CN119174216A - 集成且紧凑的智能发射和接收系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种系统(1，1'，1”)，该系统包括至少两个发射/接收模块，至少两个发射/接收模块旨在连接至天线探头或被测装置，模块(4)包括连接至处理和通信子模块(412)的发射/接收子模块(411)，发射/接收子模块(411)包括两个射频输出，两个射频线缆(43)从两个射频输出延伸以将模块(4)连接至辐射元件或将模块(4)直接连接至被测装置，处理和通信子模块(412)配置为基于至少一个通信协议生成通信信号，所述通信信号旨在被传送至发射/接收子模块(411)以在射频线缆(43)上传输，发射/接收子模块(411)以及处理和通信子模块(412)容纳在壳体(42)中。

Description

集成且紧凑的智能发射和接收系统

技术领域

本发明涉及在空间中的任何位置同步的智能收发器系统，使得特别地能够将用于发射和/或接收电磁辐射的几个辐射探头(或天线)联网，作为波束形成或辐射装置表征的部分。

本发明还涉及被测装置的表征。在这种情况下，收发器可以单独用于有线装置的表征，或者连接至辐射探头，并且通过光链路联网，以生成到被测通信装置或来自被测通信装置的真实无线通信场景。

背景技术

用于表征辐射装置的多传感器发射/接收系统通常包括布置为拱形形状的几个辐射电磁探头(或天线)。这种布置是有利的，这是因为它使得能够用电子扫描轴代替机械位移轴。文献WO2012/45877或WO2012/45879描述了这样的系统。

与紧凑型天线测量基座(Base Compacte de Mesure d’Antenne，BCMA)类型或单个传感器类型的常规测量手段相比，这种系统是有利的。这些系统构成非常强大和快速的测量手段。

然而，对于常规的单传感器或多传感器系统，探头是无源的并且在安装时永久连接到固定的操作配置。此外，考虑到布线中固有的困难，难以将它们定位在空间中的任何地方。

发明内容

本发明解决了重新配置用于测量或形成波束的发射/接收系统以获得更大的使用灵活性的问题。

为此，本发明涉及一种发射/接收系统，所述系统包括至少两个模块，至少两个模块旨在连接至天线探头或被测装置，每个模块包括连接至处理和通信子模块的发射/接收子模块，发射/接收子模块包括两个射频输出，两个射频线缆从两个射频输出延伸以将模块连接至辐射元件或将模块直接连接至被测装置，处理和通信子模块配置为根据至少一个通信协议生成通信信号，所述通信信号旨在被传送至发射/接收子模块以在射频线缆上传输，发射/接收子模块、处理和通信子模块容纳在壳体中，所述壳体优选地被屏蔽以不受电磁辐射的影响，模块另外借助于光链路串联连接在一起。

本发明是通过单独采用或采用它们在技术上可能的组合的其中任何一个的以下特征而得以有利地补充：

-每个模块经由射频线缆与连接至发射/接收子模块的双极化天线相关联；

-射频线缆具有允许元件与射频连接件连接同时限制相关联的损耗的最短可能长度。

-发射/接收系统包括控制单元，该控制单元配置为将通信协议传送至模块，控制单元经由适于信号的专用链路连接至模块，链路是以太网链路或光链路。

-模块借助于光链路串联连接在一起，系统包括控制单元，该控制单元经由专用链路连接至一系列模块的第一模块，并且该控制单元配置为控制模块并使模块一起同步，控制单元能够控制一个或几个模块链。

