CN117640052A - 一种软件无线电设备相位同步校准方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及软件无线电设备技术领域，公开了一种软件无线电设备相位同步校准方法及系统，包括：S1、分别对多个无线电设备进行设备内的相位同步校准，每个所述无线电设备包括多个发送通道和多个接收通道，先通过其中一个发送通道对同一无线电设备的各个接收通道进行校准，再通过各个校准后的接收通道对同一无线电设备的相应的发送通道进行校准；S2、将其中一个所述无线电设备作为master设备，除作为master设备的所有所述无线电设备作为slave设备，将所有slave设备的相位与所述master设备的相位同步。通过本发明的校准方法，不再需要通过外部送入信号就可以实现相位同步的校准，极大的方便了校准的流程。
Description
技术领域
本发明涉及软件无线电设备技术领域，具体涉及一种软件无线电设备相位同步校准方法及系统。
背景技术
软件无线电设备是由软件实现部分硬件所实现的功能，可应用于无线通信、相控阵雷达、测向等众多领域。而在这些使用场景中，常常要求系统中的所有接收通道需同步采集并且相位同步，发送通道也需同步采集并且相位同步。目前市场中，常见的方案是使用一个时钟分发模块，给系统中的所有ADC提供同源时钟，从而达到同步采集的目的，相位校准一般使用外部给一个单音信号，通过功分器将信号接入所有的接收通道，然后计算各通道间的相位差，最后进行相位旋转。
上述方案中，由于需要使用时钟分发模块，所有设备必须进行有线级联，并且校准时，需要外接信号，操作繁琐复杂。
发明内容
本发明提供一种软件无线电设备相位同步校准方法及系统，采用一种高精度GPS模块与驯服晶振输出参考时钟信号clk，参考时钟提供给一个符合JESD204B协议规范的时钟芯片（同步时钟模块）输出JESD204B所需sysref信号以及devClk，并实现一种相位校准算法，实现多片多通道的相位同步。
本发明通过下述技术方案实现：
一种软件无线电设备相位同步校准方法，对多个通过网络连接的无线电设备进行相位同步校准，包括：
S1、分别对多个无线电设备进行设备内的相位同步校准，每个所述无线电设备包括多个发送通道和多个接收通道，每个所述无线电设备在分别进行各自设备内的相位同步校准时，先通过其中一个发送通道对同一无线电设备的各个接收通道进行校准，再通过各个校准后的接收通道对同一无线电设备的相应的发送通道进行校准，使得所述无线电设备内的各个发送通道之间均相位同步，并且各个接收通道均相位同步；
S2、将其中一个所述无线电设备作为master设备，除作为master设备的所有所述无线电设备作为slave设备，将所有slave设备的相位与所述master设备的相位同步。
作为优化，所述无线电设备包括GPS与驯服时钟模块以及与所述GPS与驯服时钟模块连接的无线采集单元；所述GPS与驯服时钟模块为所述无线采集单元提供相位一致的参考时钟信号clk，其中，所述无线采集单元包括同步时钟模块、FPGA、开关矩阵以及至少两个ADC模块，所述GPS与驯服时钟模块通过所述同步时钟模块分别与ADC模块和FPGA连接，每个所述ADC模块均与FPGA连接，且每个所述ADC模块的任一发送通道和任一接收通道均可以通过所述开关矩阵相互连接，不同所述无线电设备通过网络进行双向连接。
作为优化，S1的具体步骤为：
S1.1、分别对若干个所述无线电设备上电；
S1.2、在每个所述无线电设备中，通过所述GPS与驯服时钟模块发送的参考时钟信号clk配置所述同步时钟模块产生devClk时钟信号并分别输出给所述ADC模块与FPGA，同时配置所述同步时钟模块产生的sysref信号的模式为脉冲模式；
S1.3、分别控制所述开关矩阵工作在校准模式，将其中一个ADC模块的发送通道作为参考发送通道与同一所述无线电设备中的所有的ADC模块的接收通道进行连接，除参考发送通道以外的所有发送通道均空接，与参考发送通道对应的接收通道为参考接收通道；
