DE10308279B4

DE10308279B4 - Interferenzaufhebung in einem Antennentest

Info

Publication number: DE10308279B4
Application number: DE10308279A
Authority: DE
Inventors: Xiaofen West Linn Chen; Soraya J. Beaverton Matos
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 2002-03-06
Filing date: 2003-02-26
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2023-02-27
Also published as: CN1282878C; US6542112B1; JP3563736B2; CN1442699A; JP2003344470A; DE10308279A1

Abstract

Verfahren zum Vermessen einer Antenne (20) mithilfe eines Antennentesters (10), mit den Schritten:
– Erfassen eines ersten Signalvektors (V_sigInt) an der Antenne (20) zu einem ersten Zeitpunkt (n1), während die Antenne (20) durch eine Signalquelle (12) des Antennentesters (10) angeregt wird,
– Erfassen eines zweiten Signalvektors (V_int2) an der Antenne (20) zu einem zweiten Zeitpunkt (n2), während die Signalquelle (12) des Antennentesters (10) deaktiviert ist, so dass der zweite Signalvektor (V_int2) nur durch externe Störungen hervorgerufen wird,
– Ableiten eines Vektors (V_int1) aus dem zweiten Signalvektor (V_int2), wobei der abgeleitete Vektor (V_int1) dem ersten Zeitpunkt (n1) zugeordnet ist,
– Subtrahieren des abgeleiteten Vektors (V_int1) von dem ersten Signalvektor (V_sigint) zum Berechnen eines elektrische Eigenschaften der Antenne (20) kennzeichnenden Vektors (V_sig).