-控制单元配置为控制模块并使模块一起同步，以生成电磁环境。

-模块以拱形、盘形或球形的形式布置在支撑件上，支撑件旨在定位在被测装置周围；

-控制单元配置为根据定义的测量环境来配置每个模块。

因此，本发明提出了一种可重新配置的系统，使得可以按需完全重新配置发射/接收系统。

本发明使得能够生成专用于空间中的任何位置的场景。

在几个联网系统的情况下，不同的系统通过在专用位置彼此同步而分布在空间中。因此，能够精确地控制它们在时间和空间上的行为。

每个系统有利地较小并且因此紧凑，这允许其布置在空间中的任何地方。此外，尺寸导致技术集中，从而允许大量系统的分布。

对于低频应用，本发明使得能够创建紧凑且容易控制和校准的测量系统。例如，能够在与发射/接收系统的壁的较短距离处生成平面波。

不同系统的同步允许具有并行化处理操作，这使得速度增加。因此，特定的处理操作可以远程执行或分布在所有不同的系统上。

每个系统可以经由USB/以太网链路与计算机直接通信。

除了在空中(Over The Air，OTA)通信(也就是说，任何类型的无线通信)中执行测量的能力之外，本发明还可以用作矢量网络分析仪、频谱分析仪、矢量信号分析仪类型的测量仪器。

系统的架构的模块化方面使得能够级联块，以便添加功能，例如到更高或更低频率的频率转换、雷达截面(Radar Cross Section，RCS)或散射参数(ScatteringParameters，S参数)测量。

根据本发明的系统旨在装备例如多传感器射频测量系统(特别地，球形近场测量基座)。

根据本发明的系统可以用于生成辐射图，所述辐射图可以在接收以及发射中任意重新配置，特别是通过将辐射图联网来进行平面波合成或波束形成。

射频频谱的目标频率范围从几兆赫延伸到几百千兆赫。

特别地，本发明使得能够测试并因此表征具有5G频率的通信装置。本发明使得能够测试一个或几个天线，所述天线借助于线缆供电或直接设置有它们的电源或它们的集成接收器，并且可以在发射和/或接收中操作。

本发明使得能够知道移动电话的天线和集成收发器对外部电磁辐射的响应。

本发明使得能够知道具有机载接收器的全球导航卫星系统(Global NavigationSatellite System，GNSS)天线对外部电磁干扰的响应。

本发明使得能够在空间中的几个方向上测量雷达天线的辐射图。

本发明使得能够测量移动电话在几个空间方向上的灵敏度，并且还可以生成对应于诸如建筑物、车辆和/或城市或农村地区的环境的波传播场景。

能够同步所有系统允许测试在高频下操作的装置。实际上，在5G技术中，必须在每个5G MIMO信道中传递几百MHz(例如，200MHz)的带宽。这意味着能够在一秒钟内分析2亿条信息。为此，所有系统必须彼此同步。这种性能对于很少达到200MHz带宽的当前系统是不可能的，此外这些系统是大尺寸的系统。

通常，任何通信系统都可以借助于包括集成的仪器的发明来表征并置于现实场景中的通信情况下。因此，由于本公开的系统的可任意重新配置的性质，可以执行整套测试。

附图说明

本发明的其他特征、目的和优点将从仅是说明性的而非限制性的并且应当结合附图来阅读的以下描述中显现出来，在附图中：

图1示出了根据第一实施方案的发射/接收系统；

图2示出了根据第二实施方案的发射/接收系统；

图3示意性地示出了发射/接收系统的模块；

图4示出了探头的天线；

图5示出了根据第三实施方案的发射/接收系统；

图6示出了根据第四实施方案的发射/接收系统；

图7示出了根据第五实施方案的发射/接收系统；

图8a和图8b示意性地示出了与借助于根据本发明的系统获得的MIMO系统相比，有线配置固定的经典MIMO系统中的通信装置的测量。

具体实施方式

通常原则

图1示出了根据第一实施方案的旨在与装置2(例如，被测装置(Device UnderTest，DUT))通信的发射/接收系统1。根据该第一实施方案，系统1包括直接连接至装置2的发射/接收模块4。

图2示出了根据第二实施方案的旨在与装置2'通信的发射/接收系统1'。根据该第二实施方案，系统1'包括经由天线41或探头通过无线链路连接至装置2'的模块4。这也可以是被测装置2'。

如图3所示，模块4包括连接至处理和通信子模块412的发射/接收子模块411，发射/接收子模块411包括两个射频输出RF1、RF2，两个射频线缆43从两个射频输出RF1、RF2延伸以将模块4直接连接至装置2或天线41。