S1.4、通过所述参考发送通道发送一个单音信号，经过所述开关矩阵转发给同一所述无线电设备中的所有接收通道，所有所述接收通道在收到单音信号后，计算出所述参考接收通道与除该所述参考接收通道以外的所有接收通道的相位差；
S1.5、在计算出所述参考接收通道与除该所述参考接收通道以外的所有接收通道的相位差后，通过FPGA对除该所述参考接收通道以外的所有接收通道进行旋转，补偿除该所述参考接收通道以外的所有接收通道的相位差；
S1.6、控制所述开关矩阵，分别将每个所述无线电设备中的所有发射通道与所有所述接收通道进行设备内的一一对应连接；
S1.7、所有所述发射通道均发送相位相同的单音信号，经过所述开关矩阵转发给对应的所述接收通道，在所述接收通道收到单音信号后，计算出所述参考发送通道与除所述参考发送通道以外的所有发射通道的相位差；
S1.8、在计算出所述参考发送通道与除所述参考发送通道以外的所有发射通道的相位差后，通过FPGA对除所述参考发送通道以外的所有发射通道进行旋转，补偿除所述参考发送通道以外的所有发射通道的相位差；
S1.9、判断所述无线电设备中所有发送通道之间的相位差以及接收通道之间的相位差是否在设定的阈值范围内，若是，则结束该无线电设备的校准，否则，返回至S1.3。
作为优化，S2的具体步骤为：
S2.1、将多个所述无线电设备通过网络进行连接，并通过设备协商推举出一个无线电设备作为master设备，除该作为master设备以外的所有所述无线电设备作为slave设备；
S2.2、每个所述slave设备均将各自的其中一个接收通道的数据传送给所述master设备，所述master设备分别计算出与各slave设备的相位差，并将相位差对应返回给所述slave设备；
S2.3、所述slave设备在接收到相位差后，通过FPGA对接收通道进行旋转，补偿所述slave设备与master设备的相位差。
作为优化，所述相位差的具体表达式为：
；
其中，I1、I2分别为两路接收通道接收的信号的实部，Q1、Q2分别为两路接收通道接收的信号的虚部，θ为两路接收通道接收的信号的相位差。
作为优化，所述网络为以太网。
作为优化，计算相位差具体在所述无线电设备的FPGA中进行。
作为优化，所述同步时钟模块符合JESD204B协议规范。
作为优化，所述ADC模块输出给FPGA的信号为IQ信号。
本发明还公开了一种软件无线电设备系统，包括若干通过前述的一种软件无线电设备相位同步校准方法进行相位同步校准的无线电设备以及网络，若干所述无线电设备通过网络进行通信连接。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明方法提出的一种软件无线电设备相位同步校准方法，采用了GPS与驯服时钟模块，不在需要目前市场上必须的时钟分发模块给采集设备提供同步时钟的要求，并且也不需要将每个采集设备进行级联；同时，采用开关矩阵的方式，将发射通道的数据直接在板内（设备内）回环给接收通道，不再需要通过外部送入信号就可以实现相位同步的校准，极大的方便了校准的流程。
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为本发明所述的一种软件无线电设备系统的结构示意图。
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。
本实施例1提供一种软件无线电设备相位同步校准方法，对多个通过网络连接的无线电设备进行相位同步校准，包括：本实施例中，网络为以太网。
S1、分别对多个无线电设备进行设备内的相位同步校准，每个所述无线电设备包括多个发送通道和多个接收通道，每个所述无线电设备在分别进行各自设备内的相位同步校准时，先通过其中一个发送通道对同一无线电设备的各个接收通道进行校准，再通过各个校准后的接收通道对同一无线电设备的相应的发送通道进行校准，使得所述无线电设备内的各个发送通道之间均相位同步，并且各个接收通道均相位同步；
