CN1298178C - 多载波自动增益校准装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动通讯系统中的多载波自动增益校准方法，包括：1.测量每个载波输入的基带信号的功率；2.对基带信号进行增益校准，将I路和Q路基带信号数据分别乘以增益校准值D_k；3.对校准后的基带信号进行处理，转换成射频信号从天线发射出去；4.对发射端每个载波的输出信号功率分别进行检测；5.根据公式ΔG_k＝G-(P_outk-P_ink)及公式ΔD_k＝10^(ΔGk/20)计算下一循环中的线性增益校准值D_k。本发明克服现有技术不能适应第三代移动通讯系统多载波发射机增益不平坦以及导致校准精度低、无法真正达到校准目的等缺陷，实现了实时自动校准第三代移动通讯系统各载波增益的目的。

Description

多载波自动增益校准装置和方法

技术领域

本发明涉及移动通讯领域，尤其涉及第三代多载波移动通讯系统的发射机自动增益校准系统。

背景技术

第三代移动通讯系统(3G，Third Generation MobileCommunication System)基站的下行发射部分包括基带单元和发射单元，其中发射单元主要完成调制、数字上变频、多载波合路、D/A转换、模拟上变频、线性功率放大、滤波、以及功率检测等功能。为了节省成本，系统在发射中频部分将多个载波信号合路，之后对这多个载波信号同时处理，最后通过天线发射出去。根据第三代移动通讯系统对基站的要求，发射功率需在额定功率的±2dB以内，但由于发射覆盖的工作频段比较宽，如WCDMA系统带宽为60MHz，而且发射通路中包含发射板、线性功放、双工滤波器等射频单元，无法保证各级电路级联整合后增益在工作频段内仍保持一致，此外，射频电路受温度、器件老化等因素的影响，增益也会有波动，最终的输出功率以及平坦度很难达到要求。

目前常用的发射增益校准方法为：测量系统的发射总功率，以此为参照值建立一个控制信号对可变增益放大器的增益进行控制，从而达到控制发射增益的目的。美国夸尔柯姆股份有限公司申请的第99812978.X号专利公布了一种“利用宽带功率测量对单独窄带信道进行增益控制的系统和方法”就采用了这一处理手段，图1是现有技术中利用可变增益放大器进行增益控制的系统原理图，该增益控制系统对各个载波的功率分别通过功率估计器进行估计，并利用估计求和器对各载波功率进行求和得到估计功率值，对总的发射功率通过宽带功率计进行测量得到测量功率值，比较估计功率值和测量功率值，产生误差信号，以此误差信号作为依据对可变增益放大器的增益进行控制。但第三代移动通信系统的宽带多载波信号中每个载波的实际通道增益很难保持一致，相应地，要求各载波增益的控制量不同，因此，现有技术中对发射增益进行控制的装置缺陷在于，使用同一个控制信号对多个载波增益进行控制，不能适应第三代移动通信系统多载波发射机增益不平坦的特点，导致校准精度低，无法真正达到校准的目的。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的多载波增益控制系统使用同一个控制信号对多个载波增益进行控制，不能适应第三代移动通讯系统多载波发射机增益不平坦的特点，导致校准精度低，无法真正达到校准的目的缺点，以提供一种多载波自动增益校准方法，实现实时自动校准系统各载波增益的目的。

本发明的核心思想是分别检测每载波基带信号的功率，并和已检测到的每载波基带信号输出功率求差得到每载波的通道增益，与额定增益相比较，采用在上变频之前对每个载波的增益偏差分别进行补偿的每载波分别检测分别校准法，达到实时自动校准各载波增益的目的。

为实现上述目的，本发明提出了一种多载波自动增益校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，测量每个载波输入的基带信号的功率，该步骤进一步包括以下步骤：

步骤1，首先分别检测每个载波输入的基带信号的电压，根据公式 $D_{\mathrm{rmsk}}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^N(I_n^2+Q_n^2)}{N}}$ 计算一段时间内第k个载波的基带信号的电压值的均方根D_rmsk，其中，I_n和Q_n表示t_n时刻基带信号I路和Q路数据，n＝1，2，3......N，N为该段时间内参加计算的数据的个数；

