专利名称：一种紧凑结构的极化mimo信道测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种紧凑结构的极化MIMO信道测量装置；属于无线通信技术领域。
背景技术：
第四代移动通信系统的基本要求为:在室外高速移动环境下提供不低于IOOMbps的峰值传输速率，以及在室内或低速移动环境下提供不低于IGbps的峰值传输速率，且频谱效率达到5 20bps/Hz。这就要求第四代移动通信系统充分挖掘利用空间无线资源，来提高频谱利用率和功率有效性。未来移动通信系统需要同时面对的是更高的传输速率，有限的频谱资源，恶劣的传输环境，较低的发射功率等问题。MMO技术是解决这些问题的可采用的方法之一。MMO系统的信道容量主要决定于MMO信道特性，MMO信道特性常用信道模型来描述。准确的MMO信道模型对MMO系统的实现有重要的价值，而准确的MMO信道模型，往往需要对实际信道的测试数据进行处理和统计获得。近年来，多极化天线以其相关性低、尺寸小等优点，受到了广泛关注并很有可能运用于未来的MMO系统中。在分析一个极化MMO系统时，需要一个精确的极化MMO信道的模型作为研究的基础。目前针对极化MMO信道容量的分析已经做了许多理论研究，但是大部分是在已存在的空时传播模型的假设下进行的。因此，真实环境下的信道测量对于极化MIMO信道建模和容量分析变得尤为重要。MMO信道测量方法可以大致分为两类。一种是利用专用的测量设备直接对信道进行测量。一般采用一根用步进马达驱动的天线以一定的步长在一定空间内移动并记录信道数据，形成虚拟的MMO系统，避免了天线间的互耦，这样测得的信道比较精确，得到的信道数据不依赖于所用天线，但设备复杂且昂贵；另一种方法是直接使用信道估计技术获得信道矩阵，也可得到精确的信道矩阵数据。但是通过信道估计获得的信道矩阵是与所用天线相关的，不能从中分离出纯信道的信息，但是可以用于对已有信道模型的校准。目前，进行实测MMO信道实验的装置大部分是用商用的测试仪器搭建的，例如频谱仪+信号源，该方法简单方便，对于规模较小的MMO信道还可以适用，如果MMO规模较大，用多台仪器搭建测量装置的方法将会变得不且实际。
发明内容
本发明的目的在于，设计一套结构紧凑且MMO通道数目可灵活配置的信道测量装置，用于室内或室外极化MMO信道测量实验。该装置主要基于时分双工(Time DivisionDuplex,TDD)的测量，同时也支持基于射频光纤(Radio over fiber，RoF)传输技术的测量。为解决上述技术问题，本发明提供一种内部带有回退量的紧凑结构的极化MIMO
信道测量装置。本发明的技术方案是一种紧凑结构的极化MMO信道测量装置，包括发射端和接收端；所述发射端与接收端均包括用于给发射端与接收端内的各个单元供电的电源单元、用于生产发射所需要的基带信号以及采样、存储基带信号并传输采样信号到外部上位机的基带单元、用于调制发射的基带信号至射频频段以及解调射频信号至基带信号的射频单元、用于射频单元中频点的设置以及发射链路与接收链路中增益设定的控制单元和用于向空中发射射频信号和接收来自空中的射频信号的天线单元。本发明的进一步改进,所述天线单元包括天线。本发明的进一步改进，所述基带单元包括用于滤除接收信号内掺杂的干扰信号防止信号混叠的接收端低通滤波器、用于滤除发射信号内掺杂的干扰信号以及带外谐波的发射端低通滤波器、用于采集信号、存储信号以及传输信号的可编程逻辑器件，用于存储采集到的数字信号的同步动态随机存储器，用于负责数字信号与模拟信号之间转换的接收端模数转换器与发射端模数转换器，用于数模转换器的初始化寄存器操作以及与上位机之间数据传输的带有USB接口的单片机和用于信道建模及性能估算的上位机；还包括设置在发射端模数转换器与接收端模数转换器之间的锁相环模块。本发明的进一步改进，所述射频单元包括发射链单元与接收链单元；所述发射链单元包括依次相连的发射链有源低通滤波模块、发射链正交解调器模块、发射链带通滤波器、发射链可编增益放大器模块、发射链混频器、发射链带通滤波器、发射链射频功率放大器、开关切换模块和用于将信号向空中发射的天线；所述接收链单元包括依次相连的开关切换模块、接收链低噪声放大器、接收链带通滤波器、接收链射频放大器模块、接收链混频器、接收链带通滤波器、接收链自动增益调整模块、接收链带通滤波器、接收链正交解调器模块和接收链低通滤波器；还包括设置在发射链混频器与接收链混频器之间的射频本振模块和设置在发射链正交解调器模块与接收链正交解调器模块之间的中频本振模块。