CN115242321A - 一种射频信号相位差校准方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了数字信号处理领域的一种射频信号相位差校准方法及系统，包括：对多通道同步信号进行采样得到各通道的采集数字信号，并发送至DDR3信号缓存模块进行缓存；从DDR3信号缓存模块中读取各通道的采集数字信号，并输入到DDC数字下变频器中进行下变频处理，得到I路信号和Q路信号；将所述各通道中I路信号和Q路信号进行FFT计算和arctan计算，得到对应的相位值；由各通道同步信号中选取参考信号和待校准信号，计算参考信号和待校准信号之间的单位相变因子；根据单位相变因子计算得到相位校准之后的输出信号；本发明自动生成相位误差表以及信号波形显示，并且能够实现多通道信号相位检测与校准，具有测量速度快和精度高的特点。
Description
技术领域
本发明属于数字信号处理方法领域，具体涉及一种射频信号相位差校准方法及系统。
背景技术
随着软件无线电技术(Software Defined Radio，SDR)的发展，以往很多在射频领域中需要通过硬件模块来实现的功能逐渐被基带的数字信号处理技术所取代。这不仅降低了整个系统的复杂度，而且在很大程度上提高了系统的精度和可靠性，大大缩短了研发周期和成本。但是由于通道材料和环境的影响，射频信号间会出现一定的相位差，会对后面射频信号的处理产生影响。为了有效克服上述的问题，对射频信号进行相位校准是十分有必要的。
一种射频信号相位差校准方法及系统的目的就是运用现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)技术，通过数字信号处理的方式求出两射频信号的相位差，然后将其相位差修正为零，从而抵消因通道材料和环境导致的信号相位延迟。目前，传统的射频相位校准技术对信号相位误差校准时间较长且校准精度差，成本较高和研发周期长的不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种射频信号相位差校准方法及系统，可以实现多通道的射频信号相位校准，提高了射频信号相位校准的效率。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
本发明第一方面提供了一种射频信号相位差校准方法，包括：
通过PLL时钟模块产生多通道同步信号和同步时钟，并分配给ADC数据采集模；
对多通道同步信号进行采样得到各通道的采集数字信号，并发送至DDR3信号缓存模块对采集数字信号进行缓存；
从DDR3信号缓存模块中读取各通道的采集数字信号，并输入到DDC数字下变频器中进行下变频处理，得到I路信号和Q路信号；
将所述各通道中I路信号和Q路信号通过FIR滤波器滤除高频分量后进行FFT计算，得到各通道同步信号的离散频谱中实部和虚部；
通过对离散频谱的实部和虚部求平方和，得到各通道同步信号的幅度谱；
根据幅度谱求得各通道同步信号的最大谱线对应的频点，并记作分析频点；
利用Cordic算法对各通道同步信号的离散频谱中分析频点对应的实部和虚部进行arctan计算，得到对应的相位值；
由各通道同步信号中选取参考信号和待校准信号，计算参考信号和待校准信号之间的单位相变因子；
将待校准信号通道中I路信号和Q路信号分别与相应的单位相变因子C进行相乘后，输入到DUC数字上变频器中，最终得到相位校准之后的输出信号。
优选的，还包括：计算参考信号和其他通道同步信号之间的相位差，将输出信号和对应的相位差通过通信模块传输至上位机软件，对输出信号和对应的相位差进行显示。
优选的，通过上位机软件选取待校准信号通道并控制同步信号的通道进行切换。
优选的，将所述各通道中I路信号和Q路信号通过FIR滤波器滤除高频分量后进行FFT计算，表达公式为：
siF(n)＝siIF(n)+j·siQF(n)，n＝1，2，3…N
公式中，Si(k)表示为第i通道同步信号的离散频谱；siF(n)表示为滤除高频分量后的第i通道同步信号；siIF(n)表示为滤除高频分量后的第i通道I路信号；siQF(n)表示为滤除高频分量后的第i通道Q路信号；j表示为Q路信号的权重系数；N表示为FFT计算的长度；Re[Si(k)]表示为第i通道同步信号的离散频谱实部；Im[Si(k)]表示为第i通道同步信号的离散频谱虚部。
优选的，计算参考信号和待校准信号之间的单位相变因子的方向包括：
将所述参考信号s0F(n)分析频点对应的相位值
和待校准信号s1F(n)分析频点对应的相位值
通过减法器对其进行求差处理，得到所述参考信号s0F(n)和待校准信号s1F(n)的相位差
表达公式为：
根据相位差
计算获得单位相变因子C，表达公式为：
