CN113162668A - 一种调节固定波束的测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

为了解决现有巴特勒技术中波束角度较为固定、单一的技术问题，本发明提供了一种调节固定波束的测试系统及测试方法。测试系统包括包括巴特勒矩阵模块和主控模块；巴特勒矩阵模块包括第一移相组件、第二移相组件和移相值可调的移相器，第一移相组件设有第一端和第二端，第二移相组件设有第三端和第四端，第一端用于与基站连接，第二端与第三端连接，第四端用于与终端连接；移相器连接于第二端和第三端之间，或者，移相器与第一端连接；主控模块，主控模块与移相器连接，主控模块用于调节移相器的移相值。本发明解决了波束赋形端到端测试环境搭建复杂、成本高昂的问题；可以更灵活地调整波束角度；更快速地进行波束扫描和波束角度切换。

Description

一种调节固定波束的测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及通信技术测试领域，具体涉及一种调节固定波束的测试系统及测试方法。

背景技术

波束赋形(Beamforming)技术通过调整相位单元阵列的基本单元的参数，根据系统性能指标，形成对信号在不同角度上的最佳组合和分配，主要任务是补偿无线传播过程中自由空间损耗、多径效应等因素引入的信号衰落和失真，同时降低用户间的干扰。

但波束赋形(Beamforming)技术实现困难，波束角度计算千差万别，不确定因素多，测试环境要求高，研发成本高，而Butler(巴特勒)矩阵得到的波束角度较为固定、单一。

因此，有必要提供一种方案，解决现有技术中波束角度较为固定、单一的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术中波束角度较为固定、单一的技术问题，本发明提供了一种调节固定波束的测试系统及测试方法。本发明具体是以如下技术方案实现的。

本发明提供一种调节固定波束的测试系统包括巴特勒矩阵模块和主控模块；

所述巴特勒矩阵模块包括第一移相组件、第二移相组件和移相值可调的移相器，所述第一移相组件设有第一端和第二端，所述第二移相组件设有第三端和第四端，所述第一端用于与基站连接，所述第二端与所述第三端连接，所述第四端用于与终端连接；

所述移相器连接于所述第二端和所述第三端之间，或者，所述移相器与所述第一端连接；

主控模块，所述主控模块与所述移相器连接，所述主控模块用于调节所述移相器的移相值。

本发明调节固定波束的测试系统的进一步改进在于，所述移相器用于对所述移相器接收的信号进行等差移相处理生成移相信号，多个所述移相器生成的移相信号的相位值之间为等差关系。

本发明调节固定波束的测试系统的进一步改进在于，所述巴特勒矩阵模块包括M1×N1的M2个第一移相组件和M2×N2的N1个第二移相组件，M2个所述第一移相组件的第二端和N1个所述第二移相组件的第三端交叉连接，M1为2ⁱ，M2为2^j，N1为2^p，N2为2^q，i、j、p和q均为正整数。

本发明调节固定波束的测试系统的更进一步改进在于，i为1、2、3或4，j为1、2、3或4，p为1、2、3或4，q为1、2、3或4。

本发明调节固定波束的测试系统的进一步改进在于，所述第一移相组件和所述第二移相组件均为微带线式电桥移相组件。

本发明调节固定波束的测试系统的进一步改进在于，所述第一移相组件用于水平方向移相，所述第二移相组件用于垂直方向移相。

本发明调节固定波束的测试系统的进一步改进在于，所述主控模块用于获取移相值指令，根据所述移相值指令调节所述移相值；或者，所述主控模块用于获取波束信号控制指令并根据所述波束信号控制指令调节所述移相值。

本发明调节固定波束的测试系统的进一步改进在于，所述移相器为移相衰减器。

本发明调节固定波束的测试系统的进一步改进在于，所述巴特勒矩阵模块还包括衰减器，所述衰减器与所述第四端连接。

此外，本发明还提供一种调节固定波束的测试方法，应用于上述的测试系统，包括：

将移相器的移相值进行初始化处理；

控制所述测试系统接收测试信号；

获取所述测试系统基于初始化的移相值对所述测试信号进行处理并生成的第一输出信号；

判断所述第一输出信号是否满足预设条件；

如果满足所述预设条件，重复执行信号处理步骤直至执行次数达到预设次数，其中，所述信号处理步骤包括：调节所述移相值，接收所述测试信号，获取所述测试系统基于调节后的移相值对所述测试信号进行处理并生成的第二输出信号；