步骤2，根据公式P_ink＝201gD_rmsk-101g50将基带信号电压均方根值D_rmsk转化为功率值P_ink；

第二步，对基带信号进行增益校准，将I路和Q路基带信号数据分别乘以线性增益校准值ΔΔD_k；

第三步，对校准后的基带信号进行处理，转换成射频信号从天线发射出去，该步骤又进一步包括以下步骤：

步骤1，对每个载波的基带信号进行调制；

步骤2，对每个载波调制后的基带信号进行数字上变频并将多载波信号合路；

步骤3，对合路后的基带信号进行D/A变换，输出模拟信号；

步骤4，对每个载波的基带信号进行模拟上变频，使得信号承载在发射频率上；

步骤5，对步骤4得到的信号进行放大；

步骤6，对步骤5得到的信号进行滤波，以抑制工作频率范围之外的杂散；

步骤7，将步骤6得到的信号通过天线发射出去；

第四步，对发射端每个载波的输出信号功率分别进行检测，该步骤进一步包以下步骤：

步骤1，对待检的射频信号进行下变频；

步骤2，对变频后的中频信号进行模数转换和量化；

步骤3，根据公式 $P_{\mathrm{outk}}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\Σ}}_{m=1}^M{P_m}^2}{M}}$ 计算量化后的数据对应的功率值，其中P_outk为第k个载波的输出功率，M为某段时间内的采样点数，P_m为第m个采样点的功率值；

第五步，根据公式ΔG_k＝G-(P_outk-P_ink)及公式ΔD_k＝10^(ΔGk/20)计算下一循环中的线性增益校准值ΔD_k。

本发明还提出了一种多载波自动增益校准装置，包括通道处理模块、输出功率检测模块和CPU计算模块，其特征在于，还包括可编程逻辑阵列(FPGA，Field Programmable Gate Array)检测校准模块，所述FPGA检测校准模块首先接收基带信号并将测量到的基带信号电压值转换成功率P_ink，再将基带信号与每载波需要补偿的增益值ΔD_k相乘，从而调整发射通路增益，使通路增益维持在目标增益G，结果输出至所述通道处理模块，所述通道处理模块将校准后的基带信号转换成射频信号从天线发射出去，所述输出功率检测模块检测所述通道处理模块输出的功率值P_outk，结果输入所述CPU计算模块，所述CPU计算模块根据所述FPGA检测校准模块中检测到的基带信号功率P_ink、所述输出功率检测模块检测到的输出功率P_outk、以及确定的目标增益G，计算需要补偿的增益值并且换算成对应的线性数值ΔD_k输入所述FPGA检测校准模块，对多载波进行自动增益校准。

本发明所述的多载波自动增益校准装置及方法克服了现有技术中存在的多载波增益控制系统使用同一个控制信号对多个载波增益进行控制，不能适应第三代移动通讯系统多载波发射机增益不平坦的特点，以及导致校准精度低、无法真正达到校准目的等缺陷，采用对每个载波的增益偏差分别进行补偿的每载波分别检测分别校准法，实现了实时自动校准第三代移动通讯系统各载波增益的目的。

附图说明

图1是现有技术中利用可变增益放大器进行增益控制的系统原理图。

图2是本发明所述的多载波自动增益校准方法流程图。

图3是本发明所述的多载波自动增益校准装置结构图。

图4是FPGA工作原理图。

图5是CPU计算模块的工作流程图。

具体实施方式

图1是现有技术中利用可变增益放大器进行增益控制的系统原理图。发射功率控制环路通过控制施加到信号上的增益而控制发射信号的功率，发射功率跟踪环路用来测量功率、接收功率调制命令并调整功率，通过比较每一窄带信号的估计功率的和与检测到的调制宽带信号的功率之间的误差而实现增益控制。通过接收开环命令而执行开环控制。

图2是本发明所述的多载波自动增益校准方法原理图。本发明所述多载波自动增益校准方法包括以下步骤：

第一步，测量每个载波输入的基带信号的功率，该步骤进一步包括以下步骤：

步骤1，首先分别检测每个载波输入的基带信号的电压，根据公式 $D_{\mathrm{rmsk}}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^N(I_n^2+Q_n^2)}{N}}$ 计算一段时间内第k个载波的基带信号的电压值的均方根D_rmsk，其中，I_n和Q_n表示t_n时刻基带信号I路和Q路数据，n＝1，2，3......N，N为该段时间内参加计算的数据的个数，该步骤采用的是均方根(RMS，Root Mean Square)检波方式；

