УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭМУЛЯЦИИ АНТЕННЫ, ПОДДЕРЖИВАЮЩЕЙ КАЛИБРОВКУ КАНАЛОВ
DEVICE FOR EMULATING AN ANTENNA SUPPORTING CHANNEL CALIBRATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к области измерительного и тестового оборудования, которое предназначено для эмуляции работы многоэлементных антенных систем. В частности, изобретение относится к устройствам тестирования алгоритмов калибровки параметров приемопередающих каналов к различным антенным элементам многоэлементной антенной системы.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Современные системы радиосвязи часто используют многоэлементные антенны для формирования управляемого узкого луча диаграммы направленности или для пространственного мультиплексирования нескольких сигналов, несущих параллельные потоки информации. В частности, в системах мобильной связи четвертого поколения Long Term Evolution (LTE) и пятого поколения New Radio (NR) широко распространено использование антенн с 4 и более элементами на базовых станциях (БС) сети радиодоступа.
При использовании многоэлементных антенн в системах мобильной связи также часто требуется осуществлять калибровку амплитудных, фазовых соотношений и групповых задержек, между каналами, соответствующими различным антенным элементам БС при инициализации или в процессе работы приемопередающего устройства. Каждый рассматриваемый канал включает соответствующий передающий или приемный канал радиочастотного модуля, кабель, соединяющий интерфейсы радиочастотного модуля и антенны, и подводящую линию к антенному элементу внутри антенны. Целью калибровки является измерение разностей фаз, групповых задержек и соотношений амплитуд между каналами и их последующая компенсация в цифровом модуле БС, либо учет при определении амплитудных и фазовых коэффициентов в матрице формирования диаграммы направленности многоэлементной антенны.
Патент Великобритании 2,342,505, опубл. 12.04.2000, «Antenna array calibration», патентная заявка ЕПВ 1,178,562, опубл. 06.02.2002, «Antenna array calibration» и патент США 6,747,595, опубл. 08.06.2004, «Array antenna calibration apparatus and array antenna calibration method» раскрывают способы выполнения калибровки антенны и приемопередающих каналов, а также соответствующие калибровочные устройства. Основной отличительной особенностью данных способов является использование тестового сигнала или тестовых сигналов, добавляемых передатчиком в передающие каналы антенных элементов. После прохождения через каналы антенных элементов тестовые сигналы отводятся непосредственно от излучающих элементов антенны и синфазно, с равными амплитудами и задержками объединяются в единственный калибровочный приемный канал, который возвращается в передатчик. Различия в амплитудах, фазах и групповых задержках между передающими каналами антенных элементов определяются посредством анализа сигнала, принятого с калибровочного канала, при последовательной подаче тестового сигнала на антенные элементы, либо при использовании набора тестовых сигналов для различных антенных элементов, которые могут быть тем или иным образом различены алгоритмом калибровки.
Калибровка приемных каналов антенных элементов производится аналогично. Тестовый сигнал передается через единственный калибровочный передающий канал, разветвляется с сохранением амплитуд, фаз и задержек и добавляются к принимаемым сигналам непосредственно после антенных элементов. Добавленный тестовый сигнал проходит через различные приемные каналы антенных элементов и попадает в приемник. Различия в амплитудах, фазах и групповых задержках между приемными каналами антенных элементов определяются посредством анализа принятых тестовых сигналов.
В патенте США 9,246,607, опубл. 26.01.2016, «Automatic phase calibration» раскрывается способ автоматической калибровки фазовых соотношений между копиями сигналов, соответствующих различным путям распространения сигнала в тестовом оборудовании, что, в частности, применимо и к параллельным каналам обработки сигнала в эмуляторе канала. Калибровка выполняется посредством анализа амплитуды объединенного сигнала на выходе эмулятора. В частности, если при манипуляции фазовыми коэффициентами удается найти максимум выходной амплитуды, то текущий набор коэффициентов должен рассматриваться, как соответствующий синфазному сложению сигналов.
Описанный выше алгоритм калибровки часто является неотъемлемой частью БС и, поэтому, требует специальной методики тестирования и соответствующего тестового оборудования, способном эмулировать распространение сигнала между выходными интерфейсами передатчика БС (входными интерфейсами антенных элементов антенны БС) и входными интерфейсами приемника абонентского устройства (АУ) (выходными интерфейсами антенных элементов антенны АУ). Эмулируемые эффекты включают формирование диаграммы направленности многоэлементной антенны БС, распространение сигнала, излученного антенной БС, через радиоканал и формирование диаграммы направленности антенны АУ для приема сигнала, прошедшего через радиоканал.