对所述第二输出信号进行分析处理并得到测试数据；

比较所述测试数据和预设的期望数据。

采用上述技术方案，本发明提供的一种调节固定波束的测试系统及测试方法具有如下有益效果：本发明调节固定波束的测试系统及测试方法，是一套完整、可靠的波束赋形性能测试解决方案，解决了波束赋形端到端测试环境搭建复杂、成本高昂的问题；可以更灵活地调整波束角度；更快速地进行波束扫描和波束角度切换。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为4×4电桥移相组件的结构示意图。

图2为8×8电桥移相组件的结构示意图。

图3为本发明实施例1提供的调节固定波束的测试系统的结构示意图。

图4为本发明实施例1中4×4电桥移相组件与移相器的连接结构示意图。

图5为8个4×4电桥移相组件和4个8×8移相电桥组件按照逻辑顺序形成的32×32巴特勒移相矩阵的结构示意图。

图6为天线振源排布图。

图7为本发明实施例2提供的调节固定波束的测试系统的结构示意图。

图8为本发明实施例3提供的调节固定波束的测试方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

巴特勒矩阵也称为微波功率分配与相位转换混合矩阵，可以用于波束赋形。M×N的巴特勒矩阵设有M个输入端和N个输出端。假设M×N电桥移相组件的所有射频通路的输入端的输入信号相位值一致，经过M×N电桥移相组件后，M×N电桥移相组件的输出端的输出信号的相位则形成等差数列，这里M和N可以是2、4、8或16。实现方式可以采用k个90°电桥交叉形成M×N巴特勒矩阵，再在特定的射频通路上加上固定移相链路或者固定移相器30，整个链路组成矩阵形式的射频模块，k对应是1、4、12或32，且对于不同矩阵规模的M×N电桥移相组件，特定通路上的固定移相链路或者固定移相器30产生的移相值是具有唯一解的。以4×4电桥移相组件和8×8电桥移相组件为例，矩阵形式如图1和图2所示。

由此得到M×N巴特勒矩阵，当M个输入端的信号相位一致时，同时经过M×N巴特勒矩阵输出到每个输出端的相位分别形成N种△φ的等差数列，把这些输入端口在结构上等间距d处理看做是波束赋形的发送端，输出端口看做波束赋形的接收端，M×1的天线阵列在每一个输出端都可以形成特定角度的波束。

每个M×N巴特勒矩阵模块40在输出端形成的相位公差是唯一一组解，意味着相同规模的巴特勒矩阵模块40产生唯一一组的波束角度，在实际的波束赋形模拟和业务测试中是具有局限性的。

为了解决现有测试系统中的波束角度较为固定、单一的技术问题，本发明提供了一种调节固定波束的测试系统及测试方法。

实施例1：

结合图3和图4所示，本发明实施例1提出的调节固定波束的测试系统包括巴特勒矩阵模块40和主控模块50；巴特勒矩阵模块40包括第一移相组件10、第二移相组件20和移相值可调的移相器30，第一移相组件10设有第一端和第二端，第二移相组件20设有第三端和第四端，第一端用于与基站连接，第二端与第三端连接，第四端用于与终端连接；移相器30与第一端连接；主控模块50，主控模块50与移相器30连接，主控模块50用于调节移相器30的移相值。

本实施例1中第一端可以通过稳幅稳相电缆连接于基站，第四端和终端之间可以连接信道仿真器等。

在巴特勒矩阵中，每个M×N巴特勒矩阵模块40在输出端形成的相位公差是唯一一组解，意味着相同规模的巴特勒矩阵模块40产生唯一一组的波束角度，在实际的波束赋形模拟和业务测试中是具有局限性的。本实施例1提供的测试系统可以满足蜂窝通信业务测试需求，产生更多供于选择的波束角度组合。

移相器30与巴特勒矩阵模块40连接并形成多种射频信道，射频信号可以通过射频信道传输。本实施例1可以通过改变移相器30的移相值，调节射频信道的相位设值，进而改变波束角度组合。具体地，可以通过主控模块50调节移相值；主控模块50可以灵活的调节移相值的大小，使经过射频信道的射频信号的相位可以任意改变。可以同时调整全部移相器30的移相值，改变全部射频通道的设值；也可以同时调整部分移相器30的移相值，改变部分射频通道的设值。不同射频通道间的设值动作是同步并行进行的。