步骤2，根据公式P_ink＝201gD_rmsk-101g50将基带信号电压均方根值D_rmsk转化为功率值P_ink；

第二步，对基带信号进行增益校准，将I路和Q路基带信号分别乘以增益校准值ΔD_k，在增益校准的第一个循环中，ΔD_k＝1，以后的循环中ΔD_k值在第五步中根据公式ΔG_k＝G-(P_outk-P_ink)确定；

第三步，对校准后的基带信号进行处理，转换成射频信号经天线发射出去，该步骤又进一步包括以下步骤：

步骤1，对每个载波的基带信号进行调制；

步骤2，对每个载波调制后的基带信号进行数字上变频并将多载

波信号合路；

步骤3，对合路后的基带信号进行D/A变换，输出模拟信号；

步骤4，对每个载波的基带信号进行模拟上变频，使得信号承载

在发射频率上；

步骤5，对每个载波的信号进行放大；

步骤6，对每个载波的信号进行滤波，以抑制工作频率范围之外的杂散；

步骤7，将射频信号通过天线发射出去；

第四步，对发射端每个载波的输出信号功率分别进行检测，该步骤进一步包以下步骤：

步骤1，对待检的射频信号进行下变频变换；

步骤2，对变频后的中频信号进行模数转换和量化；

步骤3，根据公式 $P_{\mathrm{outk}}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\Σ}}_{m=1}^M{P_m}^2}{M}}$ 计算量化后基带信号的功率值，其中P_outk为载波k的输出功率，M为某段时间内的采样点数，P_m为第m个采样点的功率值；

第五步，根据公式ΔG_k＝G-(P_outk-P_ink)及公式ΔD_k＝10^(ΔGk/20)

计算下一循环中的线性增益校准值ΔD_k。

图3是本发明所述的多载波自动增益校准装置结构图。本发明所述的多载波自动增益校准装置包括通道处理模块2、输出功率检测模块3，其特征在于，还包括FPGA检测校准模块1、CPU计算模块4，所述FPGA检测校准模块1首先接收基带信号并将测量到的基带信号电压值并转换成功率P_ink，再将基带信号与每载波需要补偿的增益值ΔD_k相乘，从而调整发射通路增益，使通路增益维持在目标增益G，结果输出至所述通道处理模块2，所述通道处理模块2将校准后的基带信号转换成射频信号从天线发射出去，所述输出功率检测模块3检测所述通道处理模块2输出的功率值P_outk，输入所述CPU计算模块4，所述CPU计算模块4根据所述FPGA检测校准模块1中检测到的基带信号功率P_ink、所述输出功率检测模块3检测到的输出功率P_outk以及确定的目标增益G，计算需要补偿的增益值并且换算成对应的线性数值ΔD_k输入所述FPGA检测校准模块1，对多载波进行自动增益校准。其中，所述通道处理模块2包括调制器5、数字上变频器6、合路器7、D/A转换器8、模拟上变频器9、放大器10、滤波器11和天线12，所述调制器5对每个载波的基带信号进行四进制相移键控(QPSK，QuadriPhase Shift Keying)调制输入所述数字上变频器6，所述数字上变频器6对每个载波调制后的基带信号进行数字上变频后输出所述合路器7，所述合路器7将合路后的多载波基带信号输入所述D/A转换器8，所述D/A转换器8对信号进行数模变换，输出模拟信号至所述模拟上变频器9，由所述模拟上变频器9对信号进行模拟上变频，使得信号承载在发射频率上，之后，由所述放大器10对信号进行线性放大，由所述滤波器11对信号进行滤波，以抑制工作频率范围之外的杂散，最后，所述天线12将信号发射出去。所述输出功率检测模块采用RMS检波方式，检测频率通常为每100ms检测一次。在WCDMA系统中，根据WCDMA相关标准的要求，需要100ms检测一次，在其他系统中，则需要1s检测一次。

