CN106470428A - 一种并行多通道信道测试设备的精确同步与触发方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种并行多通道信道测试设备的精确同步与触发方法，在多个通道中选择一个主通道，每个通道等待接收由主通道发出的所述同步脉冲的第一个上升沿，直到接收到为止；在同步脉冲的第一上升沿之后的一个周期内，每个通道检测公用同步脉冲时钟的第一个上升沿和公用触发参考时钟的第一个上升沿间的时间差；根据时间差，将所有通道的采样时钟和公用触发参考时钟的相位自动对齐；随着公用触发参考时钟的下降沿，从主通道发出的触发信号被送到所有通道并被检测到时，在下一个所述公用触发参考时钟的上升沿，所有通道同时执行信号发生或信号获取。本发明通过模块化仪表和模块化仪器总线架构可以达到ps级的同步精度。

Description

一种并行多通道信道测试设备的精确同步与触发方法
技术领域
本发明涉及无线通信的技术领域，特别是涉及一种并行多通道信道测试设备的精确同步与触发方法。
背景技术
多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output MIMO)技术指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线进行传送和接收，从而改善通信质量。MIMO技术能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高***信道容量，具有明显的优势，因而被视为下一代移动通信的核心技术。与MIMO技术相对应的测试设备即为并行多通道信道测试设备。
3GPP从LTER8/R9版本中下行引入了8种MIMO传输模式，其中LTE-FDD常用的MIMO传输模式为模式1到模式6(TM1～TM6)，而模式7(TM7)和模式8(TM8)主要应用于TD-LTE***中。
随着无线移动通信技术的迅猛发展，相较于MIMO技术，与之对应的测试解决方案在很长一段时间内相对滞后，并没有完全吻合用户需求的整体解决方案。因此，在初期面对MIMO技术时，往往将MIMO***作为多个单输入单输出***(Single Input Single Output，SISO)***来分别测试。
早期的MIMO测试设备基本是单台仪表堆叠组合成的一个MIMO测试***。这种方式由于设备没有共享本振，时基信号和触发信号到每台仪表的信号线没有统一控制和长度保障，性能无法保证收敛性和高精度。因此，这样的MIMO测试***基本只能用来完成一些相对单一算法的验证。
因此，现有技术中的MIMO测试方法存在以下不足：
(1)不能完全适用于多通道间的同步；
(2)更多注重的是同时开始，并没有严格考虑同步通道的相位一致；
(3)基于传统仪表集成的方式由于开放度和分立性的限制，精度一般在ms级别，达不到所要求的精度。
多个射频通道的同步复杂点在于每个射频通道可以工作在不同的采样时钟下，这样如何使所有的采样时钟在同一个点开始就会成为一个挑战；其次的难点在于同步精度，如何使得通道间同步精度要达到ps级的精度也成为一个热点课题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种并行多通道信道测试设备的精确同步与触发方法，应用于MIMO无线信道测量、波速赋型、空间角度定位等方面，通过触发信号重生、实时校准、敲门信号与确定触发这四个步骤两级触发的机制来达到并行多通道信道测试设备的精确同步的目的。