手機智能天線(xiàn)測試系統

本文描述了一項由德州儀器公司(TI)發(fā)起、弗吉尼亞理工學(xué)院和州立大學(xué)的弗吉尼亞科技天線(xiàn)組(VTAG)和移動(dòng)便攜式無(wú)線(xiàn)研究組(MPRG)合作完成的研究項目。

該項目重點(diǎn)確定智能發(fā)送和接收手機天線(xiàn)的可行性，其目的是為了論證這種天線(xiàn)具有更低的功耗、更大的容量及更好的鏈接可靠性。研究課題包括開(kāi)發(fā)新的智能天線(xiàn)算法及評估鏈接可靠性和容量的提高。為了評估智能天線(xiàn)在實(shí)際應用環(huán)境中的性能，研究者采集了一套綜合的時(shí)空向量信道測量方法。數據采集由VTAG開(kāi)發(fā)的四個(gè)陣列硬件測試平臺完成，它們是手持式天線(xiàn)陣列測試平臺(HAAT)、MPRG天線(xiàn)陣列測試平臺(MAAT)、失量脈沖響應 (VIPER)和發(fā)射分集測試平臺(TDT)。

圖1：在多徑環(huán)境下采用HAAT的典型試驗。一個(gè)發(fā)射器用于分集組合試驗，第二個(gè)發(fā)射器可用于采用自適應波束成型算法的抗干擾試驗。

智能天線(xiàn)可大大提高第三代手持式無(wú)線(xiàn)設備的性能。MPRG和VTAG兩個(gè)研究團隊共同組成了一個(gè)聯(lián)合小組負責研究TI公司智能手機天線(xiàn)的關(guān)鍵特性，包括采集天線(xiàn)及傳輸測量數據、評估分集及自適應算法、仿真整體系統性能，以及量化對帶智能天線(xiàn)的手機造成影響的基本現象。自該項目于1998年7月啟動(dòng)以來(lái)，我們已開(kāi)發(fā)了三種工具：手持式天線(xiàn)陣列測試平臺(HAAT)、向量多徑傳播仿真器(VMPS)、以及寬帶VIPER測量系統。我們已使用這些工具及MPRG天線(xiàn)陣列測試平臺(MAAT)來(lái)了解手機天線(xiàn)陣列的傳輸環(huán)境，這些信息已經(jīng)用來(lái)預測手機智能天線(xiàn)的性能。

廣泛的2.05GHz測量表明，在可靠性為99%時(shí)，在戶(hù)外和室內非直線(xiàn)可視環(huán)境下的窄帶系統上實(shí)現7-9dB鏈路增益預算。這些增益可利用手機分集和自適應的小天線(xiàn)陣列獲得，天線(xiàn)間的隔離間距為0.15波長(cháng)或更大。其他的測量表明，利用自適應波束形成(beamforming)算法可將單個(gè)干擾信號降低25-40dB。因此，可靠性、系統容量和傳輸功率性能都可得到大大提高。

系統開(kāi)發(fā)

1 手持式天線(xiàn)陣列測試平臺

HAAT系統可用來(lái)評估在分集組合和自適應波束形成試驗中各種天線(xiàn)配置的性能(典型的應用如圖1)。圖2給出了一個(gè)采用HAAT系統的典型試驗場(chǎng)景。接收器將來(lái)自?xún)蓚€(gè)或更多接收信道的信號下變頻到基帶。這些信號被記錄在數字錄音帶上，以便利用適當的算法進(jìn)行離線(xiàn)處理。接收器在2.8米長(cháng)的軌道上以模仿人行走的恒定速度移動(dòng)。一個(gè)小型手持式無(wú)線(xiàn)電裝置支撐著(zhù)兩個(gè)天線(xiàn)，天線(xiàn)的間隔和方向是可變的。該系統具有如下特性：2.05GHz CW信號；兩個(gè)發(fā)射器；一個(gè)接收器(兩個(gè)信道，可擴展至4個(gè))；2.8米線(xiàn)性軌道可連續收集數據，并離線(xiàn)處理；高度便攜式電池供電系統；手持接收器的真實(shí)工作環(huán)境。