В патенте США 7,154,959, опубл. 26.12.2006, «System and method for emulating a multiple input, multiple output transmission channel» раскрывается устройство для эмуляции канала распространения, представляющее собой матричный обработчик сигналов с N входами и M выходами. Каждый из N выходных сигналов может быть разделен на M параллельных каналов, к каждому из которых могут применяться амплитудное затухание и фазовый поворот, после чего сигналы могут быть объединены в группы по N для формирования M выходных сигналов эмулятора. N входов описанного эмулятора могут быть соединены с N выходными интерфейсами передатчика БС, предназначенными для подключения N антенных элементов БС. M выходов эмулятора могут быть соединены с M входными интерфейсами приемников одного или нескольких АУ.
В патентной заявке США 2008,0114,580, опубл. 15.05.2008, «MIMO channel simulator», выбранной за прототип заявленного изобретения, раскрывается аналогичное устройство.
Амплитудные и фазовые коэффициенты в каналах эмулятора должны быть заданы так, чтобы, будучи подключенным к интерфейсам БС и АУ, эмулятор точно воспроизводил формируемые диаграммы направленности и другие параметры физического распространения сигнала. В частности, данные коэффициенты должны учитывать возможные фазовые неопределенности во входных или выходных радиочастотных модулях эмулятора, а также в кабелях, используемых для подключения эмулятора к БС и АУ.
На этапе разработки и тестирования оборудования и программного обеспечения БС антенная система может быть не определена или может требоваться поддержка большого числа различных антенных систем. Кроме этого, даже при наличии антенной системы в лаборатории необходимо верифицировать корректность учета оцененных различий в амплитудах, фазах и групповых задержках, что, как правило, требует трудоемких измерений в безэховой камере или специального оборудования для проведения измерений в ближнем поле антенны.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Заявленным изобретением является устройство, предназначенное для подключения к приемопередающему оборудованию и эмулирующее работу многоэлементной антенны с функцией калибровки каналов. Устройство служит для тестирования, верификации и измерения точности работы алгоритмов калибровки, встроенных в приемопередающее оборудование.
Технический результат заявленного изобретения выражается в возможности использования более простых способов тестирования алгоритмов калибровки каналов к антенным элементам многоэлементной антенны, по сравнению с традиционными подходами, основанными на измерениях диаграмм направленности или ближнего поля антенны. Использование заявленного изобретения также позволяет автоматизировать процесс тестирования приемопередающего оборудования, от которого требуется поддержка большого числа вариантов антенных систем.
Указанный технический результат достигается за счет использования в устройстве для эмуляции антенны, поддерживающей калибровку каналов основных разъемов, являющихся входами устройства и калибровочного разъема, являющегося выходом устройства, основных разъемов, являющихся выходами устройства и калибровочного разъема, являющегося входом устройства, по меньшей мере двух блоков изменения амплитуды, применения дополнительного поворота фазы и применения дополнительной групповой задержки к основным сигналам, блока суммирования по меньшей мере двух основных сигналов после изменения амплитуды, дополнительного поворота фазы и дополнительной групповой задержки, блока измерения отношения амплитуд, разности фаз и взаимных групповых задержек между двумя и более основными сигналами после изменения амплитуды, дополнительного поворота фазы и дополнительной групповой задержки, блока генерации по меньшей мере двух основных сигналов, эмулирующих принимаемые сигналы на антенне, по меньшей мере двух блоков добавления калибровочного сигнала, принятого с входного разъема и по меньшей мере двух блоков изменения амплитуды, применения дополнительного поворота фазы и применения дополнительной групповой задержки к двум основным сигналам после добавления к ним калибровочного сигнала.
Заявленное устройство может выполнять две независимые, но связанные по назначению функции: эмуляция работы антенны в режиме калибровки передающих каналов и эмуляция работы антенны в режиме калибровки приемных каналов.