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种并行多通道信道测试设备的精确同步与触发方法，包括以下步骤：步骤S1、设置每个通道的采样时钟；步骤S2、根据每个通道的采样时钟频率和通道数计算统一频率的共用信号，定义为公用触发参考时钟；步骤S3、将并行多通道信道测试设备总线的参考时钟分配到所有的通道，以用作所有通道采样时钟的锁相；步骤S4、设定公用同步脉冲时钟，并将所述公用同步脉冲时钟部署到所有通道上；步骤S5、在多个通道中选择一个作为主通道，当所述公用同步脉冲时钟通过总线的触发线处于逻辑高电平时，主通道产生一个同步脉冲；步骤S6、初始化并行多通道信道测试设备的每一个通道，每个通道等待接收由主通道发出的所述同步脉冲的第一个上升沿，直到接收到为止；步骤S7、在所述同步脉冲的第一上升沿之后的一个周期内，每个通道检测所述公用同步脉冲时钟的第一个上升沿和所述公用触发参考时钟的第一个上升沿间的时间差；步骤S8、比较每个从通道所检测到的时间差和主通道所检测到的时间差，将所有通道的采样时钟和所述公用触发参考时钟的相位自动对齐；步骤S9、随着所述公用触发参考时钟的下降沿，从主通道发出的触发信号被送到所有通道并被检测到时，在下一个所述公用触发参考时钟的上升沿，所有通道同时执行信号发生或信号获取。
根据上述的并行多通道信道测试设备的精确同步与触发方法，其中：所述步骤S1中，每个通道的采样时钟的频率相同。
根据上述的并行多通道信道测试设备的精确同步与触发方法，其中：所述步骤S2中，所有通道的采样时钟频率的最小公倍数即为公用触发参考时钟的频率。
根据上述的并行多通道信道测试设备的精确同步与触发方法，其中：所述步骤S4中，所述公用同步脉冲时钟的频率与总线架构的参考时钟的频率相同。
根据上述的并行多通道信道测试设备的精确同步与触发方法，其中：所述步骤S5中，选定多通道中的任一通道为主通道，而其他通道则成为从通道。
根据上述的并行多通道信道测试设备的精确同步与触发方法，其中：所述步骤S8中，所有通道的采样时钟的相位通过调节DAC/ADC相位输出自动与所述公用触发参考时钟的相位对齐。
根据上述的并行多通道信道测试设备的精确同步与触发方法，其中：所述总线中至少定义有同步线、触发线、时钟线三种用于多通道同步的信号线。
根据上述的并行多通道信道测试设备的精确同步与触发方法，其中：在所述总线中设计等长的PCB线路，使每个通道接收到的同步信号、触发信号、时钟信号经过等长的路径。
根据上述的并行多通道信道测试设备的精确同步与触发方法，其中：采用10MHz参考时钟作为所述公用触发参考时钟的频率。
如上所述，本发明的并行多通道信道测试设备的精确同步与触发方法，具有以下有益效果：
(1)应用于同一设备的多个通道之间，通过触发信号重生、实时校准、敲门信号与确定触发这四个步骤两级触发的机制来实现并行多通道信道测试设备的精确同步；
(2)适用于空间定位、波束赋形、高精度信道数据角度域分析等技术领域；
(3)通过模块化仪表和模块化仪器总线架构可以达到ps级的同步精度。
附图说明
图1显示为本发明的并行多通道信道测试设备的精确同步与触发方法的流程图；
图2显示为本发明中通过时间差对齐各通道的采样时钟的示意图；
图3显示为本发明中经过校准后的多通道触发同步示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明的并行多通道信道测试设备的精确同步与触发方法基于模块化仪表和PXI-E总线模块化仪器总线架构，设计了同步与触发的机制，提升了同步与触发的性能，因此完全可以直接对MIMO的设备进行测试，并且能够应用于对多通道间相位敏感的高等级应用中，如：信号的角度域估计与分析、波束赋形等。
需要说明的是，本发明的并行多通道信道测试设备的精确同步与触发方法针对的是通道间的同步，即在发送端，多通道发射机的所有发射机同时开始发射，或根据触发信号在某个条件下同时开始发射；在接收端，多通道接收机的所有接收机同时开始接收，或根据触发信号在某个条件下同时开始接收。
其中，本发明采用模块化仪器总线架构，总线信号中至少定义有同步线、触发线，时钟线三种用于多通道同步的信号线。具体地，在总线架构中设计等长的PCB线路，使每个通道接收到的同步信号、触发信号、时钟信号经过等长的路径。
参照图1，本发明的并行多通道信道测试设备的精确同步与触发方法包括以下步骤：
步骤S1、设置每个通道的采样时钟。
具体地，每个通道可通过编程设定不同频率的采样时钟，也可以设定相同频率的采样时钟。同时，每个通道都具有接收触发信号的功能。优选地，设置每个通道的采样时钟的频率相同，以使得后续的测试更为简单。
