针对无线信道模拟架构射频通道的硬件实时在线校准方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，更具体地来说是涉及一种针对无线信道模拟架构射频通道的硬件实时在线校准方案。

背景技术

信道是无线通信系统信息传输的媒介，是系统中不可或缺的组成部分。无线信道对于整个通信系统的性能起着举足轻重的作用。而信道模拟器就是一种模拟无线环境中信道的路径损耗、多径衰落等相关特性的测试仪器，实现在实验室中验证各种复杂场景下无线环境对终端设备或系统设备性能影响的功能。

信道模拟架构主要包括以下几个部分：射频收发模块、数模转换模块和基带信号处理模块。信道模拟架构中基带信号处理模块主要包括时延控制、信道系数存储更新、幅度衰落以及噪声控制等模块，是整个信道模拟架构的核心所在。而在基带信号处理模块两端的射频收发通道由于环境中温度、湿度变化以及器件的老化等对信号的幅度和相位的影响随时间而变化。射频通道间的幅相不一致会导致信号经过各发射通道或接收通道后，产生除信道影响以外的幅相误差，从而影响整个信道模拟架构的性能和精度。因此要保证多个射频通道的幅度相位特性一致，必须一定周期内对所有通道进行一次通道之间的幅相误差校准计算，并将通道之间的偏差补偿在链路之中。

对于一个U*S条通路的信道模拟架构来说，有U条接收通道，S条发射通道，因此校准时就需要校准U条射频接收通道之间的幅相不一致和S条射频发射通道之间的幅相不一致。多收发通道间的幅相误差一直是行业内的热门研究领域，国内外的研究人员以及从业者对多通道间的校准算法进行了大量的研究，其中主要分为时域和频域两种通道均衡方法。时域均衡基本思想是在失配通道后加上时域均衡器，从而使最后信号之间幅相满足一致性，均衡器的系数通常采用最小均方算法求解。而频域均衡器是采用傅里叶算法取得均衡器系数，采用最小二乘拟合法，使得待均衡通道和参考通道的频率响应之差为最小二范数。实际来说，两种算法是等效的。

现有的射频收发通道幅相误差校准方案主要利用软件时域或频域算法进行校准，或者利用信号发生器、频谱仪等设备进行频点的幅相校准，缺乏硬件实时在线校准的方案。近些年随着可编程逻辑模块的出现和快速发展，基于可编程逻辑模块设计和实现自适应均衡器得到了重视，由于可编程逻辑模块具有并行处理能力、易于集成和高可靠性的特点，使得可编程逻辑模块实现均衡器具有实际的工程价值。自适应算法有很多，而最小均方算法完全由加减法及乘法完成，不再需要诸如矩阵求逆等在可编程逻辑模块平台上难以实现的运算。

发明内容

技术问题：有鉴于此，本发明的目的在于基于可编程逻辑模块采用时域最小均方算法实现自适应均衡器，提供一种针对无线信道模拟架构射频通道实时校准的硬件方法。该方法可以弥补目前信道模拟架构射频通道硬件实时在线校准方案的空白。

技术方案：本发明的一种针对无线信道模拟架构射频通道的硬件实时在线校准方法基于顺序设置的输入单元、射频接收单元、模数转换单元、基带信号处理单元、数模转换单元、射频发射单元、输出单元，校准方法步骤如下：

步骤1、在基带信号处理单元的信道模拟模块前后嵌入接收校准模块和发射校准模块，并加入校准控制模块；

步骤2、对于U*S规模的信道模拟架构来说，校准信道模拟架构的U条射频接收通道时，校准控制模块启动校准，输入单元输入U路完全相同的信号进入信道模拟架构中，射频接收通道对信号进行接收，数模转换将接收信号转换为数字信号输入校准模块中；其中U为接收天线数，S为发射天线数；

步骤3、选择其中一路信号为参考信号，接收校准模块利用最小均方算法计算校准滤波器系数W；

步骤4、待校准信号x(k)经过U-1个校准滤波器模块，进行幅相校准，得到校准后的信号y(k)；y(k)＝x

步骤5、U条射频接收通道校准完成；对S条射频发射通道进行校准时，连接发射通道和接收通道，利用基带信号处理单元发送完全相同的S路基带信号，基带信号经过射频发射通道产生幅相不一致，由输出单元传入输入单元，已校准的射频接收通道对待校准信号和参考信号进行接收，利用校准模块进行幅相校准，校准的步骤与步骤3、步骤4相同，完成射频发射通道的校准。

其中，

所述输入单元，其输入信号经过射频接收通道，由于射频接收通道存在幅相不一致，导致U路信号之间产生误差，需要对射频接收通道的幅相不一致进行校准。

接收校准模块和发射校准模块的内部结构完全相同，分为两块：包括校准滤波器系数计算块和校准滤波块。

所述校准滤波器系数计算块主要分为先入先出存储模块、校准滤波器系数更新模块、误差模块、均衡器模块；校准时，校准滤波器系数计算块的先入先出存储模块首先对待校准信号和参考信号进行缓存，待校准信号x(k)输入均衡器模块与模块内预存的M抽头系数进行相乘累加，则k时刻均衡器输出为y(k)＝∑x(k-m)W

