CN105897351A - 上下行波束成形测量***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种上下行波束成形测量***和方法，用于基于软件无线电技术，一次性测量获得完整波束成形***的传递矩阵。该***包括：上行波束成形***的发送端，发送通道同时连接发送通道幅相一致性校准网络的校准通道和上行波束成形网络的馈源阵的接收通道；发送通道幅相一致性校准网络，采用在线校准的模式；以及下行波束成形***的接收端，接收通道连接下行波束成形网络的馈源阵的发送通道。因此，采用本发明，确保发送端发送多路正弦信号幅相信息的精确程度，发送馈源信号的校准可以和接收馈源信号的测试同时进行，从而提高了测试***的测试效率并有效降低了测试工作量和测试***复杂度。

Description

上下行波束成形测量***和方法

技术领域

本发明属于数字信号处理领域，涉及软件无线电技术，具体涉及基于软件无线电方法的上下行波束成形专用测量方案，更具体地，涉及一种上下行波束成形测量***和方法，用于基于软件无线电技术，一次性测量获得完整波束成形***的传递矩阵。

背景技术

天线阵列是由大量的阵列单元(简称为“阵元”)组成，每个阵元位于空间中的不同位置，按一定规则组成阵列。相较于单元天线，天线阵列能有效增强天线的方向性，并同时提高天线增益。阵列天线的核心技术是波束成形(Beam-Forming，以下简称为BF)

波束成形技术是通过在天线阵列的每个阵元上设置可实时动态调整的复加权系数，通过调整复加权系数，调整天线阵列的电流幅度和相位分布，实现对天线阵列各个波束指向的灵活控制，并优化其方向图形状。

以上行(接收)天线阵列为例，上行波束成形网络可将方向图主瓣对准有用信号来向，将方向图零陷对准干扰信号来向，从而最大程度地提高接收信号的信干比。对于下行(发送)天线阵列，下行波束成形网络可以在不同方向形成多个波束，有效提高指定区域内的发射功率，增大卫星下行链路余量。从信号处理的角度，上下行波束成形***是一个空域滤波器。

在卫星通信***中，波束成形***主要由天线阵列、收发馈源通道及数模/模数转换、数字信号处理器这三部分组成。波束成形技术通过在上下行成形网络中实时调整数字信号处理器生成的馈源复加权参数，实现卫星的上下行波束交换。采用动态接续矩阵，按需要把对应的上下行波束互联起来，以满足波束覆盖范围内地面站间的通信需求。

为了评估上下行波束成形的质量，就必须测量上行输入馈源阵列和下行输出馈源阵列之间的幅(度)相(位)传递关系。传统的上下行波束成形***测试方法主要依靠通用测试设备——矢量网络分析仪，即，通过矢量网络分析仪测量某上行馈源与某下行馈源之间的幅相关系，其中，矢量网络分析仪测量的是上下行波束成形网络的传输函数，传输函数在设定的载波频率上的值就是待求的幅相关系。

在测量过程中，除了待测的一对上下行馈源外，其余(N×M-2)个馈源必须端接匹配负载。假定上下行阵元数量分别是是N和M，使用矢量网络分析仪一共需要测量N×M个幅相关系。测量过程需要频繁调整电缆的连接关系，工作量大，测试效率低。然而，如果需要更换阵元中信号的载波频率，全部测试工作要再重复一次。随着天线阵列***的阵元数量不断增大和阵元信号带宽的提升，使用矢量网络分析仪测量上下行波束成形***的幅相分布越来越困难，测试复杂度越来越高。