本实施例中，所述无线电设备包括GPS与驯服时钟模块以及与所述GPS与驯服时钟模块连接的无线采集单元；所述GPS与驯服时钟模块为所述无线采集单元提供相位一致的参考时钟信号clk，其中，所述无线采集单元包括同步时钟模块、FPGA、开关矩阵以及至少两个ADC模块，所述GPS与驯服时钟模块通过所述同步时钟模块分别与ADC模块和FPGA连接，每个所述ADC模块均与FPGA连接，且每个所述ADC模块的任一发送通道和任一接收通道均可以通过所述开关矩阵相互连接，不同所述无线电设备通过网络进行双向连接。
所述同步时钟模块符合JESD204B协议规范，所述ADC模块输出给FPGA的信号为IQ信号，通过GPS与驯服时钟模块发送的参考时钟信号clk输入至同步时钟模块，同步时钟模块产生devClk时钟信号和sysref信号均发送给ADC模块和FPGA。
为实现同步，要求无线采集设备的同步时钟模块输出给ADC和FPGA的devClk必须严格等长，同步时钟模块输出给ADC和FPGA的sysref必须严格等长；同时，多片ADC到FPGA的信号线需要等长，多片ADC的模拟输入输出的信号线需要等长，GPS与驯服时钟模块中的GPS需连接GPS天线。
具体的实现步骤为：
S1.1、分别对若干个所述无线电设备上电；
接下来，分别针对每个无线电设备进行如下操作，在某一个无线电设备进行下面的操作中，不会涉及到非该无线电设备以外的无线电设备的模块，即下面的操作为设备内的操作。
S1.2、通过所述GPS与驯服时钟模块发送的参考时钟信号clk配置所述同步时钟模块产生devClk时钟信号并分别输出给所述ADC模块与FPGA，同时配置所述同步时钟模块产生的sysref信号的模式为脉冲模式；
S1.3、分别控制所述开关矩阵工作在校准模式，将其中一个ADC模块的发送通道作为参考发送通道与同一所述无线电设备中的所有的ADC模块的接收通道进行连接，除参考发送通道以外的所有发送通道均空接，与参考发送通道对应的接收通道为参考接收通道；
S1.4、通过所述参考发送通道发送一个单音信号，经过所述开关矩阵转发给同一所述无线电设备中的所有接收通道，所有所述接收通道在收到单音信号后，计算出所述参考接收通道与除该所述参考接收通道以外的所有接收通道的相位差；
在所述无线电设备的FPGA进行相位差的计算方法如下：
A1、设两路接收通道接收的信号分别为：
A = I1 + jQ1；
B = I2 + jQ2；
其中，A、B为两路接收通道接收的信号，I1、I2分别为两路信号的实部，Q1、Q2分别为两路信号的虚部；
A2、将两路信号分别进行如下公式计算：
两个向量的点乘公式如下，其中θ为两个信号的相位差：
A * B = |A| * |B| * cos(θ) ；
两个向量的叉乘公式如下，其中θ为两个信号的相位差：
A x B = |A| * |B| * sin(θ)；
三角函数tan与sin、cos的转化公式如下：
；
由以上三个公式，可以得到如下公式：
；
因此，A与B之间的相位差为：
。
A可以作为参考接收通道所接收到的信号，B作为除参考接收通道以外的其中一个接收通道所接收到的信号，所以，如果一个无线电设备的ADC模块有2个以上，则信号B至少有两个。
S1.5、在计算出所述参考接收通道与除该所述参考接收通道以外的所有接收通道的相位差后，通过FPGA对除该所述参考接收通道以外的所有接收通道进行旋转，补偿除该所述参考接收通道以外的所有接收通道的相位差；
即根据信号B和信号A的相位差调整信号B所对应的接收通道的相位。
S1.6、控制所述开关矩阵，分别将每个所述无线电设备中的所有发射通道与所有所述接收通道进行设备内的一一对应连接，即TX1<-->RX1 …TXn<-->RXn；
S1.7、所有所述发射通道均发送相位相同的单音信号，经过所述开关矩阵转发给对应的所述接收通道，在所述接收通道收到单音信号后，计算出所述参考发送通道与除所述参考发送通道以外的所有发射通道的相位差；
由于在此时，所有的接收通道均相位同步，因此，此时若两个接收通道接收到的信号相位不同步，肯定是因为发送通道的相位不同步，所以，以参考发送通道的相位为参考，将其他发送通道与参考发送通道之间的相位差计算出来。
