董國英,范明慧,彭 澎,陳宇賢,林加濤

（上海無線電設(shè)備研究所,上海 201109）

0 引言

相控陣天線具有波束指向捷變、定向增益高、空域抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于超遠(yuǎn)距通信、抗電磁環(huán)境干擾等領(lǐng)域。在多輸入多輸出（MIMO）通信系統(tǒng)中,多采用全集成式片上系統(tǒng)解決方案。AD9361是一款集成了雙收發(fā)通道的全集成式MIMO收發(fā)器,因其超高集成度及低功耗的優(yōu)勢成為MIMO系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首選芯片。該芯片集成了雙通道本振、混頻、濾波、模數(shù)/數(shù)模（AD/DA）轉(zhuǎn)換等處理電路,但其收發(fā)通道本振末級(jí)分頻陣列存在鎖定時(shí)相位不確定的問題,會(huì)造成多芯片本振之間相位不同步,需要采用外部校準(zhǔn)機(jī)制以消除相位的不確定性。

文獻(xiàn)[1]通過在空間設(shè)置一個(gè)方位精確已知的輔助信源來對(duì)聯(lián)合幅相誤差進(jìn)行校準(zhǔn),但此方法只適于幅相誤差的靜態(tài)校準(zhǔn)。文獻(xiàn)[2-3]基于最小均方誤差（MMSE）或線性約束最小方差（LCMV）準(zhǔn)則,通過矩陣或者迭代運(yùn)算得到自適應(yīng)濾波器的最優(yōu)權(quán)值,從而實(shí)現(xiàn)通道幅相的校準(zhǔn)。但該方法存在計(jì)算復(fù)雜、對(duì)硬件資源要求高的問題。

本文提出一種基于AD9361的多通道中頻幅相誤差自動(dòng)校準(zhǔn)方法,充分利用集成芯片的多通道特性,采用全相位快速傅里葉變換（FFT）頻譜分析法,計(jì)算通道間幅度和相位誤差,實(shí)現(xiàn)多通道幅相誤差的自校準(zhǔn)。

1 多通道幅相校準(zhǔn)

1.1 校準(zhǔn)原理

（1）接收通道校準(zhǔn)

將同一校準(zhǔn)源信號(hào)分路到多個(gè)接收通道進(jìn)行接收通道間的幅相校準(zhǔn)。校準(zhǔn)源信號(hào)

式中:A,f,φ分別為校準(zhǔn)源信號(hào)的幅度、頻率和初相。

校準(zhǔn)源信號(hào)功分到各個(gè)接收通道后進(jìn)行混頻、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理,由于多個(gè)混頻本振間存在相位差,以及濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理的不一致性,使得處理后各接收通道信號(hào)幅度和相位各不相同。第i個(gè)接收通道信號(hào)

選取其中一個(gè)通道作為參考通道,將其它通道和參考通道進(jìn)行比較,得到通道校準(zhǔn)系數(shù),并對(duì)該通道進(jìn)行補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)接收通道校準(zhǔn)。假設(shè)各接收通道本振頻率與校準(zhǔn)源信號(hào)的頻率一致,則第i個(gè)接收通道的校準(zhǔn)系數(shù)

（2）發(fā)射通道校準(zhǔn)

將同一基帶信號(hào)輸入到不同的發(fā)射通道進(jìn)行變頻發(fā)射。各發(fā)射通道輸出信號(hào)再經(jīng)過選擇器選擇,分時(shí)輸入同一個(gè)接收通道進(jìn)行變頻接收。根據(jù)該接收通道的輸出信號(hào)計(jì)算發(fā)射通道的幅相誤差,并進(jìn)行補(bǔ)償。

同一基帶信號(hào)經(jīng)過不同發(fā)射通道,各通道間存在幅相不一致性。第i個(gè)發(fā)射通道信號(hào)

發(fā)射信號(hào)與接收本振混頻,輸出基帶信號(hào)。假設(shè)各發(fā)射通道信號(hào)頻率與接收本振的頻率一致,則接收本振信號(hào)

式中:φ為本振信號(hào)的初相。

假設(shè)各發(fā)射通道信號(hào)頻率與接收機(jī)本振的頻率一致,且不考慮接收通道增益損失,則第i個(gè)發(fā)射通道信號(hào)與接收通道本振混頻后的輸出信號(hào)