所述滤波器抽头系数W

所述接收校准模块和发射校准模块进行校准后，射频通道的幅相保持一致，相同信号经过射频通道的频率响应保持一致，对射频接收和发射通道进行相对实时的校准。

所述的校准完成后，信道模拟架构中基带信号处理单元的信道模拟模块可为输入信号加上衰落、时延影响，完成信道模拟全过程。

不同于其他将信号数据导出，在软件进行校准的校准方案，在本发明中，接收校准模块和发射校准模块完全由可编程逻辑模块实现，与信道模拟模块共同构成信道架构的基带信号处理单元。在实际操作过程中，接收校准模块对射频接收通道幅相不一致性进行校准，发射校准模块对射频发射通道幅相不一致性进行校准，使得信道模拟架构的射频通道保持一致性，保证信道模拟的精度。

本发明弥补了信道模拟架构射频通道硬件校准方案的空白，提出了一种针对无线信道模拟架构射频通道实时校准的方法，在线对信道模拟架构射频通道幅相不平衡的进行校准，受器件因素影响较小。

附图说明

图1为硬件校准架构图；

图2为校准模块内部框图；

图3为实施例中信道模拟架构双通道射频接收幅相校准流程图；

图4(a)为待校准信号与参考信号频率响应对比图；

图4(b)为校准后信号与参考信号频率响应对比图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明中，基于可编程逻辑模块实现最小均方滤波均衡器结合了自顶向下和自底向上两种方法：在定义系统结构和顶层系统模块时，采用自顶向下的方法，从整体功能出发，定义好需要的各个模块；在设计实现和系统验证过程中，采用自底向上，先实现和验证底层模块，确保每个底层模块逻辑功能没有错误之后，再实现和验证上层的大的设计模块，最后构建整个系统，校准模块内部框图如图2所示，在整个系统中，所有的数据都使用有符号定点小数，而不是浮点数，提高了硬件的运算速度，简化了运算，节省了资源。

其中滤波器系数计算块中的先入先出存储模块主要由状态机和先入先出存储模块来实现数据的缓存；均衡器模块主要由乘法器和加法器树组成有限冲激响应滤波器来实现，其中乘法器使用可编程逻辑硬核来实现；误差模块主要计算均衡器模块输出与参考信号的差值；滤波器系数更新模块则是利用乘法器对误差模块的误差和输入信号进行相乘运算，然后再与定值——迭代步长做乘法，最后使用加法器完成原系数与更新量的相加，和作为新系数输出，送至滤波器块。校准滤波块中的校准滤波器模块由乘法器和加法器组成有限冲激响应滤波器对输入信号进行滤波。

基于此，本发明提出了一个基于可编程逻辑模块实现最小均方均衡器实现信道模拟架构射频通道校准的硬件实时在线校准方案，不需要引入额外的变频校准通道且具备资源消耗小的特点。下面以信道模拟双通道射频接收幅相校准为例。如图3所示，具体包括：

步骤S1、信号输入单元输入5G NR信号；

具体的说，在本实施例中选择了利用仿真模块生成相同的两路100MHz带宽的5GNR信号x

为更明显地显现校准结果，为其中一路信号加上幅相失衡因子h＝[h1 h2]*exp(theta)。x

步骤S2、步骤S1中矢量信号发生器发出的信号经由射频电缆传输到信道模拟架构，首先经过射频接收通道；

具体的说，在本实施例，信道模拟架构中的射频收发通道由射频集成收发芯片构成。选择其中两片的接收通路来完成步骤S1中的信号传输。

步骤S3、经由步骤S2中射频接收通道的模拟射频信号经过模数转换转化为数字信号进入基带信号处理单元。校准控制模块启动校准，首先进入接收校准模块中滤波器系数计算块的先入先出存储模块。

具体来说，先入先出存储模块进行数据缓存工作，防止丢失数据，也可以防止出现时序违例错误。

步骤S4、根据先入先出存储模块出来的两路数据首先计算校准滤波器系数；

具体的说，在本实施例中，基带信号处理单元的信道模拟模块可采用通用可编程逻辑模块实现的。接收校准模块被放置在信道模拟处理模块前面。综合资源和校准精度，设计校准滤波器的抽头数M＝24。在滤波器系数计算块中，待校准信号x(k)输入均衡器模块，与模块内预存的24抽头系数进行相乘累加，则k时刻均衡器输出为y(k)＝∑x(k-m)W

步骤S5、将步骤S4滤波器系数更新模块中的抽头系数W

对于U条射频接收通道的校准与两接收通道校准原理完全相同，而S条发射通道的校准与接收通道的校准方法原理类似，在校准完接收通道后，利用射频电缆连接发射通道与接收通道，再利用发射校准模块校准发射通道即可。

为了验证本发明的有效性，通过仿真与实测对比，如图4所示，待校准通道的幅相误差得到明显改善，校准后其频率响应与参考通道的频率响应差别较小。利用可编程逻辑的在线逻辑分析功能对校准后的信号进行采集、处理和分析，发现校准后信号与参考信号的幅度均方根误差小于0.3dB,相位均方根误差小于0.3°，此硬件校准方案效果显著。

本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。