步骤S2、根据每个通道的采样时钟频率和通道数计算统一频率的共用信号，定义为公用触发参考时钟(Share Trigger Reference Clock，STRC)。
其中，主控程序根据每个通道各自的采样时钟频率和通道数计算一个统一频率的共用信号，定义为STRC。
所有通道的采样时钟频率的最小公倍数即为STRC的频率。
步骤S3、将并行多通道信道测试设备总线的10MHz参考时钟分配到所有的通道，以用作所有通道采样时钟的锁相。
其中，这些通道的采样时钟仅仅是被锁相到总线架构的参考时钟上，并没有实现相位对齐。
步骤S4、设定公用同步脉冲时钟(Share Sync Plus Clock，SSPC)，并将SSPC部署到所有通道上。
具体地，SSPC的频率可以通过主程序进行设定，并通过总线的触发线部署到所有的通道上。优选地，若并行多通道信道测试应用取10MHz作为SSPC的频率，则可以使用总线的10MHz的参考时钟同时担当SSPC。
步骤S5、在多个通道中选择一个作为主通道，当SSPC通过总线的触发线处于逻辑高电平时，主通道产生一个同步脉冲。
具体地，通过主控程序编程设定多通道中的某个通道为主通道，而其他通道则成为从通道。
步骤S6、初始化并行多通道信道测试设备的每一个通道，每个通道等待接收由主通道发出的同步脉冲的第一个上升沿，直到接收到为止。
步骤S7、在同步脉冲的第一上升沿之后的一个周期内，每个通道检测SSPC的第一个上升沿和STRC的第一个上升沿间的时间差。
具体地，在同步脉冲的第一上升沿之后的一个周期内，当每个通道检测到SSPC的第一个上升沿时，主控程序控制每个通道分别检测SSPC的第一个上升沿与该周期内STRC的第一个上升沿间的时间差。
步骤S8、比较每个从通道所检测到的时间差和主通道所检测到的时间差，将所有通道的采样时钟和STRC的相位自动对齐。
具体地，也可以对任意一个通道所检测到的时间差和其他通道设所检测到的时间差进行比较。所有通道的采样时钟的相位通过调节DAC/ADC(数模转换器/模数转换器)相位输出自动与STRC的相位对齐。
步骤S9、随着STRC的下降沿,从主通道发出的触发信号被送到所有通道并被检测到时，在下一个STRC的上升沿，所有通道同时执行信号发生或信号获取。
具体地，随着每个通道的采样时钟的对齐，触发信号从约定的主通道在STRC的下降沿时刻被部署到所有的通道上。在主通道的下一个STRC的上升沿，所有从通道被编程执行信号发生或信号获取。这个最终的真正的触发信号可以通过总线架构的触发信号或外部连线进行部署。
下面通过具体的实施例来详细阐述本发明的并行多通道信道测试设备的精确同步与触发方法。
在该实施例中，采用基于矢量信号收发器(Vector Signal Transceiver，VTS)的模块化仪器和PXI-E总线架构集成了8通道的并行信道测试设备。PXI-E总线提供10MHz公用触发参考时钟信号、100MHz差分时钟和触发总线等，所有通道共享同一个本振源。信道测试设备的发端是8通道发射机，发送正交的伪噪声序列(Pseudo-noise Sequence，PN)；信道测试设备的收端是8通道接收机，接收发送的数据流。信道测试的数据要进行时-频-空的多维度分析，对相位同步要求很高，具体包括以下步骤：
(1)通过编程为8个通道设定相同频率的采样时钟和接收触发信号的功能。
(2)主控程序设定STRC的频率为2倍的采样时钟频率。
(3)总线架构的10MHz参考时钟被分配到所有的通道，以用作所有射频通道采样时钟的锁相。其中，每个通道的采样时钟被锁相到总线的10MHz参考信号上，但是这些通道的采样时钟并没有被相位对齐。
(4)采用10MHz参考时钟作为SSPC的频率。
(5)设定第一通道为主通道，通过机箱内集成的GPS向主通道发出一个触发信号，主通道收到该触发信号后产生出一个用于触发的同步脉冲，并通过PXI-E总线分发给从通道和自己。
(6)所有通道初始化后等待接收第一个同步脉冲的上升沿，直到接收到为止。
(7)当第一个同步脉冲上升沿被检测到，每个通道被编程进行当时SSPC的第一个上升沿和当时STRC的第一个上升沿的时间差测试。每个通道都检测出自己的时间差。
如图2所示，对于通道1和通道N，采样时钟虽然与10MHz参考时钟锁相，但是相位未并未对齐。通道1和通道N之间的时间差之间存在△T2的时间差。
