楊 賀，孫 杰

(天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司，天津 300458)

0 引 言

軟件無(wú)線電[1]是將模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的硬件平臺(tái)以總線方式連接構(gòu)成基本平臺(tái)，并通過軟件加載實(shí)現(xiàn)各種無(wú)線電功能的一種開放式體系架構(gòu)。寬帶模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter,ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Digital-to-Analog Converter,DAC)盡量靠近天線，工作頻段、調(diào)制/解調(diào)方式、數(shù)據(jù)格式、加密模式以及通信協(xié)議等功能由軟件決定，可大大縮短研發(fā)周期和成本，并使硬件平臺(tái)具有更長(zhǎng)的使用周期。相控陣也逐漸采用該架構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。值得一提的是，智能天線采用軟件無(wú)線電技術(shù)在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)波束賦形算法[2]。

無(wú)論是相控陣還是智能天線系統(tǒng)，成功進(jìn)行快速跟蹤的前提是確保自身系統(tǒng)各個(gè)通道間的幅相一致性[3]，文獻(xiàn)[4]指出射頻通道校準(zhǔn)幅度誤差1 dB、角度誤差20°時(shí),波束賦形技術(shù)誤碼率為10-5時(shí)性能損失小于1 dB。波束指向并非目標(biāo)方向?qū)е骆溌酚嗔坎贿_(dá)標(biāo)，更嚴(yán)重的情況會(huì)使鏈路中斷。文獻(xiàn)[5]利用近場(chǎng)掃描法和旋轉(zhuǎn)矢量法進(jìn)行二次校準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了大型相控陣的較高準(zhǔn)確性校準(zhǔn)，但不適用于軟件無(wú)線電架構(gòu)下多通道的系統(tǒng)。相控陣系統(tǒng)通常采用時(shí)分雙工方式(Time Division Duplex,TDD)，是為了充分利用天線和射頻等部件的互易性特點(diǎn)，同時(shí)傳輸信號(hào)帶寬不宜過寬，否則類似頻分雙工(Frequency Division Duplex,FDD)系統(tǒng)，頻響問題凸顯[6]。為了解決寬帶波束賦形天線系統(tǒng)中不能兼顧工作頻帶的低頻段和高頻段的問題，文獻(xiàn)[7]提出了三音校準(zhǔn)法擬合全工作帶寬內(nèi)的通道幅相特性曲線。由于智能天線多用于上下行非對(duì)稱信息通信系統(tǒng)，從避免上行頻帶利用率低、降低時(shí)隙控制復(fù)雜度等方面考慮，本文提出的校準(zhǔn)方案能夠依據(jù)需求校準(zhǔn)不同頻點(diǎn)的幅相特性，兼顧FDD和TDD兩種雙工方式。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖1是基于軟件無(wú)線電架構(gòu)的智能天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖，主要由射頻通道以及數(shù)字波束控制電路板組成，其中射頻通道包括N元陣列天線和N個(gè)射頻發(fā)射/接收組件(Transmit/Receive Modules,T/R)；波束控制板采用可編程射頻收發(fā)器接收通道實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)放大、下變頻、正交解調(diào)、濾波和采集量化等，發(fā)射通道實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)模擬化、上變頻、濾波、射頻信號(hào)功率放大等，其中下變頻本振、ADC采樣率、濾波器帶寬等參數(shù)可通過SPI接口由數(shù)字域配置。

圖1 基于軟件無(wú)線電的智能天線框圖

為了盡可能保證幅相一致性，包括單元天線、T/R組件、波控板板級(jí)各個(gè)通道在硬件設(shè)計(jì)過程中都采用相同型號(hào)的同一批次器件及加工工藝，但由于設(shè)計(jì)公差、加工工藝、電氣隨環(huán)境表現(xiàn)特性等不可避免都會(huì)存在差異。本文按照系統(tǒng)架構(gòu)劃分通過射頻通道和板級(jí)校準(zhǔn)兩步完成整個(gè)通道幅相一致性設(shè)計(jì)。

2 射頻通道幅相測(cè)算

射頻通道包含天線和射頻T/R組件，隨溫度時(shí)間變化較緩慢，相對(duì)相位較穩(wěn)定。本文采用離線有源校準(zhǔn)方法，圖2是校準(zhǔn)系統(tǒng)連接圖，包含的儀器有工控機(jī)、天線掃描架、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀及待測(cè)天線和射頻前端?？紤]到陣元間互耦效應(yīng)會(huì)影響陣元幅相關(guān)系，陣列排布按照實(shí)際組陣形式進(jìn)行如下步驟試驗(yàn)可在一定程度上降低互耦影響。

