CN102136860A - 用于发射数字波束形成技术的通道校正系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于发射数字波束形成技术的发射通道误差校正系统和方法，系统包括发射通道、权值控制单元、数字波束形成单元、合成单元、矢网分析仪、接收处理单元、校正计算单元和存储单元。本发明的方法包括：1.获取内校正系数、系统校正系数、外校正系数；2.判断是否需要更新校正系数，如果是，转步骤3；否则，转步骤5；3.更新内校正系数；4.更新系统校正系数；5.校正发射通道；6.判断是否停止校正，如果是，则结束校正；否则，转步骤2。本发明的方法大量简化计算量，减少设备的使用；充分利用发射数字多波束形成技术中的波束形成权值，灵活控制发射通道的输出，保证各发射通道中校正信号特性参数的一致性，更有效地形成期望波束。

Description

用于发射数字波束形成技术的通道校正系统及方法

技术领域

本发明涉及雷达测控通信技术领域，更进一步涉及一种用于校正发射数字波束形成技术中通道误差的系统及方法，用于解决发射数字波束形成系统中多天线和多发射通道幅相响应不一致的问题。

背景技术

目前，国内外在雷达测控通信技术领域中，校正发射数字波束系统幅相误差主要采用注入参考校正和盲校正两种方法。

叶四清等人在其专利申请文件《一种发射通道校正的方法及系统》(公开号CN101304276A，申请号200810029111，申请日2008.6.30)中公开了一种注入参考校正方法。该方法在每个发射通道中注入通道校正信号，接收通过每个发射的通道校正信号，根据接收到的通道校正信号计算出每个发射通道的校正系数。这种方法只能校正从基带到发射天线口的通道，而不能校正包括发射天线在内的整个发射通道。注入校正信号时，需要在各个发射通道间轮流注入，难以保证各个发射通道中校正信号特性参数的一致性。

S.Kobayakawa，M.Tsutsui and Y.Tanaka等人在文献“A Blind Calibration Method for an Adaptive Array Antena in DS-CDMA System Using an MMSE Algorithm”(VTC2000-Spring Tokyo.2000IEEE 51st，Vol 1，page 21)中公开了一种盲校正装置。该装置采用NLMS自适应算法，对从发射天线通道直接耦合得到的参考信号和经过发射天线各射频通道的采样信号做迭代运算，从而得到每个发射通道的校正权值。盲校正方法对所应用的环境和采集的信号数据要求苛刻。它要求由发射天线通道直接耦合得到的参考信号数据和经过发射天线各射频通道的采样数据严格同步，否则自适应迭代算法将发散，达不到校正的目的。然而在实际的通信环境中，发射天线通道直接耦合得到的参考信号数据和经过发射天线各射频通道的采样数据很难做到严格同步，因此盲校正方法在发射数字波束形成技术中难以直接应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种基于发射数字波束形成技术的校正系统，以及应用此系统校正发射通道幅相误差的方法，从而可以使发射数字波束形成技术中各发射通道的幅相响应一致。

本发明的通道误差校正系统包括发射通道、权值控制单元、数字波束形成(Digital Beam Forming，DBF)单元、合成单元、矢网分析仪、接收处理单元、校正计算单元和存储单元。发射通道包括多个发射机和发射天线通道。权值控制单元通过总线与DBF单元相连，DBF单元通过同轴线缆与发射机相连，发射机的输出端通过同轴线缆与发射天线相连。合成单元输入端通过耦合器与发射机相连，输出端通过同轴线缆与矢网分析仪相连。接收单元的输出端通过总线与校正计算单元相连。存储单元通过总线与校正计算单元和权值控制单元相连。

