CN1553582A - 用于阵列接收机自动增益控制电路的校准装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于阵列接收机自动增益控制电路的校准装置及方法。本发明将天线阵列接收的信号经通道电路处理后分为两路，一路经过AGC电路、解调电路至增益校准装置，增益校准装置使用计算单元发来的校准权值，对各通道信号进行校准；另外一路信号被送入接收信号强度检测装置，接收信号强度检测装置输出的信号场强信号经过A/D变换后送入计算单元，在计算单元计算各AGC电路增益校准权值，并把该权值送入增益校准装置。本发明能够对阵列通道中各AGC电路引起的各通道增益不一致进行实时校准，而且不影响系统正常工作。各通道AGC电路校准时的信号功率检测，校准权值的计算以及对各通道信号校准都是用软件实现，且校准精度很高。本发明提供的方法能够对阵列的整个接收链路的增益一致性进行校准。

Description

用于阵列接收机自动增益控制电路的校准装置及方法

技术领域

本发明涉及一种实现对阵列接收机自动增益控制(AGC)电路进行校准的装置及方法。尤其是用于自适应阵列天线，智能天线，相控阵雷达，相控阵声纳等系统阵列接收机AGC电路的校准装置和校准方法。本发明所述的阵列接收机包括两个以及两个以上的无线信号接收电路以及各通道接收电路中的AGC电路。

背景技术

为了提高通信系统的通信性能，提高系统的容量，以及为了满足高速，大量数据传输的要求，很多公司，还有一些科研单位对智能天线，自适应天线技术进行应用研究，然而这些技术研究与应用大多会对阵列接收机各通道的接收电路(简称阵列通道)的幅度相位一致性提出要求。另外相控阵雷达，相控阵声纳等系统也要求阵列通道的幅度相位一致性。

在阵列接收机设计时，简单地把多个单通道接收电路组合起来显然是不能满足对阵列通道幅度相位一致性的要求。为了扩大接收信号的动态范围，通常采用的方法是在接收链路中使用AGC电路，各个接收机中的AGC电路根据本接收机接收到的信号强弱自动调节所接收的信号的增益。由于各个接收机中的AGC电路使用的器件特性不同以及各接收机接收到的信号功率不同，那么各AGC电路对信号附加的增益是不一致的，而且变化比较快。除了AGC电路以外，由于各通道接收电路使用的器件特性不同，也会引起阵列通道的增益不一致误差，一旦器件选定，这一部分增益误差一般只随环境变化而变化。

对于阵列信号处理来说各接收机的AGC电路引起的不一致增益，相当于对阵列信号进行了不希望的幅度加权，会降低阵列信号处理算法的性能，因此AGC电路引起的阵列通道增益的幅度不一致需要实时校准。我们知道AGC电路可以根据接收信号的功率大小自动调整增益，压缩信号的动态范围，因此接收机能够接收动态范围比较大的无线信号，并获得比较好的解调效果。如果我们在信号解调前校准信号的增益，会损失AGC电路的处理效果。

在智能天线，自适应天线，相控阵雷达等系统中阵列通道的幅度相位特性不一致误差是需要校准的，但是由于各个通道的AGC电路引起的阵列通道不一致是随信号功率变化而变化的，使用阵列通道校准算法无法校准AGC电路引起的阵列通道不一致，而且阵列通道中AGC电路引起的幅度不一致可能导致阵列通道校准失败。因此需要校准AGC电路引起的阵列通道幅度不一致。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于阵列接收机AGC电路的校准装置及方法，可用于智能天线，自适应天线，相控阵雷达，相控阵声纳等系统阵列接收机AGC电路所引起的阵列通道增益不一致进行校准，从而使阵列通道的一致性满足要求。