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Netzwerkanalysatoren und insbesondere ein Verfahren zum Aufheben von Störungseffekten an Meßergebnissen von Antennensystemen.
Störungen existieren häufig in Antennensystemen. In einer typischen Kommunikationsumgebung können beispielsweise mehrere Basisstationen innerhalb eines Dienstbereichs vorhanden sein, so daß Energie von einer Basisstation von der Antenne von einer anderen aufgenommen werden kann, was verwirrende Ergebnisse verursacht, wenn Messungen an einer speziellen interessierenden Antenne durchgeführt werden. Diese Form der Störung wird auch Interferenz genannt.
Eine andere Form der Störung wird durch Systemfehler in den für die Vermessung von Antennen verwendeten Netzwerkanalysatoren hervorgerufen. In der Druckschrift DE 4313705 A1 wird ein Verfahren beschrieben, mit dem solche Systemfehler durch eine Kalibrierung des Netzwerkanalysators kompensiert werden können. Dabei werden Messobjekte mit bekannten Übertragungsverhalten an den Netzwerkanalysator angeschlossen. Aus der Abweichung zwischen den tatsächlich gemessenen Messwerten und den für einen idealen Netzwerkanalysator zu erwartenden Messwerten kann dann auf die Systemfehler rückgeschlossen werden. Da sich die Systemfehler und damit auch die Korrekturwerte über die Zeit hin nicht ändern, reicht es, die Korrekturwerte einmalig in einem Kalibriervorgang des Netzwerkanananalysators zu ermitteln und in dem Gerät abzuspeichern. So können die Korrekturwerte bei anschließenden Vermessungen von Antennen berücksichtigt werden.
Anders verhält sich dies bei Störungen, die durch Sendesignale anderer, externer Störquellen hervorgerufen werden. Sie müssen im Verlauf einer Vermessung eines Objektes erfasst und durch ein Störungsaufhebungsverfahren ausgegeglichen werden.
Derzeitige Störungsaufhebungsverfahren umfassen jenes, das im US-Patent Nr. 5 642 039 von Donald A. Bradley et al., herausgegeben am 24. Juni 1997, mit dem Titel "Handheld Vector Network Analyzer" offenbart ist. Dieses Patent offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines Vektornetzwerkanalysators in Gegenwart von externen Signalen, d. h. Störungen, mit verringertem Fehler. Ein Bezugsoszillator wird über einen schmalen Bereich von Frequenzen für jede Messung phasenmoduliert, so daß Störung nur über einen kleinen Frequenzbereich auftritt, was die Möglichkeit für einen Fehler wesentlich verringert. Diese Lösung basiert auf Hardware und der Störungsaufhebungseffekt ist über Meßwerterfassungen nicht konsistent. Tatsächlich kann sie für einige Erfassungen die Störung gut aufheben, aber für andere bleiben große Restfehler.
Was erwünscht ist, ist ein Verfahren zur Störungsaufhebung bei Antennentestmessungen, das nicht von der Hardware abhängt und konsistente und zuverlässige Aufhebungsergebnisse effizient und wirksam bereitstellt.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Folglich stellt die vorliegende Erfindung eine Störungsaufhebung bei Antennentestmessungen durch Erfassen einer Erfassung an einem Reflexionsanschluß eines Antennentestinstruments als Reaktion auf eine interne Signalquelle, Aufzeichnen der Datenerfassungszeit und Messen eines Projektionsvektors, der sowohl eine Reflexionssignalkomponente als auch eine Störungssignalkomponente aufweist, bereit. Eine weitere Erfassung am Reflexionsanschluß wird ohne die interne Signalquelle unter Verwendung eines begrenzten Satzes von Daten durchgeführt und ein Projektionsvektor, der nur das Störungssignal aufweist, wenn überhaupt, wird untersucht, um festzustellen, ob ein signifikantes Störungssignal vorliegt. Wenn signifikante Leistung im Nur-Interferenz-Projektionsvektor vorhanden ist, wird eine vollständige Erfassung des Nur-Störungs-Signals durchgeführt, die Datenerfassungszeit wird aufgezeichnet, die Störungsfrequenz wird gemessen, eine Störungsphasenverschiebung zwischen den zwei Datenerfassungen wird berechnet, ein Störvektor für den kombinierten Reflexion/Störungs-Vektor wird unter Verwendung des Störvektors und der Phasenverschiebung vorhergesagt, und der vorhergesagte Störvektor wird vom kombinierten Reflexion/Störungs-Vektor subtrahiert, um das tatsächliche Reflexionssignal für die Antenne bei Abwesenheit von Störung zu erhalten.
Die Aufgaben, Vorteile und weitere neue Merkmale der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden ausführlichen Beschreibung ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Ansprüchen und der angehängten Zeichnung gelesen wird.
KURZBESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNG
1 ist eine Blockdiagrammansicht eines Instrumententestaufbaus für Störungsaufhebung gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine vereinfachte Ablaufdiagrammansicht zur Störungsaufhebung gemäß der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine Vektordiagrammansicht der gemessenen Signalvektoren, die an der erfindungsgemäßen Störungsaufhebung beteiligt sind.
