CN112600629A - 实现mimo信道模拟器射频接收机功率校准及数据处理的方法及其*** - Google Patents
实现mimo信道模拟器射频接收机功率校准及数据处理的方法及其*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种实现MIMO信道模拟器射频接收机功率校准及数据处理的方法,包括通过有源电路校准和无源电路校准,根据射频数控衰减器线性特点,校准射频通路中放大器和直通通路的频响,以及个别频点的数控衰减器频响;根据已有校准数据进行数据计算,处理得到完整的MIMO信道模拟器接收机校准表。本发明还涉及一种实现MIMO信道模拟器射频接收机功率校准及数据处理的***。采用了本发明的实现MIMO信道模拟器射频接收机功率校准及数据处理的方法及其***,单通道信道模拟器接收机的校准时间提升10‑20倍,尤其适用于大规模MIMO的发射机功率校准。本发明解决了大规模MIMO信道模拟器接收机校准时间和功率准确度之间的矛盾,即降低了校准总时长,同时又保证了功率准确度。
Description
技术领域
本发明涉及通信测量仪器校准技术领域,尤其涉及MIMO信道模拟器领域,具体是指一种实现MIMO信道模拟器射频接收机功率校准及数据处理的方法及其***。
背景技术
5G MIMO信道模拟器天线数达到128甚至256,相应于MIMO信道模拟器接收机通道数有128个或256个。接收功率准确度是衡量信道模拟器接收机性能的重要指标之一,其主要取决于接收机中的射频电路。理论上,对不同频率、不同输入功率遍历校准,可以保证信道模拟器接收机的功率准确度最优。然而,对于256通道的MIMO***,如果依然采用遍历校准,则校准时间将会因为乘以256倍而必然不可取。如何在校准总时长和功率准确度之间折中显得相当重要。
因此使用传统的遍历校准方案已不再适用于5G MIMO***。在保证功率准确度的前提下,如何快速实现MIMO信道模拟器接收机的功率校准亟待解决。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点,提供了一种满足准确度高、误差小、适用范围较为广泛的实现MIMO信道模拟器射频接收机功率校准及数据处理的方法及其***。
为了实现上述目的,本发明的实现MIMO信道模拟器射频接收机功率校准及数据处理的方法及其***如下:
该实现MIMO信道模拟器射频接收机功率校准及数据处理的方法,其主要特点是,所述的方法包括以下步骤:
(1)通过有源电路校准和无源电路校准,根据射频数控衰减器线性特点,校准射频通路中放大器和直通通路的频响,以及个别频点的数控衰减器频响;
(2)根据已有校准数据进行数据计算,处理得到完整的MIMO信道模拟器接收机校准表。
较佳地,所述的步骤(1)中的有源电路校准包含开关放大电路,具体为放大电路和直通通路的校准,具体包括以下处理过程:
(1-1.1)保持无源数控衰减器配置为衰减为“0”;
(1-1.2)对不同的频率,调整信号源功率校准放大器在几种状态下的功率值,使FPGA接收到的功率为固定值。
较佳地,所述的步骤(1)中的无源电路校准包含数控衰减器校准,具体包括以下步骤:
(2-1.1)校准整个频率区间的首尾两个频点的数控衰减器频响;
(2-1.2)对首尾两个频率点,调整信号源功率校准数控衰减器不同衰减值下的功率值,使FPGA接收到的功率为固定值。
较佳地,所述的步骤(2)具体为:
(2.1)将待校准的功率范围,根据放大器个数分成多个档位,通过数控衰减器值计算所述的多个档位之间的补充输入功率衰减值;
(2.2)去除掉超出功率范围或相同输入功率下配置不合理的校准配置,形成完整的单通道信道模拟器接收机校准数据表。
较佳地,所述的多个档位为“11”至“01”功率档、“01”至“00”功率档,以及“00”至上限功率档。
