星载数字波束形成网络接收通道幅相误差校准系统及方法

摘要

本发明公开了星载数字波束形成网络接收通道幅相误差校准系统及方法，包括校准信号产生模块、校准信号发射模块、接收通道及校准接口模块、和校准算法执行模块，所述校准算法执行模块包括幅相误差估计器和校准因子产生器；校准信号产生模块包括正交伪随机码组产生器和BPSK调制器；校准信号发射模块包括数字上变频器、DA变换器、模拟上变频器、和校准馈源；校准信号产生模块与校准信号发射模块相连；校准算法执行模块与接收通道及校准接口模块相连。本发明的校准系统和方法实时性强、精度高、稳定度高，能够节省星上资源。

说明书

技术领域

本发明的一种星载DBF(数字波束形成网络)接收通道幅相误差校准系 统及方法，特别是涉及一种基于移动通信卫星载荷接收通道校准领域。

背景技术

移动通信卫星系统是一个利用波束形成技术形成多个点波束进行广域 覆盖，达到增强辐射增益，支持小终端移动通信业务，如Thuraya星形成 245个点波束，Imarsat4卫星形成228个点波束。卫星天线在长期工作时， 其有源器件，如低噪声放大器、固态功率放大器、相移器等将随工作时间的 增加而逐渐老化，并引起不同通道内信号幅度和相位的变化，这将对多波束 天线的系统性能造成影响，所以必须对系统的有源器件进行校准和补偿。

移动通信卫星系统的上行链路采用反射面多波束天线接收上行信号。由 于多波束天线接收的地面信号到达各个通道幅度差异较大，最大达到30dB 以上，无法采用地面信号作为标校信号源。考虑在星上设置标校信号源，星 上设置标校信号源通常采用有线校准方法进行校准，通过对每一个通道耦合 注入标校信号的方法进行校准，有线方法需要增加大量的硬件设备，给星上 设备带来大量的负担，占用系统宝贵的重量和功率资源。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种实时的、 高精度、高稳定度的星载DBF接收通道幅相误差校准系统及方法，能够节省 星上资源。

本发明包括如下技术方案：

一种星载数字波束形成网络接收通道幅相误差的校准系统，包括校准信 号产生模块、校准信号发射模块、接收通道及校准接口模块、和校准算法执 行模块，所述校准算法执行模块包括幅相误差估计器和校准因子产生器；校 准信号产生模块包括正交伪随机码组产生器和BPSK调制器；校准信号发射 模块包括数字上变频器、DA变换器、模拟上变频器、和校准馈源；校准信 号产生模块与校准信号发射模块相连；校准算法执行模块与接收通道及校准 接口模块相连。

接收通道及校准接口模块包括馈源阵校准模块、功率器件校准模块、功 率器件校准时校准信号输出耦合器和馈源阵校准时校准信号输出耦合器。

一种星载数字波束形成网络接收通道幅相误差的校准方法，所述星载数 字波束形成网络接收通道包括输入馈源阵和功率器件，

通过校准信号产生模块产生相互正交的伪随机码组、伪随机码组的数目 和需要校准的通道数目一致；并对其进行BPSK调制，从而生成校准信号源；

校准信号源通过校准信号发射模块进行数字上变频、DA变换、模拟上 变频后，通过校准馈源发射校准信号；

通过输入馈源阵接收校准信号、通过功率器件对接收的信号进行处理获 得基带信号，并输出给接收通道及校准接口模块；

接收通道及校准接口模块将基带信号传给校准算法执行模块；

通过校准算法执行模块完成通道幅相误差估计，并计算得到通道校准因 子，将通道校准因子传给校准接口模块，通过校准接口模块完成校准。

在校准算法执行模块执行如下步骤：

判断是否是第一次校准，

如果是第一次校准则进行馈源校准因子计算；然后将馈源校准因子传输 给馈源阵校准模块；

如果不是第一次校准则进行功率器件校准因子计算，然后将功率器件校 准因子传输给功率器件校准模块。

本发明与现有技术相比的优点是：

(1)本发明利用多个正交伪随机码组作为不同通道的校准信号；对每 个通道采用制定的正交伪随机码作为校准信号，利用了校准信号的正交性消 除多路信号之间的干扰，可以同时估计多个通道的幅相误差，减少了校准时 间；利用校准信号的时间相关性，可以通过控制校准信号的码长提高校准信 号接收端相关后的功率，使得校准系统既不影响正常的通信也不影响校准性 能。同时由于采用码分的方式，具有较强的抗干扰能力，不会受正常通信信 号和噪声的影响，保证校准的稳定度，采用较长的码可以保证较高的测试的 精度。

