上下行波束成形測量系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種上下行波束成形測量系統(tǒng)和方法，用于基于軟件無線電技術(shù)，一次性測量獲得完整波束成形系統(tǒng)的傳遞矩陣。該系統(tǒng)包括：上行波束成形系統(tǒng)的發(fā)送端，發(fā)送通道同時連接發(fā)送通道幅相一致性校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的校準(zhǔn)通道和上行波束成形網(wǎng)絡(luò)的饋源陣的接收通道；發(fā)送通道幅相一致性校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，采用在線校準(zhǔn)的模式；以及下行波束成形系統(tǒng)的接收端，接收通道連接下行波束成形網(wǎng)絡(luò)的饋源陣的發(fā)送通道。因此，采用本發(fā)明，確保發(fā)送端發(fā)送多路正弦信號幅相信息的精確程度，發(fā)送饋源信號的校準(zhǔn)可以和接收饋源信號的測試同時進(jìn)行，從而提高了測試系統(tǒng)的測試效率并有效降低了測試工作量和測試系統(tǒng)復(fù)雜度。
【專利說明】
上下行波束成形測量系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于數(shù)字信號處理領(lǐng)域，涉及軟件無線電技術(shù)，具體涉及基于軟件無線電 方法的上下行波束成形專用測量方案，更具體地，涉及一種上下行波束成形測量系統(tǒng)和方 法，用于基于軟件無線電技術(shù)，一次性測量獲得完整波束成形系統(tǒng)的傳遞矩陣。
【背景技術(shù)】
[0002] 天線陣列是由大量的陣列單元（簡稱為"陣元"）組成，每個陣元位于空間中的不 同位置，按一定規(guī)則組成陣列。相較于單元天線，天線陣列能有效增強天線的方向性，并同 時提高天線增益。陣列天線的核心技術(shù)是波束成形（Beam-Forming，以下簡稱為BF)
[0003] 波束成形技術(shù)是通過在天線陣列的每個陣元上設(shè)置可實時動態(tài)調(diào)整的復(fù)加權(quán)系 數(shù)，通過調(diào)整復(fù)加權(quán)系數(shù)，調(diào)整天線陣列的電流幅度和相位分布，實現(xiàn)對天線陣列各個波束 指向的靈活控制，并優(yōu)化其方向圖形狀。
[0004] 以上行（接收）天線陣列為例，上行波束成形網(wǎng)絡(luò)可將方向圖主瓣對準(zhǔn)有用信號 來向，將方向圖零陷對準(zhǔn)干擾信號來向，從而最大程度地提高接收信號的信干比。對于下行 (發(fā)送）天線陣列，下行波束成形網(wǎng)絡(luò)可以在不同方向形成多個波束，有效提高指定區(qū)域內(nèi) 的發(fā)射功率，增大衛(wèi)星下行鏈路余量。從信號處理的角度，上下行波束成形系統(tǒng)是一個空域 濾波器。
[0005] 在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，波束成形系統(tǒng)主要由天線陣列、收發(fā)饋源通道及數(shù)模/模數(shù) 轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號處理器這三部分組成。波束成形技術(shù)通過在上下行成形網(wǎng)絡(luò)中實時調(diào)整數(shù) 字信號處理器生成的饋源復(fù)加權(quán)參數(shù)，實現(xiàn)衛(wèi)星的上下行波束交換。采用動態(tài)接續(xù)矩陣，按 需要把對應(yīng)的上下行波束互聯(lián)起來，以滿足波束覆蓋范圍內(nèi)地面站間的通信需求。
[0006] 為了評估上下行波束成形的質(zhì)量，就必須測量上行輸入饋源陣列和下行輸出饋源 陣列之間的幅（度）相（位）傳遞關(guān)系。傳統(tǒng)的上下行波束成形系統(tǒng)測試方法主要依靠通 用測試設(shè)備一一矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，即，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量某上行饋源與某下行饋源 之間的幅相關(guān)系，其中，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量的是上下行波束成形網(wǎng)絡(luò)的傳輸函數(shù)，傳輸函 數(shù)在設(shè)定的載波頻率上的值就是待求的幅相關(guān)系。