较佳地,所述的步骤(2)中计算补充输入功率衰减值,具体包括以下步骤:
根据以下公式计算补充输入功率衰减值:
Pn(i)(j)=Pn(i)(0)+Δn(i)(j);
其中,n为档位值,fL为起始频率,fH为终止频率,(i)为频率值,i∈[fL,fH],(j)为数控衰减器的理论衰减值。
该实现MIMO信道模拟器射频接收机功率校准及数据处理的***,其主要特点是,所述的***包括:第一开关放大电路、第二开关放大电路、数控衰减电路、解调电路、本振电路、两个ADC模数转换电路和FPGA电路,所述的第一开关放大电路、第二开关放大电路、数控衰减电路和解调电路依次相连接,本振电路的输出端与解调电路相连,所述的两个ADC模数转换电路的输入端均与解调电路相连接,且输出端均与FPGA电路相连接。
采用了本发明的实现MIMO信道模拟器射频接收机功率校准及数据处理的方法及其***,解决了大规模MIMO信道模拟器接收机功率校准的算法问题。使用本发明方法,使用本发明方法,单通道信道模拟器接收机的校准时间提升10-20倍,尤其适用于大规模MIMO的发射机功率校准。本发明解决了大规模MIMO信道模拟器接收机校准时间和功率准确度之间的矛盾。使用本发明方法,即降低了校准总时长,同时又保证了功率准确度。
附图说明
图1为本发明的实现MIMO信道模拟器射频接收机功率校准及数据处理的***的MIMO信道模拟器接收机零中频架构框图。
图2为本发明的实现MIMO信道模拟器射频接收机功率校准及数据处理的***的MIMO信道模拟器接收机校准仪器连接示意图。
图3为本发明的实现MIMO信道模拟器射频接收机功率校准及数据处理的方法的单通道信道模拟器接收机快速校准曲线图。
图4为本发明的实现MIMO信道模拟器射频接收机功率校准及数据处理的方法的使用本发明校准方法验证的功率准确度直方图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容,下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
该实现MIMO信道模拟器射频接收机功率校准及数据处理的方法,其主要特点是,所述的方法包括以下步骤:
(1)通过有源电路校准和无源电路校准,根据射频数控衰减器线性特点,校准射频通路中放大器和直通通路的频响,以及个别频点的数控衰减器频响;
(2)根据已有校准数据进行数据计算,处理得到完整的MIMO信道模拟器接收机校准表。
较佳地,所述的步骤(1)中的有源电路校准包含开关放大电路,具体为放大电路和直通通路的校准,具体包括以下处理过程:
(1-1.1)保持无源数控衰减器配置为衰减为“0”;
(1-1.2)对不同的频率,调整信号源功率校准放大器在几种状态下的功率值,使FPGA接收到的功率为固定值。
较佳地,所述的步骤(1)中的无源电路校准包含数控衰减器校准,具体包括以下步骤:
(2-1.1)校准整个频率区间的首尾两个频点的数控衰减器频响;
(2-1.2)对首尾两个频率点,调整信号源功率校准数控衰减器不同衰减值下的功率值,使FPGA接收到的功率为固定值。
较佳地,所述的步骤(2)具体为:
(2.1)将待校准的功率范围,根据放大器个数分成多个档位,通过数控衰减器值计算所述的多个档位之间的补充输入功率衰减值;
(2.2)去除掉超出功率范围或相同输入功率下配置不合理的校准配置,形成完整的单通道信道模拟器接收机校准数据表。
较佳地,所述的多个档位为“11”至“01”功率档、“01”至“00”功率档,以及“00”至上限功率档。
较佳地,所述的步骤(2)中计算补充输入功率衰减值,具体包括以下步骤:
根据以下公式计算补充输入功率衰减值:
Pn(i)(j)=Pn(i)(0)+Δn(i)(j);
其中,n为档位值,fL为起始频率,fH为终止频率,(i)为频率值,i∈[fL,fH],(j)为数控衰减器的理论衰减值。