图4是FPGA工作原理图。FPGA检测校准模块的工作流程为：FPGA检测校准模块读取每个载波的基带信号，检测每个载波基带信号的电压并根据公式 $D_{\mathrm{rmsk}}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^N(I_n^2+Q_n^2)}{N}}$ 计算一段时间内第k个载波的基带信号的电压值的均方根D_rmsk，其中，I_n和Q_n分别表示t_n时刻基带信号I路和Q路数据，n＝1，2，3......N，N为该段时间内参加计算的数据的个数，在此N取2048(该数值是使计算时间尽量少和计算精度尽量大之间的折中考虑，不同情况下可以根据具体需求进行取值)，即计算2048个码片时间内基带I、Q两路信号的均方根值，基带信号用16位数表示信号码片速率(对于WCDMA的基带信号，以码片为单位，每秒钟一共有3.84M个码片)为3.84MHz；再根据公式P_ink＝201gD_rmsk-101g50将基带信号电压均方根值D_rmsk转化为功率值P_ink，并将检测得到的功率值P_ink通过读写逻辑输入CPU计算模块备用，同时从CPU计算模块寄存器中读取增益校准值ΔD_k，将基带信号的I路和Q路数据分别与增益校准值ΔD_k相乘，结果输出至通道处理模块2，在校准的第一个循环中CPU还未给出ΔD_k值，令ΔD₁＝1，以后的循环中的ΔD_k值根据前一个循环的输入输出功率检测值计算得出，增益校准的频率不易太高以避免功率振荡，可选择每1s进行一次。

图5是CPU计算模块的工作流程图，包括以下步骤：

第一步，打开增益控制开关；

第二步，从FPGA检测校准模块1中读入每个载波基带信号的功率值P_ink；

第三步，从输出功率检测模块3中读入输出功率值P_outk；

第四步，利用输入功率值P_ink和输出功率值P_outk以及额定增益值G根据公式ΔG_k＝G-(P_outk-P_ink)计算增益校准值ΔG_k，为了避免控制系统产生振荡，校准时先采用大步进逼近方式，当增益差值达到一定门限后采用微小步进，门限(增益差值G-(P_outk-P_ink)＝G-G_0k)的确定方法为：设当前增益值为G_0k＝P_outk-P_ink，当G-G_0k＜-0.79dB时，采用大步进逼近方式，其中，ΔG_k＝-0.79；当G-G_0k＞0.79dB时，采用大步进(当G-G_0k＞0.79dB时，ΔG_k＝0.79，大步进表示如果增益差值的绝对值超过0.79dB，就直接补偿0.79dB或-0.79dB)逼近方式，其中ΔG_k＝0.79；当-0.79＜G-G_0k＜0.79dB时，可以一次完成校准，则采用微小步进(当-0.79＜G-G_0k＜0.79dB时，ΔG_k＝G-G_0k，微小步进的意思就是如果增益差值的绝对值不超过0.79dB，就按公式补偿，差多少就补偿多少)，直接根据公式ΔG_k＝G-G_0k计算ΔG_k。上述的0.79是根据反复试验确定的，而非计算出来的，一般情况下系统在G-0.79到G+0.79这个范围内一定是稳定的，如果超过这个范围，则可能会发生溢出或者计算精度无法保证。，其中包括各级放大器、滤波器、混频器等带来的增益或衰减。为了便于FPGA检测校准模块1计算，根据公式ΔD_k＝10^(ΔGk/20)将对数形式的ΔG_k转换为相应的线性增益值ΔD_k，然后将计算得到的增益校准值ΔD_k输入FPGA检测校准模块1的寄存器，以供FPGA检测校准模块1进行校准。

Claims (7)

1.一种多载波自动增益校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，测量每个载波输入的基带信号的功率；

第二步，对基带信号进行增益校准，将I路和Q路基带信号数据分别乘以线形增益校准值ΔD_k，线形增益校准值ΔD_k在第一个校准循环中取值为ΔD_k＝1，以后的循环中ΔD_k值根据步骤五确定；

第三步，对校准后的基带信号进行处理，转换成射频信号从天线发射出去；

第四步，对发射端每个载波的输出信号功率分别进行检测；

第五步，根据公式ΔG_k＝G-(P_outk-P_ink)及公式 ${\mathrm{\ΔD}}_k={10}^{({\mathrm{\ΔG}}_k/20)}$ 计算下一循环中的线性增益校准值ΔD_k，其中ΔG_k为对数增益值，G为理论增益值，P_outk为射频输出功率，P_ink为基带信号功率，ΔD_k为增益差值的线形值。