[0007] 在測量過程中，除了待測的一對上下行饋源外，其余（NXM-2)個饋源必須端接匹 配負(fù)載。假定上下行陣元數(shù)量分別是是N和M，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀一共需要測量NXM個 幅相關(guān)系。測量過程需要頻繁調(diào)整電纜的連接關(guān)系，工作量大，測試效率低。然而，如果需 要更換陣元中信號的載波頻率，全部測試工作要再重復(fù)一次。隨著天線陣列系統(tǒng)的陣元數(shù) 量不斷增大和陣元信號帶寬的提升，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量上下行波束成形系統(tǒng)的幅相 分布越來越困難，測試復(fù)雜度越來越高。
[0008] 因此，急需一種真正合理的測試系統(tǒng)，能夠考慮到上下行波束成形系統(tǒng)的應(yīng)用背 景，具有N個輸出和Μ個輸入，對應(yīng)被測波束成形系統(tǒng)的N個輸入和Μ個輸出。測試系統(tǒng)通 過配置Ν個輸出信號的幅相關(guān)系，使之與真實環(huán)境下特定入射方向信號在上行波束成形系 統(tǒng)Ν個輸入饋源上形成的幅相關(guān)系一致，以保證波束信號相對于上行接收天線陣列呈現(xiàn)出 預(yù)設(shè)的入射角度。同時，測試設(shè)備接收下行波束成形系統(tǒng)的Μ個輸出，并測量這Μ個輸出信 號之間的幅相關(guān)系，與上下行波束成形系統(tǒng)預(yù)期達(dá)到的幅相分布值作對比，最終確定波束 成形誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種基于軟件無線電方法的上下 行波束成形測量方案，特點在于上行波束成形系統(tǒng)的發(fā)送端使用現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，以下簡稱為 FPGA)+數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（Digtial to Analog Converter，以下簡稱為DAC)的結(jié)構(gòu)，在線校準(zhǔn)和下行波束成形系統(tǒng)的接收端使用FPGA+模 擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Analog to Digtal Converter，以下簡稱為ADC)的結(jié)構(gòu)，采用與上下行波束 成形系統(tǒng)的實際工作情況完全吻合的方式，只需一次測量就可準(zhǔn)確測得完整波束成形系統(tǒng) 的傳遞矩陣，具有較高的測試精度，同時有效降低了測試復(fù)雜度。
[0010] 本發(fā)明的一個方面提供了一種上下行波束成形測量系統(tǒng)，用于基于軟件無線電技 術(shù)，一次性測量獲得完整波束成形系統(tǒng)的傳遞矩陣。該系統(tǒng)包括：上行波束成形系統(tǒng)的發(fā)送 端，發(fā)送通道同時連接發(fā)送通道幅相一致性校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的校準(zhǔn)通道和上行波束成形網(wǎng)絡(luò)的饋 源陣的接收通道；發(fā)送通道幅相一致性校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，采用在線校準(zhǔn)的模式；以及下行波束成 形系統(tǒng)的接收端，接收通道連接下行波束成形網(wǎng)絡(luò)的饋源陣的發(fā)送通道。
[0011] 具體的，上行波束成形系統(tǒng)的發(fā)送端采用現(xiàn)場可編程門陣列+數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的 結(jié)構(gòu)，以及發(fā)送通道幅相一致性校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)和下行波束成形系統(tǒng)的接收端均采用現(xiàn)場可編程 門陣列+模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)。
[0012] 優(yōu)選地，在上行波束成形系統(tǒng)的發(fā)送端中，現(xiàn)場可編程門陣列用于控制待發(fā)送的 波束正弦信號在其發(fā)送通道中的幅度，以及通過直接數(shù)字頻率合成方式對波束正弦信號的 相位進(jìn)行調(diào)整，其中，波束正弦信號經(jīng)處理后產(chǎn)生測試激勵信號并且測試激勵信號被發(fā)送 至上行波束成形網(wǎng)絡(luò)。測試激勵信號同時還通過功分器被饋入發(fā)送通道幅相一致性校準(zhǔn)網(wǎng) 絡(luò)。