因此，急需一种真正合理的测试***，能够考虑到上下行波束成形***的应用背景，具有N个输出和M个输入，对应被测波束成形***的N个输入和M个输出。测试***通过配置N个输出信号的幅相关系，使之与真实环境下特定入射方向信号在上行波束成形***N个输入馈源上形成的幅相关系一致，以保证波束信号相对于上行接收天线阵列呈现出预设的入射角度。同时，测试设备接收下行波束成形***的M个输出，并测量这M个输出信号之间的幅相关系，与上下行波束成形***预期达到的幅相分布值作对比，最终确定波束成形误差。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于软件无线电方法的上下行波束成形测量方案，特点在于上行波束成形***的发送端使用现场可编程门阵列(FieldProgrammable Gate Array，以下简称为FPGA)+数字模拟转换器(Digtial to Analog Converter，以下简称为DAC)的结构，在线校准和下行波束成形***的接收端使用FPGA+模拟数字转换器(Analog to Digtal Converter，以下简称为ADC)的结构，采用与上下行波束成形***的实际工作情况完全吻合的方式，只需一次测量就可准确测得完整波束成形***的传递矩阵，具有较高的测试精度，同时有效降低了测试复杂度。

本发明的一个方面提供了一种上下行波束成形测量***，用于基于软件无线电技术，一次性测量获得完整波束成形***的传递矩阵。该***包括：上行波束成形***的发送端，发送通道同时连接发送通道幅相一致性校准网络的校准通道和上行波束成形网络的馈源阵的接收通道；发送通道幅相一致性校准网络，采用在线校准的模式；以及下行波束成形***的接收端，接收通道连接下行波束成形网络的馈源阵的发送通道。

具体的，上行波束成形***的发送端采用现场可编程门阵列+数字模拟转换器的结构，以及发送通道幅相一致性校准网络和下行波束成形***的接收端均采用现场可编程门阵列+模拟数字转换器的结构。

优选地，在上行波束成形***的发送端中，现场可编程门阵列用于控制待发送的波束正弦信号在其发送通道中的幅度，以及通过直接数字频率合成方式对波束正弦信号的相位进行调整，其中，波束正弦信号经处理后产生测试激励信号并且测试激励信号被发送至上行波束成形网络。测试激励信号同时还通过功分器被馈入发送通道幅相一致性校准网络。

另外，发送通道幅相一致性校准网络接收测试***发送至上行波束成形***的上行信号并通过测量发送馈源之间由有源器件功率放大器引入的幅相不一致性，为测试***的发送端提供实时的幅相校准。下行波束成形***的接收端用于接收下行波束成型***输出的下行阵元信号并测量其幅相关系。

本发明的另一个方面还提供了一种上下行波束成形测量方法，其包括以下步骤：步骤一，根据波束信号相对于上行接收天线阵列预设的入射角度，在上行波束成形***的发送端，采用现场可编程门阵列+数字模拟转换器的信号处理方式，配置波束信号在发送通道中正弦信号的幅相关系；步骤二，在发送通道幅相一致性校准网络中，采用现场可编程门阵列+模拟数字转换器的信号处理方式，测量在校准通道中的正弦信号的相对幅相关系，作为上行天线阵列输入馈源信号的幅相关系；步骤三，在下行波束成形***的接收端，采用现场可编程门阵列+模拟数字转换器的信号处理方式，接收并测量在接收通道中的正弦信号的幅相关系，作为下行天线阵列输出馈源信号的幅相关系；以及步骤四，根据上行天线阵列输入馈源信号的幅相关系和下行天线阵列输出馈源信号的幅相关系，计算获得上下行波束成形玩过的传输函数，从而获得完整波束成形***的传递矩阵。

额外地，本发明的上下行波束成形测量方法还包括：将发送通道幅相一致性校准网络测得的馈源信号的相对幅相关系，作为校准幅相关系，反馈给上行波束成形***的发送端；以及上行波束成形***的发送端对校准幅相关系与发送的正弦信号的幅相关系之进行比对，并根据误差来实时调整在发送通道中的正弦信号的幅度和相位。

在步骤二中包括：通过模拟数字转换器实现对所接收的馈源信号的数据采集并将采样量化后获得中频数字信号输入现场可编程门阵列；现场可编程门阵列对中频数字信号进行正交下变频处理，从而确保发送通道幅相一致性校准网络中的各个校准通道的输入信号的相对相位不受到下变频器的影响以及确保输出的正交信号的两路正交性；以及通过根升余弦匹配滤波器对经过正交下变频处理后的信号执行根升余弦匹配滤波处理，从而获得各个馈源信号的相对幅相关系。