(8)每个通道的时间差和主通道的时间差进行比较，所有通道的采样时钟和STRC通过调节DAC/ADC相位输出自动对齐。
如图3所示，经过校准后，所有通道实现触发同步。
(9)所有通道采样时钟和STRC相位对齐后，由主通道产生的用于同步的触发脉冲随着主通道STRC下降沿，这个触发信号被送到所有通道上，并被检测到。在下一个STRC的上升沿，8通道发射机所有射频通道进行发射，而8通道接收机所有射频通道进行接收。这个最终的真正的触发信号也通过PXI-E总线的触发线进行部署。
在各射频通道的FPGA板卡上实现上述步骤后，实测得到43ps的同步精度。
综上所述，本发明的并行多通道信道测试设备的精确同步与触发方法应用于同一设备的多个通道之间，通过触发信号重生、实时校准、敲门信号与确定触发这四个步骤两级触发的机制来实现并行多通道信道测试设备的精确同步；适用于空间定位、波束赋形、高精度信道数据角度域分析等技术领域；通过模块化仪表和模块化仪器总线架构可以达到ps级的同步精度。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种并行多通道信道测试设备的精确同步与触发方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1、设置每个通道的采样时钟；
步骤S2、根据每个通道的采样时钟频率和通道数计算统一频率的共用信号，定义为公用触发参考时钟；
步骤S3、将并行多通道信道测试设备总线的参考时钟分配到所有的通道，以用作所有通道采样时钟的锁相；
步骤S4、设定公用同步脉冲时钟，并将所述公用同步脉冲时钟部署到所有通道上；
步骤S5、在多个通道中选择一个作为主通道，当所述公用同步脉冲时钟通过总线的触发线处于逻辑高电平时，主通道产生一个同步脉冲；
步骤S6、初始化并行多通道信道测试设备的每一个通道，每个通道等待接收由主通道发出的所述同步脉冲的第一个上升沿，直到接收到为止；
步骤S7、在所述同步脉冲的第一上升沿之后的一个周期内，每个通道检测所述公用同步脉冲时钟的第一个上升沿和所述公用触发参考时钟的第一个上升沿间的时间差；
步骤S8、比较每个从通道所检测到的时间差和主通道所检测到的时间差，将所有通道的采样时钟和所述公用触发参考时钟的相位自动对齐；
步骤S9、随着所述公用触发参考时钟的下降沿，从主通道发出的触发信号被送到所有通道并被检测到时，在下一个所述公用触发参考时钟的上升沿，所有通道同时执行信号发生或信号获取。
2.根据权利要求1所述的并行多通道信道测试设备的精确同步与触发方法，其特征在于：所述步骤S1中，每个通道的采样时钟的频率相同。
3.根据权利要求1所述的并行多通道信道测试设备的精确同步与触发方法，其特征在于：所述步骤S2中，所有通道的采样时钟频率的最小公倍数即为公用触发参考时钟的频率。
4.根据权利要求1所述的并行多通道信道测试设备的精确同步与触发方法，其特征在于：所述步骤S4中，所述公用同步脉冲时钟的频率与总线架构的参考时钟的频率相同。
5.根据权利要求1所述的并行多通道信道测试设备的精确同步与触发方法，其特征在于：所述步骤S5中，选定多通道中的任一通道为主通道，而其他通道则成为从通道。
6.根据权利要求1所述的并行多通道信道测试设备的精确同步与触发方法，其特征在于：所述步骤S8中，所有通道的采样时钟的相位通过调节DAC/ADC相位输出自动与所述公用触发参考时钟的相位对齐。
7.根据权利要求1所述的并行多通道信道测试设备的精确同步与触发方法，其特征在于：所述总线中至少定义有同步线、触发线、时钟线三种用于多通道同步的信号线。
8.根据权利要求1所述的并行多通道信道测试设备的精确同步与触发方法，其特征在于：在所述总线中设计等长的PCB线路，使每个通道接收到的同步信号、触发信号、时钟信号经过等长的路径。
9.根据权利要求1所述的并行多通道信道测试设备的精确同步与触发方法，其特征在于：采用10MHz参考时钟作为所述公用触发参考时钟的频率。
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