用户可以控制主控模块50调节移相器30的移相值；也可以对主控模块50进行设置，使主控模块50按照一定规律调节移相值。

本实施例1中移相器30的移相值可调，可以通过调节移相值，改变第二信号的波束角度，用于分析待测试设备的性能，待测试设备可以是基站或终端。

本实施例1的测试系统可以用于对基站和终端之间的信号传输进行仿真测试，测试系统的系统参数相当于仿真条件。同一测试信号在特定的仿真条件下可以得到特定的波束信号。针对同一测试信号，改变系统参数则可以改变波束信号的信号特征。分析波束信号得到测试数据，对测试数据进行分析，得到的分析结果可以体现基站与终端之间的信号传输性能。本实施例1中测试系统的系统参数包括移相值，改变移相值则相当于改变系统参数；特定的测试信号在特定的系统参数下只能得到一组波束角度组合的波束信号；而特定的测试信号在不同的系统参数下可以得到不同波束角度组合的波束信号。由此本实施例1可以通过调节移相值，获得更多波束角度组合，获得更多测试数据。

本实施例1针对波束赋形技术的特点和应用场景，提供了一种调节固定波束的测试系统，可以服务于全球蜂窝通信业界，特别是基站设备商，天线设备商，运营商，终端商，科研院所，标准制定机构等。可以用于测试基站，也可以用于测试终端。本实施例1基于传导测试，也可应用于OTA测试。本实施例1中的测试系统既可以接收终端发出的信号，也可以接收基站发出的信号。本实施例1中的测试系统不仅可以实现由基站至终端的下行传输，也可以实现由终端至基站的上行传输。上行传输中，移相器30向基站发送的信号为相同相位。

进一步地，移相器30用于对移相器30接收的信号进行等差移相处理生成移相信号，多个移相器30生成的移相信号的相位值之间为等差关系。

本实施例1中巴特勒矩阵模块40的每一移相器30都会生成一移相信号，所有移相信号之间呈相位等差关系。

进一步地，移相器30的数量与第一端的数量匹配，多个移相器30与多个第一端一一对应连接。

对本方案进一步优化，回到M1×N1电桥移相组件和M2×N2电桥移相组件的模块维度，在每个第一电桥移相组件的输入端都加入可调的移相器30，造成在输出端就形成等差相位的信号，比如4×4电桥移相组件在第一端加入x1,x2,x3,x4四个移相器30进行优化，如图4所示。那么就可以通过调节移相器30的相位值产生多种组合的波束角度，进而在由这种优化版的电桥移相组件按照上述方式组成的Butler移相矩阵在输出端形成更多种组合的波束，使得原本固定的波束角度变得灵活多变，但同一时刻Butler移相矩阵只能产生同一组波束角度。图4中B1、B2、B3和B4均为第一端，A1、A2、A3和A4均为第四端。

进一步地，移相器30可以为数字芯片、模拟芯片或变容管。

本实施例1可以使用芯片作为移相器30，控制速度快，相位设值在毫秒级完成，可以使波束角度切换的速度快，可以满足当前5G NR对波束切换速度的要求，完成对终端设备高速移动的模拟。本方案采用的是移相芯片，控制速度块。

进一步地，巴特勒矩阵模块40包括M1×N1的M2个第一移相组件10和M2×N2的N1个第二移相组件20，M2个第一移相组件10的第二端和N1个第二移相组件20的第三端交叉连接，M1为2ⁱ，M2为2^j，N1为2^p，N2为2^q，i、j、p和q均为正整数。

