单台或多台软件无线电设备相位校准及同步系统和方法与流程

1.本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及单台或多台软件无线电设备相位校准及同步方法。


背景技术：

2.在无线通信系统中，同步是指收发两端在时间、频率以及相位上都要保持一致，收发两端不同步会严重影响系统的性能。但是在实际数据传输中，发送信号由于受到无线信道衰落、自身热噪声和传播时延等条件的影响，使得接收机检测系统参数困难，降低接收机正确恢复原始数据信号的成功概率。软件无线电设备是通过软件来实现系统部分硬件所实现的功能，因此具有相位同步功能的软件无线电设备具有先天性优势，可以适用于更过的应用场景，包括无线通信、信号监测、相控阵雷达等。
3.目前市场中的主流软件无线电设备，只有部分可实现时钟同步，比如使用同步时钟源设备或使用gps等授时设备，实现多个软件无线电设备的时钟源和频率同步，但缺少实现多台软件无线设备相位同步的设备，并且无法做到多台软件无线电设备的相位同步，且软件无线电设备内部采样点存在偏差，其次多个接收或发送通道间也存在相位不同步的问题。目前部分软件无线电设备，由于无法判断多通道之间的采样点偏差，只能实现校准频率点处的相位同步，并且无法实现设备有效带宽内的相位同步。


技术实现要素：

4.本发明创新的提出了单台或多台软件无线电设备相位校准及同步系统和方法，解决了软件无线电系统中高速串行总线中采样点存在偏差，且多个接收或发送通道间相位不同步的问题，并保证了软件无线电设备在有效带宽内的相位同步。
5.为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供的单台或多台软件无线电设备相位校准及同步系统包括外部相位校准模块和外部时钟分配单元，
6.所述外部相位校准模块包括多通道开关矩阵，所述多通道开关矩阵通过稳相电缆与单台或多台软件无线电设备的接收通道和发送通道连接；
7.所述外部时钟分配单元包括多路时钟模块、同步触发模块和fpga控制模块,所述多路时钟模块通过稳相电缆与单台或多台软件无线电设备的时钟端口连接，多路时钟模块产生的时钟信号作为软件无线电设备的同步时钟源，所述同步触发模块通过稳相电缆与单台或多台软件无线电设备的同步触发端连接，同步触发模块为软件无线电设备的时钟相位和高速串行接口提供同步触发信号，所述fpga控制模块通过稳相电缆与单台或多台软件无线电设备的同步采集端连接，通过fpga控制模块实现软件无线电设备的实时同步采集。
8.进一步的，本发明单台或多台软件无线电设备相位校准及同步系统，其中所述稳相电缆与单台或多台软件无线电设备的接收通道和发送通道、稳相电缆与单台或多台软件无线电设备的时钟端口、稳相电缆与单台或多台软件无线电设备的同步触发端以及稳相电缆与单台或多台软件无线电设备的同步采集端连接时均采用固定扭矩安装。
9.本发明还提供了单台或多台软件无线电设备相位校准及同步方法，其中该方法包括如下步骤,
10.步骤1，软件无线电设备上电；
11.步骤2，通过发送通道向所有接收通道发送多个不同频率的单音信号，判断软件无线电是否存在采样点偏差，根据采样点偏差在软件无线电设备内部补偿采样点偏差；
12.步骤3，单个发送通道同时向每个接收通道发送特定频率的单音信号，并获取接收通道接收到的单音信号的频点和相位，得到每个接收通道的相位偏差；
13.步骤4，根据每个接收通道的相位偏差，获得每个接收通道对应的接收通道相位偏差补偿值；根据接收通道相位偏差补偿值对每个接收通道的相位偏差进行相位补偿；
14.步骤5，单个接收通道分时接收每个发送通道发送的特定频率的单音信号，并获取接收通道接收到的单音信号的频点和相位，得到每个发送通道的相位偏差；
15.步骤6，根据每个发送通道的相位偏差，获得每个发送通道对应的发送通道相位偏差补偿值；根据发送通道相位偏差补偿值对每个发送通道的相位偏差进行相位补偿。
