WRSP6TK 雷达 TR 测试软件源码精讲（2）：内校准——接收与发射

本篇详解模式 0（内接收校准）与模式 1（内发射校准）。这两者是理解其余模式的"钥匙"——它们用到了校准系数计算、通道控制、系数下发三大核心机制。

一、为什么要做"内校准"？

相控阵雷达的性能根基是各通道幅度相位一致性：所有单元的信号要同相叠加，波束才又窄又低副瓣。但实际硬件存在：

每个 TR 组件功放/LNA 增益不一致（制造公差）
移相器、衰减器、馈线的相位/幅度误差
温度漂移、器件老化

校准的目标：测出每个通道相对"标准"的幅度误差和相位误差，生成校正系数，让各通道"拉平"。

内校准 vs 外校准：

	内校准	外校准
信号来源	机内信号源（内建校准网络）	外部信号源（天线口注入）
优点	快速、随时可做、不受环境限制	经过完整天线链路，更真实
缺点	不含天线影响	需要外部设备、环境

术语注释：

校准（Calibration）：用已知参考测量系统误差并修正的过程。

幅相一致性：多通道间幅度（增益）和相位（时延）的一致程度，直接决定波束副瓣和指向精度。

校准网络：雷达内部的信号分配/耦合网络，用于把测试信号注入各接收通道或从各发射通道取样。

二、模式 0：内接收校准（RecvAdjust）

2.1 完整流程（时序图）

┌─ RecvAdjustInit（初始化）───────────────────────────────┐
│ 1. 检查参数文件是否加载成功（m_InnerRecv...CmdFlag）     │
│ 2. 关所有 TR 通道（UART0 发 0x00）                       │
│ 3. 关所有发射波束系数（TRBEAM 发 0xffffffff mask）       │
│ 4. 设置 DIFR 波束/校正系数为"零衰减零相位"               │
│    （m_DifrBeamData/CalibData = 0x7fff0000）             │
│ 5. 设置 DBF 波束系数默认值（0x7400）                     │
│ 6. 下发"内接收校准 Difr 参数"到 DSP                      │
│ 7. 下发"内接收校准 Calibtate 参数"到 DSP（开校准网络）   │
│ 8. 下发接收波束系数 → RXBEAMPORT                        │
│ 9. 下发校正系数 → TRCORRPORT（按 m_CalibDataAmp/Phase） │
│ 10. 开所有 DIFR 接收通道（UART0 发 0xff）                │
│ 11. 启动定时器 m_GetDataTime，开始取数                   │
└─────────────────────────────────────────────────────────┘
        │ 每次数据到达
        ▼
┌─ RecvAdjustDataProcess（数据回调）──────────────────────┐
│ 从 globalBuf 按 DIFR×通道 提取各通道 I/Q                  │
│ → m_AdjustSrcIQ[i]（校准源数据）                          │
│ → 计算幅度/相位 m_AdjustSrcAP[i]                          │
│ → SetEvent 通知处理线程                                   │
└─────────────────────────────────────────────────────────┘
        │
        ▼
┌─ RecvAdjustDataProc（处理线程）─────────────────────────┐
│ 1. 关 TR 通道、关波束系数（测试结束保护）                 │
│ 2. GetCalibrationFactor(srcIQ → FactIQ)                 │
│    计算各通道校准系数（核心！见下）                       │
│ 3. 幅度/相位提取 → m_AdjustFactAP                        │
│ 4. 保存校准系数文件 + 原始数据文件                       │
│ 5. 刷新显示（源 vs 系数对比图）                          │
└─────────────────────────────────────────────────────────┘

2.2 初始化细节（RecvAdjustInit）

关键语句解读：

// 设置 DIFR 波束/校正系数为"零衰减零相位"
memset(m_DifrCalibData, 0, sizeof(m_DifrCalibData));
for (j=0; j<MAXFREQDIVBEAM; j++)
  for(k=0; k<g_ValidChannelNum; k++)
  {
    m_DifrBeamData[j][k] = 0x7fff0000;   // 幅度1.0 + 相位0
    m_DifrCalibData[j][k] = 0x7fff0000;  // 直通
  }

0x7fff0000 是什么？ 32 位打包：高 16 位 = Q15 幅度（0x7FFF = 32767 ≈ 1.0，零衰减），低 16 位 = 相位（0 = 零相位）。详见本博客《Q15 定点数格式完全指南》。

为什么要先设"直通"？ 校准的第一步必须让所有通道"不偏不倚"地直通，才能测到真实的通道误差。如果带着旧系数测量，测到的是"新误差+旧系数残留"的混合结果，无法分离。

2.3 数据提取（RecvAdjustDataProcess）

// 每波束（DIFR×通道）的数据偏移
DataOff = g_ArrayMapDIFR[i] * g_ValidChannelNum + g_ArrayMapChannel[i];
m_AdjustSrcIQ[i][0] = tmpIQ[DataOff<<1];     // I
m_AdjustSrcIQ[i][1] = tmpIQ[(DataOff<<1)+1]; // Q