本发明是这样实现的：

阵列接收机自动增益控制电路的校准装置包括：增益校准装置10，接收信号强度检测装置20，计算单元30。还包括相应的通道电路，AGC电路，解调电路。

从天线阵列接收的信号经过通道电路的放大，滤波，混频处理后分为两路信号。其中一路信号被送入AGC电路，经过AGC电路自动增益处理后的信号再经过解调电路解调后送入增益校准装置10，增益校准装置10使用计算单元30发来的校准权值，对各通道信号进行校准。另外一路信号被送入接收信号强度检测装置20，其信号场强被接收信号强度检测装置20检测；被接收信号强度检测装置20检测出的场强信号(RSSI)经过A/D变换后送入计算单元30；在计算单元30计算各AGC电路增益校准权值，并把该权值送入增益校准装置10。

采用所述阵列接收机的自动增益控制电路校准装置的方法如下：

1  信号功率检测

信号功率检测包括如下几个步骤：

(1)测量接收信号场强指示(RSSI)随接收信号功率的变化关系；

(2)根据定点数据的存储位数，重新量化上述的测量结果，并存储在数据存储器中，用于信号功率检测时查表使用；

(3)对接收信号场强检测装置20输出的RSSI电压进行模/数转换；

(4)通过查表确定阵列中各个通道接收到的信号功率。

2  校准权值的计算

自动增益控制电路校准权值的计算包括如下几个步骤：

(1)从信号功率检测的第(4)步确定的各通道的信号功率值中选取最大的功率值作为参考功率。相应地根据校准权值的存储位数和AGC电路的增益调节范围确定一个参考校准权值；

(2)计算参考功率与各个通道接收到的信号功率之差；

(3)根据上述功率差计算各个通道的自动增益控制电路的校准权值。计算公式为：

20×log₁₀(W_ref)-20×log₁₀(W_n)＝P_ref-P_nn＝1，2，...

$W_n=W_n/G_n---n=\mathrm{1,2},\·\·\·$

3  截位位置的确定

增益校准装置10采用定点器件或逻辑器件实现时，需要对各个通道校准后的信号进行动态的统一的截位处理，目的是保证截位后的各通道信号的功率比例特性不变，并保证截位造成的信号失真在允许的范围之内。截位位置的确定步骤如下：

(1)根据允许接收的最大信号功率P_MAX，以及信号的A/D位数和成型滤波器系数的位数确定一个初始截位位置和数据保留位数，每个通道都相同；

(2)然后计算最大信号功率P_MAX与每个通道接收到的信号功率的差值；

(3)计算初始截位位置向右移动的位数，计算公式为：RMOV_n＝mod((P_max-P_n)，6) n＝1，2，...，初始截位位置根据计算结果向右移动后就是实际使用的截位位置，而数据保留位数在截位位置右移过程中保持不变。

4  校准执行

增益校准装置10接收计算单元30发来的校准权值和截位位置，执行通道信号校准和数据截取功能。具体实现步骤如下：

(1)设计接口模块，接收计算单元30发来的校准权值和截位位置信息，把各通道的信号的幅度G_nn＝1，2，...发送给计算单元30；

(2)设计延时缓冲模块，目的是使校准权值，截位信息与各通道信号同步；

(3)首先计算各通道的信号的幅度G_nn＝1，2，...，并保存，然后对各通道信号进行校准；

(4)对校准后的信号进行截位处理，最后从增益校准装置10输出校准后的信号。

本发明采用在信号解调后校准信号的增益，本发明所述用于阵列接收机的自动增益控制电路的校准装置及方法，能够对阵列通道中各AGC电路引起的各通道增益不一致进行实时校准，而且不影响系统正常工作。各通道AGC电路校准时的信号功率检测，校准权值的计算以及对各通道信号校准都是用软件实现，且校准精度很高。校准精度如本发明的实例所述，在采用8位校正权值和信号检测采集装置输出电压在8位量化的情况下，可以将通道增益的不一致性减小到±0.5db以内，而未采用本发明校准方式的阵列各通道增益不一致决定于各AGC电路的调节动态范围，并且是时变的。如果提高信号检测采集装置输出电压的A/D的量化位数以及校准权值的位数能够进一步提高校准精度。本发明提供的方法能够对阵列的整个接收链路的增益一致性进行校准。

