上下行波束成形測量系統和方法技術方案

本發明專利技術提供了一種上下行波束成形測量系統和方法，用于基于軟件無線電技術，一次性測量獲得完整波束成形系統的傳遞矩陣。該系統包括：上行波束成形系統的發送端，發送通道同時連接發送通道幅相一致性校準網絡的校準通道和上行波束成形網絡的饋源陣的接收通道；發送通道幅相一致性校準網絡，采用在線校準的模式；以及下行波束成形系統的接收端，接收通道連接下行波束成形網絡的饋源陣的發送通道。因此，采用本發明專利技術，確保發送端發送多路正弦信號幅相信息的精確程度，發送饋源信號的校準可以和接收饋源信號的測試同時進行，從而提高了測試系統的測試效率并有效降低了測試工作量和測試系統復雜度。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于數字信號處理領域，涉及軟件無線電技術，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和方法，用于基于軟件無線電技術，一次性測量獲得完整波束成形系統的傳遞矩陣。
技術介紹
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是波束成形(Beam-Forming，以下簡稱為BF)波束成形技術是通過在天線陣列的每個陣元上設置可實時動態調整的復加權系數，通過調整復加權系數，調整天線陣列的電流幅度和相位分布，實現對天線陣列各個波束指向的靈活控制，并優化其方向圖形狀。以上行(接收)天線陣列為例，上行波束成形網絡可將方向圖主瓣對準有用信號來向，將方向圖零陷對準干擾信號來向，從而最大程度地提高接收信號的信干比。對于下行(發送)天線陣列，下行波束成形網絡可以在不同方向形成多個波束，有效提高指定區域內的發射功率，增大衛星下行鏈路余量。從信號處理的角度，上下行波束成形系統是一個空域濾波器。在衛星通信系統中，波束成形系統主要由天線陣列、收發饋源通道及數模/模數轉換、數字信號處理器這三部分組成。波束成形技術通過在上下行成形網絡中實時調整數字信號處理器生成的饋源復加權參數，實現衛星的上下行波束交換。采用動態接續矩陣，按需要把對應的上下行波束互聯起來，以滿足波束覆蓋范圍內地面站間的通信需求。為了評估上下行波束成形的質量，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)傳遞關系。傳統的上下行波束成形系統測試方法主要依靠通用測試設備——矢量網絡分析儀，即，通過矢量網絡分析儀測量某上行饋源與某下行饋源之間的幅相關系，其中，矢量網絡分析儀測量的是上下行波束成形網絡的傳輸函數，傳輸函數在設定的載波頻率上的值就是待求的幅相關系。在測量過程中，除了待測的一對上下行饋源外，其余(N×M-2)個饋源必須端接匹配負載。假定上下行陣元數量分別是是N和M，使用矢量網絡分析儀一共需要測量N×M個幅相關系。測量過程需要頻繁調整電纜的連接關系，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一次。隨著天線陣列系統的陣元數量不斷增大和陣元信號帶寬的提升，使用矢量網絡分析儀測量上下行波束成形系統的幅相分布越來越困難，測試復雜度越來越高。因此，急需一種真正合理的測試系統，能夠考慮到上下行波束成形系統的應用背景，具有N個輸出和M個輸入，對應被測波束成形系統的N個輸入和M個輸出。測試系統通過配置N個輸出信號的幅相關系，使之與真實環境下特定入射方向信號在上行波束成形系統N個輸入饋源上形成的幅相關系一致，以保證波束信號相對于上行接收天線陣列呈現出預設的入射角度。同時，測試設備接收下行波束成形系統的M個輸出，并測量這M個輸出信號之間的幅相關系，與上下行波束成形系統預期達到的幅相分布值作對比，最終確定波束成形誤差。
技術實現思路
為了解決現有技術中存在的問題，本專利技術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的發送端使用現場可編程門陣列(FieldProgrammable Gate Array，以下簡稱為FPGA)+數字模擬轉換器(Digtial to Analog Converter，以下簡稱為DAC)的結構，在線校準和下行波束成形系統的接收端使用FPGA+模擬數字轉換器(Analog to Digtal Converter，以下簡稱為ADC)的結構，采用與上下行波束成形系統的實際工作情況完全吻合的方式，只需一次測量就可準確測得完整波束成形系統的傳遞矩陣，具有較高的測試精度，同時有效降低了測試復雜度。本專利技術的一個方面提供了一種上下行波束成形測量系統，用于基于軟件無線電技術，一次性測量獲得完整波束成形系統的傳遞矩陣。該系統包括：上行波束成形系統的發送端，發送通道同時連接發送通道幅相一致性校準網絡的校準通道和上行波束成形網絡的饋源陣的接收通道；發送通道幅相一致性校準網絡，采用在線校準的模式；以及下行波束成形系統的接收端，接收通道連接下行波束成形網絡的饋源陣的發送通道。具體的，上行波束成形系統的發送端采用現場可編程門陣列+數字模擬轉換器的結構，以及發送通道幅相一致性校準網絡和下行波束成形系統的接收端均采用現場可編程門陣列+模擬數字轉換器的結構。優選地，在上行波束成形系統的發送端中，現場可編程門陣列用于控制待發送的波束正弦信號在其發送通道中的幅度，以及通過直接數字頻率合成方式對波束正弦信號的相位進行調整，其中，波束正弦信號經處理后產生測試激勵信號并且測試激勵信號被發送至上行波束成形網絡。測試激勵信號同時還通過功分器被饋入發送通道幅相一致性校準網絡。另外，發送通道幅相一致性校準網絡接收測試系統發送至上行波束成形系統的上行信號
并通過測量發送饋源之間由有源器件功率放大器引入的幅相不一致性，為測試系統的發送端提供實時的幅相校準。下行波束成形系統的接收端用于接收下行波束成型系統輸出的下行陣元信號并測量其幅相關系。本專利技術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，根據波束信號相對于上行接收天線陣列預設的入射角度，在上行波束成形系統的發送端，采用現場可編程門陣列+數字模擬轉換器的信號處理方式，配置波束信號在發送通道中正弦信號的幅相關系；步驟二，在發送通道幅相一致性校準網絡中，采用現場可編程門陣列+模擬數字轉換器的信號處理方式，測量在校準通道中的正弦信號的相對幅相關系，作為上行天線陣列輸入饋源信號的幅相關系；步驟三，在下行波束成形系統的接收端，采用現場可編程門陣列+模擬數字轉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系，作為下行天線陣列輸出饋源信號的幅相關系；以及步驟四，根據上行天線陣列輸入饋源信號的幅相關系和下行天線陣列輸出饋源信號的幅相關系，計算獲得上下行波束成形玩過的傳輸函數，從而獲得完整波束成形系統的傳遞矩陣。額外地，本專利技術的上下行波束成形測量方法還包括：將發送通道幅相一致性校準網絡測得的饋源信號的相對幅相關系，作為校準幅相關系，反饋給上行波束成形系統的發送端；以及上行波束成形系統的發送端對校準幅相關系與發送的正弦信號的幅相關系之進行比對，并根據誤差來實時調整在發送通道中的正弦信號的幅度和相位。在步驟二中包括：通過模擬數字轉換器實現對所接收的饋源信號的數據采集并將采樣量化后獲得中頻數字信號輸入現場可編程門陣列；現場可編程門陣列對中頻數字信號進行正交下變頻處理，從而確保發送通道幅相一致性校準網絡中的各個校準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過正交下變頻處理后的信號執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系。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計量進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系。因此，采用本專利技術，設計基于軟件無線電方法的上下行波束成形測量系統，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種上下行波束成形測量系統，用于基于軟件無線電技術，一次性測量獲得完整波束成形系統的傳遞矩陣，其特征在于，包括：上行波束成形系統的發送端，發送通道同時連接發送通道幅相一致性校準網絡的校準通道和上行波束成形網絡的饋源陣的接收通道；所述發送通道幅相一致性校準網絡，采用在線校準的模式；以及下行波束成形系統的接收端，接收通道連接下行波束成形網絡的饋源陣的發送通道。