计算机知识：g_ArrayMapDIFR[i] / g_ArrayMapChannel[i] 是地址映射表——逻辑波束号 i 到物理 DIFR 号和通道号的映射。因为硬件布线和逻辑编号不一定对应，必须查表转换。这是嵌入式/雷达软件常见模式：逻辑-物理映射层。

三、核心：GetCalibrationFactor 的数学原理

这是整个校准的灵魂。输入各通道源 I/Q，输出校准系数 I/Q。

3.1 输入：每个通道的测量值（复数）

\tilde{s}_i = a_i e^{j\varphi_i} = s_{Ii} + j s_{Qi}

其中 $a_i$ 、 $\varphi_i$ 是第 $i$ 通道的幅度、相位， $s_{Ii}$ 、 $s_{Qi}$ 是 I/Q 分量。

3.2 归一化基准的选择

代码逻辑：

Average = 所有通道功率的平均值;
ErrorAmp = pow(10, m_ChanErrorReduce * -0.005f);  // 异常阈值
MinAmp = 功率 ≥ Average*ErrorAmp 的通道中的最小功率;
minPower = sqrt(MinAmp);   // 基准幅度

物理意义：把通道按功率分档。m_ChanErrorReduce 是"通道异常缩减"阈值（默认 100，即 -0.5dB×100/10 = ...），低于平均功率一定比例的通道视为异常通道（坏通道），不参与基准计算，避免坏通道把基准拉低。

公式推导：ErrorAmp = 10^{-0.005 × ChanErrorReduce}。若 ChanErrorReduce=100，则 ErrorAmp = 10^{-0.5} ≈ 0.316——即功率低于平均功率约 -5dB 的通道被排除。m_ChanErrorReduce 以 0.1dB 为单位（界面显示 *0.1f），100 表示 10.0dB？看代码 value.Format("%.1f", m_ChanErrorReduce*0.1f)，所以 100 → 10.0dB。即功率低于平均值 10dB 的通道判为异常。

3.3 校准系数公式

对每个通道 $i$ ：

C_i = \begin{cases} \dfrac{s_{Ii} - j s_{Qi}}{|s_i|} = e^{-j\varphi_i} & \text{若 } P_i \le P_{min} \text{（弱通道，归一化到单位圆）}\\[1.2em] \dfrac{(s_{Ii} - j s_{Qi}) \cdot A_{min}}{|s_i|^2} = \dfrac{A_{min}}{a_i} e^{-j\varphi_i} & \text{其他（校正到基准幅度）} \end{cases}

其中 $A_{min} = \sqrt{P_{min}}$ 是基准幅度， $P_i = |s_i|^2$ 。

代码对应：

if(MinAmp > PowrIQ[i])   // 通道功率 < 基准 → 弱通道
{
    FactIQ[i][0] = srcIQ[i][0]/sqrt(PowrIQ[i]);   // I/|s| = cosφ
    FactIQ[i][1] = -srcIQ[i][1]/sqrt(PowrIQ[i]);  // -Q/|s| = -sinφ
}
else                      // 正常通道
{
    FactIQ[i][0] = srcIQ[i][0]*minPower/PowrIQ[i]; // I·Amin/|s|²
    FactIQ[i][1] = -srcIQ[i][1]*minPower/PowrIQ[i];
}

数学推导：

测量值 $s_i = a_i e^{j\varphi_i}$ ，其共轭 $s_i^* = a_i e^{-j\varphi_i}$
正常通道系数： $C_i = \dfrac{s_i^* \cdot A_{min}}{a_i^2} = \dfrac{A_{min}}{a_i}e^{-j\varphi_i}$ —— 幅度拉平到 $A_{min}$ 、相位取反
弱通道系数： $C_i = \dfrac{s_i^*}{a_i} = e^{-j\varphi_i}$ —— 只校正相位（因为弱通道增益不可靠，不动幅度，避免噪声放大）

相位取反（ $e^{-j\varphi_i}$ ）的物理意义：通道有正相位误差 $\varphi_i$ ，校正系数补偿 $-\varphi_i$ ，两者相乘 $e^{j\varphi_i} \cdot e^{-j\varphi_i} = 1$ ，相位误差被抵消。

3.4 为什么分两档？

情况	处理	原因
通道功率 ≥ 基准	幅度校正到基准 + 相位取反	通道正常，可以校正幅度
通道功率 < 基准（异常）	只校相位，幅度不动	弱通道幅度不可信，强行拉高会放大噪声

工程智慧：坏通道不硬校——如果某通道真的坏了（增益塌陷），把它强行"拉"到正常水平只会把噪声一起放大，得不偿失。让异常通道保持低增益，仅修正相位，至少不引入新的污染。这正是 m_ChanErrorReduce 参数存在的意义。