16.进一步的，本发明单台或多台软件无线电设备相位校准及同步方法，其中
17.在步骤2中，控制多通道开关矩阵将软件无线电设备发射通道中选取一个发射通道与所有的接收通道连接，fpga控制模块通过选取的发射通道发送多个不同频率的单音信号，所有的接收通道同时接收多个不同频率的单音信号，若多接收通道之间无采样点偏差，则不同频率的单音信号之间相位偏差相同；若多通道之间存在采样点偏差，则不同频率的单音信号之间存在固定相位偏差，根据固定相位偏差，得到采样点偏差。
18.进一步的，本发明单台或多台软件无线电设备相位校准及同步方法，其中所述采样点偏差通过如下方法获得：
19.设测试用的单音信号为：
[0020][0021]
式中：n表示采样点个数；f1表示单音信号频率；ts表示采样周期，fs表示采样频率，且fs≥8
×
f1；σ表示单位脉冲或单位样本；
[0022]
选取多个接收通中的两个接收通道rx1和rx2，则rx1和rx2采集的信号分别为x1(t)和x2(t)；
[0023]
若x1(t)＝x2(t)＝xs(t)；
[0024][0025]
则判定接收通道rx1和rx2之间无采样点偏差，之后以fs采样频率进行数据采集经过fft算法计算，得到相位无偏差；
[0026]
若则判定接收通道rx1和rx2之间存在采样点偏差，并且表明接收通道rx1比rx2滞后m个采样点；
[0027]
之后以f
s1
采样频率进行数据采集，令f
s1
＝256
×
f1，得到两个接收通道rx1和rx2的相位偏差δ1；以f
s2
采样频率进行数据采集，令f
s2
＝8
×
f1，得到两个接收通道rx1和rx2的相
位偏差δ2；
[0028]
通过下式计算采样点偏差值
[0029]
式中：n
diff
表示采样点偏差值；δ表示相位偏差值，δ＝|δ1-δ2|；
[0030]
进一步的，本发明单台或多台软件无线电设备相位校准及同步方法，其中所述在软件无线电设备内部补偿采样点偏差的方法为：
[0031]
设接收通道数量是nc，1《c《n，采样点偏差值分别为n0、n1、n2、n3...nn；
[0032]
假设n0＝0，n0《n1《n2《n3...《nn；则将所有高速串行接口数据转变成并行接口数据，并按照采样点偏差值进行补偿，将n1通道删除起始的n1个采样点、n2通道删除起始的n2个采样点...nn通道删除起始的nn个采样点。
[0033]
进一步的，本发明单台或多台软件无线电设备相位校准及同步方法，其中在步骤3中，不同接收通道的相位偏差的获得方法为：
[0034]
步骤3.1，控制多通道开关矩阵将软件无线电设备的多个接收通道同时与第一个发送通道连接；
[0035]
步骤3.2，fpga控制模块通过第一个发送通道发送特定频率的单音信号；
[0036]
步骤3.3，不同的接收通道同时接收第一个发送通道发送的单音信号；
[0037]
步骤3.4，通过fft算法计算接收通道接收到的单音信号的频点，并根据频点计算得到相位值；
[0038]
步骤3.5，重复执行步骤3.4，得到全部接收通道接收到的单音信号的相位值，计算不同接收通道接收到的单音信号的相位值与原始单音信号的差值，得到不同接收通道的相位偏差。
[0039]
进一步的，本发明单台或多台软件无线电设备相位校准及同步方法，其中
[0040]
在步骤4中，通过fpga算法得到接收通道相位偏差补偿值；
[0041]
通过将接收通道的原始单音信号与接收通道相位偏差补偿值进行i/q相位旋转计算，从而补偿不同接收通道的相位偏差。
[0042]
9.根据权利要求3所述的单台或多台软件无线电设备相位校准及同步方法，其特征在于：
[0043]
在步骤5中，不同发送通道的相位偏差的获得方法为：
[0044]
步骤5.1，控制多通道开关矩阵将软件无线电设备的多个发送通道分时与第一个接收通道连接；
[0045]
步骤5.2，fpga控制模块控制多个发送通道依次向第一个接收通道发送特定频率的单音信号；