4 ist eine Vektordiagrammansicht, die die Störungsaufhebung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Mit Bezug auf 1 ist ein einfaches Antennentestinstrument 10 mit einer internen Signalquelle 12 und einem Richtkoppler 14 dargestellt. Die interne Signalquelle 12 ist durch einen Schalter 16, der entweder "ein" oder "aus" sein soll, auswählbar, und wenn er "ein" ist, kann sie einen Bereich von Frequenzen in diskreten Frequenzschritten durchlaufen, wie auf dem Fachgebiet gut bekannt ist.
Eine externe Störquelle 18, wie z. B. eine weitere mobile Basisstation, strahlt auch Energie aus, die von einer Antenne 20 aufgenommen werden kann, die mit einem Testanschluß des Richtkopplers 14 gekoppelt ist. Diese externe Energiequelle ist die Störung.
Wie in 2 gezeigt, wird eine Signalvektorerfassung V_sigInt, die von der Antenne 20 reflektiert wird, am Testanschluß als Reaktion auf die Energie, die von der internen Signalquelle 12 erzeugt wird, in Schritt 22 erhalten. Das reflektierte Signal wird erfaßt, verarbeitet und in einem Steuerprozessor (nicht dargestellt) als komplexe (I, Q) Komponenten, die das Signal V_sig mit der Störungen V_Int darstellen, gespeichert. Eine weitere Vektorerfassung wird in Schritt 24, wobei die interne Signalquelle 12 deaktiviert ist, unter Verwendung von nur ein paar Datenpunkten erhalten, um in Schritt 26 festzustellen, ob irgendwelche signifikanten Störungssignale in der Umgebung vorliegen. Wenn ein signifikantes Störungssignal vorliegt, dann wird in Schritt 28 eine vollständige Erfassung für den Störungssignalvektor V_Int2 allein erhalten (wobei die interne Signalquelle 12 deaktiviert ist). Dies erzeugt einen Satz von komplexen Komponenten, die den Störungssignalvektor darstellen. Beide Sätze von Signalerfassungen können zeitmarkiert werden. Aus den jeweiligen Vektoren und der Zeitdifferenz zwischen den Erfassungen wird in Schritt 30 eine vorhergesagte Störungssignalkomponente V_Int1 des Signals mit Störung ermittelt, wie nachstehend beschrieben, und in Schritt 32 subtrahiert, um das Signal ohne Störung zu erhalten.
In dem Antennentestinstrument 10 kann das empfangene Reflexionssignal am Testanschluß dargestellt werden als: x(n) = Asin(2Πfifn + 2) + w(n)wobei f_if eine normierte Zwischenfrequenz ist und w(n) eine Komponente von additivem weißen Gaußrauschen (AWGN) ist. Um die vorliegende Erfindung zu erläutern, setze man f_if = 0,25. Dann gilt x(0) = Asin2 + w(0) X(1) = Acos2 + w(1) X(2) = –Asin2 + w(2) X(3) = –Acos2 + w(3) X(4) = Asin2 + w(4).
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Ein Signalvektor V_sig kann aus der folgenden Formel ermittelt werden: Qsig = Asin2 = (1/(2N))En=0→N-1(x(4n) – x(4n + 2)) Isig = Acos2 = (1/(2N))En=0→N-1(x(4n + 1) – x(4n + 3)) Vsig = Isig + jQsig
Wenn eine Dauerstrich-(CW)Störung besteht, die im allgemeinen die signifikanteste Störquelle ist, wird das empfangene Reflexionssignal zu: x1(n) = Asin(2Πfifn + 2) + Bsin(2Πfifn + 2Π*fn + N1) + w(n) = x(n) + v1(n)
Die Störungsfrequenz ist f_Int = f_if + *f. Der Signalvektor V_sigInt wird zu: VsigInt = Vsig + VInt1 wobei V_Int1 die Störung ist, die auf den Signalraum von f_if projiziert wird, wie in 3 gezeigt. VInt1 = IInt1 + jQInt1 QInt1 = (1/(2N))En=0→N-1(v1(4n) – v1(4n + 2)) = (1/(2N))En=0→N-1(Bsin(2Π*4n + N1) + Bsin(2Π*(4n + 2) + N1)) = (1/N)En=0→N-1(Bsin(2Π*(4n + 1) + N1)cos(2Π*) IInt1 = (1/(2N))En=0→N-1(v1(4n + 1) – v1(4n + 3)) = (1/(2N))En=0→N-1(Bcos(2Π*(4n + 1) + N1) + Bcos(2Π*(4n + 3) + N1)) = (1/N)En=0→N-1(Bcos(2Π*(4n + 2) + N1)cos(2Π*)
Wenn die interne Signalquelle 12 vom Antennentestinstrument 10 ausgeschaltet wird, ist das empfangene Reflexionssignal nur das Störungssignal V_Int2: v2(n) = Bsin(2Πfifn + 2Π*fn + N2) + w(n) = Bsin(2Πfifn + 2Π*fn + N1 + N) + w(n)
Hier gilt N = 2Π(f_if + *f)(n₂ – n₁), wobei n₁ eine Zeitmarke der Datenerfassung x₁(n) ist und n₂ die Zeitmarke der Datenerfassung v₂(n) ist. Die Projektion von v₂(n) auf den Signalraum von f_if ist gegeben durch QInt2 = (1/2N)En=0→N-1(v2(4n) – v2(4n + 2)) = (1/N)En=0→N-1(Bsin(2Π*(4n + 1) + N1 + N)cos(2Π*) = (Bcos2Π*/N)En=0→N-1(sin(2Π*(4n + 1) + N1)cosN + cos(2Π*(4n + 1) + N1)sinN IInt2 = (1/2N)En=0→N-1(v2(4n + 1) – v2(4n + 3)) = (1/N)En=0→N-1(Bcos(2Π*(4n + 2) + N1 + N)cos(2Π*) = (Bcos2Π*/N)En=0→N-1cos(2Π*(4n + 2) + N1)cosN – sin(2Π*(4n + 2) + N1)sinN)
Der Vektor V_Int2 = I_Int2 + jQ_Int2 ist direkt meßbar. Da QInt2 = QInt1cosN + IInt1sinN IInt2 = IInt1cosN – QInt1sinN
ist die Vorhersage der Störungssignalkomponente des Vektors V_sigInt QInt1 = QInt2cosN – IInt2sinN IInt1 = IInt2cosN + QInt2sinN VInt1 = (IInt2cosN + QInt2sinN) + j(QInt2cosN – IInt2sinN) d. h. V_Int1 wird durch zeitliche Wiederholung von V_Int2 (Phasenverschiebung) vorhergesagt. Durch Subtrahieren von V_Int1 + I_Int1 + jQ_Int1 von V_sigInt wird eine Störungsunterdrückung oder -aufhebung erreicht.
Es gibt viele Weisen zum Messen der Störungssignalfrequenz. Eine solche Weise ist von B. G. Quinn in "Estimation of Frequency, Amplitude and Phase from the DFT of a Time Series", IEEE Trans. Signal Processing, Band 45, Nr. 3, S. 814–817, März 1997, beschrieben.

