CN115622641A - 多通道宽带收发信道幅相校准方法、系统、终端及介质 - Google Patents

多通道宽带收发信道幅相校准方法、系统、终端及介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了多通道宽带收发信道幅相校准方法、系统、终端及介质，涉及无线电技术领域，其技术方案要点是：静态测量校准电路中各通道的第一幅相数据；在线动态测量校准电路和收发信道贯通的第二幅相数据；从第二幅相数据中扣除第一幅相数据，得到收发信道的第三幅相数据；选取基准信道对第三幅相数据进行归一化处理，得到各收发信道的幅相失配误差数据；信号接收时，在线测量得到位于接收处理端口处的第四幅相数据；信号发射时，将各发射信道理论幅相数据作为第四幅相数据；依据幅相失配误差数据对第四幅相数据进行补偿处理，得到实时幅相数据。本发明通过在线计算扣除校准电路对收发信道校准性能带来的影响，实现高精度校准，又不降低适用性。

Description

多通道宽带收发信道幅相校准方法、系统、终端及介质
技术领域
本发明涉及无线电技术领域，更具体地说，它涉及多通道宽带收发信道幅相校准方法、系统、终端及介质。
背景技术
相控阵体制无线收发系统包含多路天线单元、多通道收发信道和收发处理等，在各天线单元之间的幅相一致性指标能够满足系统要求的条件下，多通道收发信道之间的幅相一致性指标将会直接影响无线收发系统接收波束、发射波束的合成质量。收发信道通常由放大器、滤波器、微波开关、限幅器等有源/无源器件及馈线组成，难以通过设计、制造来保证各路收发信道之间的幅相一致性，为降低设计和制造难度，同时也降低后期维修面临的馈线、器件等更换带来的幅相一致性保持难度，工程上一般采取幅相校准措施来确保多通道收发信道之间的幅相一致性。
现有收发信道幅相校准技术主要有静态校准和动态校准。其中，静态校准在系统的总装调试、内场维修阶段，借助网络分析仪等通用仪器及测试组件准确测量各收发信道二端口网络的幅度、相位参数，通过数据归一化处理，计算出各路收发通道之间的幅度相位失配误差数据，将该误差数据作为配置参数，在系统工作期间用于对各收发信道的实际幅相数据进行补偿，以此完成收发信道幅相校准。动态校准在系统内部设计校准电路，包括校准源、功分网络、耦合器等，校准信号输入输出点与各收发信道耦合器之间的幅相数据，包括插损和相移，通常设计为等幅同相，校准过程大致如下：在校准指令控制下，校准源产生的校准信号进入功分网络、耦合器等，进入接收通道，测量各接收通道输出校准信号的幅度相位数据，通过计算获取各接收信道之间的幅相失配误差，在系统工作期间用于对各接收信道的实际幅相数据进行补偿，以此完成接收信道校准；校准信号依次通过各发射通道，经耦合器、功分网络后进入校准接收通道，依次测量校准接收通道信号的幅度相位数据，通过计算获取各发射信道之间的幅相失配误差，在系统工作期间用于对各发射信道的实际幅相数据进行补偿，以此完成发射信道校准。
然而，静态校准在后期系统运行过程中只要任一收发信道出现馈线、器件等维修更换，各收发信道间幅相失配误差就会发生变化，要使系统性能不下降，就得在内场维修环境下重新测量获取新的幅相失配误差数据，并更新系统的配置参数，这大大降低了应用的便捷性，在很多外场条件下几乎不具备可行性。此外，动态校准的校准信号输入输出点与各收发信道耦合器之间的幅相数据通过设计保证，为简化幅相补偿计算工作量，通常设计为等幅同相，这针对工作频率范围特别窄的窄带无线收发系统是可行的，但实际的多数无线收发系统工作频率均工作在一个相对较宽的范围，校准电路设计时不可能做到整个带内不同频点信号都等幅同相，因此该校准方法精度不高，不适应具有高幅相一致性要求的宽带无线收发系统应用。因此，如何研究设计一种能够克服上述缺陷的多通道宽带收发信道幅相校准方法、系统、终端及介质是我们目前急需解决的问题。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供多通道宽带收发信道幅相校准方法、系统、终端及介质，通过在线计算扣除校准电路对收发信道校准性能带来的影响，实现高精度校准，又不降低适用性。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