本发明的该实现MIMO信道模拟器射频接收机功率校准及数据处理的***,其中包括:第一开关放大电路、第二开关放大电路、数控衰减电路、解调电路、本振电路、两个ADC模数转换电路和FPGA电路,所述的第一开关放大电路、第二开关放大电路、数控衰减电路和解调电路依次相连接,本振电路的输出端与解调电路相连,所述的两个ADC模数转换电路的输入端均与解调电路相连接,且输出端均与FPGA电路相连接。
本发明的具体实施方式中,本发明涉及通信测量仪器校准技术领域,尤其涉及MIMO信道模拟器接收机功率校准技术领域,具体是指一种实现MIMO信道模拟器接收机快速功率校准及功率数据处理方法。本发明包括多通道信道模拟器接收机电路,以及基于已有校准数据进行的数据计算处理程序,具体包括模数转换电路、多级放大电路、解调电路、频响校准逻辑算法、上位机控制软件以及数据计算处理程序。采用新方法,可以实现基于少量的校准数据,通过数据计算处理,实现MIMO信道模拟器接收机快速准确校准。具有耗时短、准确度高等优点,尤其适用于MIMO信道模拟器接收机中使用。
本发明需要解决大规模MIMO信道模拟器接收机功率校准的算法优化问题。采用传统的频率、功率遍历校准方法,校准时间过长,不适用于大规模MIMO信道模拟器接收机的校准和信道模拟器的大批量生产。
本发明还需要解决大规模MIMO信道模拟器接收机校准时间和功率准确度之间的矛盾。采用传统遍历方法,虽然可以保证一定的准确度,但校准时间过长;而降低校准步进而缩短校准时间又必然引起功率准确度降低问题。
本发明提供了一种实现MIMO信道模拟器接收机快速功率校准及功率数据处理方法。将接收机射频通道中的器件分为无源器件和有源器件两类,并充分利用射频数控衰减器线性特点,只需要校准射频通路中放大器和直通通路的频响,以及个别频点的数控衰减器频响,即可基于已有校准数据进行数据计算处理,得到完整的MIMO信道模拟器接收机校准表。在保证MIMO信道模拟器接收机功率准确度的同时大大提高单通道信道模拟器接收机校准效率。该发明方法为全新的MIMO信道模拟器接收机快速功率校准及功率数据处理方法。
本发明主要适用于零中频架构MIMO信道模拟器接收机,其架构示意框图如图1所示,具体包括多级放大电路、解调电路、本振电路、ADC模数转换电路等。接收机将接收到的射频信号经过功率调整解调为固定功率的IQ信号,再由ADC采样为数字信号传输至后级FPGA电路进行信号处理。MIMO信道模拟器接收机校准时仪器连接示意图如图2所示。
MIMO信道模拟器接收机每个通道的校准过程相同,以下以单个接收机功率校准为例介绍本发明校准和计算方法。信道模拟器接收机校准分为两个步骤,首先是快速功率校准,其次是基于已有校准数据进行数据计算处理得到完整的MIMO信道模拟器接收机校准表。
步骤一的快速功率校准分为两部分:有源电路校准和无源电路校准。
有源电路校准主要包含开关放大电路,具体是指放大电路和直通通路的校准。因放大器在‘0’、‘1’两种状态下,其频响差值并无较线性规律可循,频响不能做简单的加减法,故放大器AMP1和AMP2状态为‘00’、‘01’和‘11’时需单独测试校准。(‘10’状态或‘01’状态根据实际需要配置,方法相同,故只以‘01’举例介绍方案)。有源电路校准过程中,保持无源数控衰减器配置为衰减为‘0’。在整个频率区间内,对于不同的频率,调整信号源功率校准放大器在几种状态下的功率值,使得FPGA接收到的功率为一固定值。本说明方案只举例说明了两个开关放大器电路,该方法同样适用于更多数量的有源开关放大器电路功率校准。
无源电路校准主要包含数控衰减器校准。衰减器的线性度比较高,而且受频率影响也比较小。无源电路的校准充分利用其线性特点,只需要校准整个频率区间的首尾两个频点的数控衰减器频响,此时配置放大器状态为‘00’。对于首尾两个频率点,调整信号源功率校准数控衰减器不同衰减值下的功率值,使得FPGA接收到的功率为一固定值。下文中默认数控衰减器步进0.25dB,总程控31.75dB。