本发明的进一步改进，所述控制单元包括接收上位机指令用于设置射频单元中的射频本振模块与中频本振模块的振点、控制发射链路中的发射链可编增益放大器模块的增益、控制接收链路中的接收链自动增益调整模块的增益的第二可编程逻辑器件，与第二可编程逻辑器件相连的用于负责数字信号、模拟信号之间转换的数模转换模块和与数模转换模块相连的用于给基带单元与射频单元提供参考时钟的恒温晶振模块。本发明装置与现有技术相比的有益效果是:I) MIMO通道数量可以灵活配置，方便扩展，在最高配置条件下可支持6 X 6的MIMO信道测量。极化天线可以随意更换，硬件装置通用性强，可供分析不同极化MIMO信道下的特性；2)信道测量结束后数据导入上位机进行数据处理及信道建模，减少了硬件装置的设计复杂度；3)测量装置以3U机框为架构，结构紧凑，可以安装在标准的服务器机柜上，方便室内及室外不同环境下的测量。
图1是本发明的结构示意图。图2是基带单元的原理框图。图3是射频单元的原理框图。图4是控制单元的原理框图。
其中:101、电源单元；102、基带单元，201、第一可编程逻辑器件，202、发射端模数转换器，203、发射端低通滤波器，205、锁相环模块，206、接收端低通滤波器，207、接收端模数转换器，208、同步动态随机存储器，209、单片机，210、上位机，103、射频单元，301、发射链有源低通滤波模块，302、发射链正交解调器模块，303、发射链带通滤波器，304、发射链可编增益放大器模块，305、发射链混频器，306、发射链带通滤波器，307、发射链射频功率放大器，308、开关切换模块，309、天线，310、接收链低噪声放大器，311、接收链带通滤波器，312、接收链射频放大器模块，313、接收链混频器，314、接收链带通滤波器，315、接收链自动增益调整模块，316、接收链带通滤波器，317、接收链正交解调器模块，318、接收链低通滤波器，319、中频本振模块，320、射频本振模块，104、控制单元，401、第二可编程逻辑器件，402、恒温晶振模块，403、数模转换模块，105、天线单元。
具体实施例方式结合附图1-图4对本发明进一步说明:本发明的紧凑结构的极化MIMO信道测量装置，包括发射端和接收端。发射端与接收端均包括电源单元101、基带单元102、射频单元103、控制单元104和天线单元105。如图1所示基带单元102包括接收端低通滤波器206、发射端低通滤波器203、第一可编程逻辑器件201、同步动态随机存储器208、接收端模数转换器207、发射端模数转换器202、单片机209、上位机210和锁相环模块205。如图2所示射频单元103包括发射链单元与接收链单元。如图3所示发射链单元包括发射链有源低通滤波模块301、发射链正交解调器模块302、发射链带通滤波器303、发射链可编增益放大器模块304、发射链混频器305、发射链带通滤波器306、发射链射频功率放大器307、开关切换模块308和天线309。接收链单元包括依次相连的开关切换模块308、接收链低噪声放大器310、接收链带通滤波器311、接收链射频放大器模块312、接收链混频器313、接收链带通滤波器314、接收链自动增益调整模块315、接收链带通滤波器316、接收链正交解调器模块317、接收链低通滤波器318、射频本振模块320和中频本振模块319。控制单元104包括第二可编程逻辑器件401、数模转换模块403和恒温晶振模块402。如图4所示本发明所述的电源单元101为现有技术中的直流电源，用于向发射端与接收端内的给个单元供电。本发明所述的天线单元105包括天线309。本发明所述的接收端低通滤波器206、发射端低通滤波器203、第一可编程逻辑器件201、同步动态随机存储器208、接收端模数转换器207、发射端模数转换器202、单片机209、上位机210和锁相环模块205均为现有技术中的模块，其具体的组成，本发明不做详细的描述。本发明所采用的第一可编程逻辑器件201为现有技术中的Field-ProgrammableGateArray,模块,简称为FPGA模块。