使用本发明的幅相误差校正系统对发射数字波束形成技术中N个发射通道实现幅相误差校正的步骤如下：

(1)获取内校正系数。

1a)在N个发射通道中任选一个作为标准通道，设置标准通道内校正系数为1；在除标准通道外的N-1个发射通道中任选一个作为待测通道。

1b)权值控制单元输出一组波束形成权值到DBF单元，波束形成权值将标准通道和待测通道的权值设置为1，其余N-2个通道的权值设置为0。

1c)将校正信号输入到DBF单元，DBF单元将接收到的校正信号经过预处理与波束形成权值相乘得到N路基带数字复信号，经上变频得到N路中频模拟实信号送给发射机。

1d)合成单元经发射机耦合出N路射频信号，将标准通道的射频信号直接送给矢网分析仪作为标准信号，其余N-1个通道的射频信号合成一路送给矢网分析仪作为待测信号。

1e)从矢网分析仪读取待测信号相对于标准信号的相位差和幅度差，将相位差和幅度差以复数形式表示为待测通道的内校正系数。

1f)判断是否测完所有发射通道，如果是，存储所有发射通道内校正系数，结束操作；否则，在除标准通道及其已测通道之外的发射通道中任选一个作为待测通道，并重复步骤1b)、1c)、1d)、1e)、1f)。

(2)获取系统校正系数。

2a)在N个发射通道中任选一个作为待测通道；

2b)权值控制单元输出一组波束形成权值到DBF单元，波束形成权值将待测通道权值设置为1，其余N-1个通道的权值设置为0。

2c)将校正信号输入到DBF单元，DBF单元将接收到的校正信号经过预处理与波束形成权值相乘得到N路基带数字复信号，经上变频得到N路中频模拟实信号送给发射机，发射机输出的N路射频信号通过天线发射；DBF单元将步骤2a)中所选取的待测通道的基带数字复信号送给校正计算单元作为标准信号。

2d)接收处理单元将接收到的一路射频信号经预处理得到一路基带数字复信号，送给校正计算单元作为待测信号。

2e)校正计算单元提取所接收到的标准信号和待测信号的特性参数，比较得到待测通道的系统校正系数。

2f)判断是否测完所有发射通道，如果是，存储所有发射通道系统校正系数，结束操作；否则，在除已测通道之外的发射通道中任选一个作为待测通道，并重复步骤2b)、2c)、2d)、2e)、2f)。

(3)获取外校正系数。权值控制单元从存储单元调用各发射通道的系统校正系数与内校正系数，对应相除后获得外校正系数，并存储到存储单元。

(4)判断是否需要更新校正系数。如果是，转步骤(5)；否则，转步骤(7)。

(5)更新内校正系数。采用步骤(1)的方法更新内校正系数。

(6)更新系统校正系数。权值控制单元从存储单元调用各发射通道的内、外校正系数，对应相乘得到系统校正系数并存储到存储单元。

(7)校正发射通道。权值控制单元将系统校正系数送给DBF单元，DBF单元将系统校正系数与发射通道数据对应相乘，实现发射通道校正。

(8)判断是否停止校正。如果是，则结束校正；否则，转步骤(4)。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明对包括发射天线通道在内的发射通道进行校正，克服了现有方法未对发射天线通道进行校正的不足，使得各通道的幅相响应更加一致，可以更有效地形成期望的波束。

(2)本发明通道校正方法充分利用发射数字波束形成技术中的波束形成权值，灵活控制多个发射通道的输出，克服了现有方法必须将校正信号分时注入到每个通道的缺点，可以保证多个发射通道中校正信号特性参数的一致性，使得获取的误差校正系数更准确。

(3)本发明对所应用的环境和校正信号没有严格要求，具有更广泛的适用范围。

(4)本发明通道校正方法根据发射天线各通道幅相误差基本不变(即外校正系数为确定常数)这一特点，将复杂的系统校正系数获取方法分成重复性的简单内校正和单次的复杂外校正，大量简化计算量，并减少设备的使用，克服了传统方法在计算系统校正系数方面繁琐的缺点。