根据以上有源电路校准和无源电路校准,可以得到如图3所示的校准曲线。
步骤二的基于已有校准数据进行数据计算处理得到完整的MIMO信道模拟器接收机校准表,其计算方案介绍如下:
将待校准的功率范围,根据放大器个数分成若干档位,本说明中则包含三个档位,即‘11’至‘01’功率档(下线功率档在该区间内)、‘01’至‘00’功率档,以及‘00’至上限功率档。每个档位之间的功率值由数控衰减器值计算完成。
首先计算‘00’至上限功率档的功率计算,其已有校准值最全,计算方案较容易理解。
(1)‘00’至上限功率档
该配置状态下,需要补充图3中曲线1向上至功率上限的输入功率校准值。该过程是数控衰减器,其线性特性较好,可使用加减法计算。
设起始频率为fL,终止频率为fH,图3中的曲线4的和曲线5的其中(j)代表数控衰减器的理论衰减值,有j=k,k为实际衰减值。而实际测试时,虽然j相同,数控衰减器的衰减配置相同,但由于不同频点的频响差异导致j与实际衰减值k之间有微小差异,即j≈k。
先计算曲线1中fL与fH时与曲线4和曲线5的差异。对于某个确定的j
所以该区间的补充输入功率衰减值为:
P1(i)(j)=P1(i)(0)+Δ1(i)(j);
(2)‘01’至‘00’功率档
该配置状态下,需要补充图3中曲线2向上约31.75dB的输入功率校准值。该过程同样是数控衰减器计算得到,线性特性较好,可使用加减法计算。计算方法同“‘00’至上限功率档”。
先计算曲线2中fL与fH时与曲线4和曲线5的差异。对于某个确定的j
所以该区间的补充输入功率衰减值为:
P2(i)(j)=P2(i)(0)+Δ2(i)(j);
(3)‘11’至‘01’功率档
计算过程同“‘01’至‘00’功率档”。
当以上频点和功率点测试完并计算完后,去除掉无用不合理的校准配置,则形成完整的单通道信道模拟器接收机校准数据表。
使用本发明方法,设频率步进为fstep,对于单通道接收机,校准点数为
使用传统遍历方法,设频率步进为fstep,功率范围[PL,PH],步进1dB(一般经验值),对于单通道接收机,校准点数为
一般信道模拟器的功率区间(PH-PL)至少有50dB,则对比n1和n2可以看到n2约是n1的17倍。且(PH-PL)仅计算为50dB,实际MIMO信道模拟器的接收功率范围必然不止50dB,故n2/n1的比值还会更大。
由此可以明显看出校准数据量大大降低,且通过提升校准步进来保证校准功率的准确度,从而有效提升MIMO信道模拟器接收机总校准时间,且后文通过实测显示接收机功率准确度的确很高。可见本发明方法尤其适用于大规模MIMO信道模拟器接收机的功率校准。
本发明方法电路方案框图如图1所示。具体包括两级开关放大电路、一级数控衰减电路、一级解调电路、一级本振电路、一级ADC电路以及一级FPGA电路。接收机将接收到的射频信号经过功率调整解调为固定功率的IQ信号,再由ADC采样为数字信号传输至后级FPGA电路进行信号处理。
通道上放大器和数控衰减器配置与输入/输出功率关系公式如下:
输出功率=输入功率+(AMP1+AMP2)×20-DAT-通道固定频响;
其中‘AMP1/2’代表配置值,如‘01’,则AMP1+AMP2=1;20代表放大器增益;DAT代表数控衰减器衰减值;通道固定频响为受硬件影响的固有值,其对于确定频点为固定值;
对于某一确定频点,放大器和数控衰减器配置与输入/输出功率关系如下表:
MIMO信道模拟器接收机支持256通道,频率范围0.4~6GHz,功率范围-40dBm~+20dBm,数控衰减器动态0~31.75dB步进0.25dB,两级放大器的增益约为20dB。
首先是有源电路校准和无源电路校准。