Для эмуляции работы многоэлементной антенны в режиме калибровки передающих каналов, устройство включает: (а) по меньшей мере два основных разъема, являющихся входами устройства, эмулирующие основные входные разъемы антенной системы и предназначенные для подключения к основным выходным интерфейсам приемопередатчика системы связи; (б) по меньшей мере два блока изменения амплитуды, применения дополнительного поворота фазы и применения дополнительной групповой задержки к основным сигналам, принятым с, по меньшей мере, двух основных разъемов, являющихся входами устройства; (в) блок суммирования по меньшей мере двух основных сигналов после изменения амплитуды, дополнительного поворота фазы и дополнительной групповой задержки для формирования выходного калибровочного сигнала; (г) блок измерения отношения амплитуд, разности фаз и взаимных групповых задержек между двумя и более основными сигналами после изменения амплитуды, дополнительного поворота фазы и дополнительной групповой задержки; (д) калибровочный разъем, являющийся выходом устройства, эмулирующий выходной калибровочный разъем антенной системы, предназначенный для подключения к входному калибровочному интерфейсу приемопередатчика системы связи, и используемый для передачи выходного калибровочного сигнала.
Для эмуляции работы многоэлементной антенны в режиме калибровки приемных каналов, устройство включает: (а) калибровочный разъем, являющийся входом устройства, эмулирующий входной калибровочный разъем антенной системы и предназначенный для подключения к выходному калибровочному интерфейсу приемопередатчика системы связи; (б) блок генерации по меньшей мере двух основных сигналов, эмулирующих принимаемые сигналы на антенне, поддерживающей калибровку каналов; (в) по меньшей мере два блока добавления калибровочного сигнала, принятого с входного калибровочного разъема, к каждому из по меньшей мере двух сгенерированных основных сигналов; (г) По меньшей мере два блока изменения амплитуды, применения дополнительного поворота фазы и применения дополнительной групповой задержки к по меньшей мере двум основным сигналам после добавления к ним калибровочного сигнала с целью формирования по меньшей мере двух основных сигналов на выходных разъемах; (д) по меньшей мере два основных разъема, являющихся выходами устройства, эмулирующие основные выходные разъемы антенной системы и используемые для подключения к основным входным интерфейсам приемопередатчика системы связи.
В конкретной реализации устройств входные и выходные основные разъемы в первом и втором устройстве соответственно подключены к двунаправленным интерфейсам приемопередатчика системы связи при помощи циркуляторов.
В конкретной реализации устройств выходной и входной калибровочные разъемы в первом и втором устройстве соответственно подключены к двунаправленному калибровочному интерфейсу приемопередатчика системы связи при помощи циркулятора.
Конкретные реализации устройств включают интерфейс для задания коэффициента изменения амплитуды, величины дополнительного поворота фазы или величины дополнительной групповой задержки для двух и более сигналов по в первом и втором устройстве соответственно.
Конкретные реализации первого устройства для эмуляции калибровки передающих каналов включают интерфейс для вывода измеренных отношений амплитуд, разностей фаз и взаимных групповых задержек между двумя и более сигналами.
Конкретные реализации второго устройства для эмуляции калибровки приемных каналов включают интерфейс для задания параметров генерируемых сигналов.
Конкретные реализации первого устройства для эмуляции калибровки передающих каналов отличаются тем, что отношения амплитуд, разности фаз и взаимных групповых задержек между двумя и более сигналами измеряются в виде функции частоты.
В конкретных реализациях устройств по меньшей мере два блока изменения амплитуды, применения дополнительного поворота фазы и применения дополнительной групповой задержки к основным сигналам, блок суммирования по меньшей мере двух основных сигналов после изменения амплитуды, дополнительного поворота фазы и дополнительной групповой задержки, блок измерения отношения амплитуд, разности фаз и взаимных групповых задержек между двумя и более основными сигналами после изменения амплитуды, дополнительного поворота фазы и дополнительной групповой задержки, блок генерации по меньшей мере двух основных сигналов, эмулирующих принимаемые сигналы на антенне,  по меньшей мере два блока добавления калибровочного сигнала, принятого с входного разъема и по меньшей мере два блока изменения амплитуды, применения дополнительного поворота фазы и применения дополнительной групповой задержки к двум основным сигналам после добавления к ним калибровочного сигнала реализованы с помощью алгоритмов цифровой обработки сигнала в соответствующем цифровом модуле, а основные разъемы, являющиеся входами устройства и калибровочный разъем, являющийся выходом устройства, дополнительно содержат блок аналого-цифрового преобразования и основные разъемы, являющиеся выходами устройства и калибровочный разъем, являющийся входом устройства дополнительно содержат блок цифро-аналогового преобразования.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из ниже следующего описания реализации заявленного технического решения и чертежей, на которых показано:
Фиг. 1 - устройство для эмуляции работы многоэлементной антенны в режиме калибровки передающих каналов.
Фиг. 2 - устройство для эмуляции работы многоэлементной антенны в режиме калибровки приемных каналов.
