一种面向并行多通道无线信道测量的校准方法及其系统与流程

本发明涉及一种面向并行多通道无线信道测量的校准方法，同时也涉及用于实现该校准方法的校准系统，属于通信测试技术领域。

背景技术：

在现有的通信测试技术中，对并行多通道无线信道的校准方案基本是由单通道情景下的校准方案演变而来的。该校准方案依靠多路复用开关实现多通道的切换以实现多通道的校准和测量，同一时刻只有一路通道被测量，因此本质上是基于时分的测量校准方案。在该校准方案中，测量信号不需要互相正交，因此结构相对简单，系统实现成本较低。另外，收发端的天线数量可以灵活切换。但是，该校准方案对收发两端同步切换的控制要求非常严格，并且测量时间一般较长，不适合高速运动场景。

图1所示为上述校准方案的一个示例中，具有8天线端口的收发端连接8×1多路复用器开关模块的连接框图。其中，收发两端分别装有一款端接8×1多路复用器开关模块用于校准，发送天线(tx1，tx2……tx8)与接收天线(rx1，rx2……rx8)通过8×1多路复用器开关模块选择一路发送天线和接收天线，得到该发送天线和该接收天线之间的频率响应校准结果，切换多路复用开关得到频响矩阵h(f)。

另一方面，mimo(多输入多输出)技术能够利用发射端的多个天线各自独立发送信号，同时在接收端用多个天线接收并恢复原信息，从而在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的吞吐量、传送距离和频谱利用率。利用mimo技术并行测量多通道的无线信道，具有更快的测量速度，特别适合于高速运动场景。

在理想状态下，接收端和发送端的开关能够同时进行切换。然而在实际操作过程中，接收端和发送端的开关切换总是存在一定的误差，该误差是由于接收端和发送端的时钟抖动而引起的，并且开关切换的次数越多引入的时钟抖动误差也会越大。在美国专利us8,477,866b2中，提出在测量每一次的信道响应之后，利用相邻信道之间的相对特征响应计算出每一对信道之间的响应特性从而实现每对信道的校准。该发明所采用的算法简单说明如下：

首先，链接n路发送到m路测量的通路，利用矢量网络分析仪测量通路中无源器件的信道响应特征s

其次，校准测量流程分为发送端和接收端两部分，在测量n路发送通道的信道响应时只需要一路接收通道，这n路发送通道以时分的方式发送数据，接收通道依次接收n路发送通道的数据；在测量m路接收通道的信道响应时只需要一路发送通道，接收通道依次接收这一路发送通道发送的数据，具体流程如图2和图3所示：

最后，通过n路发送信道响应h11(f)…hn1(f)和m路接收信道响应h11(f)…h1m(f)计算出n路发送m路接收通道的信道响应矩阵h(f)n×m。令第i路发送到第j路接收的通道的信道响应为hij(f)，则有

利用上述公式，假设在测量过程中的校准响应保持不变，则在后续测量中计算得到校准信道响应的响应矩阵h(f)n×m，完成校准。

从发送端和接收端的校准流程可以看出，在天线端口增多的情况下，上述算法能够大大降低开关切换的次数，将原来需要64次切换降为只需要16次切换就可以得到64组tx/rx信道响应特征，大大减少了开关切换的次数，降低了由于反复切换引起的时钟抖动的问题。但是，上述算法并没有从根本上解决开关切换带来的时间抖动问题，测量时时钟抖动的误差依然存在。

实践证明，并行多通道无线信道测量的校准不仅要考虑单对单的收发通道的信道响应特性，还要考虑多通道之间的信号干扰、时钟相位抖动、器件时延等多种实际情况引入的信道响应误差。另外，多路并发探测信号即便采用正交序列，由于接收端时延的不同也会相互形成干扰，影响校准精度。

技术实现要素：

本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种面向并行多通道无线信道测量的校准方法。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种用于实现上述校准方法的校准系统。

为实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，提供一种面向并行多通道无线信道测量的校准方法，在发送端和接收端分别添加一路校准接收通道和一路校准发送通道，包括如下步骤：