[0013] 另外，發(fā)送通道幅相一致性校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接收測試系統(tǒng)發(fā)送至上行波束成形系統(tǒng)的上 行信號并通過測量發(fā)送饋源之間由有源器件功率放大器引入的幅相不一致性，為測試系統(tǒng) 的發(fā)送端提供實時的幅相校準(zhǔn)。下行波束成形系統(tǒng)的接收端用于接收下行波束成型系統(tǒng)輸 出的下行陣元信號并測量其幅相關(guān)系。
[0014] 本發(fā)明的另一個方面還提供了一種上下行波束成形測量方法，其包括以下步驟： 步驟一，根據(jù)波束信號相對于上行接收天線陣列預(yù)設(shè)的入射角度，在上行波束成形系統(tǒng)的 發(fā)送端，采用現(xiàn)場可編程門陣列+數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的信號處理方式，配置波束信號在發(fā)送 通道中正弦信號的幅相關(guān)系；步驟二，在發(fā)送通道幅相一致性校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)中，采用現(xiàn)場可編 程門陣列+模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的信號處理方式，測量在校準(zhǔn)通道中的正弦信號的相對幅相關(guān) 系，作為上行天線陣列輸入饋源信號的幅相關(guān)系；步驟三，在下行波束成形系統(tǒng)的接收端， 采用現(xiàn)場可編程門陣列+模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的信號處理方式，接收并測量在接收通道中的正 弦信號的幅相關(guān)系，作為下行天線陣列輸出饋源信號的幅相關(guān)系；以及步驟四，根據(jù)上行天 線陣列輸入饋源信號的幅相關(guān)系和下行天線陣列輸出饋源信號的幅相關(guān)系，計算獲得上下 行波束成形玩過的傳輸函數(shù)，從而獲得完整波束成形系統(tǒng)的傳遞矩陣。
[0015] 額外地，本發(fā)明的上下行波束成形測量方法還包括：將發(fā)送通道幅相一致性校準(zhǔn) 網(wǎng)絡(luò)測得的饋源信號的相對幅相關(guān)系，作為校準(zhǔn)幅相關(guān)系，反饋給上行波束成形系統(tǒng)的發(fā) 送端；以及上行波束成形系統(tǒng)的發(fā)送端對校準(zhǔn)幅相關(guān)系與發(fā)送的正弦信號的幅相關(guān)系之進(jìn) 行比對，并根據(jù)誤差來實時調(diào)整在發(fā)送通道中的正弦信號的幅度和相位。
[0016] 在步驟二中包括：通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)對所接收的饋源信號的數(shù)據(jù)采集并將 采樣量化后獲得中頻數(shù)字信號輸入現(xiàn)場可編程門陣列；現(xiàn)場可編程門陣列對中頻數(shù)字信號 進(jìn)行正交下變頻處理，從而確保發(fā)送通道幅相一致性校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)中的各個校準(zhǔn)通道的輸入信 號的相對相位不受到下變頻器的影響以及確保輸出的正交信號的兩路正交性；以及通過根 升余弦匹配濾波器對經(jīng)過正交下變頻處理后的信號執(zhí)行根升余弦匹配濾波處理，從而獲得 各個饋源信號的相對幅相關(guān)系。
[0017] 另外，在步驟二中還可以包括：將功率最強信號作為參考信號，對根升余弦匹配濾 波器輸出的判決統(tǒng)計量進(jìn)行相干累計平均計算，從而克服測試過程中的加性高斯白噪聲， 以獲得精確的相對幅相關(guān)系。
[0018] 因此，采用本發(fā)明，設(shè)計基于軟件無線電方法的上下行波束成形測量系統(tǒng)，采用發(fā) 送端FPGA+DAC結(jié)合接收端FPGA+ADC的結(jié)構(gòu)，能實時調(diào)整發(fā)送饋源信號的幅度和相位，幅度 和相位的微調(diào)分辨率可通過增大發(fā)送至數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC的數(shù)字信號位寬和數(shù)字上變頻中DDS 查找表的存儲深度、位寬來提高，進(jìn)而確保發(fā)送端發(fā)送多路正弦信號幅相信息的精確程度。
[0019] 其次，本發(fā)明的測試方案具有發(fā)送通道幅相一致性校準(zhǔn)的功能，補償并基本消除 受溫漂和老化影響的模擬電路引入的發(fā)送通道幅相不一致性。發(fā)送饋源信號的校準(zhǔn)并不影 響系統(tǒng)測量的正常工作，可以和接收饋源信號的測試同時進(jìn)行，并且無需發(fā)送參考信號實 現(xiàn)校準(zhǔn)，提高了測試系統(tǒng)的測試效率。