本发明所采用的同步动态随机存储器208为现有技术中的Synchronous DynamicRandomAccess Memory存储器模块，简称SDRAM存储器模块。本发明所述的发射链有源低通滤波模块301、发射链正交解调器模块302、发射链带通滤波器303、发射链可编增益放大器模块304、发射链混频器305、发射链带通滤波器306、发射链射频功率放大器307、开关切换模块308和天线309均为现有技术中的模块，其具体的组成，本发明不做详细的描述。本发明所述的接收链低噪声放大器310、接收链带通滤波器311、接收链射频放大器模块312、接收链混频器313、接收链带通滤波器314、接收链自动增益调整模块315、接收链带通滤波器316、接收链正交解调器模块317、接收链低通滤波器318、射频本振模块320和中频本振模块319均为现有技术中的模块，其具体的组成，本发明不做详细的描述。本发明所述的第二可编程逻辑器件401、数模转换模块403和恒温晶振模块402均为现有技术中的模块，其具体的组成，本发明不做详细的描述。本发明所采用的第二可编程逻辑器件401为现有技术中的Complex ProgrammableLogicDevice模块，简称CPLD模块。本发明的一种紧凑结构的极化MMO信道测量装置，包括发射端和接收端；所述发射端与接收端均包括用于给发射端与接收端内的给个单元供电的电源单元101、用于生产发射所需要的基带信号以及采样、存储基带信号并传输采样信号到外部上位机的基带单元102、用于调制发射的基带信号至射频频段以及解调射频信号至基带信号的射频单元103、用于射频单元中频点的设置以及发射链路与接收链路中增益设定的控制单元104和用于向空中发射射频信号和接收来自空中的射频信号的天线单元105。本发明的基带单元102包括用于滤除接收信号内掺杂的干扰信号防止信号混叠的接收端低通滤波器206、用于滤除发射信号内掺杂的干扰信号以及带外谐波的发射端低通滤波器203、用于采集信号、存储信号以及传输信号的第一可编程逻辑器件201，用于存储采集到的数字信号的同步动态随机存储器208，用于负责数字信号与模拟信号之间转换的接收端模数转换器207与发射端模数转换器202，用于数模转换器的初始化寄存器操作以及与上位机之间数据传输的带有USB接口的单片机209和用于信道建模及性能估算的上位机210 ;还包括设置在发射端模数转换器202与接收端模数转换器207之间的锁相环模块 205。本发明的射频单元103包括发射链单元与接收链单元；所述发射链单元包括依次相连的发射链有源低通滤波模块301、发射链正交解调器模块302、发射链带通滤波器303、发射链可编增益放大器模块304、发射链混频器305、发射链带通滤波器306、发射链射频功率放大器307、开关切换模块308和用于将信号向空中发射的天线309 ;所述接收链单元包括依次相连的开关切换模块308、接收链低噪声放大器310、接收链带通滤波器311、接收链射频放大器模块312、接收链混频器313、接收链带通滤波器314、接收链自动增益调整模块315、接收链带通滤波器316、接收链正交解调器模块317和接收链低通滤波器318 ;还包括设置在发射链混频器305与接收链混频器313之间的射频本振模块320和设置在发射链正交解调器模块302与接收链正交解调器模块317之间的中频本振模块319。本发明的控制单元104包括接收上位机210指令用于设置射频单元103中的射频本振模块320与中频本振模块319的振点、控制发射链路中的发射链可编增益放大器模块304的增益、控制接收链路中的接收链自动增益调整模块315的增益的第二可编程逻辑器件401，与第二可编程逻辑器件401相连的用于负责数字信号、模拟信号之间转换的数模转换模块(403)和与数模转换模块403相连的用于给基带单元102与射频单元103提供参考时钟的恒温晶振模块402。实施例:本发明的一种紧凑结构的极化MIMO信道测量装置基于TDD技术设计，同时支持RoF传输的测量，MIMO通道数量可以灵活配置，测量装置结构紧凑，室内室外无线信道测试方便。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图1-4首先对本发明的极化MMO信道测量装置的结构作一个详细讲解，然后再对测量装置的收发链路信号流程作进一步的详细阐述。