIMO)技术变得越来越常见，借助MIMO技术能够极大地提高信道容量，提高通信过程中的数据吞吐率。一个MIMO通信系统的结构如图1所示，它的一个收发链路由几个部分组成：射频(RF)接收模块负责接收无线通信过程中基站或终端设备发出的信号，对信号功率进行衰减和放大，然后信号进入混频器，将频谱搬移到中频；模数转换器(Analog to Digital Converter,ADC)对搬移后的中频信号进行采样，得到数字信号，通过高速数据接口(如JESD204B)传输给基带FPGA；对于发射链路，FPGA处理需要发射的数据，处理完成后，再经过高速数据接口传输给数模转换器(Digital toAnalog Converter,DAC)，DAC将数据转换为中频模拟信号；中频模拟信号再与本振信号混频，最后经由射频发射模块输出给终端或基站。

多组收发通道能够组成多输入多输出的阵列，从而实现整个的MIMO通信系统，这其中，各个通道间的时延和相位关系影响着整个系统的性能，一个高性能的MIMO系统，需要各个输入输出链路保持较好的时延一致性和相位一致性，保证通信系统传输数据的质量和稳定性。

因而，如何准确地测量MIMO系统各个通道的相位、时延关系，是MIMO技术应用过程中需要面对的关键技术问题，是MIMO通道校准的前提。

对于MIMO系统，我们不必要关注每个通道的绝对的相位和时延，而只需要关心多个通道间的相对差值，即通道与通道间的相位差和时延差。这其中，时延差的来源，可能是JESD204B协议未能实现同步，或同步精度未达到要求；也可能是各个通道的射频通路的延迟不一致。对于相位差，一方面不同的本振相位会导致混频器输出信号相位不同，另一方面时延差也会导致相位差，并且信号载波频率越大，同样的时延误差造成的相位误差也越大。

但是，对于某些高性能系统，信号的相位和时延很难直接测量出来，假如本振信号的频率太高，接近甚至高于大部分仪器的测量范围，将难以直接测量本振的相位差，另外硬件通道很多模块之间的耦合比较紧密，很难测量到其中的信号。这就需要间接测量的手段，测量出已知信号的特性，推算出所关心信号的相位、时延情况。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足准确性高、操作简便、适用范围较为广泛的实现针对MIMO通信系统通道间时延和相位差进行计算测量的方法。

为了实现上述目的，本发明的实现针对MIMO通信系统通道间时延和相位差进行计算测量的方法如下：

该实现针对MIMO通信系统通道间时延和相位差进行计算测量的方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：

(1)信号源输出单音信号，经过功率分配器同时输出至多个接收通道；

(2)通过混频器和本振信号得到两个接收通道的相位，分析不同频率零中频信号的相位差，直接计算得到各个频率对应的相位差；

(3)根据相位随频率的变化关系，得到接收通道的时延差和本振之间的相位差。

较佳地，所述的方法还包括发射通道相位差计算的步骤，具体包括以下处理过程：

(1-1)生成测试数据同时输入至各个发射通道的FPGA，FPGA将数据发给DAC输出，经过混频器和射频Tx通道；

(1-2)通过示波器采集发射通道输出的发射信号，计算采集得到的两路发射通道数据的相位差；

(1-3)根据本振相位差

得到发射通道之间的时延差。

较佳地，所述的步骤(2)中计算各个频率对应的相位差，具体为：

根据以下公式计算各个频率对应的相位差：

其中，Q_f是该频点下频域值的实部，I_f是该频点下频域值的虚部。

较佳地，所述的步骤(3)中得到时延差和本振之间的相位差，具体为：

根据以下公式得到时延差和本振之间的相位差：

其中，Δα为两通道相位差，

是两通道间各自本振LO的相位差，Δt是两通道间的绝对时延误差。

采用了本发明的实现针对MIMO通信系统通道间时延和相位差进行计算测量的方法，实现了对MIMO系统各个通道间相位差、时延差的测量。本技术方案的实现难度不大，结果准确可信。本发明实现了对MIMO系统多组发射通道和接收通道之间，相位差、时延差的准确测量。