圖2 校準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)連接圖

Step1 按照?qǐng)D2搭建校準(zhǔn)系統(tǒng)，自動(dòng)測(cè)試軟件(界面如圖3)控制掃描支架上的喇叭天線正對(duì)陣列天線電尺寸的中心位置。

Step2 自動(dòng)測(cè)試軟件控制矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Port1輸出射頻信號(hào)給喇叭天線，Port2接收射頻組件1信號(hào)，Port3接收射頻組件2信號(hào)。

圖3 自動(dòng)測(cè)試軟件顯示界面

3 板級(jí)幅相測(cè)算

強(qiáng)弱不同信號(hào)在通過ADC采樣后量化值也存在差異，采用AD處理后信號(hào)幅度比測(cè)算通道間的幅度差相比功率測(cè)量結(jié)果存在量化誤差，甚至幅度差會(huì)淹沒在誤差中導(dǎo)致無(wú)法測(cè)算到差值，但該方法無(wú)需增設(shè)功分和功率測(cè)量電路，簡(jiǎn)化了板級(jí)設(shè)計(jì)難度的同時(shí)降低板了級(jí)功耗和成本。實(shí)際測(cè)量顯示，板級(jí)硬件設(shè)計(jì)保持一致性后通道幅度差小于1 dB，滿足智能天線工程化設(shè)計(jì)指標(biāo)。

相位校準(zhǔn)相比幅度校準(zhǔn)難度要大很多，即便板級(jí)各通道選用相同型號(hào)的同一批次芯片，PCB設(shè)計(jì)采用等長(zhǎng)對(duì)稱布線，由于可編程射頻收發(fā)器中本振(Local Oscillator,LO)設(shè)計(jì)中包含鎖相環(huán)(Phase-Locked Loop,PLL)導(dǎo)致每次電路板上電鎖定的相位是不一樣的，因此各通道存在隨機(jī)的、固定的相位差，稱為射頻相位差(RF Phase Difference)；AD轉(zhuǎn)換過程采樣位置存在差異同樣會(huì)影響接收信號(hào)相位，稱為基帶相位差(Baseband Phase Difference)。故而需要設(shè)計(jì)在線校準(zhǔn)方案來(lái)估算通道的射頻相位差和基帶相位差。圖4是相位校準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)框圖，整個(gè)波控板采用同源設(shè)計(jì)方法，即一塊晶振同時(shí)作為FPGA和射頻收發(fā)器參考時(shí)鐘，保證各通道之間不存在頻偏。

圖4 相位校準(zhǔn)電路

3.1 射頻相位差測(cè)算

通過兩片射頻開關(guān)芯片設(shè)計(jì)開關(guān)矩陣，完成發(fā)送通道和接收通道的校準(zhǔn)過程。下面以接收通道為例說明校準(zhǔn)流程。

Step1 配置頻綜產(chǎn)生接收本振信號(hào)。

Step3 射頻開關(guān)A選擇1通道，射頻開關(guān)B選擇i(i=1～N)通道。

Step5 將接收信號(hào)與參考源做乘累加處理，如式(1)和式(2)，累加長(zhǎng)度為一個(gè)正弦信號(hào)的周期，計(jì)算得到兩信號(hào)之間相位差的余弦值。

(1)

(2)

Step6 將接收信號(hào)與正交處理后的參考源做乘累加處理，如式(3)和式(4)，累加長(zhǎng)度為一個(gè)正弦信號(hào)的周期，計(jì)算得到兩信號(hào)之間相位差的正弦值。

(3)

(4)

(5)

(6)

3.2 基帶相位差測(cè)算

射頻收發(fā)器采用基帶同步功能模塊實(shí)現(xiàn)不同器件ADC和DAC的采樣時(shí)鐘同步。圖5是基帶時(shí)鐘同步設(shè)計(jì)方案，F(xiàn)PGA和射頻收發(fā)器采用相同時(shí)鐘晶振作為參考時(shí)鐘(40 MHz)，到達(dá)每片射頻收發(fā)器引腳的走線長(zhǎng)度相同。FPGA軟件控制以參考時(shí)鐘頻率為時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生同周期的兩個(gè)SYNC_IN脈沖信號(hào)，完成N個(gè)通道基帶相位的同步。圖6是用示波器測(cè)試兩路時(shí)鐘信號(hào)的同步過程。