另外，在步骤二中还可以包括：将功率最强信号作为参考信号，对根升余弦匹配滤波器输出的判决统计量进行相干累计平均计算，从而克服测试过程中的加性高斯白噪声，以获得精确的相对幅相关系。

因此，采用本发明，设计基于软件无线电方法的上下行波束成形测量***，采用发送端FPGA+DAC结合接收端FPGA+ADC的结构，能实时调整发送馈源信号的幅度和相位，幅度和相位的微调分辨率可通过增大发送至数模转换DAC的数字信号位宽和数字上变频中DDS查找表的存储深度、位宽来提高，进而确保发送端发送多路正弦信号幅相信息的精确程度。

其次，本发明的测试方案具有发送通道幅相一致性校准的功能，补偿并基本消除受温漂和老化影响的模拟电路引入的发送通道幅相不一致性。发送馈源信号的校准并不影响***测量的正常工作，可以和接收馈源信号的测试同时进行，并且无需发送参考信号实现校准，提高了测试***的测试效率。

另外，对上下行波束成形***N×M维幅相传递矩阵的测试，仅需一次就可准确测量，且无需调整外部连接线。如果需要变更发送馈源中信号的载波频率，只需通过数字信号处理的方式，调整数字上变频DDS中频率控制字的步进即可实现，有效降低了测试工作量和测试***复杂度。

附图说明

图1为根据本发明具体实施方式的卫星上行波束成形***的***框图；

图2为根据本发明具体实施方式的卫星下行波束成形***的***框图；

图3为本发明所涉及的上、下行波束成形专用测量***的***组成示意图；

图4为根据本发明具体实施方式的发送端的中频数字信号处理流程图；

图5为根据本发明具体实施方式的接收端的中频数字信号处理流程图；以及

图6为根据本发明具体实施方式的校验网络的中频数字信号处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图1-6及具体实施方式对本发明进行详细说明。具体地，图1为卫星上行波束成形***的***框图，图2为卫星下行波束成形***的***框图，图3为上、下行波束成形专用测量***的***组成示意图，图4为发送端的中频数字信号处理流程图，图5为接收端的中频数字信号处理流程图，图6为校验网络的中频数字信号处理流程图。

如图3所示，本发明所涉及的上下行波束成形测量***由三个模块组成，即，上行波束成形***的发送端、发送通道幅相一致性校准网络和下行波束成形***的接收端。其中，上行波束成形***发送端的发送通道1～N同时连接校准网络的N个校准通道和上行波束成形网络馈源阵的N个接收通道，下行波束成形***接收端的接收通道1～M连接下行波束成形网络馈源阵的M个发送通道。

如图1所示，在上行波束成形***的发送端，采用FPGA+DAC的结构，通过FPGA控制波束正弦信号在各通道中的幅度和直接数字频率合成技术(Direct Digital Synthesizer，以下简称为DDS)微调正弦波的相位，产生N个测试激励，发送至上行波束成形网络。同时，将测试激励信号通过功分器馈入发送通道幅相一致性校准网络。

在线校准网络采用FPGA+ADC的结构，接收测试***发送至上行波束成形***的N个上行信号，通过测量发送馈源之间由有源器件功率放大器引入的幅相不一致性，为测试***的发送端提供实时的幅相校准。

如图2所示，测试***的接收端采用FPGA+ADC的结构，接收下行波束成形***输出的M个下行阵元信号，并测量其幅相关系。

应了解，本发明所涉及的上、下行波束成形专用测量方法的步骤大体为：

步骤一、根据波束信号相对于上行接收天线阵列预设的入射角度，采用FPGA+DAC的信号处理方式，配置波束信号在N个发送通道中正弦信号的幅相关系{A_R，n，θ_R，n|n＝1，2，…，N}；