有利地，发射/接收子模块411以及处理和通信子模块412容纳在壳体42中，壳体42优选地被屏蔽以不受电磁辐射的影响。壳体42较小，尽可能小到适当地容纳不同的元件。

处理和通信子模块412配置为根据至少一个通信协议生成通信信号，所述通信信号旨在被传送至发射/接收子模块411以在射频线缆43上传输。通信协议通常是5G、4G、Wi-Fi、Bluetooth0通信协议中的一种，或者更通常地是用于特定类型通信的几个规则的规范。

射频线缆43具有尽可能短的长度。它们通常不超过例如10cm。但是射频线缆43的长度可以根据频率或集成度约束来调整。优点是能够将模块4定位成尽可能靠近其必须连接的装置2，或者，如果连接至天线41，则能够限制由于其布线引起的损耗。

处理和通信子模块412包括用于信号处理的级413以及用于通信管理的级414。处理级413例如包括处理器以及一个或几个现场可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)，并且使得一方面能够处理和校准信号，而且还能够配置电磁波的形状(衰减、相位移位、衰落、多普勒效应或时间延迟效应)。因此，例如可以生成用于雷达应用的啁啾。还可以生成复杂的调制信号(例如，2G、3G、4G、5G、Wi-Fi、雷达等信号)。

在模块412可能进行的信号处理操作中，包括增益调整、相位调整、滤波、时间位移、随机噪声添加、多普勒效应模拟等。

通信级413配置为用于通信管理，并且根据期望的通信与不同的接口连接：USB接口415、光学接口416、以太网接口417。USB接口使得能够将模块4连接至测量系统12或者直接连接至用于对FPGA进行编程及调试的计算机，光学接口416连接至光链路，以太网接口例如连接至计算机类型的控制单元11。光学接口416尤其允许两个模块之间的通信。

此外，子模块412包括用于子模块411、412的供电的接口418。

子模块411包括待连接至子模块412的接口419。根据该示例，子模块411、412位于分开的电路图上以更好地集成到系统中，但是这些子模块完全可以集成在单个电路图上。

每个模块4因此包括数字收发器，该数字收发器包括几个信道(例如，两个信道)和直接实现的信道仿真器功能，使得能够生成高级通信协议。模块4是可逆的，这是因为它可以发射信号(Tx方向)，也可以接收信号(Rx方向)。在接收(Rx)中，模块4可以测量信号并对该信号执行处理操作。在发射(Tx)中，模块生成期望的信号。

因此，每个模块4可以如期望的那样进行重新配置，这使得在其使用中能够有极大的灵活性。

此外，与配备具有包括无源模块的常规架构的多传感器系统的常规设备相比，系统的消耗相对较低。因此，链路预算中存在功率增益，这使得能够以较低电平使用信号，并相应地降低能耗。

消耗取决于需要或多或少的计算能力的选择的应用而变化。本发明的系统允许取决于使用类型的灵活消耗。考虑到布线简单，可能的应用多种多样。每个模块能够接收和发送CW或复信号。

此外，考虑到发射/接收子模块411尽可能靠近天线，所有无线电处理操作，特别是基带通道都发生在该位置，并且通常是损耗源的有线射频链路在此不再是约束。

此外，处理操作在每个模块的级别执行，由于本地应用的校准而变得完美。此外，当模块被校准时，校准数据可以存储在处理和通信子模块的级别，而不是像常规系统的情况那样存储在外部装置上。

有线射频链路的低使用率使得能够使用该系统来测量大尺寸的测试装置2：飞机、卫星或汽车。

通信协议经由控制单元10提供给模块(特别地，在级413)。根据情况，控制单元10可以仅包括计算机11，该计算机11通过专用以太网类型链路3a向模块发送协议。然而，为了允许向模块4发送以太网链路不支持的信号(带宽、流量)，控制单元10除了计算机11之外还包括壳体12，使得能够生成以太网链路不支持的信号。壳体12与驱动壳体12的计算机11连接。这种壳体是通用公共无线接口(Common Public Radio Interface，CRPI)壳体。模块4在这种情况下经由光链路3b连接至壳体12。此外，控制单元10还可以包括连接至计算机11的频谱分析仪14。