[0020] 另外，對上下行波束成形系統(tǒng)NXM維幅相傳遞矩陣的測試，僅需一次就可準(zhǔn)確測 量，且無需調(diào)整外部連接線。如果需要變更發(fā)送饋源中信號的載波頻率，只需通過數(shù)字信號 處理的方式，調(diào)整數(shù)字上變頻DDS中頻率控制字的步進(jìn)即可實現(xiàn)，有效降低了測試工作量 和測試系統(tǒng)復(fù)雜度。
【附圖說明】
[0021] 圖1為根據(jù)本發(fā)明【具體實施方式】的衛(wèi)星上行波束成形系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖；
[0022] 圖2為根據(jù)本發(fā)明【具體實施方式】的衛(wèi)星下行波束成形系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖；
[0023] 圖3為本發(fā)明所涉及的上、下行波束成形專用測量系統(tǒng)的系統(tǒng)組成示意圖；
[0024] 圖4為根據(jù)本發(fā)明【具體實施方式】的發(fā)送端的中頻數(shù)字信號處理流程圖；
[0025] 圖5為根據(jù)本發(fā)明【具體實施方式】的接收端的中頻數(shù)字信號處理流程圖；以及
[0026] 圖6為根據(jù)本發(fā)明【具體實施方式】的校驗網(wǎng)絡(luò)的中頻數(shù)字信號處理流程圖。
【具體實施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖1-6及【具體實施方式】對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。具體地，圖1為衛(wèi)星 上行波束成形系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖，圖2為衛(wèi)星下行波束成形系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖，圖3為上、下行 波束成形專用測量系統(tǒng)的系統(tǒng)組成示意圖，圖4為發(fā)送端的中頻數(shù)字信號處理流程圖，圖5 為接收端的中頻數(shù)字信號處理流程圖，圖6為校驗網(wǎng)絡(luò)的中頻數(shù)字信號處理流程圖。
[0028] 如圖3所示，本發(fā)明所涉及的上下行波束成形測量系統(tǒng)由三個模塊組成，即，上行 波束成形系統(tǒng)的發(fā)送端、發(fā)送通道幅相一致性校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)和下行波束成形系統(tǒng)的接收端。其 中，上行波束成形系統(tǒng)發(fā)送端的發(fā)送通道1~N同時連接校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的N個校準(zhǔn)通道和上行 波束成形網(wǎng)絡(luò)饋源陣的N個接收通道，下行波束成形系統(tǒng)接收端的接收通道1~Μ連接下 行波束成形網(wǎng)絡(luò)饋源陣的Μ個發(fā)送通道。
[0029] 如圖1所示，在上行波束成形系統(tǒng)的發(fā)送端，采用FPGA+DAC的結(jié)構(gòu)，通過 FPGA控制波束正弦信號在各通道中的幅度和直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（Direct Digital Synthesizer，以下簡稱為DDS)微調(diào)正弦波的相位，產(chǎn)生N個測試激勵，發(fā)送至上行波束成 形網(wǎng)絡(luò)。同時，將測試激勵信號通過功分器饋入發(fā)送通道幅相一致性校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)。
[0030] 在線校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)采用FPGA+ADC的結(jié)構(gòu)，接收測試系統(tǒng)發(fā)送至上行波束成形系統(tǒng)的N 個上行信號，通過測量發(fā)送饋源之間由有源器件功率放大器引入的幅相不一致性，為測試 系統(tǒng)的發(fā)送端提供實時的幅相校準(zhǔn)。
[0031] 如圖2所示，測試系統(tǒng)的接收端采用FPGA+ADC的結(jié)構(gòu)，接收下行波束成形系統(tǒng)輸 出的Μ個下行陣元信號，并測量其幅相關(guān)系。
[0032] 應(yīng)了解，本發(fā)明所涉及的上、下行波束成形專用測量方法的步驟大體為：
[0033] 步驟一、根據(jù)波束信號相對于上行接收天線陣列預(yù)設(shè)的入射角度，采用FPGA+DAC 的信號處理方式，配置波束信號在Ν個發(fā)送通道中正弦信號的幅相關(guān)系{Ακ,η，θκ, η|η= 1， 2，…，Ν};