步骤二、在校准网络中采用FPGA+ADC的信号处理方式，测量校准通道中N个正弦信号的相对幅相关系{A_C，n，θ_C，n|n＝1，2，…，N}；

步骤三、根据校准网络测得发送馈源间的幅相关系，反馈至发送端用于调整发送各馈源信号的幅相关系；

步骤四、在测试***的接收端采用FPGA+ADC的信号处理方式，接收并测量M个接收通道中正弦信号的幅相关系{A_S，m，θ_S，m|m＝1，2，…，M}；以及

步骤五、根据测试***中校准网络测得N个上行天线阵列输入馈源信号的幅相关系{A_C，n，θ_C，n|n＝1，2，…，N}和接收端测得M个下行天线阵列输出馈源信号的幅相关系{A_S，m，θ_S，m|m＝1，2，…，M}，求得上下行波束成形网络的传输函数。

接下来，假设输入上行波束成形***上行阵面的N维信号矢量为r(t)＝[r₁(t)，r₂(t)，…，r_N(t)]^T，其中，r_n(t)是第n个上行馈源收到的复基带信号，n＝1，2，…，N。上行波束成形的过程可以表示为：

q(t)＝v^H·r(t)

其中，v是N×1维的上行波束成形复加权系数，第n个元素v_n＝|v_n|·exp{j·arg(v_n)}代表对r_n(t)的幅度增益|v_n|，相位旋转arg(v_n)弧度。

上行波束成形通过对上行天线阵列的输入进行空域滤波，提取出该波束信号，再进行下行波束成形。M维下行阵面输出的信号矢量为s(^t)，可表示为：

s(t)＝u·q(t)

其中，u是M×1维下行波束成形复增益矢量。

因此，上下行波束成形***的传递函数矩阵为：T＝u·v^H。

基于软件无线电方法的上下行波束成形测量***的目的就是通过校准网络测得输入上行阵面的信号矢量r(t)和接收端测得下行阵面输出的信号矢量s(t)，求得波束成形***的M×N维的传递函数矩阵：

T＝s(t)·r^-1(t)

接下来，参考图4-6来详细介绍本发明所涉及的上下行波束成形测量方法，具体步骤如下：

步骤一、根据波束信号相对于上行接收天线阵列预设的入射角度，采用FPGA+DAC的信号处理方式，配置波束信号在N个发送通道中正弦信号的幅相关系{A_R，n，θ_R，n|n＝1，2，…，N}。

如图4所示，测试***的N个发送通道模拟的是上行波束成形***接收天线阵列的N个馈源，每个发送通道均由FPGA数字信号处理器+数模转换器DAC构成。

由于测试***并不是以高速率、无误码的数据传输为目的，而是为了提取波束成形***的传递函数矩阵的幅相信息，因此发送端基带生成信号采用全0或全1的BPSK调制。对基带信号采用DDS方法实现数字上变频：将一个完整周期的正弦/余弦波采样量化后的幅值信息存储在相位查找表中，查找表中每一个地址表示正弦波的某个相位点，存储该相位对应的量化幅度。在DDS中通过截取频率控制字的高位比特完成相位查表操作，从而得到当前相位的对应幅值，通过相位累加操作，DDS输出设定中心频率的正弦信号。改变DDS相位查找表中初始相位的选取地址，实现对发送通道中单波束正弦信号相对相位的配置。

设相位查找表的存储数据位宽为14bit，深度为1024，因此，查找表中相位分辨率为设N个发送通道输出的正弦信号的相对相位为θ_R，1，θ_R，2，…θ_R，N，则生成第i个发送通道中频信号的相位查找表搜索初始地址为若预设发送馈源内各正弦信号的相位信息为则生成第一个馈源通道内中频信号的相位查找表初始地址为0，生成第二个馈源通道信号的查找表初始地址为生成第N个馈源通道信号的查找表初始地址为 $\frac{\frac{\mathrm{\π}}{2}\×1024}{2\mathrm{\π}}=256.$

将生成的N个中频信号通过功率控制，实现对多发送通道中单波束正弦信号相对功率的配置。设N个发送通道输出的正弦信号的相对功率为A_R，1，A_R，2，…A_R，N，选取功率最强的发送信号作为参考信号，设其幅度加权系数为1。在FPGA中对非参考信号，通过数据右移的方式实现信号幅度的衰减。若预设发送馈源中各正弦信号的功率信息为[A_R，1，A_R，2，…A_R，N]＝[0dB，-3dB，…，-9dB]，不失一般性，选取发送通道1作为参考通道，则对于第二个馈源输出的中频信号右移1位实现3dB的幅度衰减，第N个馈源输出的中频信号右移3位实现9dB的幅度衰减。最终，将完成幅相分布信息配置的单波束正弦信号从DAC输出并馈入各个发送通道中。