在后一种情况下，壳体12有利地连接至无线电测量系统13(无线电通信测试仪(Radio Communication Tester，RCT))。因此，壳体12具有也与常规测量设备(网络仿真器、复信号发生器等)接口的作用。

因此，计算机11使得能够远程地管理模块4的参数化，并且它更通常地是包括用户接口、处理器和以太网链路的装置。计算机11还使得能够识别模块4的故障。如将理解的，模块的所有智能尽可能靠近被测装置2定位。

根据第二实施方案，如图2所示，模块4经由天线41连接至被测装置2'，天线41是双极化无源天线41，被测装置2'是辐射装置、移动电话、平板电脑、连接的对象。如图4中所示，有利地，无源天线41是十字形组件中的两个辐射元件41a、41b的组件，十字的每个元件对应于天线41的辐射的极化。无源天线41具有取决于与被测装置2'相关的期望频率的尺寸。两个线极化天线的正交定位的优点是完全知道天线平面中的波矢量，并且因此知道具体在该位置处的电场。

尺寸取决于由天线覆盖的频带。例如：0.4-6GHz、6-18GHz、18-50GHz。频带越高，尺寸越小。频带越低，尺寸越大。

无源天线41经由两个射频链路43(每条链路对应一种极化方式，并且因此对应天线41的每个辐射元件41a、41b)与发射/接收子模块411连接。这些射频链路必须尽可能短。具体地，无源天线41与壳体42相距大约几厘米。在此将注意到，该距离非常小，并且寻求具有尽可能最短的有线链路以尽可能多地克服高频固有的有线链路的损耗。在此所示的情况下，损耗是有限的。

实际上，线缆的损耗(即，其引起信号的衰减)随着频率显著增加，并且在超过大约20GHz时变为限制性的。因此，有线链路超过几厘米是可接受的，但超过几米是不可接受的。因此，在此避免了使用放大器来补偿信号的损耗，并且因此在能量消耗和噪声因子方面的总体预算优于电子和智能远远落后于射频线缆的系统。

因此，如所示，模块4包括连接至处理和通信子模块412的发射/接收子模块411，发射/接收子模块411包括两个射频输出RF1、RF2，两个射频线缆43从两个射频输出RF1、RF2延伸以将模块4连接至辐射元件41或直接连接至被测装置2。

几个探头定位在空间中的情况

图5示出了根据第三实施方案的发射/接收系统1'，其包括几个模块4，在此是与已经描述的模块相同的三个模块4。被测装置2'在此定位在支承部5上。这种支承部5围绕旋转轴是可移动的，以便能够根据期望的测量以不同的方式来定位被测装置2。规定的是可以使用分布在平面中的模块的矩阵。在这种情况下，发射/接收系统用于形成波束，而不用于对被测装置进行测试。具有辐射天线的几个模块可以布置在相同的2D平面上以构成网络(形状为矩形，或通常为圆形)，并且在这种情况下，可以形成指向空间的一个或几个方向的特定波束以发射或接收信号(Tx/Rx)。

模块4的尺寸较小，并且可以定位在空间中的任何地方，特别是被测装置周围。

模块4通过高速链路6(优选地，光链路)彼此串联连接。具体地，每个模块4通过光链路6(菊花链)与其相邻的模块串联连接，并且链路可以在两个方向上，也就是说，模块可以在两个方向上与其相邻的模块通信。

模块4借助于与电源(未示出)连接的电力线缆来供电。电力线缆以与光链路6相同的方式两个两个地连接每个模块。

因此，测量系统1'基本上包括光链路6和供电线缆。

两个模块4之间的链路配置为传送用于该两两通信的数字数据。此外，模块4的布线简单，并且允许光链路上的显著数据速率。

为了操作所有模块，这里系统1'再次包括控制单元10，该控制单元10配置为控制被测装置2'周围或附近的模块4并且使模块彼此同步。具体地，控制单元10通过专用链路3a、3b(取决于信号类型的以太网或光链路)连接至该模块，经由一系列模块4的第一模块与所有其他模块4通信。这里再次，射频链路几乎不存在。控制单元10符合关于图1描述的控制单元。