[0046]
步骤5.3，第一个接收通道分时接收不同发送通道发送的单音信号；
[0047]
步骤5.4，通过fft算法计算每个发送通道发送单音信号后第一个接收通道接收到的单音信号的频点，并根据频点计算得到相位值；
[0048]
步骤5.5，重复执行步骤5.4，得到全部发送通道发送单音信号后第一个接收通道接收到的单音信号的相位值，计算接收通道每次接收到的单音信号的相位值与原始单音信
号的差值，得到不同发送通道的相位偏差。
[0049]
进一步的，本发明单台或多台软件无线电设备相位校准及同步方法，其中
[0050]
在步骤6中，通过fpga算法得到发送通道相位偏差补偿值；
[0051]
通过将发送通道的原始单音信号与发送通道相位偏差补偿值进行i/q相位旋转计算，从而补偿不同发送通道的相位偏差。
[0052]
本发明单台或多台软件无线电设备相位校准及同步系统与现有技术相比，具有以下优点：本发明通过设置多通道开关矩阵，将多通道开关矩阵与软件无线电设备的接收端和发送端相连，多通道开关矩阵通过设备开关实现软件无线电设备接收通道和发送通道的直连，克服了软件无线电设备多接收通道和多发送通道间时钟、频率和相位不同步的问题；通过设置外部时钟分配单元，实现输出时钟频率和相位同步，同时输出多路同步触发信号，实现多台软件无线电设备的采样时钟、频率和相位同步，克服多台软件无线电设备的不同接收通道和不同发送通道的相位不同步的问题，保证了软件无线电设备在有效带宽内的相位同步。
[0053]
下面结合附图所示具体实施方式对本发明单台或多台软件无线电设备相位校准及同步系统和方法作进一步详细说明：
附图说明
[0054]
图1为本发明单台或多台软件无线电设备相位校准及同步系统的结构框图。
[0055]
图2为本发明单台或多台软件无线电设备相位校准及同步方法的流程示意图。
具体实施方式
[0056]
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0057]
如图1所示，本发明单台或多台软件无线电设备相位校准及同步系统具体包括外部相位校准模块和外部时钟分配单元，
[0058]
其中，外部相位校准模块包括多通道开关矩阵100，多通道开关矩阵100通过稳相电缆与单台或多台软件无线电设备的接收通道和发送通道连接，通过多通道开关矩阵100实现软件无线电设备接收通道与发送通道的任意方式连接，实现了对单台或者多台软件无线电设备的任意通道间连接的切换，避免了外部线缆连接的误差引入和繁琐操作。
[0059]
外部时钟分配单元200包括多路时钟模块210、同步触发模块220和fpga控制模块230,多路时钟模块210通过稳相电缆与单台或多台软件无线电设备的时钟端口连接，多路时钟模块210产生的时钟信号作为软件无线电设备的同步时钟源，进而保证软件无线电设备间的时钟源同步；同步触发模块220通过稳相电缆与单台或多台软件无线电设备的同步触发端连接，同步触发模块220为软件无线电设备的时钟相位和高速串行接口提供同步触发信号，保证多台软件无线电设备内告诉串行中线的同步，并且保证采样时钟和本振信号的相位同步；fpga控制模块230通过稳相电缆与单台或多台软件无线电设备的同步采集端连接，通过fpga控制模块230实现软件无线电设备的实时同步采集，保证多台软件无线电设
备之间实现同一时刻采集。
[0060]
进一步的，本发明单台或多台软件无线电设备相位校准及同步系统，其中稳相电缆与单台或多台软件无线电设备的接收通道和发送通道、稳相电缆与单台或多台软件无线电设备的时钟端口、稳相电缆与单台或多台软件无线电设备的同步触发端以及稳相电缆与单台或多台软件无线电设备的同步采集端连接时均采用固定扭矩安装，使得各个连接用的稳相电缆处于同一安装扭矩下，进一步的减少各个软件无线电设备外界干扰因素，保证软件无线电设备多频点、可控温度范围内的相位稳定。
[0061]