[0034] 步驟二、在校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)中采用FPGA+ADC的信號處理方式，測量校準(zhǔn)通道中Ν個正弦 十目號的相對幅相關(guān)系{A c,n，θ(；,η|η = 1，2，"·，Ν};
[0035] 步驟三、根據(jù)校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)測得發(fā)送饋源間的幅相關(guān)系，反饋至發(fā)送端用于調(diào)整發(fā)送 各饋源信號的幅相關(guān)系；
[0036] 步驟四、在測試系統(tǒng)的接收端采用FPGA+ADC的信號處理方式，接收并測量Μ個接 收通道中正弦信號的幅相關(guān)系{A^，0 S n|m= 1，2，;以及
[0037] 步驟五、根據(jù)測試系統(tǒng)中校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)測得N個上行天線陣列輸入饋源信號的幅相關(guān) 系{Ac, n，θε,η|η = 1，2, "·，Ν}和接收端測得Μ個下行天線陣列輸出饋源信號的幅相關(guān)系 {As,"，0s,n|m=l，2，"·，Μ}，求得上下行波束成形網(wǎng)絡(luò)的傳輸函數(shù)。
[0038] 接下來，假設(shè)輸入上行波束成形系統(tǒng)上行陣面的Ν維信號矢量為r(t) = [ri(t)， r2(t)，··^rjt)]1'，其中，r n(t)是第η個上行饋源收到的復(fù)基帶信號，η=1，2，"·，Ν。上 行波束成形的過程可以表示為：
[0039] q(t) = vH · r(t)
[0040] 其中，ν是NX 1維的上行波束成形復(fù)加權(quán)系數(shù)，第η個元素vn = |vn| · exp{j · arg(vn)}代表對:^⑴的幅度增益|vn|，相位旋轉(zhuǎn)arg(vn)弧度。
[0041] 上行波束成形通過對上行天線陣列的輸入進(jìn)行空域濾波，提取出該波束信號，再 進(jìn)行下行波束成形。Μ維下行陣面輸出的信號矢量為s〇,可表示為：
[0042] s (t) = u · q(t)
[0043] 其中，u是MX 1維下行波束成形復(fù)增益矢量。
[0044] 因此，上下行波束成形系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣為：T = u · vH。
[0045] 基于軟件無線電方法的上下行波束成形測量系統(tǒng)的目的就是通過校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)測得 輸入上行陣面的信號矢量r (t)和接收端測得下行陣面輸出的信號矢量s (t)，求得波束成 形系統(tǒng)的MXN維的傳遞函數(shù)矩陣：
[0046] T = s (t) · r 1 (t)
[0047] 接下來，參考圖4-6來詳細(xì)介紹本發(fā)明所涉及的上下行波束成形測量方法，具體 步驟如下：
[0048] 步驟一、根據(jù)波束信號相對于上行接收天線陣列預(yù)設(shè)的入射角度，采用FPGA+DAC 的信號處理方式，配置波束信號在N個發(fā)送通道中正弦信號的幅相關(guān)系{Ακ,η，θκ, η|η= 1， 2，…，Ν}〇
[0049] 如圖4所示，測試系統(tǒng)的Ν個發(fā)送通道模擬的是上行波束成形系統(tǒng)接收天線陣列 的Ν個饋源，每個發(fā)送通道均由FPGA數(shù)字信號處理器+數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC構(gòu)成。
[0050] 由于測試系統(tǒng)并不是以高速率、無誤碼的數(shù)據(jù)傳輸為目的，而是為了提取波束成 形系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣的幅相信息，因此發(fā)送端基帶生成信號采用全〇或全1的BPSK調(diào) 制。對基帶信號采用DDS方法實現(xiàn)數(shù)字上變頻：將一個完整周期的正弦/余弦波采樣量化 后的幅值信息存儲在相位查找表中，查找表中每一個地址表示正弦波的某個相位點，存儲 該相位對應(yīng)的量化幅度。在DDS中通過截取頻率控制字的高位比特完成相位查表操作，從 而得到當(dāng)前相位的對應(yīng)幅值，通過相位累加操作，DDS輸出設(shè)定中心頻率的正弦信號。改變 DDS相位查找表中初始相位的選取地址，實現(xiàn)對發(fā)送通道中單波束正弦信號相對相位的配 置。