由于控制单元10与一系列模块4的第一模块之间的链路3a、3b，控制单元10能够使所有其他模块同步，并且能够识别每个模块4在每个时刻做什么。

这很重要，因为测试所需的测量和环境需要实时控制。因此，由于每个模块可以经由控制单元10远程地参数化和重新配置，获得了很大的使用灵活性。特别地，能够向所有模块4发送相同的数据(例如，在基带中)并且对每个模块4具有特定的处理操作。这些处理操作(通过增益调整、相位调整、滤波、时间位移、随机噪声添加、多普勒效应模拟等)有助于生成特定的电磁环境。此外，能够生成不同的“传播场景”或“传播信道的建模”。目的在于在受控环境中实现真实的使用场景。例如在办公室、或在汽车上、或在火车上等的电话使用场景。

控制单元10还使得能够通过自我诊断来识别模块的一个中的故障。

处理和通信子模块412支持通用公共无线接口(CRPI)通信协议，该协议允许模块4与其相邻的模块通信。

考虑到模块可以任意重新配置，每个模块4提供了机载处理操作的可能性，特别包括校正与模块的天线缺陷(正交模式)相关的误差。用于执行传输参数的测量的成对的模块4(或多个探头)之间的机载处理操作也是可能的。

如已经提到的，有利地，可以看出，唯一存在的射频链路是将子模块411连接至由换能器辐射元件组成的天线41的那些。这些链路非常短，因此相关的损耗非常低，这不再构成在5G频谱的最高频率下使用的障碍。此外，射频链路的低存在解决了高频(数量级>20GHz)下关键链路损耗的问题。

几个模块定位为拱形的情况

图6示出了根据第四实施方案的用于测量辐射装置2”的电磁辐射的发射/接收系统1”。

被测装置2'有利地定位在支承部5上。

模块4分布在支撑结构7上，支撑结构7在图6中呈拱形形状，但其他形状也是可能的。例如，根据矩阵或球形结构的分布是可能的。支撑件7的形状取决于期望的测量环境。

将模块布置在拱形上的优点使得能够通过支承部5的轴的旋转来重构被测装置2”的电磁辐射的3D图。通常，模块以及因此天线在拱形上的分布对于3D表征是规则的(被测装置可以是无源的)。仅在特定通信场景的情况下，仅一些模块被激活，并且在这种情况下，被测装置必然是主动(或自主Tx/Rx)通信装置。这些模块可以定位为球形(例如，以离散方式分布的十五个模块)，并且在这种情况下定位在空间中(具有定位的同步性和自由度，而没有与链路损耗相关的约束)，如图5所示。

支承部5是可移动的，使得能够形成连续的竖直辐射截面，以便覆盖围绕被测装置2”的整个球形，从而获得完整的3D辐射。

根据该第四实施方案，被测辐射装置2”是在发射和接收中被表征的天线。

被测装置2”经由射频有线链路8连接至控制单元，同时一系列模块4经由光链路或以太网链路连接至控制器10，这取决于用于表征天线的信号。有利地，这将特别是用于测试5G天线的光链路。在任何情况下，如已经讨论的，模块4经由光链路6彼此连接(也参见图5和相关描述)。

图7示出了根据第五实施方案的用于辐射装置2'的电磁辐射的测量的发射/接收系统1”'。

这里再次，这种被测装置2'定位在支承部5上，并且在此是诸如移动电话的通信装置。在这种情况下，系统包括中继天线A以模拟在下行链路方向上与基站的通信，并且模块4用于捕获由被测装置2'在上行链路方向上发射的波。作用在通信的方向上颠倒。当涉及对通信对象进行测试时，可以使用该中继天线A，这是因为也可以与模块4进行全双工通信。中继天线A经由有线射频链路8连接至控制器10。