在校准过程中，通过射频线直接连通发送端和接收端，断开校准接收通道和校准发送通道，测试无源器件的响应特性；

在测量过程中，保持发送端和接收端断开，分别连接校准接收通道和校准发送通道，在空口测量中由校准接收通道/校准发送通道配合测量通道校准发送端和接收端的信道响应特性。

其中较优地，在校准过程中，所述发送端/所述接收端以码分复用的方式实现多通道数据的并行发送/接收，并利用正交序列区分不同的发送端口/接收端口。

其中较优地，所述接收端利用正交序列的相关性找到峰值后通过fft变换到频域，从而测量得到信道的频率响应矩阵。

其中较优地，所述接收端选择第j路接收通道，生成发送端第i路发送的本地序列，将第j路的接收序列与本地i路序列做相关运算得到相关峰值，然后通过fft变换到频域，得到频域信道响应特性；由此循环处理，得到全部通路的信道响应结果；其中，i、j均为正整数。

其中较优地，在测量发送通道处于静默周期时，校准发送通道发送一个循环检测的窄脉冲信号，所述窄脉冲信号的发送需要满足测量发送通道和测量接收通道的时延要求。

其中较优地，所述发送端发送信号时，所述校准发送通道关闭；当所述信号发送结束后，所述校准发送通道开始发送窄脉冲信号。

其中较优地，在所述发送端和所述接收端，利用gps接收机提供的秒脉冲作为初始的同步触发信号源；将初始的同步触发信号作为基准信号，由此产生周期的触发信号，送到发送/接收的各个通道。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种面向并行多通道无线信道测量的校准系统，其中在发送端设置有多个分路器和一路校准接收通道，在接收端设置有多个合路器和一路校准发送通道；其中，所述分路器用于在测量过程中将发送信号同时分为两路，分别发送给天线端口和校准接收通道；所述合路器用于保障接收端在测量过程中接收天线端口输出的测量信号和校准发送通道输出的校准测量信号。

其中较优地，所述发送端的输出信号经过多个1×2分路器后送入n×1合路器中，所述n×1合路器的输出端连接1×n分路器的输入端，所述1×n分路器的输出端连接多个2×1合路器的输入端，所述2×1合路器的输出端连接所述接收端；所述校准接收通道从n×1合路器的输出端引出，所述校准发送通道从1×n分路器的输入端引出。

与现有技术相比较，本发明实现了在同一时刻多通道数据的并发并收，在缩短了校准时间的同时更加满足高速场景下信道测量的需求。同时，在收发两端分别添加了一路校准发送通道和一路校准接收通道，能够实时在线监督当前时刻下多通道相互之间的信道响应的特性，保证了在信道测量过程中能够避免由于多通道之间的相互干扰影响带来的测量误差。

附图说明

图1为现有技术中，一个并行多通道无线信道的校准方案的示例图；

图2为现有技术中，发送端利用相邻信道关系进行信道校准的流程图；

图3为现有技术中，接收端利用相邻信道关系进行信道校准的流程图；

图4为本发明的一个实施例中，八天线端口并行发送/接收数据的框图；

图5为本发明所提供的并行多通道无线信道测量的校准方法的逻辑框图；

图6为本发明所提供的并行多通道无线信道测量的校准方法的流程图；

图7(a)～图7(c)为本发明中，从8个发送通路到8个接收通路的连接关系示例图；

图8为本发明中，计算校准信道频率响应的流程图；

图9为本发明中，测量发送通道和校准发送通道之间的工作时序图；

图10(a)～是图10(c)分别为使用原始数据、校准数据、利用校准数据补偿的情况下，64组收发天线对两两的多径时延功率谱示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容进行详细具体的说明。

图4为本发明的一个实施例中，八天线端口并行发送/接收数据的框图。其中，天线tx1～tx8同时发送数据，天线rx1，rx2……rx8同时接收由tx1～tx8发送来的数据。这样无需开关反复切换，只需要一次发送就可以同时得到各发送通道和接收通道的频率响应矩阵。相对于传统的校准方案，本发明所提供的校准方法同时发送和接收校准数据，避免使用开关切换，解决了由于频繁的开关切换而引入的时间抖动问题，提高了测量精度。

另一方面，考虑到多路并发探测信号会相互形成干扰，并且由于时钟不同步和射频器件的非理想性，导致相位抖动等干扰是时变的，在测量过程中的信道相互干扰无法获取，将会给测量结果带来误差。为此，有必要对误差情况进行实时监督。

