专利名称：一种星载dbf发射通道幅相误差校准方法及校准系统的制作方法
技术领域：
本发明的一种星载DBF (数字波束形成)发射通道幅相误差校准方法及校准系统， 主要应用于卫星载荷发射通道校准领域。
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2 个点波束。由于在区域内由于人口分布的不均勻，通信业务量分布也不均勻， 而且每天通信的高峰时间也不一样，随着各地经济的发展这种需求在不断地变化；为充分利用卫星的资源，移动通信卫星系统的下行链路采用输入、输出混合矩阵(即Butler矩阵)加功率放大器来实现动态功率调配功能，其中输入Butler由数字方式实现。混合矩阵 (Butler)是一种完全对称的矩阵结构，靠各通道的相位分配器和功率分配器实现信号的耦合和功率分配。由于Butler矩阵导致了通道间的耦合，使得对幅相误差测量、校准更加困难。现有技术多采用远场校准方法，该方法已经被广泛应用在卫星通信系统的远程校准上， 但是它是针对发射通道相互独立条件下的幅相一致性校准，而对于发射通道互耦情况下的幅相一致性校准性能急剧下降，甚至不适用。因此目前国内外尚无关于具有Butler矩阵的星载DBF发射通道幅相误差校准技术。
发明内容
本发明的技术解决问题克服现有技术的不足，提供一种能够对具有Butler矩阵的星载DBF发射通道幅相误差进行校准的方法及校准系统。本发明的技术解决方案一种星载DBF发射通道幅相误差校准方法，包括被测 DBF发射通道中的输出Butler前端通道的功率器件幅相误差校准和输出Butler后端通道的输出馈源阵幅相误差校准两个步骤；首先进行输出Butler前通道的功率器件幅相位误差校准，其步骤为(1. 1)产生相互正交的伪随机码组，并对所述伪随机码组进行BPSK调制，调制后的信号作为校准信号，其中正交码组的数目和需要校准的被测发射通道中的通道数目一致；(1. 2)将步骤(1. 1)中得到校准信号接至输入Butler之后，所述校准信号经过被测DBF发射通道中的功率器件和输出Butler后，在输出Butler的测试口或其中一个输出端口耦合输出；(1. 3)接收步骤(1. 2)得到的校准信号，并进行基带处理，根据基带处理后的校准信号完成被测DBF发通通道中功率器件的幅相误差估计和滤波，根据滤波结果计算校准因子，然后将所述校准因子送入被测DBF发射通道中位于输入Bulter之后的功率器件校准器中，实现输入Butler前通道的功率器件的幅相误差校准；
然后进行输出Butler后通道的输出馈源阵幅相误差校准，其步骤为(2. 1)产生相互正交的伪随机码组，并对所述伪随机码组进行BPSK调制，调制后的信号作为校准信号，其中正交码组的数目和需要校准的通道数目一致；(2. 2)将步骤(1. 1)中得到校准信号接入至输入Butler之前，所述校准信号经过输入Butler、功率器件和输出馈源阵后发射出去；(2. 3)通过远场(即接收馈源)接收所述校准信号，并进行基带处理，根据基带处理后的校准信号完成被测DBF发通通道中输出馈源阵的幅相误差估计和滤波，根据滤波结果计算校准因子，然后将所述校准因子送入被测DBF发射通道中位于输入Bulter之前的输出馈源阵校准器中，实现输出Butler后通道的输出馈源阵幅相误差校准。所述步骤(1. 3)和(2. 3)中的幅相误差估计方法如下(A)对接收到的校准信号进行解扩，得到的解扩后的复信号x(t)如下x(t) = pn{t) h{t) pn (t) + Nawgn h{t) pn {t)(B)对解扩后的复信号x(t)求幅度和相位，即通道的幅相误差，计算如下Aangle = angle [x (t)](1)Apow = abs[x(t)]其中pn(t)为正交伪随机码，h(t)为被测通道的传递函数，pn*(t)为pn(t)共轭， Nawgn为加性白噪声；Aangle为相位误差估计值，Δ p0W为幅度误差估计值，angle [x (t)]为 x(t)的相位，abs[x(t)]为 x(t)幅度。所述步骤(1. 3)和(2. 3)中的幅相误差滤波方法采用Kalman滤波，滤波方法如下已知参数如下
,1 / x0.1状态转移矩阵为^X" +1，劝=、 j ]其中β为校准信号的成型因子；
？观测矩阵为C (n) = [10]；
0 0过程向量噪声的相关矩阵fib) = ^ 其中2为过程向量噪声的方差，可以取
W ·>f7W