附图说明

图1为本发明的实现针对MIMO通信系统通道间时延和相位差进行计算测量的方法的MIMO通信系统结构简图。

图2为本发明的实现针对MIMO通信系统通道间时延和相位差进行计算测量的方法的测量接收通道时的连接示意图。

图3为本发明的实现针对MIMO通信系统通道间时延和相位差进行计算测量的方法的接收通道接收得到的IQ信号示意图。

图4为本发明的实现针对MIMO通信系统通道间时延和相位差进行计算测量的方法的多组输入信号频率得到的相位差示意图。

图5为本发明的实现针对MIMO通信系统通道间时延和相位差进行计算测量的方法的测量发射通道时的连接示意图。

图6为本发明的实现针对MIMO通信系统通道间时延和相位差进行计算测量的方法的示波器采集的发射通道波形示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

本发明的实现针对MIMO通信系统通道间时延和相位差进行计算测量的方法，其中包括以下步骤：

(1)信号源输出单音信号，经过功率分配器同时输出至多个接收通道；

(1-1)生成测试数据同时输入至各个发射通道的FPGA，FPGA将数据发给DAC输出，经过混频器和射频Tx通道；

(1-2)通过示波器采集发射通道输出的发射信号，计算采集得到的两路发射通道数据的相位差；

(1-3)根据本振相位差

得到发射通道之间的时延差；

(2)通过混频器和本振信号得到两个接收通道的相位，分析不同频率零中频信号的相位差，直接计算得到各个频率对应的相位差；

(3)根据相位随频率的变化关系，得到接收通道的时延差和本振之间的相位差。

作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(2)中计算各个频率对应的相位差，具体为：

根据以下公式计算各个频率对应的相位差：

其中，Q_f是该频点下频域值的实部，I_f是该频点下频域值的虚部。

作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(3)中得到时延差和本振之间的相位差，具体为：

根据以下公式得到时延差和本振之间的相位差：

其中，Δα为两通道相位差，

是两通道间各自本振LO的相位差，Δt是两通道间的绝对时延误差。

本发明的具体实施方式中，提供一种测量MIMO系统通道间相位差、时延差的方法。首先采集并分析FPGA内基带IQ数据，分析不同频率零中频信号的相位差，直接计算得到各个频率对应的相位差，根据相位随频率的变化关系，得到接收通道的时延差和本振之间的相位差。发射通道部分首先利用示波器测出整体的相位差，然后根据已知的本振相位差，求出发射通道的时延差。

MIMO接收通道间的测试连接如图2所示，首先一台信号源输出单音信号，信号经过功率分配器同时输给多个接收通道，功率分配器输出的每一路数据时延相位都是一致的。以图2标注的参数为例，本振频率设为2400MHz，信号源频率从2401MHz开始，每次测量增加1MHz，测量2401Mhz，2402MHz，2403MHz，…，2430MHz下接收通道的相位情况，经过混频器的下变频后，信号变为1MHz，2MHz，3MHz，…，30MHz的IQ信号，如图3所示，实线是实部(I)信号，虚线是虚部(Q)信号。

由于频率已知，可直接将该频率f代入傅里叶公式，fs是当前数据的采样率：

代入欧拉公式：

其中，

分别是该频点下频域值的实部和虚部。

可以得到该频点的相位：

对于图2所示两个接收通道，假设各自相位是α₁和α₂，则两通道相位差Δα＝α₁-α₂，可以将Δα视作两种分量的叠加，一种是两通道间各自本振LO的相位差

另一种是两通道间的绝对时延误差Δt，可以得到：

可以看到，Δα随f增大而增大，同时

与频率f无关，测试不同f下的Δα，就可以得到造成接收通道相位差的两个分量的各自数值。例如，根据图3的测试结果，f由1MHz变至30MHz，Δα线性增加，可以求得两本振LO的相位差