– Y(f) = Y_I(f) + jY_Q(f) soll den Wert der diskreten Fouriertransformation (DFT) des Interferenzsignals v₂(n) bezeichnen
– Suchen nach einer Intervallbereichszahl der maximalen Amplitude |Y(f)| über den Suchbereich. Bezeichnen als k = bin_max
– Berechnen ap = (YI(k + 1)YI(k) + YQ(k + 1)YQ(k))/(YI(k)2 + YQ(k)2) dp = –ap/(1 – ap) am = (YI(k – 1)YI(k) + YQ(k – 1)YQ(k))/(YI(k)2 + YQ(k)2) dm = am/(1 – am) d = (dp + dm)/2 + υ(dp2) – υ(dm2) wobei υ(x) = (In(3x2 + 6x + 1))/4 – (SQRT(6)/24)In((x + 1 – SQRT(2/3))/(x + 1 + SQRT(2/3)))
– Der Endspitzenfrequenzindex ist gleich k + d.

N kann aus direktem Messen von N₁ und N₂ in x₁(n) und v₂(n) nach dem Messen der Frequenz des Störungssignals ohne die Notwendigkeit der Zeitmarkierung der Erfassungen abgeleitet werden. Aus der gemessenen Störungsfrequenz, der bekannten Zwischenfrequenz f_if und den gemessenen Reflexionskoeffizienten können die Werte von N₂ und N₁ beispielsweise aus einer Abschätzung der kleinsten Quadrate ermittelt werden. Als Beispiel für das kombinierte Signal: x1(n) = Asin(2ΠfIFn + 2) + Bsin(2ΠfIntn + N1) + w(n)in Matrixform: X = DM
wobei X = [x₁(0), x₁(1), ... x₁(N)]^T und
M = [Acos2, Asin2, BcosN1, BsinN1]T M = (DTD)–1DTX N1 = tg–1(M(3)/M(2))
Aus N = N₂ – N₁ kann das vorhergesagte Störungssignal für die Subtraktion von V_sigInt ermittelt werden, um V_sig zu erhalten, wie in 4 gezeigt.
Dieses Störungsaufhebungsverfahren funktioniert nicht nur für CW-Störungssignale, sondern auch für modulierte Signale gut. Für mehrere CW-artige Störungssignale werden ihre Projektionsvektoren separat berechnet. Dies wird durch Bandpaßfilterung jeder Störungskomponente im Signal v₂(n) und Berechnen von jedem Projektionsvektor in x₁(n) unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Formeln, wie in Schritt 34 von 2 angegeben, erreicht.
Somit stellt die vorliegende Erfindung eine Störungsaufhebung beim Antennentesten durch Erfassen eines Signalvektors mit einer Zeitmarke, der sowohl ein Signal als auch eine Störung umfaßt, Erfassen eines Störvektors mit einer Zeitmarke in Abwesenheit des Signals, Messen der Störungsfrequenz, Berechnen einer Störungsphasenverschiebung zwischen den zwei Erfassungen, Vorhersagen des Störvektors in dem Signalvektor und Subtrahieren des vorhergesagten Störvektors vom Signalvektor, um die Störung im Signalvektor aufzuheben oder zu unterdrücken, bereit.