圖2：MAAT由8個(gè)Harris 40214可編程直接數字下變頻器和8個(gè)C54x DSP組成

2 MPRG天線(xiàn)陣列測試平臺

圖2中的MAAT具有很多與HAAT一樣的特性，但具有更多信道，而且可容納更大的帶寬。然而，MAAT有些笨重，不容易變換位置。其工作頻率為2.05GHz，信號為正弦波或已調制信號。其帶寬設為100kHz，但通過(guò)調整可擴展至1MHz。MAAT可以執行數字實(shí)時(shí)波束形成和到達角度(angle-of-arrival)估測。

3 向量脈沖響應測量系統

VIPER是一種軟件定義的寬帶向量信道測量接收器，可支持發(fā)射和接收分集測量。VIPER接收器能夠接收帶寬高達400MHz的信號，并在軟件中處理這些信號。該接收器作為智能天線(xiàn)算法的測試平臺，可執行多徑測量系統的功能以比較多個(gè)無(wú)線(xiàn)信道環(huán)境下天線(xiàn)算法的性能。圖3給出了VIPER RF前端部分的照片，一個(gè)四通道示波器用作采樣系統，計算機從該示波器獲取所有的信號信息。

圖3：VIPER RF前端部分組成

VIPER被設計成在最少的RF硬件條件下，在軟件中實(shí)現處理功能。圖4給出了接收器硬件的模塊示意圖。執行單階下變頻后，在四個(gè)信道的每一個(gè)信道的IF信號以每秒1G的采樣率被采樣。所采集樣本信號存儲在RAM中，并由計算機處理。

VIPER軟件負責采集、處理和記錄所接收信號，并顯示測量或算法結果。該軟件過(guò)去一年來(lái)經(jīng)過(guò)改進(jìn)，現包括如下模塊：天線(xiàn)分集和分集增益處理；無(wú)線(xiàn)信道的時(shí)間離散特征(多徑)測量；采用MATLAB開(kāi)發(fā)的智能天線(xiàn)算法的實(shí)現；功耗、時(shí)域和頻譜測量；原始接收信號的采集和記錄；回放記錄信號以用于開(kāi)發(fā)和測試新的算法。

4 寬帶發(fā)射分集測試平臺

寬帶發(fā)射器設計用于寬帶分集和信道測量試驗。該發(fā)射器基于一個(gè)帶片上EEPROM的FPGA，在EEPROM中定義了PN和數據序列。當前的發(fā)送器可讓PN碼片序列以高達25Mcps的速度運行，但將來(lái)可充分發(fā)揮FPGA芯片的性能，使PN序列運行速度高達100Mcps。多徑無(wú)線(xiàn)信道的詳細測量需要高碼片速率，但在分集試驗中則采用低碼片速率，以便所產(chǎn)生的信號帶寬與3G無(wú)線(xiàn)系統的信號帶寬類(lèi)似。

5 向量多徑傳播仿真器

VMPS在窄帶或寬帶信號環(huán)境下與試驗性測量配合使用。該仿真器可對完整的無(wú)線(xiàn)信道進(jìn)行建模，包括天線(xiàn)和傳播效應。試驗結果可用于優(yōu)化由VMPS實(shí)現的模型。目的是研究和隔離各種參數的影響，比如天線(xiàn)模式(antenna pattern)和間隔、多徑、干擾、算法性能及其它因素。

利用VMPS仿真器可對帶8個(gè)天線(xiàn)的接收系統進(jìn)行建模。6個(gè)發(fā)射器可被激活并放置在接收器周?chē)娜我馕恢?。多徑傳播可通過(guò)在用戶(hù)挑選或由內置模型決定的位置插入散射器(scatter)來(lái)仿真。散射器的發(fā)射功率和反射系數是可變的，而且可以關(guān)閉或打開(kāi)直線(xiàn)可視傳輸環(huán)境條件。這些特性可以仿真多種信道狀態(tài)。

該仿真器可模仿幾個(gè)分集配置方案的性能，比如空間、極化、模式和角度分集。對于非直線(xiàn)可視城區傳播環(huán)境下的兩個(gè)天線(xiàn)單元，采用最大比例組合，VMPS可在99%水平時(shí)獲得7-11dB的分集增益。這些仿真結果與采用HAAT系統在類(lèi)似傳播條件下的測量結果一致。VMPS還可在不同干擾和多徑情況下評估寬帶通信系統的性能，比如采用時(shí)空陣列、空間陣列、分接式延遲線(xiàn)均衡器(tapped delay line equalizer)，或者單個(gè)天線(xiàn)接收器。