S1.8、在计算出所述参考发送通道与除所述参考发送通道以外的所有发射通道的相位差后，通过FPGA对除所述参考发送通道以外的所有发射通道进行旋转，补偿除所述参考发送通道以外的所有发射通道的相位差；
S1.9、判断所述无线电设备中所有发送通道之间的相位差以及接收通道之间的相位差是否在设定的阈值范围内，若是，则结束该无线电设备的校准，否则，返回至S1.3。
由于相位不可能百分百同步，因此，所有非参考发送通道和参考发送通道之间的相位差、非参考接收通道与参考接收通道之间的相位差在规定的阈值范围内即可，本发明的阈值为0.001°，即通过对上述相位校准算法的迭代计算，即在计算出一次相位差并旋转后，再次重复上述步骤，直到相位差稳定在一个阈值范围内，最后完成校准过程。
S2、将其中一个所述无线电设备作为master设备，除作为master设备的所有所述无线电设备作为slave设备，将所有slave设备的相位与所述master设备的相位同步。
具体步骤为：
S2.1、将多个所述无线电设备通过网络进行连接，并通过设备协商推举出一个无线电设备作为master设备，除该作为master设备以外的所有所述无线电设备作为slave设备；
S2.2、每个所述slave设备均将各自的其中一个接收通道的数据传送给所述master设备，所述master设备分别计算出与各slave设备的相位差，并将相位差对应返回给所述slave设备；
S2.3、所述slave设备在接收到相位差后，通过FPGA对接收通道进行旋转，补偿所述slave设备与master设备的相位差。
在这样的操作后，可以实现的不同温度情况下，任一发送通道或者任一接收通道（可以是设备间的发送通道的相位差）的相位差均可以达到0.5°以内。
实施例2还公开了一种软件无线电设备系统，如图1所示，包括若干通过实施例1的一种软件无线电设备相位同步校准方法进行相位同步校准的无线电设备以及网络，若干所述无线电设备通过网络进行通信连接。
通过GPS与驯服时钟的方式给设备提供同步参考时钟，不再需要统一的时钟分发模块给所有设备提供同步时钟，通过本发明内的校准算法，经过迭代校准，实现相位差低于0.5°的校准方法，通过本发明的自校准方法，不再需要外部提供校准信号，如果需要校准，只需要按照图1的连接方法连接系统，运行校准程序就可以自动校准完成。
以上所述的具体实施方式，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，以上所述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)
1.一种软件无线电设备相位同步校准方法，其特征在于，对多个通过网络连接的无线电设备进行相位同步校准，包括：
S1、分别对多个无线电设备进行设备内的相位同步校准，每个所述无线电设备包括多个发送通道和多个接收通道，每相位差个所述无线电设备在分别进行各自设备内的相位同步校准时，先通过其中一个发送通道对同一无线电设备的各个接收通道进行校准，再通过各个校准后的接收通道对同一无线电设备的相应的发送通道进行校准，使得所述无线电设备内的各个发送通道之间均相位同步，并且各个接收通道均相位同步；
S2、将其中一个所述无线电设备作为master设备，除作为master设备的所有所述无线电设备作为slave设备，将所有slave设备的相位与所述master设备的相位同步。
2.根据权利要求1所述的一种软件无线电设备相位同步校准方法，其特征在于，所述无线电设备包括GPS与驯服时钟模块以及与所述GPS与驯服时钟模块连接的无线采集单元；所述GPS与驯服时钟模块为所述无线采集单元提供相位一致的参考时钟信号clk，其中，所述无线采集单元包括同步时钟模块、FPGA、开关矩阵以及至少两个ADC模块，所述GPS与驯服时钟模块通过所述同步时钟模块分别与ADC模块和FPGA连接，每个所述ADC模块均与FPGA连接，且每个所述ADC模块的任一发送通道和任一接收通道均可以通过所述开关矩阵相互连接，不同所述无线电设备通过网络进行双向连接。