本发明第二方面提供了一种射频信号相位差校准系统，包括：
PLL时钟模块，用于产生多通道同步信号和同步时钟，并分配给ADC数据采集模；
信号采集模块，用于对多通道同步信号进行采样得到各通道的采集数字信号；
DDR3信号缓存模块，用于对采集数字信号进行缓存；
信号相位计算模块，用于从DDR3信号缓存模块中读取各通道的采集数字信号，并输入到DDC数字下变频器中进行下变频处理，得到I路信号和Q路信号；将所述各通道中I路信号和Q路信号通过FIR滤波器滤除高频分量后进行FFT计算，得到各通道同步信号的离散频谱中实部和虚部；通过对离散频谱的实部和虚部求平方和，得到各通道同步信号的幅度谱；根据幅度谱求得各通道同步信号的最大谱线对应的频点，并记作分析频点；利用Cordic算法对各通道同步信号的离散频谱中分析频点对应的实部和虚部进行arctan计算，得到对应的相位值；
信号校准模块，由各通道同步信号中选取参考信号和待校准信号，计算参考信号和待校准信号之间的单位相变因子；将待校准信号通道中I路信号和Q路信号分别与相应的单位相变因子C1进行相乘后，输入到DUC数字上变频器中，最终得到相位校准之后的输出信号。
优选的，上位机软件通过通信模块与信号校准模块、FPGA控制器电性连接；所述上位机软件对输出信号和对应的相位差进行显示；所述FPGA控制器根据所述上位机软件的指令控制同步信号的通道进行切换。
优选的，所述DDR3信号缓存模块包括FIFO控制模块、MIGIP核模块、DDR3存储器和DDR3读写控制模块；所述FIFO控制模块与所述DDR3读写控制模块电性连接；DDR3读写控制模块控制FIFO控制模块由DDR3存储器读写数据；DDR3读写控制模块负责与MIGIP核模块进行读写命令和地址的交互；所述MIGIP核模块连接DDR3存储器和信号相位计算模块。
优选的，所述FIFO控制模块中设置有多套写FIFO单元和读FIFO单元组合；各套写FIFO单元和读FIFO单元组合与各通道同步信号一一对应设置；写FIFO单元作用于将各通道的采集数字信号写入DDR3存储器；读FIFO单元作用于由DDR3存储器中读取各通道的采集数字信号。
优选的，FIFO控制模块接收到相位校准之后的输出信号时，FIFO控制模块将输出信号位宽转换为同步信号位宽进行输出。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明从DDR3信号缓存模块中读取各通道的采集数字信号，并输入到DDC数字下变频器中进行下变频处理，得到I路信号和Q路信号；将所述各通道中I路信号和Q路信号通过FIR滤波器滤除高频分量后进行FFT计算和arctan计算，得到对应的相位值；计算参考信号和待校准信号之间的单位相变因子；根据单位相变因子计算得到相位校准之后的输出信号；本发明自动生成相位误差表以及信号波形显示，并且能够实现多通道信号相位检测与校准，具有测量速度快和精度高的特点。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种射频信号相位差校准系统的结构图；
图2是本发明实施例提供的DDR3信号缓存模块的结构图；
图3是本发明实施例提供的一种射频信号相位差校准方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一
如图3所示，本发明第一方面提供了一种射频信号相位差校准方法，包括：
通过PLL时钟模块产生多通道同步信号和同步时钟，并分配给ADC数据采集模；
对多通道同步信号进行采样得到各通道的采集数字信号，并发送至DDR3信号缓存模块对采集数字信号进行缓存；
从DDR3信号缓存模块中读取各通道的采集数字信号，并输入到DDC数字下变频器中进行下变频处理，得到I路信号和Q路信号，表达公式为：
siI(n)＝si(n)cos(2πfcn)
siQ(n)＝si(n)sin(2πfcn)
公式中，siI(n)表示为第i通道同步信号中的I路信号；SiQ(n)表示为第i通道同步信号中的Q路信号；fc表示载波频率。
将所述各通道中I路信号和Q路信号通过FIR滤波器滤除高频分量后进行FFT计算，得到各通道同步信号的离散频谱中实部和虚部，表达公式为：
siF(n)＝siIF(n)+j·siQF(n)，n＝1，2，3…N
公式中，Si(k)表示为第i通道同步信号的离散频谱；siF(n)表示为滤除高频分量后的第i通道同步信号；siIF(n)表示为滤除高频分量后的第i通道I路信号；siQF(n)表示为滤除高频分量后的第i通道Q路信号；j表示为Q路信号的权重系数；N表示为FFT计算的长度；Re[Si(k)]表示为第i通道同步信号的离散频谱实部；Im[Si(k)]表示为第i通道同步信号的离散频谱虚部。