有源电路校准主要包含开关放大电路,具体是指放大电路和直通通路的校准。保持无源数控衰减器配置为衰减为‘0’。在频率区间0.4~6GHz内,以10MHz为步进,对于不同的频率,调整信号源功率,校准放大器在‘AMP1 AMP2’=‘11’/‘01’/‘00’三种状态下的功率值,使得FPGA接收到的功率为一固定值C(C为接收机方案设计中一特定功率值)。
无源电路校准主要包含数控衰减器校准,只需要校准频点0.4GHz及6GHz。保持放大器配置为‘AMP1 AMP2’=‘00’,以0.25dB为步进,调整数控衰减器衰减值从0dB至31.75dB,调整信号源功率使得输出功率为固定值C。
根据以上有源电路校准和无源电路校准,可以得到如图3所示的校准曲线。
接下来基于已有校准数据进行数据计算处理得到完整的MIMO信道模拟器接收机校准表,其计算方案介绍如下:
首先计算‘00’至上限20dBm功率档的功率计算,其已有校准值最全,计算方案较容易理解。
(1)‘00’至上限20dBm功率档
该配置状态下,需要补充图3中曲线1向上至功率上限的输入功率校准值。该过程是数控衰减器,其线性特性较好,可使用加减法计算。
根据前文有
根据(400,Δ1(400)(j))和(6000,Δ1(6000)(j)),j=0.25/0.5/1/....../31.75,可计算出400~6000MHz,k与k=0之间的差异值Δ1(i)(j),其中(i)代表频率值,i∈[400,6000]。
所以该区间的补充输入功率值为:
P1(i)(j)=P1(i)(0)+Δ1(i)(j)
(2)‘01’至‘00’功率档
该配置状态下,需要补充图3中曲线2向上约31.75dB的输入功率校准值。该过程同样是数控衰减器计算得到,线性特性较好,可使用加减法计算。计算方法同“‘00’至上限20dBm功率档”。
根据前文有
根据(400,Δ2(400)(j))和(6000,Δ2(6000)(j)),可计算出400~6000MHz包含放大器频响差异与数控衰减器j-k差异值在内的Δ2(i)(j)。
所以该区间的补充输入功率衰减值为:
P2(i)(j)=P2(i)(0)+Δ2(i)(j)
(3)‘11’(下线-40dBm)至‘01’功率档
计算过程同“‘01’至‘00’功率档”。
当以上频点和功率点测试完并计算完后,去除掉超出功率范围或相同输入功率下配置不合理的校准配置,则形成完整的单通道信道模拟器接收机校准数据表。
使用本发明方法,对于单通道接收机,校准点数为
使用传统遍历方法,对于单通道接收机,校准点数为
由此可以明显看出使用本发明方法校准数据量大大降低。
假设每个点的校准时间为1s,256通道的MIMO信道模拟器接收机功率校准,与传统遍历方法对比如下:(按持续24小时校准)
使用传统的校准方法,不考虑实际过程中的不利因素,理论上即需要3.5个月的校准时间,这样的校准周期完全无法满足MIMO信道模拟器的生产要求。而使用本发明方法,只需要一周时间即可完成256通道的MIMO信道模拟器接收机的功率校准。
使用本发明方法校准后,再代入计算的校准数据进行MIMO信道模拟器接收机功率准确度验证,功率准确度测量结果直方图如图4所示,准确度±0.5dB以内约97%,可见使用本发明方法的功率准确度也有保证。
从以上实施案例可以看出,使用本发明校准方法进行MIMO信道模拟器接收机机功率校准,既缩短了校准总时长,又保证了功率准确度,尤其适用于5G大规模MIMO信道模拟器接收机功率校准。
本发明还公开了程控步进内,即20dB以内的精细化功率校准的实现方式。与本发明的接收机对应的发射机的内部使用的是数模转换器DAC,属于数字器件,而本发明中使用的是数控衰减器,属于射频模拟器件。DAC是在基带数据上乘以一定系数从而实现衰减,但它会降低信噪比,对通信信号质量有一定影响,因而只适用于信号质量要求不高的场景,或者DAC自身性能就很高,即是降低20dB,信号的信噪比依然比较高;数控衰减器对信号质量基本没有影响,虽然它没法实现0.25dB步进以内的衰减,但它衰减范围可以很大,而且对信号质量影响也比较小。