四、模式 1：内发射校准（SendAdjust）

4.1 与接收校准的差异

发射校准的物理场景不同：发射信号从各 TR 组件功放出来，经耦合网络取样，回到接收机测量。所以：

逐通道扫描：一次只开一个发射通道（m_CurrentHDifrId/ChlId 或 V），测完一个切下一个
m_NeedScanArrayNum = g_BeamArrayNum >> 1：发射校准只需要一半通道数（H/V 各半）
每个通道测量后 m_CurScanArrayNum++，直到全部扫完才统一计算系数

4.2 关键流程（SendAdjustInit）

1. 关 TR、关波束系数
2. 设置 DIFR 直通系数 + DBF 默认系数
3. 下发内发射校准参数到 DSP
4. 下发发射波束系数（全关）→ TRBEAMPORT
5. 下发接收波束/校正系数（直通）→ RXBEAM/TRCORR
6. 打开第一个待测发射通道（m_TestHOrV 决定 H 或 V）：
   - 波束系数只给该通道 0x7fff0000（其余 0=关）
   - UART0 打开对应 TR 通道
7. 启动定时器 → 每周期取一次数据（SendAdjustDataProcess）
   → m_AdjustSrcIQ[m_CurScanArrayNum] = 该通道 I/Q
   → m_CurScanArrayNum++
   → SetEvent

4.3 通道切换（SendAdjustDataProc）

if (m_CurScanArrayNum == m_NeedScanArrayNum)  // 全部扫完
{
    // 1. 关所有 TR/波束
    // 2. GetCalibrationFactor 计算系数（同接收）
    // 3. 保存 H 或 V 的系数文件 + 原始数据
    // 4. 刷新显示
}
else  // 切到下一个通道
{
    // 计算下一个 H/V 通道的 DIFR/Chl
    // 关掉旧的，打开新的（波束系数 + TR 通道）
    // 重启定时器
}

通道切换的"先关后开"顺序很重要：先关旧通道（发全 0 波束系数、UART0 发 0x00），再开新通道，避免新旧通道同时发射造成串扰。

4.4 发射校准的相位符号

对比接收和发射校准的系数计算：

// 接收：相位取反（正常）
I = rat*cos(m_CalibDataPhase[i]*normal_pi);
Q = rat*sin(m_CalibDataPhase[i]*normal_pi);

// 发射：相位再取一次反（负号）
I = rat*cos(m_CalibDataPhase[i]*(-1.0f)*normal_pi);
Q = rat*sin(m_CalibDataPhase[i]*(-1.0f)*normal_pi);

为什么发射要多取一次反？ 校准系数的相位符号取决于信号的传播方向：

接收链路：信号从天线→接收机，误差相位 $\varphi$ 在"接收方向"累积，补偿 $- \varphi$
发射链路：信号从发射机→天线，误差相位同样累积，但校准系数量化打包时的参考方向与接收相反（DSP 处理约定），所以取反

物理本质：收发互易性（reciprocity）要求发射和接收的校正符号相反——同一个通道的相位误差，在发射和接收两个方向上对波束的影响是相反的。这是相控阵收发校准中极易出错、也最常见的 bug 来源。

五、系数下发打包（0x7fff0000 的兄弟）

校准完成后，系数要打包成硬件格式下发：

rat = 32767 * powf(10, m_CalibDataAmp[i] * 0.05f);   // 幅度dB → 线性 × Q15满刻度
I   = (int)(rat * cos(m_CalibDataPhase[i] * π/180));  // 相位 → I 分量
Q   = (int)(rat * sin(m_CalibDataPhase[i] * π/180));  // 相位 → Q 分量
m_DifrCalibData[0..4][j] = ((I<<16)&0xffff0000) | (Q&0x0000ffff);

公式：

I = \lfloor 32767 \cdot 10^{A_{dB}/20} \cdot \cos\varphi \rfloor, \quad Q = \lfloor 32767 \cdot 10^{A_{dB}/20} \cdot \sin\varphi \rfloor

幅度：dB → 线性（ $10^{A/20}$ ）再乘 Q15 满刻度 32767
相位：度 → 弧度 → 三角函数分解为 I/Q
打包：I 放高 16 位、Q 放低 16 位

计算机知识：这是"极坐标→直角坐标→定点打包"的完整链路，也是 Q15 定点数的实际工程应用（详见《Q15 定点数格式完全指南》）。

六、内校准结果文件

%.3fGHz_内标定发射幅度相位值_20260807123000.txt
当前频率:9.100GHz
单元数:40
0.123456   45.678
...

第一行：频点（校准系数与频率强相关，不同频点必须分别校准）
第二行：单元数
每行：幅度（线性值）+ 相位（度）

七、一句话总结

内校准 = 用机内已知信号测出每个通道的幅相误差，用"幅度归一化 + 相位取反"生成校正系数，坏通道只校相位不校幅度。 发射校准额外做了逐通道扫描和相位反号处理。理解这两点，后面的外校准、暗室、远场测试都是它的变体。

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