附图说明

图1为本发明系统的方框图；

图2为本发明合成单元方框图；

图3为本发明方法流程图。

具体实施方式：

下面结合附图1和附图2对本发明通道误差校正系统做进一步的描述。

本发明的系统包括发射通道、存储单元、权值控制单元、DBF单元、合成单元、矢网分析仪、接收处理单元和校正计算单元。发射通道包括N个发射机通道和发射天线通道，通道个数N根据用户需要选择，本实施例中选取通道个数N为16。发射机与发射天线通过同轴线缆相连。由一片数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)实现的权值控制单元通过数据总线与DBF单元和存储单元相连。权值控制单元实现三个功能：第一，控制发射通道输出。权值控制单元产生一组波束形成权值送给DBF单元，由波束形成权值控制发射通道的输出；第二，计算外校正系数。从存储单元调用每个发射通道的系统校正系数和内校正系数，对应相除得到外校正系数；第三，更新系统校正系数并送给DBF单元。从存储单元调用每个发射通道的内、外校正系数，对应相乘得到系统校正系数并存储。DBF单元由一路高速模数转换器(ADC)、一片现场可编程门阵列(Field Programmable Gates Array，FPGA)和16路数字上变频器(DUC)组成。ADC对输入信号进行采样；FPGA对采样得到的数字实信号进行数字正交插值，将正交插值后的基带数字复信号与波束形成权值相乘得到16路基带数字复信号，并在获取系统校正系数时将待测通道的基带数字复信号输出到校正计算单元；DUC对16路基带数字复信号做数字上变频得到16路中频模拟信号。DUC的输出端通过同轴线缆与发射机相连。

图2中的合成单元由16路耦合器和一个合成器组成，耦合器从发射机通道耦合出16路射频信号，将标准通道的射频信号送给矢网分析仪作为标准信号，其余15个通道的射频信号通过合成器合成后送给矢网分析仪作为待测信号。矢网分析仪比较得到待测信号相对于标准信号的幅度差和相位差。接收处理单元由接收天线、接收机、一路ADC、一片FPGA组成，与发射天线无线连接，与校正计算单元通过总线相连。接收天线接收射频信号送给接收机；接收机将射频信号下变频到中频；ADC对接收机输出的中频模拟实信号进行带通采样；FPGA对ADC采样得到中频数字复信号做正交插值，得到基带数字复信号送给校正计算单元。校正计算单元由一片DSP实现，将从DBF单元和接收处理单元得到的基带数字比较得到系统校正系数并存储到存储单元。校正计算单元与存储单元通过总线相连。存储单元采用一片容量为256M的FLASH芯片，用来存储获取的内、外校正系数以及系统校正系数。

下面结合附图3，对本发明实现16个发射通道误差校正的方法做进一步描述，其具体步骤如下：

步骤1.获取内校正系数。

1a)在16个发射通道中任选一个作为标准通道，设置标准通道内校正系数为1，在除标准通道外的发射通道中任选一个作为待测通道。

1b)DSP输出一组波束形成权值到FPGA，波束形成权值将标准通道和待测通道的权值设置为1，其余14个通道的权值设置为0。

1c)将校正信号输入到DBF单元，DBF单元中的ADC对接收到的校正信号做数字带通采样，将采样得到的数字中频信号送给FPGA实现数字正交插值。FPGA将基带数字复信号与波束形成权值相乘得到16路基带数字复信号，经DUC上变频得到16路中频模拟实信号送给发射机。

本发明中数字正交插值实现方法是：将ADC采样得到的数字实信号分为两路，分别与两路相互正交的数字本振相乘，将中频信号下变频到基带，并通过低通滤波器取出基带内频谱，经1/2抽取后得到基带数字复信号。

1d)耦合器经发射机耦合出16路射频信号，将标准通道的射频信号直接送给矢网分析仪作为标准信号，其余15个通道的射频信号通过合成器合成一路送给矢网分析仪作为待测信号。