本发明一种紧凑结构的极化MIMO信道测量装置的具体组装结构:本发明的极化MMO信道测量装置组装在一个3U机框内，包括发射端Tx和接收端Rx两个子系统，每个子系统内均包含电源单元101、基带单元102、射频单元103、控制单元104和天线单元105，其中一个基带单元102和一个射频单元103构成一个收发机链路，根据MMO收发通道数目的不同，可以灵活配置基带单元102和射频单元103的数量。本发明除了天线单元105外，其他所有子单元均侧插在一块背板子电路上实现电气互联。天线单元105通过射频同轴线与射频单元相连。本发明的收发链路信号流程如下所述:发射链路:基带子电路:复位后，FPGA模块201中的ROM存储单元存储的chu序列符号波形开始播放，数字信号进入发射端数模转换器202生成基带模拟信号，模拟信号进入发射端低通滤波器203滤除带外谐波产生所需要的模拟基带同向/正交(I/Q)信号。时钟锁相环模块205提供给发射端数模转换模块202所需要的采样时钟。其他通道基带子电路的信号生成方法与之类似，不同的是后面通道的FPGA模块中存储的chu序列波形不同，依次是前一通道的循环移位，以保证各通道之间的正交性。射频单元:生成的基带I/Q信号通过发射链有源低通滤波模块301，进入发射链正交解调器模块302调制到中频，发射链有源低通滤波模块301由差分运放组成，提供一个合适的直流共模电压给输出的I/Q差分信号，以满足发射链正交解调器模块302的要求。对共模电压和I/Q信号幅度、相位进行适当的调整可以改善输出信号的载波泄漏和边带抑制。中频信号随后通过发射链带通滤波器303滤除调制器产生的高价频谱，而后进入发射链可编增益放大器模块304，发射链可编增益放大器模块304由固定增益放大器和步进衰减器组成。之后进入发射链混频器305进行第二次混频到射频频段，射频信号经过发射链带通滤波器模块306滤波，进入发射链射频功率放大器模块307放大，通过开关切换模块308最后由天线309向空中发射射频信号。射频本振模块320和中频本振模块319分别完成对射频本振和中频本振频点的配置。接收链路:射频单元:来自空中的射频信号由天线309接收，通过开关切换模块308进入接收链低噪声放大器模块310，然后通过接收链带通滤波器311选择频段，而后经过接收链射频放大器模块312进行适当放大，进入接收链混频器模块313进行混频，然后通过接收链带通滤波器314选择通道，紧接着进入接收链自动增益调整模块315，根据输入信号的强弱调整增益的大小。然后通过接收链带通滤波器316后进入接收链正交解调器模块317解调成基带I/Q信号，最后经过接收链低通滤波器318进入基带子电路进行采样，防止信号混叠。系统工作在TDD模式下，所以接收链路和发射链路中的射频频点和中频频点相同。基带单元:基带I/Q信号经过接收端低通滤波器206进入接收端模数转换模块207进行采样，采样的数字信号进入FPGA模块201中的先入先出存储单元(Fist In FirstOut, FIFO)中，FIFO写满一半后随即写入SDRAM存储器模块208中。SDRAM存储器模块由2个存储容量为512Mbit的SDRAM组成。FIFO读出并写入存储器模块的速度要高于数模转换模块写入FIFO的速度，从而确保FIFO在整个过程中不会溢出。SDRAM存满后，数据经过FPGA中的另外一个FIFO转入单片机模块209中，最后通过USB总线传到上位机210中，信道建模及性能估计在上位机210中的Matlab软件中完成。时钟锁相环模块205提供给模数转换模块202所需要的采样时钟。控制子电路:恒温晶振模块402为基带单元和射频单元提供高性能的IOMHz参考时钟，CPLD模块401在接收到来自上位机210的频率微调指令后可以通过数模转换模块403实现对恒温晶振模块的频率控制。另外，CPLD模块还可以接收上位机210的其他相关指令，完成射频子电路中射频本振模块320和中频本振模块319的频点设置，以及发射链路中的发射链可编增益放大器模块304和接收链路中的接收链自动增益调整模块315中步进衰减器的设定。以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