步骤二、在校准网络中采用FPGA+ADC的信号处理方式，测量校准通道中N个正弦信号的相对幅相关系{A_C，n，θ_C，n|n＝1，2，…，N}。

由于发送通道的幅相一致性受发送通道中模拟射频器件——功率放大器的影响，功率放大器的副频/相频特性离散程度大，且随温度等环境因素变化。因此在测试***中引入校准网络，用于消除发送通道的幅相不一致性。如图5所示，发送端的输出信号通过功分器馈入校准网络的校准通道中，校准网络使用模数转换器ADC实现N个馈源信号的数据采集，采样量化后的中频数字信号输入FPGA。同时对N路数字中频信号做正交下变频，保证各校准通道输入信号的相对相位不受下变频器的影响，并确保输出正交信号I/Q两路的正交性。对数字下变频输出的2N路信号做根升余弦匹配滤波。

为了克服测试***中的加性高斯白噪声，势必需要对根升余弦匹配滤波器输出的2N个判决统计量分别做累积平均。相干累积平均是指对每个信息码元周期的判决统计量做矢量叠加，以提高正交I/Q两路信号的精度。对每一对正交I/Q信号通过运算提取信号幅度信息，通过arctan(Q/1)运算提取信号相位信息。选取功率最强信号作为参考信号，测得各馈源信号的相对幅相信息{A_C，n，θ_C，n|n＝1，2，…，N}。

步骤三、根据校准网络测得发送馈源间的幅相关系，反馈至发送端用于调整发送各馈源信号的幅相关系。

将校准网络测得的各馈源信号的相对幅相信息反馈至发送端。发送端根据比对发送幅相信息与校准幅相信息之间的误差，实时调整发送通道中正弦信号的幅度和相位。

步骤四、在测试***的接收端采用FPGA+ADC的信号处理方式，接收并测量M个接收通道中正弦信号的幅相关系{A_S，m，θ_S，m|m＝1，2，…，M}。

如图6所示，测试***的M个接收通道接收下行波束成形***发送天线阵列输出的M个馈源信号，每个接收通道均由FPGA数字信号处理器+模数转换器ADC构成。应了解，接收端的数字信号处理流程与校准网络一致。

步骤五、根据测试***中校准网络测得N个输入上行天线阵列馈源信号的幅相关系{A_C，n，θ_C，n|n＝1，2，…，N}和接收端测得M个下行天线阵列输出馈源信号的幅相关系{A_S，m，θ_S，m|m＝1，2，…，M}，求得上下行波束成形网络的传输函数。

由校准网络测得输入上行波束成形网络的信号矢量r(t)的幅相信息{A_C，n，θ_C，n|n＝1，2，…，N}和接收端测得下行波束成形网络输出的信号矢量s(t)的幅相信息{A_S，m，θ_S，m|m＝1，2，…，M}，求得波束成形***的M×N维的传递函数矩阵。

综上所述，本发明提出的基于软件无线电方法的上、下行波束成形专用测量方案，相较于传统测试设备矢量网络分析仪，有效降低了***复杂度和测试工作量。根据与实际波束成形***的传递矩阵幅相参数的对比结果可以看出，本发明测出的传递函数矩阵可以完全反映上下行波束成形***的幅相特性，从而实现较低的测量误差并达到较高的测量精度。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种上下行波束成形测量***，用于基于软件无线电技术，一次性测量获得完整波束成形***的传递矩阵，其特征在于，包括：