第一方面，提供了多通道宽带收发信道幅相校准方法，包括以下步骤：
启动校准阶段：
静态测量校准电路中各通道的第一幅相数据；
在线动态测量校准电路和收发信道贯通的第二幅相数据；
从第二幅相数据中扣除第一幅相数据，得到收发信道的第三幅相数据；
选取基准信道对第三幅相数据进行归一化处理，得到各收发信道的幅相失配误差数据；
正常工作阶段：
信号接收时，通过在线测量得到经过各接收信道后位于接收处理端口处的第四幅相数据；
和/或信号发射时，将根据波束指向确定的所需各发射信道理论幅相数据作为第四幅相数据；
依据幅相失配误差数据对第四幅相数据进行补偿处理，得到校准后的实时幅相数据。
进一步的，所述第一幅相数据的测量过程具体为：
采用匹配负载连接于校准电路中的耦合器，并采用网络分析仪连接于校准电路中的耦合器与功分网络之间；
通过网络分析仪和匹配负载一次性测量得到贯通校准电路的输入端口与输出端口之间的第一幅相数据，第一幅相数据包括静态插损和静态相移；
以及，将第一幅相数据作为配置参数存储到实际应用系统中。
进一步的，所述第二幅相数据的测量过程具体为：
通过AD并行接收处理测量得到接收处理端口处各工作频点的幅度数据和相位数据；
第二幅相数据分为接收通道的幅相数据和发射通道的幅相数据；
以及，将各工作频点的幅度数据和相位数据等效为相应的等效插损和等效相移。
进一步的，所述第三幅相数据的获得过程具体为：
以第二幅相数据与第一幅相数据之差，计算得到第三幅相数据；
第三幅相数据为仅收发信道传输路径所产生的实际插损和实际相移。
进一步的，所述幅相失配误差数据的获得过程具体为：
选取一个收发信道作为基准信道；
以各信道的第三幅相数据与基准信道的幅相数据之差计算得到相应信道的幅相失配误差数据。
进一步的，所述基准信道为收发信道中信号幅度最小的信道。
进一步的，所述实时幅相数据的获得过程具体为：
以第四幅相数据与相应的幅相失配误差数据之差，计算得到各收发信道校准后的实时幅相数据。
第二方面，提供了多通道宽带收发信道幅相校准系统，包括：
静态测量模块，用于在启动校准阶段静态测量校准电路中各通道的第一幅相数据；
动态测量模块，用于在启动校准阶段在线动态测量校准电路和收发信道贯通的第二幅相数据；
扣除处理模块，用于从第二幅相数据中扣除第一幅相数据，得到收发信道的第三幅相数据；
误差分析模块，用于选取基准信道对第三幅相数据进行归一化处理，得到各收发信道的幅相失配误差数据；
实时测量模块，用于在正常工作阶段的信号接收时通过在线测量得到经过各接收信道后位于接收处理端口处的第四幅相数据，和/或信号发射时将根据波束指向确定的所需各发射信道理论幅相数据作为第四幅相数据；
误差校正模块，用于依据幅相失配误差数据对第四幅相数据进行补偿处理，得到校准后的实时幅相数据。
第三方面，提供了一种计算机终端，包含存储器、处理器及存储在存储器并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面中任意一项所述的多通道宽带收发信道幅相校准方法。
第四方面，提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行可实现如第一方面中任意一项所述的多通道宽带收发信道幅相校准方法。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的多通道宽带收发信道幅相校准方法，由全无源器件组成的校准电路可靠性高，其幅相数据通过一次性静态测量得到；含较多有源器件的收发信道日常维修、更换机会多，其幅相数据通过在线动态测量得到，通过在线计算扣除校准电路对收发信道校准性能带来的影响，实现高精度校准，又不降低适用性；
2、本发明技术原理简单，实用性和创新性强，应用到相控阵体制无线收发系统，将会极大地提升系统接收波束、发射波束合成质量，同时可推广应用到无线电监测领域中的其他涉及多通道接收、对相位精度有要求的监测系统。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是本发明实施例中n通道相控阵体制无线收发系统的原理图；