更进一步地，i为1、2、3或4，j为1、2、3或4，p为1、2、3或4，q为1、2、3或4。

本实施例1中，第一移相组件10和第二移相组件20为小矩阵，形成的巴特勒矩阵模块40的移相链路数最大为：16*16*16*16＝65536个。

进一步地，第一移相组件10和第二移相组件20均为微带线式电桥移相组件。微带线式电桥移相组件具有体积小、链路多的优点，可以减小测试系统的体积。

进一步地，第一移相组件10用于水平方向移相，第二移相组件20用于垂直方向移相。

本实施例1中将两种规模的电桥移相组件，M2个M1×N1电桥移相组件和N1个M2×N2电桥移相组件彼此交错相连，组成一个大的移相矩阵规模，M1×N1电桥移相组件的输入信号为天线阵子的发送端信号，水平方向阵子相邻振源间距为Da，形成了N1种对应角度的水平波束θ，M2×N2电桥移相组件的输入信号为M1×N1电桥移相组件的发送端信号，垂直方向阵子相邻振源间距为Db，形成了N2种对应角度的垂直波束φ。其中θ＝ARCSIN(△φ*λ/2πDa)，φ＝ARCSIN(△γ*λ/2πDb)，△φ为水平方向每个端口相位公差，△γ为垂直方向每个端口相位公差。因为在交错相连的时候存在一定的排列逻辑，水平角度的波束和垂直角度的波束互不影响，最终Butler移相矩阵规模的N1×N2个第二端可以形成N1×N2个分别带有水平和垂直相位信息的波束角度(θa,φb)，其中a＝1,2,…,N1；b＝1,2,…,M2，比如8个4×4电桥移相组件和4个8×8移相电桥组件按照逻辑顺序形成32×32Butler移相矩阵形式，如图5所示。也就是说，相同的输入信号在经过该Butler移相矩阵后能够实现波束赋形，在水平和垂直二维平面上形成N1×N2种指定的波束角度。本实施例1中不同的第一端与基站的连线方式根据基站的天线振源排布逻辑对应，天线振源排布如图6所示，其中(1,1)、(a,b)等用于标识巴特勒矩阵模块40的第一端在天线振子中的位置。

本实施例1中，如图5所示，交叉连接是指，属于同一个第一移相组件10的N1个第二端分别与N1个第二移相组件20连接。

进一步地，主控模块50用于获取移相值指令，根据移相值指令调节移相值；或者，主控模块50用于获取波束信号控制指令并根据波束信号控制指令调节移相值。

本实施例1中，主控模块50可以获取用户输入信息，根据用户输入信息确定用户输入信息为移相值指令或波束信号控制指令。用户可以通过软件界面实时控制每个信道的移相值。也可通过软件界面内嵌的算法实时控制目标波束角度，测试系统可以根据期望生成的波束信号，反向计算出信道幅度加权和每个信道的初始相位值组合，进而确定期望移相值，调节移相值至期望移相值，即可以形成实际通信业务测试中需求的波束赋形效果。

进一步地，移相器30为移相衰减器。

本实施例1中移相衰减器可以同时调节信号的相位和幅值，巴特勒矩阵模块40为可以调节幅相的幅相矩阵。

进一步地，巴特勒矩阵模块40还包括衰减器，衰减器与第四端连接。

本实施例1中衰减器可以用于进一步调节幅值。

进一步地，测试系统还包括供电模块，移相器30、巴特勒矩阵模块40、主控模块50均与供电模块连接，供电模块用于向移相器30、巴特勒矩阵模块40和主控模块50供电。

进一步地，测试系统还包括机箱，移相器30、巴特勒矩阵模块40、主控模块50与供电模块均设于机箱内。

实施例2：

本实施例2与实施例1相比，区别在于，本实施例2中的移相器30连接于第二端和第三端之间。进一步地，第二端的数量与第三端的数量相等，移相器30的数量与第三端的数量匹配，多个移相器30与多个第三端一一对应连接。

实施例3：

结合图7所示，本实施例3提供一种调节固定波束的测试方法，应用于上述的测试系统，包括：

步骤S101：将移相器30的移相值进行初始化处理；

步骤S102：控制测试系统接收测试信号；

步骤S103：获取测试系统基于初始化的移相值对测试信号进行处理并生成的第一输出信号；

步骤S104：判断第一输出信号是否满足预设条件；

步骤S105：如果满足预设条件，重复执行信号处理步骤直至执行次数达到预设次数，其中，信号处理步骤包括：调节移相值，接收测试信号，获取测试系统基于调节后的移相值对测试信号进行处理并生成的第二输出信号；