1.2 校準(zhǔn)算法

采用全相位FFT頻譜分析法估計(jì)各通道信號(hào)的幅度和相位,進(jìn)而計(jì)算通道間的幅相誤差并進(jìn)行補(bǔ)償。全相位FFT頻譜分析法通過選擇一定長度的數(shù)據(jù)序列,并對(duì)其進(jìn)行FFT,根據(jù)FFT最大譜線的相位進(jìn)行初相估計(jì)。

（1）接收通道校準(zhǔn)

窄帶系統(tǒng)可選取點(diǎn)源作為校準(zhǔn)源。校準(zhǔn)源信號(hào)經(jīng)過各接收通道的混頻、模數(shù)轉(zhuǎn)換處理,將引入幅相誤差。將各接收通道模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行FFT,搜索各信號(hào)頻域最大譜線（譜峰）。選取其中一個(gè)通道為參考通道,其它通道信號(hào)的幅相值與參考通道的相比,得到該通道的幅相校準(zhǔn)系數(shù)。接收通道幅相校準(zhǔn)流程如圖1所示。

圖1 接收通道幅相校準(zhǔn)流程

（2）發(fā)射通道校準(zhǔn)

基帶信號(hào)經(jīng)過不同發(fā)射通道的混頻、數(shù)模轉(zhuǎn)換等處理,會(huì)引入幅相誤差。不同發(fā)射通道信號(hào)被分時(shí)選擇輸入同一接收通道,接收通道對(duì)分時(shí)信號(hào)進(jìn)行采樣、存儲(chǔ);對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行FFT,搜索各信號(hào)頻域FFT最大譜線（譜峰）;選取其中一個(gè)通道為參考通道,其它通道信號(hào)的幅相值與參考通道的相比,得到該通道的校準(zhǔn)系數(shù)。發(fā)射通道幅相校準(zhǔn)流程如圖2所示。

圖2 發(fā)射通道幅相校準(zhǔn)流程

1.3 校準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)

AD9361在集成化、小型化、低功耗等方面具有突出優(yōu)勢,因此消除多個(gè)AD9361間本振引入的相位誤差后,可為MIMO通信系統(tǒng)提供多通道小型化的中頻信號(hào)幅相校準(zhǔn)解決方案。

每個(gè)AD9361集成了雙通道接收器和雙通道發(fā)射器。雙通道之間共用本振,每通道接收器包括R_A,R_B,R_C三個(gè)輸入端口,每通道發(fā)射器包含T_A,T_B兩個(gè)輸出端口,這給自動(dòng)校準(zhǔn)提供了便利的條件。

由于R_A,R_B,R_C三個(gè)端口共本振,本方法采用端口R_B進(jìn)行校準(zhǔn),校準(zhǔn)完成后軟件切換到端口R_A進(jìn)行正常工作狀態(tài)的收發(fā)。M個(gè)AD9361的接收通道校準(zhǔn)電路原理圖如圖3所示。

圖3 接收通道校準(zhǔn)電路

從圖3中可以看出,選取第M個(gè)芯片的一個(gè)發(fā)射通道端口T_B發(fā)送校準(zhǔn)源信號(hào),經(jīng)過功分器分路到其它各個(gè)芯片接收通道的端口R_B,端口R_B的接收信號(hào)經(jīng)過混頻、模數(shù)轉(zhuǎn)換后送給FPGA,進(jìn)行校準(zhǔn)系數(shù)的計(jì)算。校準(zhǔn)完成后,正常工作模式下接收信號(hào)R～接收信號(hào)R通過端口R_A進(jìn)行接收。發(fā)射通道校準(zhǔn)電路原理圖如圖4所示。從圖中可以看出,第M個(gè)芯片的一個(gè)發(fā)射通道端口T_B的輸出信號(hào)經(jīng)選擇器,被分時(shí)接入芯片1的一個(gè)接收通道端口R_B,端口R_B接收到的信號(hào)經(jīng)過混頻和模數(shù)轉(zhuǎn)換后送給FPGA,進(jìn)行校準(zhǔn)系數(shù)的計(jì)算。校準(zhǔn)完成后,正常工作模式下發(fā)射信號(hào)T～發(fā)射信號(hào)T通過端口T_A進(jìn)行發(fā)射。