图2是本发明实施例中接收信道幅相校准的原理图；
图3是本发明实施例中发射信道幅相校准的原理图；
图4是本发明实施例中校准电路的静态参数测量原理图；
图5是本发明实施例中的系统框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：多通道宽带收发信道幅相校准方法，具体由以下步骤实现。
假定信道数量为n（n≥2），n通道相控阵体制无线收发系统的原理图如图1所示，图中各天线单元之间的幅相一致性可通过设计制造及端口电缆配相等措施来保证，使其能够满足系统性能要求，本发明主要解决各收发信道之间的幅相校准问题。设端口Cai到端口Ri传输路径为接收信道i，端口Ti到端口Cai传输路径为发射信道i，则接收校准、发射校准的校准对象分别是接收信道i、发射信道i。本实施例中 i取值均为1-n，不再重复说明。
对于接收信道校准，如图2所示，粗实线箭头为接收校准信号路径，校准源输出校准信号，经单刀多掷开关、馈线、校准信道发射支路后，从端口Ca进入校准电路再通过功分网络功分为n路信号，经馈线、耦合器后进入n路收发信道的接收支路，最后从端口Ri进入接收处理单元完成数字化和接收处理，提取幅相数据并进行归一化处理，得到各接收信道之间的幅相失配误差数据。从图2中可看出：从校准源到端口Ca处的传输信道是各接收信道的共用信道，其产生的插损、相移数据，在接收处理归一化过程中会求差运算抵消掉，所以Ri端口处得到的幅相数据只与Ca端口与Ri端口之间的传输路径有关，即接收校准在线测量的幅相数据为包含校准电路的（端口Ca到端口Cai）幅相数据、接收信道的（端口Cai到端口Ri）幅相数据。
对于发射信道校准，如图3所示，粗实线箭头为发射校准信号路径，校准源输出校准信号，经单刀多掷开关依次接通发射信道i，经馈线、校准电路后进入校准信道接收支路，最后从R端口进入接收处理单元完成数字化和接收处理，完成n次幅相数据提取后进行归一化处理，得到各发射信道之间的幅相失配误差数据。从图3中可看出：根据发射校准信号流向来看，从校准源到单刀多掷开关、从端口Ca到接收处理端口R处的传输信道为共用信道，其产生的插损、相移数据，在接收处理归一化过程中会求差运算抵消掉，所以R端口处得到的实际幅相数据只与Ti端口与Ca端口之间的传输路径有关，即发射校准在线测量获取的幅相数据包含发射信道的（端口Ti到端口Cai）幅相数据、校准电路的（端口Cai到端口Ca）幅相数据。
由上述分析可知，接收校准、发射校准在线测量得到的幅相数据均包含了校准电路带来的插损、相移数据，而校准电路包含了多路功分网络、馈线等，难以做到在一定带宽内很好的幅相一致性，为了得到准确的仅接收信道、发射信道幅相数据，就需要在校准过程中扣除校准电路带来的插损、相移数据。根据传输线互易性理论，端口Ca到端口Cai的传输路径与端口Cai到端口Ca的传输路径所带来的插损、相移数据相同，同时校准电路中的功分网络、馈线、耦合器等均为无源器件，可靠性比含有源器件的收发信道高很多，因此将校准电路独立出来，其幅相数据通过静态测量一次性获取，将在线测量得到的幅相数据扣除该一次性获取的幅相数据，就能够得到收发信道自身的准确幅相数据，实现高精度幅相校准。
基于上述分析，本发明中的多通道宽带收发信道幅相校准方法包括启动校准阶段和正常工作阶段。启动校准阶段包括步骤S1-S4，正常工作阶段包括步骤S5-S6。
步骤S1：静态测量校准电路中各通道的第一幅相数据。
如图4所示，第一幅相数据的测量过程具体为：采用匹配负载连接于校准电路中的耦合器，并采用网络分析仪连接于校准电路中的耦合器与功分网络之间；通过网络分析仪和匹配负载一次性测量得到贯通校准电路的输入端口与输出端口之间的第一幅相数据，第一幅相数据包括静态插损Asi和静态相移Φsi；以及，将第一幅相数据作为配置参数存储到实际应用系统中。
步骤S2：在线动态测量校准电路和收发信道贯通的第二幅相数据。