【技術特征摘要】
1.一種上下行波束成形測量系統，用于基于軟件無線電技術，一次性測量獲得完整波束成形系統的傳遞矩陣，其特征在于，包括：上行波束成形系統的發送端，發送通道同時連接發送通道幅相一致性校準網絡的校準通道和上行波束成形網絡的饋源陣的接收通道；所述發送通道幅相一致性校準網絡，采用在線校準的模式；以及下行波束成形系統的接收端，接收通道連接下行波束成形網絡的饋源陣的發送通道。2.根據權利要求1所述的上下行波束成形測量系統，其特征在于，所述上行波束成形系統的發送端采用現場可編程門陣列+數字模擬轉換器的結構，以及所述發送通道幅相一致性校準網絡和所述下行波束成形系統的接收端均采用現場可編程門陣列+模擬數字轉換器的結構。3.根據權利要求2所述的上下行波束成形測量系統，其特征在于，在所述上行波束成形系統的發送端中，所述現場可編程門陣列用于控制待發送的波束正弦信號在其發送通道中的幅度，以及通過直接數字頻率合成方式對所述波束正弦信號相位進行調整，其中，所述波束正弦信號經處理后產生測試激勵信號并且所述測試激勵信號被發送至所述上行波束成形網絡。4.根據權利要求3所述的上下行波束成形測量系統，其特征在于，在所述上行波束成形系統的發送端中，所述測試激勵信號同時還通過功分器被饋入所述發送通道幅相一致性校準網絡。5.根據權利要求2所述的上下行波束成形測量系統，其特征在于，所述發送通道幅相一致性校準網絡接收測試系統發送至所述上行波束成形系統的上行信號并通過測量發送饋源之間由有源器件功率放大器引入的幅相不一致性，為所述測試系統的發送端提供實時的幅相校準。6.根據權利要求2所述的上下行波束成形測量系統，其特征在于，所述下行波束成形系統的接收端用于接收所述下行波束成型系統輸出的下行陣元信號并測量其幅相關系。7.一種上下行波束成形測量方法，用于采用上述任一項權利要求所述的上下行波束成形測量系統，基于軟件無線電技術，一次性測量獲得完整波束成形系統的傳遞矩陣，其特征在于，包括以下步驟：步驟一，根據波束信號相對于上行接收天線陣列預設的入射角度，...

【專利技術屬性】
技術研發人員：周慧，王帥，吳越，郭宇琨，林玉潔，郝時光，
申請(專利權)人：中國空間技術研究院，
類型：發明
國別省市：北京;11