[0051] 設(shè)相位查找表的存儲數(shù)據(jù)位寬為14bit，深度為1024,因此，查找表中相位分辨率 2π 為^設(shè)Ν個發(fā)送通道輸出的正弦信號的相對相位為θκ>1，θκ,2，…Θ Κ,Ν，則生成第i個 發(fā)送通道中頻信號的相位查找表搜索初始地址，
若預(yù)設(shè)發(fā)送饋源內(nèi)各正弦信
號的相位信息， 則生成第一個饋源通道內(nèi)中頻信號的相位查找表初始地址 > 為0,生成第二個饋源通道信號的查找表初始地址）
生成第N個饋源通道 信號的查找表初始地址為
[0052] 將生成的N個中頻信號通過功率控制，實現(xiàn)對多發(fā)送通道中單波束正弦信號相對 功率的配置。設(shè)N個發(fā)送通道輸出的正弦信號的相對功率為Ακ,ρΑκ,；；，…A R,N，選取功率最 強的發(fā)送信號作為參考信號，設(shè)其幅度加權(quán)系數(shù)為1。在FPGA中對非參考信號，通過數(shù)據(jù)右 移的方式實現(xiàn)信號幅度的衰減。若預(yù)設(shè)發(fā)送饋源中各正弦信號的功率信息為[Αμ,Αμ，一 A r,n] = [0dB，-3dB，…，。(^]，不失一般性，選取發(fā)送通道1作為參考通道，則對于第二個 饋源輸出的中頻信號右移1位實現(xiàn)3dB的幅度衰減，第N個饋源輸出的中頻信號右移3位 實現(xiàn)9dB的幅度衰減。最終，將完成幅相分布信息配置的單波束正弦信號從DAC輸出并饋 入各個發(fā)送通道中。
[0053] 步驟二、在校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)中采用FPGA+ADC的信號處理方式，測量校準(zhǔn)通道中N個正弦 十目號的相對幅相關(guān)系{A c,n，θ(；,η|η = 1，2，"·，Ν}。
[0054] 由于發(fā)送通道的幅相一致性受發(fā)送通道中模擬射頻器件一一功率放大器的影響， 功率放大器的副頻/相頻特性離散程度大，且隨溫度等環(huán)境因素變化。因此在測試系統(tǒng)中 引入校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，用于消除發(fā)送通道的幅相不一致性。如圖5所示，發(fā)送端的輸出信號通過功 分器饋入校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的校準(zhǔn)通道中，校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC實現(xiàn)Ν個饋源信號的數(shù)據(jù) 采集，采樣量化后的中頻數(shù)字信號輸入FPGA。同時對Ν路數(shù)字中頻信號做正交下變頻，保證 各校準(zhǔn)通道輸入信號的相對相位不受下變頻器的影響，并確保輸出正交信號I/Q兩路的正 交性。對數(shù)字下變頻輸出的2Ν路信號做根升余弦匹配濾波。
[0055] 為了克服測試系統(tǒng)中的加性高斯白噪聲，勢必需要對根升余弦匹配濾波器輸出的 2Ν個判決統(tǒng)計量分別做累積平均。相干累積平均是指對每個信息碼元周期的判決統(tǒng)計量做 矢量疊加，以提高正交I/Q兩路信號的精度。對每一對正交I/Q信號通過^//2+02運算提 取信號幅度信息，通過arctan(Q/l)運算提取信號相位信息。選取功率最強信號作為參考 信號，測得各饋源信號的相對幅相信息{Αε,η，θε,η| η = 1，2, *··，Ν}。
[0056] 步驟三、根據(jù)校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)測得發(fā)送饋源間的幅相關(guān)系，反饋至發(fā)送端用于調(diào)整發(fā)送 各饋源信號的幅相關(guān)系。
[0057] 將校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)測得的各饋源信號的相對幅相信息反饋至發(fā)送端。發(fā)送端根據(jù)比對發(fā) 送幅相信息與校準(zhǔn)幅相信息之間的誤差，實時調(diào)整發(fā)送通道中正弦信號的幅度和相位。
[0058] 步驟四、在測試系統(tǒng)的接收端采用FPGA+ADC的信號處理方式，接收并測量Μ個接 收通道中正弦信號的幅相關(guān)系{A^，0 Sn|m=l，2，，··，Μ}。
[0059] 如圖6所示，測試系統(tǒng)的Μ個接收通道接收下行波束成形系統(tǒng)發(fā)送天線陣列輸出 的Μ個饋源信號，每個接收通道均由FPGA數(shù)字信號處理器+模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC構(gòu)成。應(yīng)了解， 接收端的數(shù)字信號處理流程與校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)一致。