第二幅相数据的测量过程具体为：通过AD并行接收处理测量得到接收处理端口处各工作频点的幅度数据和相位数据；第二幅相数据分为接收通道的幅相数据和发射通道的幅相数据；以及，将各工作频点的幅度数据和相位数据等效为相应的等效插损Adri和等效相移Φdri。
具体的，对于启动接收校准，是通过AD并行接收处理测量得到Ri端口处各工作频点的幅度数据、相位数据，等效处理后记为等效插损Adri和等效相移Φdri。对于启动发射校准，是通过AD接收处理得到R端口处各工作频点的幅度数据和相位数据，等效插损Adti和等效相移Φdti。
步骤S3：从第二幅相数据中扣除第一幅相数据，得到收发信道的第三幅相数据。
第三幅相数据的获得过程具体为：以第二幅相数据与第一幅相数据之差，计算得到第三幅相数据；第三幅相数据为仅收发信道传输路径所产生的实际插损和实际相移。
具体的，对于启动接收校准，实际插损Ari的计算公式为：Ari=Adri-Asi，实际相移Φri的计算公式为：Φri=Φdri-φsi。对于启动发射校准，实际插损Ati的计算公式为：Ati=Adti-Asi，实际相移Φti的计算公式为：Φti=Φdti-Φsi。
步骤S4：选取基准信道对第三幅相数据进行归一化处理，得到各收发信道的幅相失配误差数据。
幅相失配误差数据的获得过程具体为：选取一个收发信道作为基准信道；以各信道的第三幅相数据与基准信道的幅相数据之差计算得到相应信道的幅相失配误差数据，幅相失配误差数据作为收发信道幅相修正数据存储到应用系统中。
在本实施例中，基准信道为收发信道中信号幅度最小的信道。
具体的，对于启动接收校准，幅相失配误差数据的插损值ΔAri计算公式为：ΔAri=Ari-Ar0；相移值ΔΦri计算公式为：ΔΦri=Φri-Φr0。对于启动发射校准，幅相失配误差数据的插损值ΔAti计算公式为：ΔAti=Ati-At0；相移值ΔΦti计算公式为：ΔΦti=Φti-Φt0。其中，Ar0、Φt0分别为基准信道的幅相数据所对应的插损与相移。
步骤S5：获取第四幅相数据。
正常工作期间执行信号接收时，通过在线测量得到Ri端口处各工作频点的幅度数据Awri、相位数据Φwri作为第四幅相数据。
正常工作期间执行信号发射时，根据波束指向需求得到各发射信道所需的理论幅相值，其幅度数据为Awti、相位数据为Φwti作为第四幅相数据。
步骤S6：依据幅相失配误差数据对第四幅相数据进行补偿处理，得到校准后的实时幅相数据。
对于信号接收，实时幅相数据中幅度的计算公式为：Asri= Awri-ΔAri，相位的计算公式为：Φsri=Φwri-ΔΦri。对于信号发射，实时幅相数据中幅度的计算公式为：Asti=Awti-ΔAti，相位的计算公式为：Φsti=Φwti-ΔΦti。
而基于Asri与Φsri、Asti与Φsti进行幅相加权，以提升相控阵体制无线收发系统的接收波束、发射波束合成质量。
实施例2：多通道宽带收发信道幅相校准系统，该系统用于实现实施例1中所记载的多通道宽带收发信道幅相校准方法，如图5所示，包括静态测量模块、动态测量模块、扣除处理模块、误差分析模块、实时测量模块和误差校正模块。
其中，静态测量模块，用于在启动校准阶段静态测量校准电路中各通道的第一幅相数据；动态测量模块，用于在启动校准阶段在线动态测量校准电路和收发信道贯通的第二幅相数据；扣除处理模块，用于从第二幅相数据中扣除第一幅相数据，得到收发信道的第三幅相数据；误差分析模块，用于选取基准信道对第三幅相数据进行归一化处理，得到各收发信道的幅相失配误差数据；实时测量模块，用于在正常工作阶段的信号接收时通过在线测量得到经过各接收信道后位于接收处理端口处的第四幅相数据，和/或信号发射时将根据波束指向确定的所需各发射信道理论幅相数据作为第四幅相数据；误差校正模块，用于依据幅相失配误差数据对第四幅相数据进行补偿处理，得到校准后的实时幅相数据。
工作原理：本发明由全无源器件组成的校准电路可靠性高，其幅相数据通过一次性静态测量得到；含较多有源器件的收发信道日常维修、更换机会多，其幅相数据通过在线动态测量得到，通过在线计算扣除校准电路对收发信道校准性能带来的影响，实现高精度校准，又不降低适用性。
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。