在本实施例中，过设置多通道开关矩阵100，将多通道开关矩阵100与软件无线电设备的接收端和发送端相连，多通道开关矩阵100通过设备开关实现软件无线电设备接收通道和发送通道的直连，克服了软件无线电设备多接收通道和多发送通道间时钟、频率和相位不同步的问题；通过设置外部时钟分配单元200，实现输出时钟频率和相位同步，同时输出多路同步触发信号，实现多台软件无线电设备的采样时钟、频率和相位同步，克服多台软件无线电设备的不同接收通道和不同发送通道的相位不同步的问题，保证了软件无线电设备在有效带宽内的相位同步。
[0062]
本发明还提供了单台或多台软件无线电设备相位校准及同步方法，其中该方法包括如下步骤,
[0063]
步骤1，软件无线电设备上电；
[0064]
步骤2，通过发送通道向所有接收通道发送多个不同频率的单音信号，判断软件无线电是否存在采样点偏差，根据采样点偏差在软件无线电设备内部补偿采样点偏差，来弥软件无线电设备内部采样点偏差对整个有效带宽内相位偏差的影响。
[0065]
具体地，在步骤2中，控制多通道开关矩阵将软件无线电设备发射通道中选取一个发射通道与所有的接收通道连接，fpga控制模块通过选取的发射通道发送多个不同频率的单音信号，所有的接收通道同时接收多个不同频率的单音信号，若多接收通道之间无采样点偏差，则不同频率的单音信号之间相位偏差相同；若多通道之间存在采样点偏差，则不同频率的单音信号之间存在固定相位偏差，根据固定相位偏差，得到采样点偏差。
[0066]
其中，采样点偏差通过如下方法获得：
[0067]
设测试用的单音信号为：
[0068][0069]
式中：n表示采样点个数；e表示自然对数的底；i表示虚数单位；f1表示单音信号频率；ts表示采样周期，fs表示采样频率，且fs≥8
×
f1；σ表示单位脉冲或单位样本；
[0070]
选取多个接收通中的两个接收通道rx1和rx2，则rx1和rx2采集的信号分别为x1(t)和x2(t)；
[0071]
若x1(t)＝x2(t)＝xs(t)；
[0072][0073]
则判定接收通道rx1和rx2之间无采样点偏差，之后以fs采样频率进行数据采集经过fft算法计算，得到相位无偏差；
[0074]
若则判定接收通道rx1和rx2之间存在采样点偏差，并且表明接收通道rx1比rx2滞后m个采样点；表明x1(t)的采样点为n＝0～n，x2(t)的采样点为n＝1～n m；
[0075]
之后以f
s1
采样频率进行数据采集，令f
s1
＝256
×
f1，得到两个接收通道rx1和rx2的相位偏差δ1；以f
s2
采样频率进行数据采集，令f
s2
＝8
×
f1，得到两个接收通道rx1和rx2的相位偏差δ2；δ1和δ2可通过fft算法计算得出；
[0076]
通过下式计算采样点偏差值
[0077]
式中：n
diff
表示采样点偏差值；δ表示相位偏差值，δ＝|δ1-δ2|；
[0078]
得到采样点偏差值之后，在软件无线电设备内部补偿采样点偏差的方法为：
[0079]
设接收通道数量是nc(1《c《n)，采样点偏差值分别为n0、n1、n2、n3...nn；
[0080]
假设n0＝0，n0《n1《n2《n3...《nn；则将所有高速串行接口数据转变成并行接口数据，并按照采样点偏差值进行补偿，将n1通道删除起始的n1个采样点、n2通道删除起始的n2个采样点...nn通道删除起始的nn个采样点以此类推，保证所有通道的采样点起始位置对齐。
[0081]
步骤3，单个发送通道同时向每个接收通道发送特定频率的单音信号，并获取接收通道接收到的单音信号的频点和相位，得到每个接收通道的相位偏差；
[0082]
具体地，在步骤3中，不同接收通道的相位偏差的获得方法为：
[0083]
步骤3.1，控制多通道开关矩阵将软件无线电设备的多个接收通道同时与第一个发送通道连接；
[0084]
步骤3.2，fpga控制模块通过第一个发送通道发送特定频率的单音信号；