步骤S106：对第二输出信号进行分析处理并得到测试数据；

步骤S107：比较测试数据和预设的期望数据。

本实施例3中，使用64天线端口基站设备、4个测试终端、64×16巴特勒矩阵(幅相矩阵)的测试系统进行测试。

步骤S101中，通过80根稳幅稳相电缆连接基站、测试系统和终端。步骤S102中，初始化移相值，将幅相矩阵所有通道设值为0°/0dB，启动基站小区，接入所有终端。步骤S103中，在初始化状态下进行测试，获得初始化状态下的第一输出信号。步骤S104中，预设条件是初始化状态下各个设备均正常工作时输出信号应当具备的各种信号特征，通过判断第一输出信号的信号特征是否满足预设条件，判断各个设备是否均正常工作。步骤S105中，预设次数可以预先设置；可以通过幅相矩阵客户端软件，调节移相值，以调节幅相矩阵的各通道的幅相值，使16个端口输出的波束角度组合不断更改。步骤S106中，在测试数据和期望数据之间进行比较、分析，根据分析结果可以得知被测设备的设备性能以及被测设备是否符合期望性能、设计要求。

本发明调节固定波束的测试系统及测试方法解决了波束赋形端到端测试环境搭建复杂、成本高昂的问题；可以更灵活地调整波束角度；更快速地进行波束扫描和波束角度切换。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种调节固定波束的测试系统，其特征在于：包括巴特勒矩阵模块和主控模块；

所述巴特勒矩阵模块包括第一移相组件、第二移相组件和移相值可调的移相器，所述第一移相组件设有第一端和第二端，所述第二移相组件设有第三端和第四端，所述第一端用于与基站连接，所述第二端与所述第三端连接，所述第四端用于与终端连接；

所述移相器连接于所述第二端和所述第三端之间，或者，所述移相器与所述第一端连接；

主控模块，所述主控模块与所述移相器连接，所述主控模块用于调节所述移相器的移相值。

2.如权利要求1所述的调节固定波束的测试系统，其特征在于，所述移相器用于对所述移相器接收的信号进行等差移相处理生成移相信号，多个所述移相器生成的移相信号的相位值之间为等差关系。

3.如权利要求1所述的调节固定波束的测试系统，其特征在于，所述巴特勒矩阵模块包括M1×N1的M2个第一移相组件和M2×N2的N1个第二移相组件，M2个所述第一移相组件的第二端和N1个所述第二移相组件的第三端交叉连接，M1为2ⁱ，M2为2^j，N1为2^p，N2为2^q，i、j、p和q均为正整数。

4.如权利要求3所述的调节固定波束的测试系统，其特征在于，i为1、2、3或4，j为1、2、3或4，p为1、2、3或4，q为1、2、3或4。

5.如权利要求1所述的调节固定波束的测试系统，其特征在于，所述第一移相组件和所述第二移相组件均为微带线式电桥移相组件。

6.如权利要求1所述的调节固定波束的测试系统，其特征在于，所述第一移相组件用于水平方向移相，所述第二移相组件用于垂直方向移相。

7.如权利要求1所述的调节固定波束的测试系统，其特征在于，所述主控模块用于获取移相值指令，根据所述移相值指令调节所述移相值；或者，所述主控模块用于获取波束信号控制指令并根据所述波束信号控制指令调节所述移相值。

8.如权利要求1所述的调节固定波束的测试系统，其特征在于，所述移相器为移相衰减器。

9.如权利要求1所述的调节固定波束的测试系统，其特征在于，所述巴特勒矩阵模块还包括衰减器，所述衰减器与所述第四端连接。

10.一种调节固定波束的测试方法，应用于如权利要求1至9中任一项所述的测试系统，其特征在于，包括：

将移相器的移相值进行初始化处理；

控制所述测试系统接收测试信号；

获取所述测试系统基于初始化的移相值对所述测试信号进行处理并生成的第一输出信号；

判断所述第一输出信号是否满足预设条件；

如果满足所述预设条件，重复执行信号处理步骤直至执行次数达到预设次数，其中，所述信号处理步骤包括：调节所述移相值，接收所述测试信号，获取所述测试系统基于调节后的移相值对所述测试信号进行处理并生成的第二输出信号；

对所述第二输出信号进行分析处理并得到测试数据；

比较所述测试数据和预设的期望数据。

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