为了实现实时监督功能，解决并行多通道下射频器件和时钟不同步造成的多通道之间时变响应的相关性，在测量过程中得到n路发送或接收通道之间的信道响应差，本发明在发送端和接收端各添加了一路校准接收通道和校准发送通道。利用这两路通道可以记录当前时刻下n路发送通路和接收通路的信道响应，从而计算出tx2～tx8路与tx1路的信道响应关系和rx2～rx8路与rx1路的信道响应关系，在后续处理中消去多通道之间的信道响应对测量无线信道响应带来的误差。下面将结合具体实施例对此展开详细具体的说明。

图5为本发明所提供的并行多通道无线信道测量的校准方法的逻辑框图。在该校准方法中，不再采用原有的时分复用选择开关，而是在发送端和接收端分别添加了一路校准接收通道和一路校准发送通道，用于实时在线监督当前时刻下多通道相互之间的信道响应特性，保证在信道测量过程中能够避免由于多通道之间相互干扰带来的测量误差。

在图5所示的实施例中，在发送端添加1×2的分路器和一路校准接收通道，以及在接收端添加2×1的合路器和一路校准发送通道。1×2分路器的主要作用是在测量过程中将发送信号同时分为两路分别发送给天线端口和校准接收通道。2×1合路器的主要作用是在测量时保障接收端能够在测量过程中接收天线端口输出的测量信号和校准发送通道输出的校准测量信号。这两路通道的添加实现了发送端口和接收端口信道响应特性的实时监督功能。

考虑到在实际测量过程中测量信号的发送通道和接收通道相隔较远，为了保证校准过程不受物理距离的影响，本发明中没有采用通过射频线将发送端和接收端直接连接起来的传统方案，而是采用添加校准通道的方法实现实时监督和校准。其中，测量发送通路(即发送端)的输出信号经过多个1×2分路器后送入n×1合路器中，该n×1合路器的输出端(图5中的a点)连接1×n分路器的输入端(图5中的b点)。1×n分路器的输出端连接多个2×1合路器的输入端，2×1合路器的输出端连接测量接收通路(即接收端)。校准接收通道从n×1合路器的输出端(图5中的a点)引出，而校准发送通道从1×n分路器的输入端(图5中的b点)引出。

图6为本发明所提供的并行多通道无线信道测量的校准方法的流程图。在校准过程中，通过射频线直接连通a、b两点，断开校准接收通道和校准发送通道，测试无源器件(例如连接线缆、分路器和合路器)的响应特性，获得校准信道响应矩阵h(f)8×8；在测量过程中，保持a、b两点断开，分别连接校准接收通道和校准发送通道，在空口测量中校准接收通道/校准发送通道配合测量通道校准发送端和接收端的信道响应特性。具体说明如下：

首先，使用矢量网络分析仪(vna)测量新加入的无源器件的频率响应特性。在图7(a)所示的实施例中，从8个发送通路到8个接收通路所经过的无源器件的频率响应记为s(f)：

在图7(b)所示的实施例中，8条发送通路到校准接收通道的频率响应特性记为s'(f)：

s'(f)＝[s'11(f)s'21(f)…s'81(f)]

在图7(c)所示的实施例中，校准发送通道到8路接收通路的频率响应分别记s″(f)：

s″(f)＝[s″11(f)s″12(f)…s″18(f)]

其次，在校准时刻t0使发送端和接收端连通，校准发送通道和校准接收通道关闭。发送端同时发送8个rf信号，接受端处理得到8组互相正交的信号序列之后，在后续处理中可以得到测量设备本身的响应为其中为8×8矩阵：

hij(f)表示第i个发送端口到第j个接收端口的信道响应，sij(f)表示经过的合路器分路器的响应特性。则有：

i＝1,…,8；j＝1,…,8

最后，在测量时刻t1断开发送端和接收端之间的射频线连接，n个通道的发送端通过分路器，一路经天线端口发送给接收端，另一路通过8×1的合路器发送至校准接收通道。这样在测量发送端到接收端的空口信道响应的同时，利用校准接收通道/校准发送通道可以检测到收发两端n路测量通道的时变响应结果。校准接收通道处理后得到n路发送通道时变响应。用表示第i个发送通道的校准响应：

接收端通过天线接收发送端发送的射频数据。在发送端静默周期时间内，接收端接收校准发送通道通过1×8的合路器发送的循环检测信号。接收端处理校准发送通道发送的信号后，可以计算出n路接收通道的时变响应，用表示第j个接收通道的校准响应：