β X0. IX I χ (η) I2 ；
0 0观测噪声向量的相关矩阵込(《) = [Λ 2]，其中2为观测噪声的方差，
0 crVcrV
β Χ0. IX y(n) 2 ；输入观测向量过程如下观测向量序列{y (1)，H2)，......，y (η)}，其中y (η)是第η次观测值，对应本发
明中的第η次相位误差估计值Aangle或幅度误差估计值Apow ；初始条件如下
权利要求
1.一种星载DBF发射通道幅相误差校准方法，其特征在于包括被测DBF发射通道中的输出Butler前的功率器件幅相误差校准和输出Butler后的输出馈源阵幅相误差校准两个步骤；首先进行输出Butler前的功率器件幅相位误差校准，其步骤为 (1. 1)产生相互正交的伪随机码组，并对所述伪随机码组进行BPSK调制，调制后的信号作为校准信号，其中正交码组的数目和需要校准的通道数目一致；(1.2)将步骤(1.1)中得到校准信号耦合至输入Butler之后，所述校准信号经过被测发射通道中的功率器件和输出Butler后，在输出Butler的测试口或其中一个输出端口耦合输出；(1.3)接收步骤(1. 得到的校准信号，并进行基带处理，根据基带处理后的校准信号完成被测通道中功率器件的幅相误差估计和滤波，根据滤波结果计算校准因子，然后将所述校准因子送入被测通道中位于输入Bulter之后的功率器件校准器中，实现输出Butler 前的功率器件的幅相误差校准；然后进行输出Butler后的输出馈源阵幅相误差校准，其步骤为 (2. 1)产生相互正交的伪随机码组，并对所述伪随机码组进行BPSK调制，调制后的信号作为校准信号，其中正交码组的数目和需要校准的通道数目一致；(2.2)将步骤(2. 1)中得到校准信号耦合至输入Butler之前，所述校准信号经过输入 Butler、功率器件和输出馈源阵后发射出去；(2. 3)通过远场接收天线接收所述校准信号，并进行基带处理，根据基带处理后的校准信号完成被测通道中输出馈源阵的幅相误差估计和滤波，根据滤波结果计算校准因子，然后将所述校准因子送入被测通道中位于输入Bulter之前的输出馈源阵校准器中，实现输出Butler后的输出馈源阵幅相误差校准。
2.根据权利要求1所述的星载DBF发射通道幅相误差校准方法，其特征在于所述步骤(1. 3)和(2. 3)中的幅相误差估计方法如下(A)对接收到的校准信号进行解扩，得到的解扩后的复信号x(t)如下 x(t) = pn(t) hit) (S) pn (t) + Nawgn h(t) <8> pn (t)(B)对解扩后的复信号x(t)求幅度和相位误差估计值，计算如下 Δ angle = angle[χ (t)](1)Δ pow = abs [χ (t)]其中pn(t)为正交伪随机码，h(t)为被测通道的传递函数，pn*(t)为pn(t)共轭，Nawgn 为加性白噪声；Aangle为相位误差估计值，Δ p0W为幅度误差估计值，angle [x (t)]为x(t) 的相位，abs[x(t)]为x(t)幅度。
3.根据权利要求1所述的星载DBF发射通道幅相误差校准方法，其特征在于所述步骤(1. 3)和(2. 3)中的滤波方法采用Kalman滤波，滤波方法如下已知参数如下 状态转移矩阵为^0 +L功=、 2 ]其中β为校准信号的成型因子； 观测矩阵为C (n) = [10]； 过程向量噪声的相关矩阵〃2]其中2为过程向量噪声的方差；
4. 一种星载DBF发射通道幅相误差校准系统，其特征在于包括校准信号产生模块 (1)、校准算法执行模块O)、校准信号接收模块C3)和发射通道及校准接口模块(4)；所述校准信号产生模块(1)产生和待校准通道数目相等的正交伪随机码组、并对所述正交伪随机码组进行BPSK调制，调制后的信号作为校准信号耦合至发射通道及校准接口模块(4)中输入至输出馈源阵校准时校准信号输入耦合器Gl)和功率器件校准时校准信号输入耦合器(43)，其中输出馈源阵校准时校准信号输入耦合器是为了校准输出馈源阵，功率器件校准时校准信号输入耦合器^幻是为了校准功率器件；所述发射通道及校准接口模块(4)包括输出馈源阵校准器(40)、功率器件校准器 (42)、功率器件校准时校准信号输入耦合器、输出馈源阵校准时校准信号输入耦合器 (41)和功率器件校准时校准信号输出耦合器G4)构成，其中输出馈源阵校准器GO)和输出馈源阵校准时校准信号输入耦合器0 