在使用如图6和图7所示的支撑件的情况下，壳体42围绕被测装置2'容纳在支撑结构7中。这与已知的多传感器解决方案不同，根据已知的多传感器解决方案，每个天线通过射频链路连接至机架(baie)，该射频链路必然大于在此描述的解决方案中的射频链路，机架不能尽可能靠近模块4定位。

本发明还有利地用于通常使用集中式信道仿真器的多输入多输出(MultipleInput Multiple Output，MIMO)空中(Over The Air，OTA)仿真。在此，由于本发明，这种模拟由于本发明的系统的架构是便利的：更大的灵活性和简单的布线、分散的计算能力、可扩展的架构。

在图8a中，被测装置2'(移动电话)被放置在消声室CA中，消声室CA围绕连接至机架20和控制单元10的天线A。天线A和机架20使得能够模拟MIMO环境。在该图中看到每个天线A的复杂布线。相反，在图8b中，被测装置2'特别是借助于到控制单元10的光链路6用简化的布线被放置在根据本发明的系统的模块4的中心。在这两个示例中看到根据本发明的模块的优点。

作为来自根据本发明的系统的平面波生成的部分，可以将所有基带中的I和Q数据处理迁移到每个探头。

根据5G的要求，本发明的系统使得能够在较宽频率范围(高达数十千兆赫)上以几百MHz的较宽带宽来测试辐射或通信RF设备，并且模拟多种测试条件，例如多径、多普勒效应、噪声。

Claims (8)

1.一种发射/接收系统(1，1'，1”)，其特征在于，其包括：

至少两个发射/接收模块(4)，每个模块(4)旨在连接至天线探头或被测装置(2，2'，2”)，并且包括连接至处理和通信子模块(412)的发射/接收子模块(411)，所述发射/接收子模块(411)包括两个射频输出(RF1，RF2)，两个射频线缆(43)从两个射频输出延伸以将模块(4)连接至辐射元件(41)或将模块(4)直接连接至被测装置，所述处理和通信子模块(412)配置为从至少一个通信协议生成通信信号，所述通信信号旨在被传送至发射/接收子模块(411)以在射频线缆(43)上传输，所述发射/接收子模块(411)、所述处理和通信子模块(412)容纳在壳体(42)中，所述壳体(42)被屏蔽以不受电磁辐射的影响，所述模块(4)另外借助于光链路(6)串联连接在一起。

2.根据前一权利要求所述的发射/接收系统(1，1'，1”)，其中，每个模块(4)经由射频线缆(43)与连接至发射/接收子模块的双极化天线(41)相关联。

3.根据前述权利要求的任一项所述的发射/接收系统(1，1'，1”)，其中，所述射频线缆(43)具有小于10厘米的长度。

4.根据前述权利要求的任一项所述的发射/接收系统(1，1'，1”)，其包括控制单元(10)，所述控制单元(10)配置为将通信协议传送至模块(4)，所述控制单元(10)经由适于信号的专用链路连接至模块(4)，所述链路是以太网链路(3a)或光链路(3b)。

5.根据前述权利要求的任一项所述的发射/接收系统，其包括控制单元(10)，所述控制单元(10)经由专用链路(3a，3b)连接至一系列模块的第一模块，并且所述控制单元(10)配置为控制模块并使模块一起同步，所述控制单元(10)能够控制一个或几个模块链(4)。

6.根据权利要求5所述的发射/接收系统(1，1'，1”)，其中，所述控制单元(10)配置为控制模块(4)并使模块一起同步，以生成电磁环境。

7.根据权利要求6所述的发射/接收系统(1，1'，1”)，其中，所述模块(4)以拱形、盘形或球形的形式布置在支撑件(7)上，所述支撑件(7)旨在定位在被测装置周围。

8.根据权利要求6至7的任一项所述的发射/接收系统(1，1'，1”)，其中，所述控制单元(10)配置为根据定义的测量环境来配置每个模块(4)。