1e)从矢网分析仪读取待测信号相对于标准信号的相位差和幅度差，将相位差和幅度差以复数形式表示为待测通道的内校正系数。

1f)判断是否测完所有发射通道，如果是，存储所有发射通道内校正系数C_in，结束操作；否则，在除标准通道及其已测通道之外的发射通道中任选一个作为待测通道，并重复步骤1b)、1c)、1d)、1e)、1f)。

步骤2.获取系统校正系数。

2a)在16个发射通道中任选一个作为待测通道。

2b)DSP输出一组波束形成权值到FPGA，波束形成权值将待测通道权值设置为1，其余N-1个通道的权值设置为0。

2c)将校正信号输入到DBF单元，DBF单元中的ADC对接收到的校正信号做数字带通采样，将采样得到的数字中频信号送给FPGA实现数字正交插值得到基带数字复信号。数字正交插值实现方法与步骤1b)所述的具体步骤相同。FPGA将基带数字复信号与波束形成权值相乘得到16路，并将待测通道的基带数字复信号通过数据总线送给校正计算单元作为标准信号。DUC将16路基带数字复信号进行上变频，得到16路中频模拟实信号并送给发射机。

2d)接收天线将接收到的一路射频信号经接收机模拟下变频为中频信号，ADC对其进行数字带通采样得到一路数字中频信号，经过FPGA正交插值得到一路基带数字复信号，将其送给校正计算单元作为待测信号。

2e)校正计算单元提取所接收到的标准信号和待测信号的特性参数，比较得到待测通道的系统校正系数。其处理过程是：校正计算单元分别对标准信号和参考信号进行FFT变换，得到标准信号的频谱并搜索其谱峰，假设谱峰在第p个位置，对应的幅值为N_p；找到待测信号频谱第p个位置的幅值N′_p，则待测通道的幅相误差校正系数为N_p/N′_p。

2f)判断是否测完所有发射通道，如果是，存储所有发射通道系统校正系数C_sys，结束操作；否则，在除已测通道之外的发射通道中任选一个作为待测通道，并重复步骤2b)、2c)、2d)、2e)、2f)。

步骤3.获取外校正系数。权值控制单元从存储单元调用各发射通道的系统校正系数与内校正系数，对应相除后获得外校正系数，即C_out＝C_sys/C_in，其中C_out为外校正系数，C_sys为系统校正系数，C_in为内校正系数，将外校正系数存储到存储单元。

步骤4.判断是否需要更新校正系数。如果是，转步骤5；否则，转步骤7。

步骤5.采用步骤1的方法更新内校正系数，得到更新的内校正系数C′_in。

步骤6.更新系统校正系数。权值控制单元从存储单元调用各发射通道的内、外校正系数，对应相乘得到系统校正系数，即C′_sys＝C′_in·C_out，并更新的系统校正系数存储到存储单元。

步骤7.校正发射通道。权值控制单元将系统校正系数C′_sys送给DBF单元，DBF单元将系统校正系数与发射通道数据对应相乘，实现发射通道校正。

步骤8.判断是否停止校正。如果是，则结束校正；否则，转步骤4。

Claims (6)

1.一种用于发射数字波束形成技术的通道校正系统，包括发射通道、接收处理单元、校正计算单元、存储单元，其特征在于：所述的发射通道包括多个发射机和发射天线通道，权值控制单元通过总线与DBF单元相连，DBF单元通过同轴线缆与发射机相连，发射机的输出端通过同轴线缆与发射天线相连，合成单元输入端通过耦合器与发射机相连，输出端通过同轴线缆与矢网分析仪相连，所述的接收处理单元的输出端通过总线与校正计算单元相连，所述的存储单元通过总线与校正计算单元和权值控制单元相连。