以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、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.多通道宽带收发信道幅相校准方法，其特征是，包括以下步骤：
启动校准阶段：
静态测量校准电路中各通道的第一幅相数据；
在线动态测量校准电路和收发信道贯通的第二幅相数据；
从第二幅相数据中扣除第一幅相数据，得到收发信道的第三幅相数据；
选取基准信道对第三幅相数据进行归一化处理，得到各收发信道的幅相失配误差数据；
正常工作阶段：
信号接收时，通过在线测量得到经过各接收信道后位于接收处理端口处的第四幅相数据；
和/或信号发射时，将根据波束指向确定的所需各发射信道理论幅相数据作为第四幅相数据；
依据幅相失配误差数据对第四幅相数据进行补偿处理，得到校准后的实时幅相数据。
2.根据权利要求1所述的多通道宽带收发信道幅相校准方法，其特征是，所述第一幅相数据的测量过程具体为：
采用匹配负载连接于校准电路中的耦合器，并采用网络分析仪连接于校准电路中的耦合器与功分网络之间；
通过网络分析仪和匹配负载一次性测量得到贯通校准电路的输入端口与输出端口之间的第一幅相数据，第一幅相数据包括静态插损和静态相移；
以及，将第一幅相数据作为配置参数存储到实际应用系统中。
3.根据权利要求1所述的多通道宽带收发信道幅相校准方法，其特征是，所述第二幅相数据的测量过程具体为：
通过AD并行接收处理测量得到接收处理端口处各工作频点的幅度数据和相位数据；
第二幅相数据分为接收通道的幅相数据和发射通道的幅相数据；
以及，将各工作频点的幅度数据和相位数据等效为相应的等效插损和等效相移。
4.根据权利要求1所述的多通道宽带收发信道幅相校准方法，其特征是，所述第三幅相数据的获得过程具体为：
以第二幅相数据与第一幅相数据之差，计算得到第三幅相数据；
第三幅相数据为仅收发信道传输路径所产生的实际插损和实际相移。
5.根据权利要求1所述的多通道宽带收发信道幅相校准方法，其特征是，所述幅相失配误差数据的获得过程具体为：
选取一个收发信道作为基准信道；
以各信道的第三幅相数据与基准信道的幅相数据之差计算得到相应信道的幅相失配误差数据。
6.根据权利要求5所述的多通道宽带收发信道幅相校准方法，其特征是，所述基准信道为收发信道中信号幅度最小的信道。
7.根据权利要求1所述的多通道宽带收发信道幅相校准方法，其特征是，所述实时幅相数据的获得过程具体为：
以第四幅相数据与相应的幅相失配误差数据之差，计算得到各收发信道校准后的实时幅相数据。
8.多通道宽带收发信道幅相校准系统，其特征是，包括：
静态测量模块，用于在启动校准阶段静态测量校准电路中各通道的第一幅相数据；
动态测量模块，用于在启动校准阶段在线动态测量校准电路和收发信道贯通的第二幅相数据；
扣除处理模块，用于从第二幅相数据中扣除第一幅相数据，得到收发信道的第三幅相数据；
误差分析模块，用于选取基准信道对第三幅相数据进行归一化处理，得到各收发信道的幅相失配误差数据；
实时测量模块，用于在正常工作阶段的信号接收时通过在线测量得到经过各接收信道后位于接收处理端口处的第四幅相数据，和/或信号发射时将根据波束指向确定的所需各发射信道理论幅相数据作为第四幅相数据；
误差校正模块，用于依据幅相失配误差数据对第四幅相数据进行补偿处理，得到校准后的实时幅相数据。
9.一种计算机终端，包含存储器、处理器及存储在存储器并可在处理器上运行的计算机程序，其特征是，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7中任意一项所述的多通道宽带收发信道幅相校准方法。
10.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征是，所述计算机程序被处理器执行可实现如权利要求1-7中任意一项所述的多通道宽带收发信道幅相校准方法。
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