[0060] 步驟五、根據(jù)測試系統(tǒng)中校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)測得Ν個輸入上行天線陣列饋源信號的幅相關(guān) 系{Ac, n，θε,η|η = 1，2, "·，Ν}和接收端測得Μ個下行天線陣列輸出饋源信號的幅相關(guān)系 {As,"，0s,n|m=l，2，"·，Μ}，求得上下行波束成形網(wǎng)絡(luò)的傳輸函數(shù)。
[0061] 由校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)測得輸入上行波束成形網(wǎng)絡(luò)的信號矢量r(t)的幅相信息{Ac, n，Θ c,n|n =1，2，···，Ν}和接收端測得下行波束成形網(wǎng)絡(luò)輸出的信號矢量s(t)的幅相信息{A^，0S, Jin = 1，2，"·，Μ}，求得波束成形系統(tǒng)的MXN維的傳遞函數(shù)矩陣。
[0062] 綜上所述，本發(fā)明提出的基于軟件無線電方法的上、下行波束成形專用測量方案， 相較于傳統(tǒng)測試設(shè)備矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，有效降低了系統(tǒng)復(fù)雜度和測試工作量。根據(jù)與實際 波束成形系統(tǒng)的傳遞矩陣幅相參數(shù)的對比結(jié)果可以看出，本發(fā)明測出的傳遞函數(shù)矩陣可以 完全反映上下行波束成形系統(tǒng)的幅相特性，從而實現(xiàn)較低的測量誤差并達(dá)到較高的測量精 度。
[0063] 以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā) 明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍 之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種上下行波束成形測量系統(tǒng)，用于基于軟件無線電技術(shù)，一次性測量獲得完整波 束成形系統(tǒng)的傳遞矩陣，其特征在于，包括： 上行波束成形系統(tǒng)的發(fā)送端，發(fā)送通道同時連接發(fā)送通道幅相一致性校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的校準(zhǔn) 通道和上行波束成形網(wǎng)絡(luò)的饋源陣的接收通道； 所述發(fā)送通道幅相一致性校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，采用在線校準(zhǔn)的模式；以及 下行波束成形系統(tǒng)的接收端，接收通道連接下行波束成形網(wǎng)絡(luò)的饋源陣的發(fā)送通道。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的上下行波束成形測量系統(tǒng)，其特征在于， 所述上行波束成形系統(tǒng)的發(fā)送端采用現(xiàn)場可編程門陣列+數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)，以 及 所述發(fā)送通道幅相一致性校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)和所述下行波束成形系統(tǒng)的接收端均采用現(xiàn)場可 編程門陣列+模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的上下行波束成形測量系統(tǒng)，其特征在于，在所述上行波束成 形系統(tǒng)的發(fā)送端中， 所述現(xiàn)場可編程門陣列用于控制待發(fā)送的波束正弦信號在其發(fā)送通道中的幅度，以及 通過直接數(shù)字頻率合成方式對所述波束正弦信號相位進(jìn)行調(diào)整， 其中，所述波束正弦信號經(jīng)處理后產(chǎn)生測試激勵信號并且所述測試激勵信號被發(fā)送至 所述上行波束成形網(wǎng)絡(luò)。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的上下行波束成形測量系統(tǒng)，其特征在于，在所述上行波束成 形系統(tǒng)的發(fā)送端中， 所述測試激勵信號同時還通過功分器被饋入所述發(fā)送通道幅相一致性校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的上下行波束成形測量系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)送通道幅相 一致性校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接收測試系統(tǒng)發(fā)送至所述上行波束成形系統(tǒng)的上行信號并通過測量發(fā)送 饋源之間由有源器件功率放大器引入的幅相不一致性，為所述測試系統(tǒng)的發(fā)送端提供實時 的幅相校準(zhǔn)。