圖4 發(fā)射通道校準(zhǔn)電路

1.4 自校準(zhǔn)流程

基于AD9361的中頻幅相誤差校準(zhǔn)采用自校準(zhǔn)方法,自校準(zhǔn)流程如圖5所示。產(chǎn)品上電后,將AD9361各收發(fā)通道配置工作在端口R_B和端口T_B;接收通道校準(zhǔn)時(shí),先產(chǎn)生校準(zhǔn)源信號(hào),再將校準(zhǔn)源信號(hào)分路發(fā)送至各芯片的端口R_B;發(fā)射通道校準(zhǔn)時(shí),各芯片端口T_B的發(fā)射信號(hào)分時(shí)選通到某一接收通道的端口R_B;采樣、存儲(chǔ)端口R_B接收的數(shù)據(jù),計(jì)算校準(zhǔn)系數(shù);接收通道配置AD9361從端口R_B切換到端口R_A,發(fā)射通道配置AD9361從端口T_B切換到端口T_A,對(duì)應(yīng)通道乘以校準(zhǔn)系數(shù)完成校準(zhǔn)。該方法的所有計(jì)算和時(shí)序控制均基于FPGA自閉環(huán)完成,可以方便快捷地完成收發(fā)自校準(zhǔn)。該方法可用于MIMO通信系統(tǒng)中頻自校準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)。

圖5 自校準(zhǔn)流程

2 仿真性能分析

2.1 幅相誤差的影響

以16陣元線陣、波束指向在20°方向的情況為例,仿真幅度和相位誤差對(duì)波束形成性能的影響。當(dāng)各陣元相位誤差為均值38°、標(biāo)準(zhǔn)差5.2°的高斯分布,幅度誤差為均值0.4 V、標(biāo)準(zhǔn)差0.3 V的高斯分布時(shí),天線方向圖如圖6所示。相位誤差均值進(jìn)一步加大至53°,天線方向圖如圖7所示。從圖6可以看出,幅相誤差對(duì)天線方向圖副瓣的影響很大,隨著擾動(dòng)的增強(qiáng),副瓣電平被抬高。從圖7可以看出,當(dāng)相位誤差較大時(shí),波束的指向也會(huì)受到影響,指向偏差2.3°?？芍?較大的幅度和相位誤差會(huì)使天線方向圖性能嚴(yán)重惡化,陣列天線中存在多通道接收時(shí),必須進(jìn)行通道間幅度和相位誤差的校準(zhǔn)。

圖6 幅相誤差對(duì)天線方向圖的影響

圖7 大相位誤差對(duì)天線波束指向的影響

2.2 校準(zhǔn)性能

通道1發(fā)送單頻信號(hào),設(shè)置通道2～通道4的幅相誤差分別為0.75exp（jπ）,0.5exp（jπ/3）,0.8exp（jπ/6）。

校準(zhǔn)前后四路信號(hào)的波形分別如圖8和圖9所示?？梢钥闯?校準(zhǔn)后四路信號(hào)幅相一致性很好,四路信號(hào)完全重合,通道間誤差被補(bǔ)償。

圖8 校準(zhǔn)前四路信號(hào)

圖9 校準(zhǔn)后四路信號(hào)

對(duì)低信噪比（S/N）（以S/N=5 dB為例）信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn),通道1作為參考通道,通道2作為校準(zhǔn)通道,校準(zhǔn)前后波形分別如圖10和圖11所示,校準(zhǔn)通道的相位誤差如圖12所示。對(duì)比圖10和圖11可以看出,對(duì)低信噪比信號(hào)校準(zhǔn)后,信號(hào)幅相一致性較好,通道間誤差被補(bǔ)償。從圖12可以看出,補(bǔ)償后通道間幅相誤差很小,對(duì)波束形成性能不再有影響。

圖10 校準(zhǔn)前通道信號(hào)

圖11 校準(zhǔn)后通道信號(hào)

圖12 校準(zhǔn)通道的相位差

3 結(jié)束語

在基于AD9361實(shí)現(xiàn)多通道中頻處理的MIMO通信系統(tǒng)中,由于多片AD9361間本振鎖定時(shí)存在隨機(jī)相位差,同時(shí)中頻濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理導(dǎo)致通道間存在幅相誤差。為解決上述問題,本文提出了一種收發(fā)通道自校準(zhǔn)方法。基于該方法可以方便快捷地實(shí)現(xiàn)通道間幅相誤差的自動(dòng)校準(zhǔn),且校準(zhǔn)精度高,信噪比性能好,從而為后續(xù)的波束形成提供準(zhǔn)確的參考相位。