[0085]
步骤3.3，不同的接收通道同时接收第一个发送通道发送的单音信号；
[0086]
步骤3.4，通过fft算法计算接收通道接收到的单音信号的频点，并根据频点计算得到相位值；
[0087]
步骤3.5，重复执行步骤3.4，得到全部接收通道接收到的单音信号的相位值，计算不同接收通道接收到的单音信号的相位值与原始单音信号的差值，得到不同接收通道的相位偏差。
[0088]
步骤4，根据每个接收通道的相位偏差，获得每个接收通道对应的接收通道相位偏差补偿值；根据接收通道相位偏差补偿值对每个接收通道的相位偏差进行相位补偿；
[0089]
在步骤4中，通过fpga算法得到接收通道相位偏差补偿值；
[0090]
通过将接收通道的原始单音信号与接收通道相位偏差补偿值进行i/q相位旋转计算，从而补偿不同接收通道的相位偏差。
[0091]
步骤5，单个接收通道分时接收每个发送通道发送的特定频率的单音信号，并获取接收通道接收到的单音信号的频点和相位，得到每个发送通道的相位偏差；
[0092]
具体地，在步骤5中，不同发送通道的相位偏差的获得方法为：
[0093]
步骤5.1，控制多通道开关矩阵将软件无线电设备的多个发送通道分时与第一个接收通道连接；
[0094]
步骤5.2，fpga控制模块控制多个发送通道依次向第一个接收通道发送特定频率的单音信号；每个发送通道每次发送的特定频率的单音信号均相同；
[0095]
步骤5.3，第一个接收通道分时接收不同发送通道发送的单音信号；
[0096]
步骤5.4，通过fft算法计算每个发送通道发送单音信号后第一个接收通道接收到的单音信号的频点，并根据频点计算得到相位值；
[0097]
步骤5.5，重复执行步骤5.4，得到全部发送通道发送单音信号后第一个接收通道接收到的单音信号的相位值，计算接收通道每次接收到的单音信号的相位值与原始单音信号的差值，得到不同发送通道的相位偏差。
[0098]
步骤6，根据每个发送通道的相位偏差，获得每个发送通道对应的发送通道相位偏差补偿值；根据发送通道相位偏差补偿值对每个发送通道的相位偏差进行相位补偿。
[0099]
具体地，在步骤6中，通过fpga算法得到发送通道相位偏差补偿值；
[0100]
通过将发送通道的原始单音信号与发送通道相位偏差补偿值进行i/q相位旋转计算，从而补偿不同发送通道的相位偏差。
[0101]
更为具体地，在步骤4和步骤6中的i/q相位旋转计算的实现方法如下：
[0102]
设原始信号分为两路
[0103]
i(t)＝cos(ωt)；
[0104]
q(t)＝sin(ωt)；
[0105]
经过相位修正后表示为：
[0106][0107][0108]
两者之间存在个关系为：
[0109][0110][0111]
在将其表示成矩阵形式为：
[0112][0113]
即可通过正交矩阵对i/q两路信号进行线性乘，完成旋转操作，进而完成相位差的校正。
[0114]
在本实施例中，采用多个不同频率的单音信号对软件无线电设备内部采样点偏差进行检测，并对软件无线电设备内部采样点偏差进行补偿，采用特定频率的单音信号分别对多接收通道和多发送通道进行相位检测，多接收通道和多发送通道进行相位补偿，使得单台或多台软件无线电设备的多接收通和多发送通道相位同步；本发明从采样点补偿及多通道的相位补偿这两个方面对软件无线电设备进行全面校正，进而保证软件无线电设备在有效带宽内的相位同步，摆脱了现有软件无线电设备只能实现校准频率点处的相位同步的限制。
[0115]
以上实施例仅是对本发明的优选实施例进行的描述，并非对本发明请求保护范围的限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域工程技术人员依据本发明的技术方案
做出的各种形式的变形，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。