附图说明

图1是阵列接收机的自动增益控制电路校准装置的结构示意图；

图2是阵列通道增益校准装置的实现示意图；

图3是接收信号强度检测装置的实现示意图；

图4是计算单元的实现示意图；

图5是RSSI随接收信号功率变化关系的自动化测量示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式：

一、信号功率检测

首先如图3所示，设计接收信号强度检测装置20，并把接收信号强度检测装置20与各个通道安装在一起。接收信号强度检测装置20包括这样几个部件：功分器，信号检波，放大器，RSSI测量接口21。各个部件的功能为：功分器的作用是把通道信号分为两路，一路用于场强检测，一路用于下变频，解调处理；信号检波是对功分后的信号进行场强检测；放大器用于放大检波器的输出信号；RSSI测量接口21提供一个测量RSSI电压的接口，可测量放大器的输出电压。

如图5所示，提供了RSSI随接收信号功率变化关系的自动化测量方法。首先用计算机43控制信号源44产生已知功率的信号，由控制开关45把该信号从基站40的天线口46输入1#通道，然后可按照递增方式(或递减方式)一步一步地调整信号源的输出功率，并纪录每次的信号功率值。计算机43每调节一次信号功率，控制开关41就把1#通道的RSSI测量接口21输出的信号输入功率计42，功率计42测量这个通道的接收信号场强指示(RSSI)输出电压，然后计算机43读取功率计42的测量结果，这样就制成1#通道的RSSI输出电压随接收信号功率变化的表格；同理可以制成n#通道的RSSI输出电压随接收信号功率变化的表格。当我们把所有通道对应的表格完成后，根据A/D芯片的参考电压和A/D芯片的量化位数，对各个通道的RSSI的测量结果进行量化处理，并把量化后的表格存储在计算单元30的ROM中，供以后查表使用。

在自动增益控制校准时，计算单元30中的A/D芯片对各个通道的RSSI输出电压进行模/数变换，CPU依次读取各个通道的RSSI电压A/D后的数字量，并在存储器中保存一时间段的数据，然后计算该时间段内的RSSI电压的平均值，并根据该平均值查表确定阵列中每个通道接收的信号功率，用P1，P2，......，Pn表示，单位dBm。

二、校准权值的计算

首先设计计算单元30，如图4所示，该装置包括这样几个部分：A/D转换，CPU(如单片机，DSP或其他微处理器)，数据存储器，程序存储器，逻辑器件，软件下载调试接口，通信接口，FPGA下载接口。并把计算单元30，接收信号强度检测装置20以及通道增益校准装置10相联接。计算单元30的功能是计算自动增益校准权值和计算截位位置。

计算单元30各组成部件的功能：A/D转换把RSSI电压模拟量转换为数字量；CPU执行校准权值和截位位置的计算，以及查表功能；数据存储器保存RSSI数据和校准权值等数据；程序存储器保存可执行程序和数据表格；逻辑器件执行CPU与外部器件的逻辑控制；软件下载调试接口提供了计算机与计算单元进行信息传递的接口，比如调试AGC校准软件，AGC校准软件下载以及通信等功能。

然后计算参考功率P_ref和参考校准权值W_ref。参考功率P_ref计算方法是P_ref＝max{P₁P₂...P_n}。参考校准权值W_ref的选取方法是这样的，如果我们使用的是定点处理器，校准权值用8位无符号表示，因为参考功率是各通道接收信号功率中最大的，因此参考校准权值W_ref可以等于255。事实上参考校准权值的选取只要满足