圖5 基帶時(shí)鐘同步設(shè)計(jì)圖

圖6 示波器測(cè)試兩路時(shí)鐘信號(hào)同步過程

4 幅相校準(zhǔn)方法

板級(jí)和射頻通道幅相校準(zhǔn)采用相同方法，不同之處在于射頻通道是慢變過程，離線測(cè)算后在接收端寫入固定參數(shù)直接校準(zhǔn)，而板級(jí)相位校準(zhǔn)需在每次上電和頻率變更時(shí)重新校準(zhǔn)。幅度校準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單：取通道i(i≠1)與通道1幅度的反比，乘以通道i(i≠1)接收信號(hào)即可。下面以板級(jí)相位差為例，說明采用星座旋轉(zhuǎn)算法實(shí)現(xiàn)相位校準(zhǔn)的過程。

(7)

5 仿真結(jié)果與分析

在線相位校準(zhǔn)模塊在系統(tǒng)初始化后需首先啟動(dòng)工作，DOA估計(jì)和波束賦形都是在此之后工作才有意義。如圖7所示，該模塊主要包括外圍芯片配置模塊、相位差測(cè)算、同步校準(zhǔn)相位模塊及控制模塊，配置芯片有可編程射頻收發(fā)器、頻綜、射頻開關(guān)等。相位差測(cè)算模塊完成式(1)～(6)過程，同步校準(zhǔn)相位模塊完成式(7)過程，控制模塊通過狀態(tài)機(jī)FSM完成射頻開關(guān)的選擇和測(cè)算模塊的開啟和關(guān)閉，按照工作頻率節(jié)拍實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)通道和環(huán)節(jié)的切換控制。

圖7 FPGA相位測(cè)算模塊組成

圖8和圖9是FPGA校準(zhǔn)前后各個(gè)通道信號(hào)的對(duì)比圖，dat_1,dat_2,…,dat_N是沒有啟動(dòng)校準(zhǔn)模塊接收各通道信號(hào)，明顯存在固定相位差(且每次上電相位差不同)；cal_1,cal_2,…,cal_N是啟動(dòng)校準(zhǔn)模塊后接收的各通道信號(hào)，可見相位差被消除。

圖8 FPGA校準(zhǔn)前信號(hào)

圖9 FPGA校準(zhǔn)后信號(hào)

本文方法相位校正誤差主要來(lái)自量化誤差：一方面，用于校準(zhǔn)的參考源是具有連續(xù)相位特性的正弦信號(hào)，將其存儲(chǔ)在有限空間的FPGA-ROM模塊之前必須對(duì)其進(jìn)行量化，從而引入誤差，如深度512的ROM能夠存儲(chǔ)間隔0.7°的正弦數(shù)據(jù)，那么測(cè)算所得板級(jí)通道相位差精度不可能小于0.7°；另一方面，Cordic核在每次完成三角函數(shù)或星座旋轉(zhuǎn)運(yùn)算之后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行截?cái)?四舍五入等處理，也會(huì)引入誤差。兩個(gè)方面導(dǎo)致的誤差都能通過增大資源面積來(lái)降低，但對(duì)于包含DOA估計(jì)、譜峰搜索等大運(yùn)算量的智能天線系統(tǒng)來(lái)說，F(xiàn)PGA邏輯資源非常寶貴，所以在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮、折中選擇。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于軟件無(wú)線電的智能天線系統(tǒng)方案，指出各通道幅相不一致的客觀現(xiàn)象及其危害，并分析了系統(tǒng)中相位校準(zhǔn)的必要性，提出了射頻通道幅相測(cè)算和板級(jí)幅相測(cè)算相結(jié)合方案，給出了射頻通道幅相測(cè)算方法和步驟，在分析了零中頻射頻收發(fā)器架構(gòu)的前提下分別從射頻和基帶兩個(gè)角度實(shí)現(xiàn)相位差測(cè)算，最后通過FPGA設(shè)計(jì)軟件模塊驗(yàn)證了校準(zhǔn)的可行性和正確性。

由于在線相位校準(zhǔn)模塊僅在每次上電時(shí)運(yùn)行一次，考慮到智能天線軟件設(shè)計(jì)復(fù)雜度大、占用資源多，校準(zhǔn)模塊可采用可重構(gòu)設(shè)計(jì)，這是后續(xù)研究中擬采用的方法。