2.根据权利要求1所述的一种用于发射数字波束形成技术的通道校正系统，其特征在于，所述的发射通道包括N个通道，任选其中一个作为标准通道。

3.根据权利要求1所述的一种用于发射数字波束形成技术的通道校正系统，其特征在于，所述的合成单元由N路耦合器和一个合成器组成，耦合器与发射机通道相连，标准通道对应的耦合器输出端通过同轴线缆与矢网分析仪相连，其余N-1个通道对应的耦合器输出端通过同轴线缆与合成器相连，合成器的输出端通过同轴线缆与矢网分析仪相连。

4.一种用于发射数字波束形成技术的通道校正方法，其特征在于，对发射数字波束形成技术中N个发射通道实现幅相误差校正的步骤如下：

(1)获取内校正系数并存储到存储单元；

(2)获取系统校正系数并存储到存储单元；

(3)获取外校正系数：权值控制单元从存储单元调用各发射通道的系统校正系数与内校正系数，对应相除后获得外校正系数，并存储到存储单元；

(4)判断是否需要更新校正系数，如果是，转步骤(5)；否则，转步骤(7)；

(5)采用步骤(1)的方法更新内校正系数；

(6)更新系统校正系数：权值控制单元从存储单元调用各发射通道的内、外校正系数，对应相乘得到系统校正系数并存储到存储单元；

(7)校正发射通道：权值控制单元将系统校正系数送给DBF单元，DBF单元将系统校正系数与发射通道数据对应相乘，实现发射通道校正；

(8)判断是否停止校正，如果是，则结束校正；否则，转步骤(4)。

5.根据权利要求4所述的一种用于发射数字波束形成技术的通道校正方法，其特征在于，所述步骤(1)的具体步骤如下：

1a)设置标准通道内校正系数为1，在除标准通道外的N-1个发射通道中任选一个作为待测通道；

1b)权值控制单元输出一组波束形成权值到DBF单元，波束形成权值将标准通道和待测通道的权值设置为1，其余N-2个通道的权值设置为0；

1c)将校正信号输入到DBF单元，DBF单元将接收到的校正信号经过预处理与波束形成权值相乘得到N路基带数字复信号，经上变频得到N路中频模拟实信号送给发射机；

1d)合成单元经发射机耦合出N路射频信号，将标准通道的射频信号直接送给矢网分析仪作为标准信号，其余N-1个通道的射频信号合成一路送给矢网分析仪作为待测信号；

1e)从矢网分析仪读取待测信号相对于标准信号的相位差和幅度差，将相位差和幅度差以复数形式表示为待测通道的内校正系数；

1f)判断是否测完所有发射通道，如果是，存储所有发射通道内校正系数，结束操作；否则，在除标准通道及其已测通道之外的发射通道中任选一个作为待测通道，并重复步骤1b)、1c)、1d)、1e)、1f)。

6.根据权利要求4所述一种用于发射数字波束形成技术的通道校正方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体步骤如下：

2a)在N个发射通道中任选一个作为待测通道；

2b)权值控制单元输出一组波束形成权值到DBF单元，波束形成权值将待测通道权值设置为1，其余N-1个通道的权值设置为0；

2c)将校正信号输入到DBF单元，DBF单元将接收到的校正信号经过预处理与波束形成权值相乘得到N路基带数字复信号，经上变频得到N路中频模拟实信号送给发射机，发射机输出的N路射频信号通过天线发射，DBF单元将步骤2a)中所选取的待测通道的基带数字复信号送给校正计算单元作为标准信号；

2d)接收处理单元将接收到的一路射频信号经预处理得到一路基带数字复信号，送给校正计算单元作为待测信号；

2e)校正计算单元提取所接收到的标准信号和待测信号的特性参数，比较得到待测通道的系统校正系数；

2f)判断是否测完所有发射通道，如果是，存储所有发射通道系统校正系数，结束操作；否则，在除已测通道之外的发射通道中任选一个作为待测通道，并重复步骤2b)、2c)、2d)、2e)、2f)。

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