20×log₁₀(W_max)-20×log₁₀(W_min)＝P_max-P_min

W_max＝W_ref＝max{W₁W₂...W_n}

W_min＝min{W₁W₂...W_n}

P_max＝P_ref＝max{P₁P₂...P_n}

P_min＝min{P₁P₂...P_n}的要求就可以了，并不是一定要等于255，这里只是列举了一个实例而已。校准权值用8位无符号表示时，能满足的信号动态范围是48dB，如果信号动态范围(P_max-P_min)＞48dB，那么我们要适当提高校准权值的位数，如果信号动态范围(P_max-P_min)＜48dB，那么我们要适当减少校准权值的位数。

最后根据下面这些表达式计算各个通道的自动增益校准权值W₁，W₂，...，W_n

20×log₁₀(W_ref)-20×log₁₀(W₁)＝P_ref-P₁

20×log₁₀(W_ref)-20×log₁₀(W₂)＝P_ref-P₂

 ......                        ......

20×log₁₀(W_ref)-20×log₁₀(W_n)＝P_ref-P_n

如果计算单元30中的CPU选用定点处理器，那么用上面的算式计算各个通道的校准权值是比较困难的，因此可以采用查表的方法确定各个通道的校准权值，这种方法比较容易实现，下面是用查表法确定各个通道的校准权值的一个具体实例。

首先设计一个校准权值表格，相邻校准权值之间满足这样的要求：

20×log₁₀(W_m)-20×log₁₀(W_m-1)＝0.5dB(m＞1)

如果参考校准权值W_ref等于255，那么根据表达式

20×log₁₀(W_ref)-20×log₁₀(W_m)＝m×0.5dB(m≥0)

可以计算出校准权值的表格，参见表1。该表格适用于校准权值W_ref等于255，相邻校准权值之间的增益相差等于0.5dB，最大调节增益为20dB的一个特例，技术工程师可以根据本发明提供的步骤和方法，建立一个适用于另外一个特例的表格，但是并没有脱离本发明的实质。

表1  校准权值的表格参见

m	增益差	权值Wm	m	增益差	权值Wm	m	增益差	权值Wm	m	增益差	权值Wm
												0	0	255	11	5.5	135	22	11	72	33	16.5	38
1	0.5	241	12	6	128	23	11.5	68	34	17	36
												2	1.0	227	13	6.5	121	24	12	64	35	17.5	34
3	1.5	215	14	7	114	25	12.5	60	36	18	32
												4	2.0	203	15	7.5	108	26	13	57	37	18.5	30
5	2.5	191	16	8	102	27	13.5	54	38	19	29
												6	3.0	181	17	8.5	96	28	14	51	39	19.5	27
7	3.5	170	18	9	90	29	14.5	48	40	20	25
												8	4.0	161	19	9.5	85	30	15	45
9	4.5	152	20	10	81	31	15.5	43

10

5

143

21

10.5

76

32

16

40

然后计算各个通道接收功率与参考功率的差：ERR₁＝P_ref-P₁，ERR₂＝P_ref-P₂，......，ERR_n＝P_ref-P_n，ERR_n对应表1中的增益差，进行查表，这样可以获得每个通道的自动增益校准权值。

上面计算的校准权值仅仅是对AGC电路的增益进行了校准，为了能够对阵列的整个接受链路的增益的一致性性进行校准，那么上述的校准权值还进行如下处理：首先读取通道增益校准装置10计算的各通道信号的幅度值G_n；然后计算： $W_n=W_n/G_n---n=\mathrm{1,2},\·\·\·.$

三、截位位置的确定

通道增益校准装置10一般可用定点微处理器或用FPGA实现，因此涉及到校准后各个通道数据截位问题。截位位置的计算在计算单元30中完成。截位方法是这样的，首先在通道增益校准装置10中设定一个初始截位位置和数据保留位数，每个通道都相同。初始截位位置和保留位数是根据信号的位数和成型滤波器系数的位数确定的，对应这个初始的截位方法，在软件中设定一个最大功率值P_MAX，可设定为接收机能够容忍的较大功率；或者P_MAX＝P_ref。根据下面的表达式的计算结果，向右移动初始截位位置，数据保留的位数不变。

RMOV₁＝mod((P_max-P₁)，6)

RMOV₂＝mod((P_max-P₂)，6)

......    ......