На фигурах цифрами обозначены следующие позиции:
100 - устройство для эмуляции антенны в режиме калибровки передающих каналов;
101, 102 - основные разъемы, являющиеся входами устройства;
103, 104 - блоки изменения амплитуды, применения дополнительного поворота фазы и применения дополнительной групповой задержки;
105 - калибровочный разъем, являющийся выходом устройства;
106 - блок суммирования по меньшей мере двух основных сигналов;
107 - блок измерения отношения амплитуд, разности фаз и взаимных групповых задержек между двумя и более основными сигналами;
200 - устройство для эмуляции антенны в режиме калибровки приемных каналов;
201, 202 - основные разъемы, являющиеся выходами устройства;
203, 204 - блоки изменения амплитуды, применения дополнительного поворота фазы и применения дополнительной групповой задержки;
205 - калибровочный разъем, являющийся входом устройства;
206, 207 - блоки добавления калибровочного сигнала к сгенерированным сигналам;
208 - блок генерации сигналов, эмулирующих принимаемые сигналы на антенных элементах.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ниже приводится описание устройства (100), предназначенного для эмуляции работы многоэлементной антенны в режиме калибровки передающих каналов.
Устройство (100) содержит два или более входных интерфейса, количество которых соответствует количеству независимых антенных элементов в эмулируемой многоэлементной антенной системе. Конкретная реализация устройства содержит два основных разъема, являющихся входами устройства (101) и (102). Данные разъемы эмулируют входные интерфейсы двухэлементной антенной системы и предназначены для подключения к соответствующим выходным интерфейсам приемопередающего устройства.
Сигналы, полученные с основных разъемов, являющихся входами устройства (101) и (102), подаются на блоки изменения амплитуды, применения дополнительного поворота фазы и применения дополнительной групповой задержки (103) и (104). Блоки (103) и (104) имеют аналогичное устройство и, в общем случае, отличаются величинами вносимых измерений в сигнал. Изменения амплитуды, поворот фазы и применение дополнительной задержки эмулируют возможное наличие дисбалансов в подводящих линиях антенной системы, подключенных к различным антенным элементам. Кроме этого, изменения, внесенные в сигнал блоками (103) и (104), могут эмулировать различия в кабельных линиях между приемопередатчиком и антенной системой, передающих сигналы различных антенных элементов, которые могут присутствовать в реальных системах связи, но отсутствовать в тестовой установке.
Сигналы на выходе блоков (103) и (104), тем самым, эмулируют сигналы, излучаемые с антенных элементов антенной системы. Данные сигналы отводятся для последующего суммирования и формирования калибровочного сигнала в блоке суммирования по меньшей мере двух основных сигналов (106), что соответствует работе калибровочного канала в реальных антенных системах с функцией калибровки каналов. Калибровочный сигнал с выхода блока суммирования по меньшей мере двух основных сигналов (106) подается на калибровочный разъем, являющийся выходом устройства (105), эмулирующий калибровочный интерфейс антенной системы. Предполагается, что калибровочный разъем, являющийся выходом устройства (105) подключен к интерфейсу калибровочного канала приемопередатчика.
Для тестирования работы и измерения результирующей точности алгоритма калибровки каналов используется блок измерения отношения амплитуд, разности фаз и взаимных групповых задержек между двумя и более основными сигналами (107), принимающий сигналы с выходов блоков (103) и (104), которые эмулируют сигналы на антенных элементах антенной системы. Для измерения точности калибровки предполагается, что приемопередатчик сконфигурирован в режиме передачи одинакового потока данных на все антенные элементы с опциональным применением диаграммообразующих амплитудно-фазовых векторов. Блок измерения отношения амплитуд, разности фаз и взаимных групповых задержек между двумя и более основными сигналами (107) выполняет измерение взаимного отношения амплитуд двух входных сигналов, разности их фаз и взаимной групповой задержки одного входного сигнала относительно другого. Предполагается проведение всех измерений в частотной области с тем, чтобы можно было получить кривые отношения амплитуд, разностей фаз и разностей задержек как функций частоты. Последнее необходимо для тестирования и измерения точности алгоритмов, выполняющих частотно-зависимую калибровку каналов внутри полосы полезного сигнала. Для определения точности калибровки измеренные отношения амплитуд и разности фаз могут быть сравнены с заданными диаграммообразующим вектором приемопередатчика.
Ниже приводится описание устройства (200), предназначенного для эмуляции работы многоэлементной антенны в режиме калибровки приемных каналов.