上行波束成形***的发送端，发送通道同时连接发送通道幅相一致性校准网络的校准通道和上行波束成形网络的馈源阵的接收通道；

所述发送通道幅相一致性校准网络，采用在线校准的模式；以及

下行波束成形***的接收端，接收通道连接下行波束成形网络的馈源阵的发送通道。

2.根据权利要求1所述的上下行波束成形测量***，其特征在于，

所述上行波束成形***的发送端采用现场可编程门阵列+数字模拟转换器的结构，以及

所述发送通道幅相一致性校准网络和所述下行波束成形***的接收端均采用现场可编程门阵列+模拟数字转换器的结构。

3.根据权利要求2所述的上下行波束成形测量***，其特征在于，在所述上行波束成形***的发送端中，

所述现场可编程门阵列用于控制待发送的波束正弦信号在其发送通道中的幅度，以及通过直接数字频率合成方式对所述波束正弦信号相位进行调整，

其中，所述波束正弦信号经处理后产生测试激励信号并且所述测试激励信号被发送至所述上行波束成形网络。

4.根据权利要求3所述的上下行波束成形测量***，其特征在于，在所述上行波束成形***的发送端中，

所述测试激励信号同时还通过功分器被馈入所述发送通道幅相一致性校准网络。

5.根据权利要求2所述的上下行波束成形测量***，其特征在于，所述发送通道幅相一致性校准网络接收测试***发送至所述上行波束成形***的上行信号并通过测量发送馈源之间由有源器件功率放大器引入的幅相不一致性，为所述测试***的发送端提供实时的幅相校准。

6.根据权利要求2所述的上下行波束成形测量***，其特征在于，所述下行波束成形***的接收端用于接收所述下行波束成型***输出的下行阵元信号并测量其幅相关系。

7.一种上下行波束成形测量方法，用于采用上述任一项权利要求所述的上下行波束成形测量***，基于软件无线电技术，一次性测量获得完整波束成形***的传递矩阵，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，根据波束信号相对于上行接收天线阵列预设的入射角度，在上行波束成形***的发送端，采用现场可编程门阵列+数字模拟转换器的信号处理方式，配置所述波束信号在发送通道中正弦信号的幅相关系；

步骤二，在发送通道幅相一致性校准网络中，采用现场可编程门阵列+模拟数字转换器的信号处理方式，测量在校准通道中的正弦信号的相对幅相关系，作为上行天线阵列输入馈源信号的幅相关系；

步骤三，在下行波束成形***的接收端，采用现场可编程门阵列+模拟数字转换器的信号处理方式，接收并测量在接收通道中的正弦信号的幅相关系，作为下行天线阵列输出馈源信号的幅相关系；以及

步骤四，根据所述上行天线阵列输入馈源信号的幅相关系和所述下行天线阵列输出馈源信号的幅相关系，计算获得上下行波束成形玩过的传输函数，从而获得完整波束成形***的传递矩阵。

8.根据权利要求7所述的上下行波束成形测量方法，其特征在于，还包括：

将所述发送通道幅相一致性校准网络测得的馈源信号的相对幅相关系，作为校准幅相关系，反馈给所述上行波束成形***的发送端；以及

所述上行波束成形***的发送端对所述校准幅相关系与发送的正弦信号的幅相关系之进行比对，并根据误差来实时调整在所述发送通道中的正弦信号的幅度和相位。

9.根据权利要求7所述的上下行波束成形测量方法，其特征在于，在所述步骤二中包括：

通过所述模拟数字转换器实现对所接收的馈源信号的数据采集并将采样量化后获得中频数字信号输入所述现场可编程门阵列；

所述现场可编程门阵列对所述中频数字信号进行正交下变频处理，从而确保所述发送通道幅相一致性校准网络中的各个校准通道的输入信号的相对相位不受到下变频器的影响以及确保输出的正交信号的两路正交性；以及

通过根升余弦匹配滤波器对经过正交下变频处理后的信号执行根升余弦匹配滤波处理，从而获得各个馈源信号的相对幅相关系。

10.根据权利要求9所述的上下行波束成形测量方法，其特征在于，在所述步骤二中还包括：

将功率最强信号作为参考信号，对所述根升余弦匹配滤波器输出的判决统计量进行相干累计平均计算，从而克服测试过程中的加性高斯白噪声，以获得精确的相对幅相关系。