通过对离散频谱的实部和虚部求平方和，得到各通道同步信号的幅度谱；根据幅度谱求得各通道同步信号的最大谱线对应的频点，并记作分析频点；利用Cordic算法对各通道同步信号的离散频谱中分析频点对应的实部和虚部进行aretan计算，得到对应的相位值，相位值表达公式为：
由各通道同步信号中选取参考信号和待校准信号，通过上位机软件控制同步信号的通道进行切换；
计算参考信号和待校准信号之间的单位相变因子的方向包括：
将所述参考信号s0F(n)分析频点对应的相位值
和待校准信号s1F(n)分析频点对应的相位值
通过减法器对其进行求差处理，得到所述参考信号s0F(n)和待校准信号s1F(n)的相位差
表达公式为：
根据相位差
计算获得单位相变因子C，表达公式为：
重复计算各待校准信号通道相变因子C，将待校准信号通道中I路信号和Q路信号分别与相应的单位相变因子C进行相乘后，输入到DUC数字上变频器中，最终得到相位校准之后的输出信号。
计算参考信号和其他通道同步信号之间的相位差，将输出信号和对应的相位差通过通信模块传输至上位机软件，对输出信号和对应的相位差进行显示；本发明自动生成相位误差表以及信号波形显示，并且能够实现多通道信号相位检测与校准，具有测量速度快和精度高的特点。
实施例二
如图1和图2所示，一种射频信号相位差校准系统，本实施例提供的系统可以应用于实施例一所述的方法，射频信号相位差校准系统包括：
PLL时钟模块，用于产生多通道同步信号和同步时钟，并分配给ADC数据采集模；
信号采集模块，用于对多通道同步信号进行采样得到各通道的采集数字信号；
DDR3信号缓存模块，用于对采集数字信号进行缓存；
信号相位计算模块，用于从DDR3信号缓存模块中读取各通道的采集数字信号，并输入到DDC数字下变频器中进行下变频处理，得到I路信号和Q路信号；将所述各通道中I路信号和Q路信号通过FIR滤波器滤除高频分量后进行FFT计算，得到各通道同步信号的离散频谱中实部和虚部；通过对离散频谱的实部和虚部求平方和，得到各通道同步信号的幅度谱；根据幅度谱求得各通道同步信号的最大谱线对应的频点，并记作分析频点；利用Cordic算法对各通道同步信号的离散频谱中分析频点对应的实部和虚部进行arctan计算，得到对应的相位值；
信号校准模块，由各通道同步信号中选取参考信号和待校准信号，计算参考信号和待校准信号之间的单位相变因子；将待校准信号通道中I路信号和Q路信号分别与相应的单位相变因子C1进行相乘后，输入到DUC数字上变频器中，最终得到相位校准之后的输出信号。
上位机软件通过通信模块与信号校准模块、FPGA控制器电性连接；所述上位机软件对输出信号和对应的相位差进行显示；所述FPGA控制器根据所述上位机软件的指令控制同步信号的通道进行切换。
所述DDR3信号缓存模块包括FIFO控制模块、MIGIP核模块、DDR3存储器和DDR3读写控制模块；所述FIFO控制模块与所述DDR3读写控制模块电性连接；DDR3读写控制模块控制FIFO控制模块由DDR3存储器读写数据；DDR3读写控制模块负责与MIGIP核模块进行读写命令和地址的交互；所述MIGIP核模块连接DDR3存储器和信号相位计算模块。
所述FIFO控制模块中设置有多套写FIFO单元和读FIFO单元组合；各套写FIFO单元和读FIFO单元组合与各通道同步信号一一对应设置；写FIFO单元作用于将各通道的采集数字信号写入DDR3存储器，将输入的采集数字信号位拼接为256位的数据，最后通过DDR3读写控制模块控制各写FIFO单元依次通过MIGIP核写入DDR3存储器对应的地址单元中；读FIFO单元作用于由DDR3存储器中读取各通道的采集数字信号，当读FIFO中的数据量不满足进行一次FFT时，DDR3读写控制模块会向MIGIP核模块发送读命令和读地址，然后MIGIP核模块将对应地址单元读出的数据写入各读FIFO；FIFO控制模块接收到相位校准之后的输出信号时，FIFO控制模块将输出信号位宽转换为同步信号位宽进行输出。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种射频信号相位差校准方法，其特征在于，包括：
通过PLL时钟模块产生多通道同步信号和同步时钟，并分配给ADC数据采集模；
对多通道同步信号进行采样得到各通道的采集数字信号，并发送至DDR3信号缓存模块对采集数字信号进行缓存；
从DDR3信号缓存模块中读取各通道的采集数字信号，并输入到DDC数字下变频器中进行下变频处理，得到I路信号和Q路信号；
将所述各通道中I路信号和Q路信号通过FIR滤波器滤除高频分量后进行FFT计算，得到各通道同步信号的离散频谱中实部和虚部；
通过对离散频谱的实部和虚部求平方和，得到各通道同步信号的幅度谱；