3.根据权利要求2所述的一种软件无线电设备相位同步校准方法，其特征在于，S1的具体步骤为：
S1.1、分别对若干个所述无线电设备上电；
S1.2、在每个所述无线电设备中，通过所述GPS与驯服时钟模块发送的参考时钟信号clk配置所述同步时钟模块产生devClk时钟信号并分别输出给所述ADC模块与FPGA，同时配置所述同步时钟模块产生的sysref信号的模式为脉冲模式；
S1.3、分别控制所述开关矩阵工作在校准模式，将其中一个ADC模块的发送通道作为参考发送通道与同一所述无线电设备中的所有的ADC模块的接收通道进行连接，除参考发送通道以外的所有发送通道均空接，与参考发送通道对应的接收通道为参考接收通道；
S1.4、通过所述参考发送通道发送一个单音信号，经过所述开关矩阵转发给同一所述无线电设备中的所有接收通道，所有所述接收通道在收到单音信号后，计算出所述参考接收通道与除该所述参考接收通道以外的所有接收通道的相位差；
S1.5、在计算出所述参考接收通道与除该所述参考接收通道以外的所有接收通道的相位差后，通过FPGA对除该所述参考接收通道以外的所有接收通道进行旋转，补偿除该所述参考接收通道以外的所有接收通道的相位差；
S1.6、控制所述开关矩阵，分别将每个所述无线电设备中的所有发射通道与所有所述接收通道进行设备内的一一对应连接；
S1.7、所有所述发射通道均发送相位相同的单音信号，经过所述开关矩阵转发给对应的所述接收通道，在所述接收通道收到单音信号后，计算出所述参考发送通道与除所述参考发送通道以外的所有发射通道的相位差；
S1.8、在计算出所述参考发送通道与除所述参考发送通道以外的所有发射通道的相位差后，通过FPGA对除所述参考发送通道以外的所有发射通道进行旋转，补偿除所述参考发送通道以外的所有发射通道的相位差；
S1.9、判断所述无线电设备中所有发送通道之间的相位差以及接收通道之间的相位差是否在设定的阈值范围内，若是，则结束该无线电设备的校准，否则，返回至S1.3。
4.根据权利要求1所述的一种软件无线电设备相位同步校准方法，其特征在于，S2的具体步骤为：
S2.1、将多个所述无线电设备通过网络进行连接，并通过设备协商推举出一个无线电设备作为master设备，除该作为master设备以外的所有所述无线电设备作为slave设备；
S2.2、每个所述slave设备均将各自的其中一个接收通道的数据传送给所述master设备，所述master设备分别计算出与各slave设备的相位差，并将相位差对应返回给所述slave设备；
S2.3、所述slave设备在接收到相位差后，通过FPGA对接收通道进行旋转，补偿所述slave设备与master设备的相位差。
5.根据权利要求3-4任一所述的一种软件无线电设备相位同步校准方法，其特征在于，所述相位差的具体表达式为：
；
其中，I1、I2分别为两路接收通道接收的信号的实部，Q1、Q2分别为两路接收通道接收的信号的虚部，θ为两路接收通道接收的信号的相位差。
6.根据权利要求1所述的一种软件无线电设备相位同步校准方法，其特征在于，所述网络为以太网。
7.根据权利要求5所述的一种软件无线电设备相位同步校准方法，其特征在于，计算相位差具体在所述无线电设备的FPGA中进行。
8.根据权利要求2所述的一种软件无线电设备相位同步校准方法，其特征在于，所述同步时钟模块符合JESD204B协议规范。
9.根据权利要求8所述的一种软件无线电设备相位同步校准方法，其特征在于，所述ADC模块输出给FPGA的信号为IQ信号。
10.一种软件无线电设备系统，其特征在于，包括若干通过权利要求1-9任一所述的一种软件无线电设备相位同步校准方法进行相位同步校准的无线电设备以及网络，若干所述无线电设备通过网络进行通信连接。
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