依次接至被测发射通道的输入Bulter之前，功率器件校准器Gl)和功率器件校准时校准信号输入耦合器^幻依次接至被测发射通道的输入Bulter之后，功率器件校准时校准信号输出耦合器04)接至输出Bulter的测试口或其一个输出端口 ；功率器件校准时，校准信号由校准信号输入耦合器^幻耦合输入，并经过被测DBF发射通道中的功率器件和输出Butler后，在输出Butler的测试口或其中一个输出端口耦合输出；输出馈源阵校准时，校准信号由校准信号输入耦合器Gl)耦合输入， 并经过输入Butler、功率器件和输出馈源阵后发射；所述校准信号接收模块C3)接收功率器件校准时校准信号输出耦合器G4)输出的校准信号和输出馈源阵校准时输出馈源阵发射的校准信号；然后完成校准信号至基带复信号的处理，输出至校准算法执行模块O)；所述校准算法执行模块( 完成功率器件的幅相误差估计和滤波，及输出馈源阵的幅相误差估计和滤波；然后计算得到校准因子，并将校准因子输入至功率器件校准器G2)和输出馈源阵校准器GO)中，功率器件校准器G2)和输出馈源阵校准器GO)分别完成功率器件和输出馈源阵幅相误差的校准，从而完成被测DBF发射通道中的输出Butler前端通道的功率器件幅相误差校准和输出Butler后端通道的输出馈源阵幅相误差校准。
5.根据权利要求4所述的所述的星载DBF发射通道幅相误差校准系统，其特征在于 所述功率器件校准器0 和输出馈源阵校准器GO)校准方法如下其中op。w为幅度校准因子，Qangle为相位校准因子，由校准因子估计器计算得到，s(t) 为输入信号，S' (t)为补偿幅相误差后的信号。
6.根据权利要求1所述的星载DBF发射通道幅相误差校准系统，其特征在于所述校准信号产生模块(1)由正交伪随机码组产生器(10)、BPSK调制器(11)构成，正交伪随机码组产生器(10)产生和待校准通道数目相等的正交伪随机码组，通过BPSK调制器(11)对所述正交伪随机码组进行BPSK调制。所述的正交伪随机码可以选用正交性后的walsh码组， 码长可以根据需要进行选择。
7.根据权利要求1所述的星载DBF发射通道幅相误差校准系统，其特征在于所述校准算法执行模块O)由幅相误差估计器0》、Kalman滤波器和校准因子产生器OO) 构成；幅相误差估计器0 完成功率器件的幅相误差估计及输出馈源阵的幅相误差估计； 所述Kalman滤波器Ql)对幅相误差估计器0 估计的幅相误差进行平滑滤波；所述校准因子产生器OO)根据滤波后的幅相误差值计算得到校准因子。
8.根据权利要求6所述的星载DBF发射通道幅相误差校准系统，其特征在于所述幅相误差估计器0 的幅相误差估计方法如下(A)对接收到的校准信号进行解扩，得到的解扩后的复信号x(t)如下x(0 = pn{t) h(t) pn (O + Nawgn h(t) pn (t)(B)对解扩后的复信号x(t)求幅度和相位，即通道的幅相误差，计算如下
9.根据权利要求6所述的星载DBF发射通道幅相误差校准系统，其特征在于所述 Kalman滤波器Ql)的滤波如下已知参数如下
10.根据权利要求1所述的星载DBF发射通道幅相误差校准系统，其特征在于所述校准信号接收模块(3)由接收馈源(30)、下变频器(31)、AD采集(32)和数字下变频器(33) 构成；所述接收馈源(30)接收星载BDF发射通道中输出馈源阵发射的校准信号；所述下变频器(31)对接收馈源(30)接收的星载BDF发射通道中输出馈源阵发射的校准信号和从功率器件校准时校准信号输出耦合器G4)输出的校准信号变成中频信号；所述AD采集(32) 对采集的模拟中频信号变换成数字信号；所述数字下变频器(3 完成将中频信号变成基带复信号。
全文摘要
一种星载DBF发射通道幅相误差校准方法及校准系统包括两级校准方案，两级校准方案由输出Butler前端通道部分幅相校准和输出Butler后端通道部分幅相校准构成。首先，在输入Butler之后注入校准信号，在发射Butler的测试口耦合校准信号，实现混频器和功率放大器的校准；然后，注入校准信号方式不变，通过远场接收校准信号，实现滤波器和馈源阵的校准。本发明极大提高了幅相误差测量精度，可以应用于通信卫星、侦查卫星和导航卫星有效载荷，也可应用于地面雷达等技术领域。
文档编号H04B7/185GK102413082SQ201110214810
公开日2012年4月11日 申请日期2011年7月29日 优先权日2011年7月29日
发明者汤琦, 王战强, 陈锐 申请人:西安空间无线电技术研究所