RMOV_n＝mod((P_max-P_n)，6)

式中mod(P_max-P_n)，6)表示(P_max-P_n)的差除以6的商再取整。

最后把用查表法(或者是直接计算)得到的各个通道的增益校准权值和截位右移位置发送给通道增益校准装置10进行校准，以及对校准后的各个通道数据进行截位等处理。

四、校准执行

首先设计通道增益校准装置10，可以在FPGA内部实现或用微处理器实现，该装置由这样几个部件组成：接口模块，通道增益校准模块，截位模块，延时缓冲模块。各组成部分的功能：接口模块是通道增益校准装置10与计算单元30的数据接口；通道增益校准模块执行通道校准权值与通道数据相乘；截位模块是对校准后的数据进行截位处理；延时缓冲模块的作用是缓存一个时间段内的各个通道的数据，使校准权值以及截位信息与通道数据同步。

校准执行的过程：

(1)通道增益校准装置10接收各通道成形滤波器输出的数据，并放入缓冲模块；

(2)计算各缓冲模块中信号幅度的平均值，并保存，供接口模块调用。假设缓冲模块中存储了N个采样的数据，那么各通道的信号幅度的平均值为： $G_n=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{I^2\left(i\right)+Q^2\left(i\right)}---n=\mathrm{1,2},\·\·\·;$

(3)读取各通道的校准权值和截位位置信息，然后把校准权值与相应的通道信号相乘。

(4)根据截位位置信息对校准后的信号进行截位处理，最后从增益校准装置10输出校准后的信号。

Claims (7)

1.一种用于阵列接收机自动增益控制电路的校准装置，包括至少两个通道电路、至少两个AGC电路、至少两个解调电路，其特征在于：所述装置还包括：

接收信号强度检测装置，增益校准装置，计算单元，

从天线阵列接收的信号经过通道电路的放大、滤波、混频处理后，分为两路信号，一路被送入AGC电路，经过AGC电路自动增益处理后的信号，再经过解调电路解调后，送入增益校准装置，增益校准装置使用计算单元发来的校准权值，对各通道信号进行校准，

另外一路送入接收信号强度检测装置，其信号场强被接收信号强度检测装置检测；被接收信号强度检测装置检测出的场强信号(RSSI)经过A/D变换后，送入计算单元；在计算单元计算各AGC电路增益校准权值，并把该权值送入增益校准装置。