2.根据权利要求1所述的多载波自动增益校准方法，其特征在于，所述第一步进一步包括以下步骤：

步骤1，分别检测每个载波输入的基带信号的电压，根据公式 $D_{\mathrm{rmsk}}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^N(I_n^2+Q_n^2)}{N}}$ 计算一段时间内第k个载波的基带信号的电压值的均方根D_rmsk，其中，I_n和Q_n表示t_n时刻基带信号I路和Q路数据，n＝1，2，3......N，N为该段时间内参加计算的数据的个数；

步骤2，根据公式P_ink＝201gD_rmsk-101g50将基带信号电压均方根值D_rmsk转化为功率值P_ink。

3.根据权利要求2所述的多载波自动增益校准方法，其特征在于，所述步骤1中参加计算的数据个数N取2048，基带信号用16位数表示，码片速率为3.84MHz。

4.根据权利要求1所述的多载波自动增益校准方法，其特征在于，所述第三步进一步包括以下步骤：

步骤1，对每个载波的基带信号进行调制；

步骤2，对每个载波调制后的基带信号进行数字上变频并将多载波信号合路；

步骤3，对合路后的基带信号进行D/A变换，输出模拟信号；

步骤4，对每个载波的基带信号进行模拟上变频，使得信号承载在发射频率上；

步骤5，对步骤4中得到的信号进行放大；

步骤6，对步骤5中得到的信号进行滤波，以抑制工作频率范围之外的杂散；

步骤7，将步骤6得到的射频信号通过天线发射出去。

5.根据权利要求1所述的多载波自动增益校准方法，其特征在于，所述第四步进一步包括以下步骤：

步骤1，对待检的射频信号进行下变频；

步骤2，对变频后的中频信号进行模数量化；

步骤3，根据公式 $P_{\mathrm{outk}}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\Σ}}_{m=1}^M{P_m}^2}{M}}$ 计算量化后的数据对应的功率值，其中P_outk为第k个载波的输出功率，M为某段时间内的采样点数，P_m为第m个采样点的功率值。

6.一种多载波自动增益校准装置，包括通道处理模块(2)、输出功率检测模块(3)、CPU计算模块(4)，其特征在于，还包括FPGA检测校准模块(1)；

所述FPGA检测校准模块(1)首先接收基带信号并将测量到的基带信号电压值转换成功率P_ink，再将基带信号与需要补偿的增益值ΔD_k相乘，初次增益值为1，从而调整发射通路增益，使通路增益维持在目标增益G，结果输出至所述通道处理模块(2)，所述通道处理模块(2)将校准后的基带信号转换成射频信号从天线发射出去，所述输出功率检测模块(3)检测所述通道处理模块(2)输出的功率值P_outk，结果输入所述CPU计算模块(4)，所述CPU计算模块(4)根据所述FPGA检测校准模块(1)中检测到的基带信号功率P_ink、所述输出功率检测模块(3)检测到的输出功率P_outk、以及确定的目标增益G，计算需要补偿的增益值并且换算成对应的线性数值ΔD_k输入所述FPGA检测校准模块(1)，对多载波进行自动增益校准。

7.根据权利要求6所述的多载波自动增益校准装置，其特征在于，所述通道处理模块(2)包括调制器(5)、数字上变频器(6)、合路器(7)、D/A转换器(8)、模拟上变频器(9)、放大器(10)、滤波器(11)和天线(12)，所述调制器(5)对每个载波的基带信号进行四进制相移键控调制输入所述数字上变频器(6)，所述数字上变频器(6)对调制后的每载波基带信号进行数字上变频后输出所述合路器(7)，所述合路器(7)将合路后的多载波基带信号输入所述D/A转换器(8)，所述D/A转换器(8)对信号进行数模变换，输出模拟信号至所述模拟上变频器(9)，由所述模拟上变频器(9)对信号进行模拟上变频，使得信号承载在发射频率上，再由所述放大器(10)对模拟上变频器(9)的信号进行线性放大，然后输入滤波器，由所述滤波器(11)对信号进行滤波，以抑制工作频率范围之外的杂散，并通过天线(12)将信号发射出去。

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