由上述公式可以看出，校准响应可以表示为发送响应和接收响应与无源器件的频率响应之积，利用第2～8个发送通道和第1个发送通道的比可以得到发送通道之间的相互关系：

同理，可以得到第2～8个接收通道和第1个接收通道的比可以得到接收通道之间的相互关系：

假设第一路收发通道的信道响应在测量和校准时刻下保持不变，即

则计算校准响应可表示为

在本发明的一个实施例中，计算校准信道频率响应的流程如图8所示。发送端/接收端以码分复用的方式实现多通道数据的并行发送/接收，并利用一组相互正交的正交序列区分不同的发送端口/接收端口。校准发送通道和校准接收通道在接收到数据后进行后续处理。具体地说，在处理通道的响应结果中可根据数据量和硬件性能选择在接收过程中边流盘(即持续从或者向存储器中传输数据)边处理或等待流盘结束后处理。在后续处理过程中，接收端同时接收经合路器传送来的数据并流盘，选择第j路接收通道，生成发送端第i路发送的本地序列，将第j路的接收序列与本地i路序列做相关运算得到相关峰值，然后利用fft运算变换到频域，得到频域信道响应特性。由此循环处理i路发送通道的序列，并且循环处理j路接收通道，就可以得到64路的信道响应结果。其中，i、j均为正整数。接收端利用正交序列的相关性找到峰值后通过fft变换到频域，从而测量得到信道的频率响应矩阵。

为了保证接收端能够正确地接收信号，校准发送通道发送数据的时间需要与测量发送通道发送数据的时间区别开来。在本发明的一个实施例中，设计为在测量发送通道处于静默周期时，校准发送通道发送一个循环检测的窄脉冲信号，同时窄脉冲信号的发送需要满足测量发送通道和测量接收通道的时延要求，以保证接收端接收的pn(伪随机噪声)序列和窄脉冲不出现混叠。发送端发送信号(例如pn序列)时，校准发送通道关闭；当信号发送结束后，校准发送通道开始发送窄脉冲信号，具体的时序图如图9所示。

另外，为了解决各发送通道之间、各接收通道之间以及各收发通道之间的严格同步问题。首先，本发明在收发两端都使用了gps接收机(或北斗终端)。利用gps接收机(或北斗终端)提供了1pps的秒脉冲作为初始的同步触发信号源。其次，将初始的同步触发信号作为基准信号，送到收发两端的awg(任意波形发生器)产生周期的触发信号。该周期的触发信号通过pxi(面向仪器系统的pci扩展)总线发送，送到发送/接收的各个通道，触发fpga的信号发送。另外，收发两端的时钟必须严格保持周期和相位同步。为此，本发明在收发两端使用了两台铷钟，通过两台铷钟的一段时间的对较后，其能将两台相位抖动控制到p秒级。我们将时钟输出的10mhz参考信号送到收发两端，将收发两端的各个通道参考时钟共享这两个10mhz的参考信号，从而实现收发各个通道的时钟精准同步。

图10(a)～是图10(c)分别为使用原始数据、校准数据、利用校准数据补偿的情况下，64组收发天线对两两的多径时延功率谱。其中，从原始数据的图像可以看出无线测量信道和rf射频响应对时延功率谱的影响，校准数据也与原始数据具有相同的时延功率谱，校准后的图形可以看出所有的功率谱已经对齐。这表明在后处理阶段校准数据有效补偿了rf信道的响应差，并且这64组数据的时延由校准前的3.0277ns降为0.048ns。

与现有技术相比较，本发明所提供的并行多通道无线信道测量的校准方法及其系统抛弃了传统的时分复用选择开关，实现了在同一时刻多通道数据的并发并收，在缩短了校准时间的同时更加满足高速场景下信道测量的需求。同时，在收发两端分别添加了一路校准发送通道和一路校准接收通道，能够实时在线监督当前时刻下多通道相互之间的信道响应的特性，保证了在信道测量过程中能够避免由于多通道之间的相互干扰影响带来的测量误差。在测量过程中可以分别得到发送端和接收端各通道之间的互响应结果，从而消除各个射频通道时变的相关性，更加精准地测量出无线信道的响应结果。

上面对本发明所提供的并行多通道无线信道测量的校准方法及其系统进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。