Claims

Verfahren zum Vermessen einer Antenne (20) mithilfe eines Antennentesters (10), mit den Schritten: – Erfassen eines ersten Signalvektors (V_sigInt) an der Antenne (20) zu einem ersten Zeitpunkt (n1), während die Antenne (20) durch eine Signalquelle (12) des Antennentesters (10) angeregt wird, – Erfassen eines zweiten Signalvektors (V_int2) an der Antenne (20) zu einem zweiten Zeitpunkt (n2), während die Signalquelle (12) des Antennentesters (10) deaktiviert ist, so dass der zweite Signalvektor (V_int2) nur durch externe Störungen hervorgerufen wird, – Ableiten eines Vektors (V_int1) aus dem zweiten Signalvektor (V_int2), wobei der abgeleitete Vektor (V_int1) dem ersten Zeitpunkt (n1) zugeordnet ist, – Subtrahieren des abgeleiteten Vektors (V_int1) von dem ersten Signalvektor (V_sigint) zum Berechnen eines elektrische Eigenschaften der Antenne (20) kennzeichnenden Vektors (V_sig).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Ableitens des Vektors (V_int1) die folgenden Schritte umfasst: – Messen einer Störfrequenz (f_int) des zweiten Signalvektors (V_int2); – Berechnen einer Phasenverschiebung (N) der externen Störung zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt; und – Ableiten eines Vektors (V_int1) aus dem zweiten Signalvektor (V_int2) und der Phasenverschiebung (N).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Erfassens des zweiten Signalvektors (V_int2) die folgenden Schritte umfasst: – Erfassen (24) eines anfänglichen zweiten Signalvektors an der Antenne (20) unter Test, wenn die Signalquelle (12) des Antennentesters (10) deaktiviert ist, anhand einer begrenzten Menge an Messdatenpunkten; – Erfassen (26) der Anwesenheit eines signifikanten Störsignals aus dem anfänglichen zweiten Signalvektors; und – Erfassen (28) des zweiten Signalvektors (V_int2) an der Antenne (20) unter Test, wenn die Signalquelle (12) des Antennentesters (10) deaktiviert ist, anhand eines vollständigen Datensatzes.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt des Ableitens des Vektors (V_int1) die folgenden Schritte umfasst: – Messen einer Störfrequenz (f_int) an jedem erfassten signifikanten Störsignal; – Bandpassfiltern (34) von jedem signifikanten Störsignal; – Berechnen eines zweiten Signalvektors (V_int2) für jedes Störsignal; und – Ableiten eines Vektors (V_int1) für jeden zweiten Signalvektor (V_int2) aus dem entsprechenden zweiten Signalvektor (V_int2) und der Phasenverschiebung im Störsignal.