6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的上下行波束成形測量系統(tǒng)，其特征在于，所述下行波束成形 系統(tǒng)的接收端用于接收所述下行波束成型系統(tǒng)輸出的下行陣元信號并測量其幅相關(guān)系。7. -種上下行波束成形測量方法，用于采用上述任一項權(quán)利要求所述的上下行波束成 形測量系統(tǒng)，基于軟件無線電技術(shù)，一次性測量獲得完整波束成形系統(tǒng)的傳遞矩陣，其特征 在于，包括以下步驟： 步驟一，根據(jù)波束信號相對于上行接收天線陣列預(yù)設(shè)的入射角度，在上行波束成形系 統(tǒng)的發(fā)送端，采用現(xiàn)場可編程門陣列+數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的信號處理方式，配置所述波束信 號在發(fā)送通道中正弦信號的幅相關(guān)系； 步驟二，在發(fā)送通道幅相一致性校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)中，采用現(xiàn)場可編程門陣列+模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換 器的信號處理方式，測量在校準(zhǔn)通道中的正弦信號的相對幅相關(guān)系，作為上行天線陣列輸 入饋源信號的幅相關(guān)系； 步驟三，在下行波束成形系統(tǒng)的接收端，采用現(xiàn)場可編程門陣列+模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的 信號處理方式，接收并測量在接收通道中的正弦信號的幅相關(guān)系，作為下行天線陣列輸出 饋源信號的幅相關(guān)系；以及 步驟四，根據(jù)所述上行天線陣列輸入饋源信號的幅相關(guān)系和所述下行天線陣列輸出饋 源信號的幅相關(guān)系，計算獲得上下行波束成形玩過的傳輸函數(shù)，從而獲得完整波束成形系 統(tǒng)的傳遞矩陣。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的上下行波束成形測量方法，其特征在于，還包括： 將所述發(fā)送通道幅相一致性校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)測得的饋源信號的相對幅相關(guān)系，作為校準(zhǔn)幅相 關(guān)系，反饋給所述上行波束成形系統(tǒng)的發(fā)送端；以及 所述上行波束成形系統(tǒng)的發(fā)送端對所述校準(zhǔn)幅相關(guān)系與發(fā)送的正弦信號的幅相關(guān)系 之進(jìn)行比對，并根據(jù)誤差來實時調(diào)整在所述發(fā)送通道中的正弦信號的幅度和相位。9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的上下行波束成形測量方法，其特征在于，在所述步驟二中包 括： 通過所述模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)對所接收的饋源信號的數(shù)據(jù)采集并將采樣量化后獲得 中頻數(shù)字信號輸入所述現(xiàn)場可編程門陣列； 所述現(xiàn)場可編程門陣列對所述中頻數(shù)字信號進(jìn)行正交下變頻處理，從而確保所述發(fā)送 通道幅相一致性校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)中的各個校準(zhǔn)通道的輸入信號的相對相位不受到下變頻器的影 響以及確保輸出的正交信號的兩路正交性；以及 通過根升余弦匹配濾波器對經(jīng)過正交下變頻處理后的信號執(zhí)行根升余弦匹配濾波處 理，從而獲得各個饋源信號的相對幅相關(guān)系。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的上下行波束成形測量方法，其特征在于，在所述步驟二中還 包括： 將功率最強信號作為參考信號，對所述根升余弦匹配濾波器輸出的判決統(tǒng)計量進(jìn)行相 干累計平均計算，從而克服測試過程中的加性高斯白噪聲，以獲得精確的相對幅相關(guān)系。
【文檔編號】H04B7/04GK105897351SQ201410775275
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2014年12月15日
【發(fā)明人】周慧, 王帥, 吳越, 郭宇琨, 林玉潔, 郝時光
【申請人】中國空間技術(shù)研究院