(2)本发明通过无线方式把校准信号注入到每个通道，能够同时实现 多个接收通道的校准；从而节省了星上资源。

(3)本发明可以应用于通信卫星、侦查卫星和导航卫星的采用DBF技 术的通信领域，也可应用于采用DBF技术的星载雷达等技术领域。

附图说明

图1为本发明校准系统的组成示意图；

图2为本发明校准系统的具体组成框图；

图3为本发明校准方法的流程图。

具体实施方式

本发明提出了基于无线的接收通道幅相误差校准系统及方法，能够同时 实现对于N个接收通道的校准。校准系统组成如图1所示，包括校准算法执 行模块、校准信号产生模块、接收通道及校准接口模块、和校准信号发射模 块。校准信号产生模块产生的校准信号经过校准信号发射模块处理并经过校 准馈源发射。校准馈源与输入馈源阵满足“远场”条件，通过输入馈源阵把 校准信号注入到每个接收通道，要求校准馈源与输入馈源阵之间的距离d远 超过天线波长(d＞10*λ)，校准馈源信号达到输入馈源阵为等幅、等相位 的平面波。通过功率器件对接收的信号进行处理获得基带信号，并输出给接 收通道及校准接口模块；通过校准算法执行模块对每个接收通道的幅相误差 进行估计并得到每个通道的校准因子，通过接收通道及校准接口模块在数字 域进行补偿，实现DBF接收通道幅相一致性校准；接收通道及校准接口模块 的输出与DBF相连。

本发明的原理是：由于通过无线方式注入校准信号，存在对正常信号的 干扰问题，通过正交伪随机码能够解决该问题。

首先，校准信号由N个正交伪随机码信号s_k(l)组成， k＝1，2，…，N；l＝1，2，…，L。L为伪随机码长度，可以事先算好存储在存储器中， 在校准系统工作时，N个正交伪随机码信号由校准天线辐射同时进入N个接 收通道；理论上每个通道高度一致，具有相同的传递函数，但实际工作时， 存在差异，具有不同的幅度、相位响应；每个通道的传递函数应再乘上各通 道幅相误差{C₁，C₂，….C_N}。

设某一接收通道幅相误差C的传递函数为h(t)，则pn码通过后的接收信 号为

$r\left(t\right)=\mathrm{pn}\left(t\right)\otimes h\left(t\right)+N_{\mathrm{awgn}}\otimes h\left(t\right)---\left(1\right)$

对r(t)进行解扩运算，即可得

$x\left(t\right)=\mathrm{pn}\left(t\right)\otimes h\left(t\right)\otimes {\mathrm{pn}}^{*}\left(t\right)+N_{\mathrm{awgn}}\otimes h\left(t\right)\otimes {\mathrm{pn}}^{*}\left(t\right)---\left(2\right)$

对上式，如果利用fft求卷积，则可得到

X(nΔf)＝PN(nΔf)×H(nΔf)×PN^*(nΔf)+Nawgn×H(nΔf)×PN^*(nΔf)

＝|PN(nΔf)|²×H(nΔf)+N_awgn×H(nΔf)×PN^*(nΔf)           (3)

由于N_awgn为加性高斯白噪声，其均值为0，因此可以假设 N_awgn×H(nΔf)×PN^*(nΔf)＝0。并且，|PN(nΔf)|²＝1。所以可得

X(nΔf)＝H(nΔf)                                   (4)