Устройство (200) содержит калибровочный разъем, являющийся входом устройства (205), эмулирующий калибровочный интерфейс антенной системы. Предполагается, что калибровочный разъем, являющийся входом устройства (205) подключен к интерфейсу калибровочного канала приемопередатчика.
Устройство (200) также содержит блок генерации сигналов, эмулирующих принимаемые сигналы на антенных элементах (208), количество которых соответствует количеству независимых антенных элементов в эмулируемой многоэлементной антенной системе. Конкретная реализация устройства предполагает генерацию двух сигналов. Генерируемые сигналы эмулируют принимаемые сигналы на антенных элементах антенной системы.
Сгенерированные сигналы подаются на вход блоков добавления калибровочного сигнала к сгенерированным сигналам (206) и (207), которые подмешивают к ним калибровочный сигнал, полученный с калибровочного разъема, являющегося входом устройства (205). Работа блоков добавления калибровочного сигнала к сгенерированным сигналам (206) и (207), таким образом, соответствует работе калибровочного канала в реальных антенных системах с функцией калибровки каналов.
Сигналы с выходов блоков добавления калибровочного сигнала к сгенерированным сигналам (206) и (207) подаются на вход блоков изменения амплитуды, применения дополнительного поворота фазы и применения дополнительной групповой задержки (203) и (204) соответственно. Блоки изменения амплитуды, применения дополнительного поворота фазы и применения дополнительной групповой задержки (203) и (204) имеют аналогичное устройство и, в общем случае, отличаются величинами вносимых измерений в сигнал. Изменения амплитуды, поворот фазы и применение дополнительной задержки эмулируют возможное наличие дисбалансов в подводящих линиях антенной системы, подключенных к различным антенным элементам. Кроме этого, изменения, внесенные в сигнал блоками изменения амплитуды, применения дополнительного поворота фазы и применения дополнительной групповой задержки (203) и (204), могут эмулировать различия в кабельных линиях между приемопередатчиком и антенной системой, передающих сигналы различных антенных элементов, которые могут присутствовать в реальных системах связи, но отсутствовать в тестовой установке.
Сигналы с выходов блоков изменения амплитуды, применения дополнительного поворота фазы и применения дополнительной групповой задержки (203) и (204) подаются на основные разъемы, являющиеся выходами устройства (201) и (202), эмулирующие выходные интерфейсы двухэлементной антенной системы и предназначенные для подключения к соответствующим входным интерфейсам приемопередающего устройства.
Тестирование и измерение точности работы алгоритма калибровки приемных каналов предполагается посредством анализа различий в амплитудах и фазах частотно-зависимых оценок канала, полученных приемопередающим устройством при приеме заданных генерируемых блоком генерации сигналов, эмулирующих принимаемые сигналы на антенных элементах (208).
В конкретных реализациях, требующих одновременного тестирования или измерения точности работы алгоритмов калибровки передающих каналов и приемных каналов, основные разъемы, являющиеся входами устройства (101) и (102) и основные разъемы, являющиеся выходами устройства (201) и (202) подключены к двунаправленным интерфейсам приемопередатчика, предназначенным для подключения антенной системы, через набор из двух или более циркуляторов.
Аналогично, в конкретных реализациях калибровочный разъем, являющийся выходом устройства (105) и калибровочный разъем, являющийся входом устройства (205) подключены к двунаправленному калибровочному интерфейсу приемопередатчика при помощи циркулятора.
Конкретные реализации устройств (100) и (200) включают интерфейс для задания коэффициента изменения амплитуды, величины дополнительного поворота фазы или величины дополнительной групповой задержки в блоках (103), (104), (203) и (204).
Конкретные реализации устройства (100) включают интерфейс для вывода измеренных блоком (107) отношений амплитуд, разностей фаз и взаимных групповых задержек между двумя и более сигналами.
Конкретные реализации устройства (200) включают интерфейс для задания параметров генерируемых блоком (208) сигналов.
Для конкретных реализаций устройств (100) и (200) блоки (103), (104), (106), (107), (203), (204), (206), (207) и (208) выполнены с использованием алгоритмов цифровой обработки сигнала в соответствующем цифровом модуле, а основные разъемы, являющиеся входами устройства (101), (102), калибровочный разъем, являющийся входом устройства (205) включают стадию аналого-цифрового преобразования и калибровочный разъем, являющийся выходом устройства (105), основные разъемы, являющиеся выходами устройства (201), (202) включают стадию цифро-аналогового преобразования.
Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно, изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.