此外,数模转换器DAC只能用于发射机中,无法用于本发明的接收机。与DAC相对应的使用于接收机的是模数转换器ADC。而ADC更加不能用于功率调节,它属于末级器件,如果只用ADC来调节衰减(ADC也可以实现精密步进的衰减),那么前面的通道中解调器或现有技术的混频器等器件必然出现非线性甚至饱和,导致信号无法解调,这是不可取的。
采用了本发明的实现MIMO信道模拟器射频接收机功率校准及数据处理的方法及其***,解决了大规模MIMO信道模拟器接收机功率校准的算法问题。使用本发明方法,使用本发明方法,单通道信道模拟器接收机的校准时间提升10-20倍,尤其适用于大规模MIMO的发射机功率校准。本发明解决了大规模MIMO信道模拟器接收机校准时间和功率准确度之间的矛盾。使用本发明方法,即降低了校准总时长,同时又保证了功率准确度。
在此说明书中,本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是,很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此,说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (7)
1.一种实现MIMO信道模拟器射频接收机功率校准及数据处理的方法,其特征在于,所述的方法包括以下步骤:
(1)通过有源电路校准和无源电路校准,根据射频数控衰减器线性特点,校准射频通路中放大器和直通通路的频响,以及个别频点的数控衰减器频响;
(2)根据已有校准数据进行数据计算,处理得到完整的MIMO信道模拟器接收机校准表。
2.根据权利要求1所述的实现MIMO信道模拟器射频接收机功率校准及数据处理的方法,其特征在于,所述的步骤(1)中的有源电路校准包含开关放大电路,具体为放大电路和直通通路的校准,具体包括以下处理过程:
(1-1.1)保持无源数控衰减器配置为衰减为“0”;
(1-1.2)对不同的频率,调整信号源功率校准放大器在几种状态下的功率值,使FPGA接收到的功率为固定值。
3.根据权利要求1所述的实现MIMO信道模拟器射频接收机功率校准及数据处理的方法,其特征在于,所述的步骤(1)中的无源电路校准包含数控衰减器校准,具体包括以下步骤:
(2-1.1)校准整个频率区间的首尾两个频点的数控衰减器频响;
(2-1.2)对首尾两个频率点,调整信号源功率校准数控衰减器不同衰减值下的功率值,使FPGA接收到的功率为固定值。
4.根据权利要求1所述的实现MIMO信道模拟器射频接收机功率校准及数据处理的方法,其特征在于,所述的步骤(2)具体为:
(2.1)将待校准的功率范围,根据放大器个数分成多个档位,通过数控衰减器值计算所述的多个档位之间的补充输入功率衰减值;
(2.2)去除掉超出功率范围或相同输入功率下配置不合理的校准配置,形成完整的单通道信道模拟器接收机校准数据表。
5.根据权利要求4所述的实现MIMO信道模拟器射频接收机功率校准及数据处理的方法,其特征在于,所述的多个档位为“11”至“01”功率档、“01”至“00”功率档,以及“00”至上限功率档。
7.一种实现权利要求1所述的方法的MIMO信道模拟器射频接收机功率校准及数据处理的***,其特征在于,所述的***包括:第一开关放大电路、第二开关放大电路、数控衰减电路、解调电路、本振电路、两个ADC模数转换电路和FPGA电路,所述的第一开关放大电路、第二开关放大电路、数控衰减电路和解调电路依次相连接,本振电路的输出端与解调电路相连,所述的两个ADC模数转换电路的输入端均与解调电路相连接,且输出端均与FPGA电路相连接。
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