由此可见，得到解扩后的信号x(t)，即可计算出接收通道误差的幅度 |h(t)|、相位估计

当正常通信信号y(t)输入时，由于与正交伪随机码信号s_k(l)不相关，解 相关时，正常通信信号y(t)不会影响到带正交伪随机码 的标校信号进行通道误差测试。

如图2所示，校准算法执行模块由幅相误差估计器和校准因子产生器构 成；校准信号产生模块由正交伪随机码组产生器、BPSK(二相移相键控)调 制器构成；校准信号发射模块由数字上变频器、DA变换器、模拟上变频器 和校准发射馈源构成；接收通道及校准接口模块由馈源阵校准模块40、功 率器件校准模块41、功率器件校准时校准信号输出耦合器43和馈源阵校准 时校准信号输出耦合器42构成。

馈源阵校准模块40主要校准卫星入轨后系统由于加工误差，天线展开控 制误差等机械因素造成的系统固有的不会发生变化的通道误差。卫星入轨后 开始正常工作，馈源阵校准模块40校准通道误差，完成校准后保持校准状 态不变。

功率器件校准模块41主要校准卫星入轨后系统长时间工作，功率器件产 生的非线性变化造成的通道误差，该误差会随着工作时间发生变化。卫星长 时间工作后，功率器件校准模块41校准通道误差，校准状态随着通道误差 变化而变化。

校准信号产生模块中的BPSK调制器通过1对LVDS信号线和校准信号发 射模块中的数字上变频器连接，传输校准源信号；功率器件校准时校准信号 输出耦合器43和输入馈源阵校准时校准信号输出耦合器42通过2对LVDS 信号线与校准算法执行模块中的幅相误差估计器连接，传输基带校准输出信 号；校准因子产生器通过2对RS422信号线分别与输出馈源阵校准模块40、 功率器件校准模块41连接，传输由每个通道校准因子构成的校准系数表。

校准算法执行模块中幅相误差估计器的误差估计方法如下：

(1)对接收到的信号进行解扩，得到解扩后的信号如下：

$x\left(t\right)=\mathrm{pn}\left(t\right)\otimes h\left(t\right)\otimes {\mathrm{pn}}^{*}\left(t\right)+N_{\mathrm{awgn}}\otimes h\left(t\right)\otimes {\mathrm{pn}}^{*}\left(t\right)$

(2)对解扩后的复信号求其幅度和相位，也即通道的幅相误差，计算 如下：

Δangle＝arctg(imag(x(t))/real(x(t)))

Δpow＝abs(x(t))

其中，imag表示求复数的虚部，real表示求复数的实部，arctg表示 求反正切，abs表示求复数的模值。

校准因子产生器根据幅相误差估计器输出的误差生成每个通道的校准 因子，并将该校准因子输入到相应的校准模块。

本发明的校准方法流程如图3所示，具体包括如下步骤：

(1)校准信号产生模块产生相互正交的伪随机码组、并对其进行BPSK 调制作为校准信号源，其中伪随机码组的数目和需要校准的通道数 目一致；

(2)BPSK调制器通过1对LVDS信号线和校准信号发射模块中的数字上 变频器连接，传输校准源信号；

(3)校准源信号经过数字上变频、DA变换、模拟上变频后，通过校准 馈源发射处理后的校准信号；校准馈源与输入馈源阵满足远场条 件。

(4)通过输入馈源阵接收校准信号、通过功率器件对接收的信号进行 处理获得基带信号，并输出给接收通道及校准接口模块；功率器件 校准时校准信号输出耦合器43和输入馈源阵校准时校准信号输出 耦合器42通过2对LVDS信号线与校准算法执行模块中的幅相误差 估计器连接，传输基带校准输出信号；

(5)校准算法执行模块完成通道幅相误差估计，并计算得到每个通道 的校准因子，将校准因子通过RS422传给馈源阵校准模块40、功 率器件校准模块41完成校准。所述校准算法执行模块需要判断是 否是第一次校准，如果是第一次校准，则通过输入馈源阵校准时校 准信号输出耦合器42传输校准信号至幅相误差估计器，然后进行 幅相误差计算和馈源阵校准因子计算；将馈源阵校准因子传输给馈 源阵校准模块40。如果不是第一次校准，则通过功率器件校准时 校准信号输出耦合器43传输校准信号至幅相误差估计器，然后进 行幅相误差计算和功率器件校准因子计算，将得到的功率器件校准 因子传输给功率器件校准模块。

本发明的校准过程从卫星入轨正常工作后，一致持续进行。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。