权利要求
1.一种紧凑结构的极化MIMO信道测量装置，其特征在于:包括发射端和接收端；所述发射端与接收端均包括用于给发射端与接收端内的各个单元供电的电源单元(101)、用于生产发射所需要的基带信号以及采样、存储基带信号并传输采样信号到外部上位机的基带单元(102)、用于调制发射的基带信号至射频频段以及解调射频信号至基带信号的射频单元(103)、用于射频单元中频点的设置以及发射链路与接收链路中增益设定的控制单元(104)和用于向空中发射射频信号和接收来自空中的射频信号的天线单元(105)。
2.根据权利要求1所述的紧凑结构的极化MIMO信道测量装置，其特征在于:所述天线单元(105)包括天线(309)。
3.根据权利要求1所述的紧凑结构的极化MIMO信道测量装置，其特征在于:所述基带单元(102)包括用于滤除接收信号内掺杂的干扰信号防止信号混叠的接收端低通滤波器(206)、用于滤除发射信号内掺杂的干扰信号以及带外谐波的发射端低通滤波器(203)、用于采集信号、存储信号以及传输信号的第一可编程逻辑器件(201)，用于存储采集到的数字信号的同步动态随机存储器(208)，用于负责数字信号与模拟信号之间转换的接收端模数转换器(207)与发射端模数转换器(202)，用于数模转换器的初始化寄存器操作以及与上位机之间数据传输的带有USB接口的单片机(209)和用于信道建模及性能估算的上位机(210);还包括设置在发射端模数转换器(202)与接收端模数转换器(207)之间的锁相环模块(205)。
4.根据权利要求1所述的紧凑结构的极化MIMO信道测量装置，其特征在于:所述射频单元(103)包括发射链单元与接收链单元；所述发射链单元包括依次相连的发射链有源低通滤波模块(301)、发射链正交解调器模块(302)、发射链带通滤波器(303)、发射链可编增益放大器模块(304)、发射链混频器(305)、发射链带通滤波器(306)、发射链射频功率放大器(307)、开关切换模块(308)和用于将信号向空中发射的天线(309);所述接收链单元包括依次相连的开关切换模块(308)、接收链低噪声放大器(310)、接收链带通滤波器(311)、接收链射频放大器模块(312)、接收链混频器(313)、接收链带通滤波器(314)、接收链自动增益调整模块(315)、接收链带通滤波器(316)、接收链正交解调器模块(317)和接收链低通滤波器(318);还包括设置在发射链混频器(305)与接收链混频器(313)之间的射频本振模块(320)和设置在发射链正交解调器模块(302)与接收链正交解调器模块(317)之间的中频本振模块(319)。
5.根据权利要求1所述的紧凑结构的极化MIMO信道测量装置，其特征在于:所述控制单元(104)包括接收上位机(210)指令用于设置射频单元(103)中的射频本振模块(320)与中频本振模块(319)的振点、控制发射链路中的发射链可编增益放大器模块(304)的增益、控制接收链路中的接收链自动增益调整模块(315)的增益的第二可编程逻辑器件(401)，与第二可编程逻辑器件(401)相连的用于负责数字信号、模拟信号之间转换的数模转换模块(403)和与数模转换模块(403)相连的用于给基带单元(102)与射频单元(103)提供参考时钟的恒温晶振模块(402)。
全文摘要
本发明的目的在于，设计一套结构紧凑且MIMO通道数目可灵活配置的信道测量装置，用于室内或室外极化MIMO信道测量实验。该装置主要基于时分双工的测量，同时也支持基于射频光纤传输技术的测量。本发明包括发射端和接收端；发射端与接收端均包括用于给发射端与接收端内的各个单元供电的电源单元、用于生产发射所需要的基带信号以及采样、存储基带信号并传输采样信号到外部上位机的基带单元、用于调制发射的基带信号至射频频段以及解调射频信号至基带信号的射频单元、用于射频单元中频点的设置以及发射链路与接收链路中增益设定的控制单元和用于向空中发射射频信号和接收来自空中的射频信号的天线单元。
文档编号H04B17/00GK103152112SQ20131003524
公开日2013年6月12日 申请日期2013年1月29日 优先权日2013年1月29日
发明者周健义, 季连庆, 赵嘉宁 申请人:东南大学