根据幅度谱求得各通道同步信号的最大谱线对应的频点，并记作分析频点；
利用Cordic算法对各通道同步信号的离散频谱中分析频点对应的实部和虚部进行arctan计算，得到对应的相位值；
由各通道同步信号中选取参考信号和待校准信号，计算参考信号和待校准信号之间的单位相变因子；
将待校准信号通道中I路信号和Q路信号分别与相应的单位相变因子C进行相乘后，输入到DUC数字上变频器中，最终得到相位校准之后的输出信号。
2.根据权利要求1所述的一种射频信号相位差校准方法，其特征在于，还包括：计算参考信号和其他通道同步信号之间的相位差，将输出信号和对应的相位差通过通信模块传输至上位机软件，对输出信号和对应的相位差进行显示。
3.根据权利要求2所述的一种射频信号相位差校准方法，其特征在于，通过上位机软件选取待校准信号通道并控制同步信号的通道进行切换。
4.根据权利要求1所述的一种射频信号相位差校准方法，其特征在于，将所述各通道中I路信号和Q路信号通过FIR滤波器滤除高频分量后进行FFT计算，表达公式为：
siF(n)＝siIF(n)+j·siQF(n)，n＝1,2,3…N
公式中，Si(k)表示为第i通道同步信号的离散频谱；siF(n)表示为滤除高频分量后的第i通道同步信号；siIF(n)表示为滤除高频分量后的第i通道I路信号；siQF(n)表示为滤除高频分量后的第i通道Q路信号；j表示为Q路信号的权重系数；N表示为FFT计算的长度；Re[Si(k)]表示为第i通道同步信号的离散频谱实部；Im[Si(k)]表示为第i通道同步信号的离散频谱虚部。
5.根据权利要求4所述的一种射频信号相位差校准方法，其特征在于，计算参考信号和待校准信号之间的单位相变因子的方向包括：
将所述参考信号s0F(n)分析频点对应的相位值
和待校准信号s1F(n)分析频点对应的相位值
通过减法器对其进行求差处理，得到所述参考信号s0F(n)和待校准信号s1F(n)的相位差
表达公式为：
根据相位差
计算获得单位相变因子C，表达公式为：
6.一种射频信号相位差校准系统，其特征在于，包括：
PLL时钟模块，用于产生多通道同步信号和同步时钟，并分配给ADC数据采集模；
信号采集模块，用于对多通道同步信号进行采样得到各通道的采集数字信号；
DDR3信号缓存模块，用于对采集数字信号进行缓存；
信号相位计算模块，用于从DDR3信号缓存模块中读取各通道的采集数字信号，并输入到DDC数字下变频器中进行下变频处理，得到I路信号和Q路信号；将所述各通道中I路信号和Q路信号通过FIR滤波器滤除高频分量后进行FFT计算，得到各通道同步信号的离散频谱中实部和虚部；通过对离散频谱的实部和虚部求平方和，得到各通道同步信号的幅度谱；根据幅度谱求得各通道同步信号的最大谱线对应的频点，并记作分析频点；利用Cordic算法对各通道同步信号的离散频谱中分析频点对应的实部和虚部进行arctan计算，得到对应的相位值；
信号校准模块，由各通道同步信号中选取参考信号和待校准信号，计算参考信号和待校准信号之间的单位相变因子；将待校准信号通道中I路信号和Q路信号分别与相应的单位相变因子C1进行相乘后，输入到DUC数字上变频器中，最终得到相位校准之后的输出信号。
7.根据权利要求6所述的一种射频信号相位差校准方法，其特征在于，上位机软件通过通信模块与信号校准模块、FPGA控制器电性连接；所述上位机软件对输出信号和对应的相位差进行显示；所述FPGA控制器根据所述上位机软件的指令控制同步信号的通道进行切换。
8.根据权利要求6所述的一种射频信号相位差校准方法，其特征在于，所述DDR3信号缓存模块包括FIFO控制模块、MIGIP核模块、DDR3存储器和DDR3读写控制模块；所述FIFO控制模块与所述DDR3读写控制模块电性连接；DDR3读写控制模块控制FIFO控制模块由DDR3存储器读写数据；DDR3读写控制模块负责与MIGIP核模块进行读写命令和地址的交互；所述MIGIP核模块连接DDR3存储器和信号相位计算模块。
9.根据权利要求8所述的一种射频信号相位差校准方法，其特征在于，所述FIFO控制模块中设置有多套写FIFO单元和读FIFO单元组合；各套写FIFO单元和读FIFO单元组合与各通道同步信号一一对应设置；写FIFO单元作用于将各通道的采集数字信号写入DDR3存储器；读FIFO单元作用于由DDR3存储器中读取各通道的采集数字信号。
10.根据权利要求8或者权利要求9所述的一种射频信号相位差校准方法，其特征在于，FIFO控制模块接收到相位校准之后的输出信号时，FIFO控制模块将输出信号位宽转换为同步信号位宽进行输出。
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