2.如权利要求1所述用于阵列接收机自动增益控制电路的校准装置，其特征在于：所述接收信号强度检测装置包括：

至少两个功分器，将通道信号分为两路，一路用于场强检测，一路用于下变频，解调处理；

至少两个信号检波，信号检波是对功分后的信号进行场强检测；

至少两个放大器，放大器用于放大检波器的输出信号；

至少两个RSSI测量接口，提供一个测量RSSI电压的接口，可测量放大器的输出电压。

3.如权利要求1所述用于阵列接收机自动增益控制电路的校准装置，其特征在于：所述增益校准装置可由FPGA或微处理器实现，该装置包括：

一个接口模块，用于通道增益校准装置与计算单元的数据接口；

至少两个通道增益校准模块，用于执行通道校准权值与通道数据相乘；

至少两个截位模块，用于对校准后的数据进行截位处理；

至少两个延时缓冲模块，用于缓存一个时间段内的各个通道的数据，使校准权值以及截位信息与通道数据同步。

4.如权利要求1所述用于阵列接收机自动增益控制电路的校准装置，其特征在于：所述用于计算自动增益校准权值和计算截位位置的计算单元包括：

至少两个A/D转换，用于将RSSI电压模拟量转换为数字量；

一个CPU，采用单片机、或DSP、或定点微处理器，用于执行校准权值和截位位置的计算，以及查表；

一个数据存储器，用于保存RSSI数据和校准权值等数据；

一个程序存储器，用于程序存储器保存可执行程序和数据表格；

一个逻辑器件，用于执行CPU与外部器件的逻辑控制；

一个软件下载调试接口包括软件下载调试以及通信接口、FPGA下载接口，提供计算机与计算单元进行信息传递的接口，用于调试AGC校准软件，AGC校准软件下载以及通信。

5.一种用于阵列接收机自动增益控制电路的校准方法，包括如下步骤：

一、信号功率检测，进一步包括如下步骤：

(1)测量接收信号场强指示(RSSI)随接收信号功率的变化关系；

(2)根据定点数据的存储位数，重新量化上述的测量结果，并存储在数据存储器中，用于信号功率检测时查表使用；

(3)对接收信号场强检测装置输出的RSSI电压进行模/数转换；

(4)通过查表确定阵列中各个通道接收到的信号功率；

二、校准权值的计算，进一步包括如下步骤：

(1)从信号功率检测的第4步骤确定的各通道信号功率值中选取最大的功率值作为参考功率，相应地根据校准权值的存储位数和AGC电路的增益调节范围确定一个参考校准权值；

(2)计算参考功率与各个通道接收到的信号功率之差；

(3)根据上述功率差计算各个通道的自动增益控制电路的校准权值，计算公式为：

20×log₁₀(W_ref)-20×log₁₀(W_n)＝P_ref-P_n    n＝1，2，…

$W_n=W_n/G_n---n=\mathrm{1,2},\·\·\·$

三、截位位置的确定，增益校准装置采用定点器件或逻辑器件实现时，需要对各个通道校准后的信号进行动态的统一的截位处理，进一步包括如下步骤：

(1)根据允许接收的最大信号功率P_MAX，以及信号的A/D位数和成型滤波器系数的位数确定一个初始截位位置和数据保留位数，每个通道都相同；

(2)然后计算最大信号功率P_MAX与每个通道接收到的信号功率的差值；

(3)计算初始截位位置向右移动的位数，计算公式为：

RMOV_n＝mod((P_max-P_n)，6)  n＝1，2，…，初始截位位置根据计算结果向右移动后就是实际使用的截位位置，而数据保留位数在截位位置右移过程中保持不变；

四、校准执行，增益校准装置接收计算单元发来的校准权值和截位位置，执行通道信号校准和数据截取，进一步包括如下步骤：

(1)通过接口模块，接收计算单元发来的校准权值和截位位置信息；

(2)通过延时缓冲模块，使校准权值，截位信息与各通道信号同步；

(3)首先计算各通道信号的幅度值G_n  n＝1，2，…，然后对各通道信号进行校准；

(4)对校准后的信号进行截位处理，最后从增益校准装置输出校准后的信号。

6.如权利要求5所述用于阵列接收机自动增益控制电路的校准方法，其特征在于：所述信号功率检测中第(1)步骤，进一步还包括：

首先用计算机控制信号源产生已知功率的信号，通过控制开关将该信号从基站的天线口输入一路通道；

然后按照递增方式，或递减方式，调整信号源的输出功率，并纪录每次的信号功率值；

计算机每调节一次信号功率，控制开关就将该通道的RSSI测量接口输出的信号输入功率计，功率计测量该通道的接收信号场强指示(RSSI)输出电压；

然后计算机读取功率计的测量结果，这样就制成该通道的RSSI输出电压随接收信号功率变化的表格；

重复上述可制成n个通道的RSSI输出电压随接收信号功率变化的表格。

7.如权利要求5所述用于阵列接收机自动增益控制电路的校准方法，其特征在于：所述信号功率检测中第(2)步骤，进一步还包括：

所有通道对应的表格完成后，根据A/D芯片的参考电压和A/D芯片的量化位数，对各个通道的RSSI的测量结果进行量化处理，并把量化后的表格存储在计算单元的ROM中，供以后查表使用。

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