两接收通路时延差Δt＝1.017ns。

同理，对于发射通路的相位差，同样可以视作本振LO相位差和通路时延差两种分量的叠加。对于TDD系统，由于接收和发射使用的是同一个本振，测量接收通路时计算得到的本振相位差

可以直接用于发射通路，这样，只需要知道发射通路之间整体的相位差，就可以知道时延差的值。

发射通道间相位差的测量如图5所示，首先生成测试数据同时输入给各通道FPGA，FPGA将数据发给DAC输出，经过混频器和射频Tx通道。用示波器采集发射信号，计算采集得到的两路发射通道数据的相位差，再根据已知的本振相位差

就可以得到发射通道之间的时延差。

如图6所示，是示波器测量两路发射数据的波形图，可计算得到两路数据的整体相位差是－20°，带入已知的本振相位差

可以得到发射通路的时延差Δt＝-455ns，代表第二个发射通道比第一个发射通道的信号滞后455ns。

通过这一系列流程，就可以得到发射通道和接收通道各自的时延误差和相位误差。

图1是MIMO通信系统结构简图，射频接收模块(RF Rx)接收射频信号后，经过混频器与LO本振混频，由ADC采样为数字信号，进入基带处理模块。基带内部的数据，由DAC输出，经过混频器上变频，最后信号射频发射模块(RF Tx)输出。

图2是测量接收通道时的连接示意图，信号源输送给多路接收通道同频同相信号，各路信号最终从基带FPGA采集并做分析。

图3是接收通道接收得到的IQ信号示意图，信号源输入频率2401MHz，本振频率2400MHz，接收得到的IQ信号频率1MHz，实线实部(I)，虚线虚部(Q)。

图4是多组输入信号频率得到的相位差示意图，从2401MHz到2430MHz，减去本振频率2400MHz，得到1MHz～30MHz的基带频率。横坐标是基带数据频率，纵坐标是相位差。随频率增大，相位差也逐渐变大。

图5是测量发射通道时的连接示意图，软件生成测试波形由FPGA发送，经过硬件通道输出，两路输出数据由示波器采集并计算相位差。

图6是示波器采集的发射通道波形示意图，本振频率2GHz，信号为10MHz单音。两路发射通道数据相差20°

采用了本发明的实现针对MIMO通信系统通道间时延和相位差进行计算测量的方法，实现了对MIMO系统各个通道间相位差、时延差的测量。本技术方案的实现难度不大，结果准确可信。本发明实现了对MIMO系统多组发射通道和接收通道之间，相位差、时延差的准确测量。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (2)

1.一种实现针对MIMO通信系统通道间时延和相位差进行计算测量的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

(1)信号源输出单音信号，经过功率分配器同时输出至多个接收通道；

(2)通过混频器和本振信号得到两个接收通道的相位，分析不同频率零中频信号的相位差，直接计算得到各个频率对应的相位差；

(3)根据相位随频率的变化关系，得到接收通道的时延差和本振之间的相位差；

所述的方法还包括发射通道相位差计算的步骤，具体包括以下处理过程：

(1-1)生成测试数据同时输入至各个发射通道的FPGA，FPGA将数据发给DAC输出，经过混频器和射频Tx通道；

(1-2)通过示波器采集发射通道输出的发射信号，计算采集得到的两路发射通道数据的相位差；

(1-3)根据本振相位差

得到发射通道之间的时延差；

所述的步骤(3)中得到时延差和本振之间的相位差，具体为：

根据以下公式得到时延差和本振之间的相位差：

其中，Δα为两通道相位差，

是两通道间各自本振LO的相位差，Δt是两通道间的绝对时延误差，计算得到的本振相位差

直接用于发射通道。

2.根据权利要求1所述的实现针对MIMO通信系统通道间时延和相位差进行计算测量的方法，其特征在于，所述的步骤(2)中计算各个频率对应的相位差，具体为：

根据以下公式计算各个频率对应的相位差：

其中，Q_f是该频率下频域值的实部，I_f是该频率下频域值的虚部。

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