圖4：VIPER系統框圖

系統測量

利用所開(kāi)發(fā)的硬件測試平臺進(jìn)行了廣泛的測量，包括手機分集測量、天線(xiàn)間隔和操作員身體對分集的影響、自適應波束形成、到達角、信道互易驗證，以及寬帶向量信道測量。圖5和圖6給出了戶(hù)外非直線(xiàn)可視信道的采樣分集測量。圖5對比相對于天線(xiàn)間隔的相關(guān)系數，注意到當相關(guān)性遠低于0.7時(shí)將十分有利于提高分集性能。圖6給出了分集增益與天線(xiàn)間隔的函數關(guān)系：99%可靠性時(shí)，增益約9dB；90%可靠性時(shí)，增益約5-dB。當間隔降至0.1波長(cháng)時(shí)，幾乎沒(méi)有關(guān)聯(lián)關(guān)系了。

圖5：在市區、非LOS環(huán)境下，空間分集測量中封包(envelope)相關(guān)系數與天線(xiàn)間隔關(guān)系

圖6：在市區、非LOS環(huán)境下，空間分集測量中平均分集增益與天線(xiàn)間隔關(guān)系圖

我們利用手持天線(xiàn)陣列對自適應波束形成做了深入研究。調查所用的小型四單元天線(xiàn)陣列被安裝在一個(gè)像移動(dòng)電話(huà)一樣小巧的接收器上。自適應波束形成研究利用兩個(gè)相互干擾的發(fā)射器在偏遠地區、郊區和市區進(jìn)行了250次試驗。利用最小二乘恒模算法(LSCMA)，受控試驗可提高性能達25至50dB。

在多徑信道中，若在接收器看來(lái)發(fā)射器間沒(méi)有分隔，而且兩個(gè)發(fā)射天線(xiàn)的方向無(wú)區別，性能提高更加明顯。在對等網(wǎng)絡(luò )(peer-to-peer)和微蜂窩條件下，將接收器拿在手中以步行速度移動(dòng)時(shí)的性能也進(jìn)行了測量。在對等網(wǎng)絡(luò )條件下，平均SINR提高約37-41dB，而在微蜂窩條件下波束形成后的平均SINR為21-27dB。在微蜂窩條件下造成較低的SINR的部分原因在于，信號在較長(cháng)的傳播路徑上由于衰減而導致低SNR。在所測量的多徑信道中，雙或多極化天線(xiàn)陣列相對于同極化陣列的優(yōu)勢不足3dB，這表明在這些信道中極化靈活性對提高性能有所幫助，但不是關(guān)鍵因素。

MAAT系統用于到達角測量、針對擴頻系統(低帶寬)的自適應干擾消除算法，以及在10MHz帶寬上基于頻率掃描的多頻譜向量信道測量。多頻譜測量揭示出室內信道的平衰減特性，以及戶(hù)外到室內信道的頻率選擇衰減特性。

VIPER用于啟動(dòng)一系列寬帶向量信道測量，面向各種具有類(lèi)似IMT-2000帶寬的信道(如室內和戶(hù)外等)。最初的試驗是在室內環(huán)境下進(jìn)行的。

發(fā)射分集研究

本節講述研究組在手機發(fā)射分集方面的最近研究活動(dòng)，這涉及到分集形式不同方面的研究。當在發(fā)射器上天線(xiàn)陣列的所有天線(xiàn)上發(fā)射符號序列時(shí)，就用到發(fā)射分集。問(wèn)題是要在接收器端針對恒定的發(fā)射功率最大化信噪比。為了在平衰減信道上實(shí)現手機發(fā)射分集，研究人員采用了多種算法和方法。這些方法涉及到在發(fā)射器端采用復雜的權向量(weight vector)來(lái)調整通過(guò)不同天線(xiàn)單元的符號。將各種方法所能獲得的最大SNR和信號匯集特性進(jìn)行比較。這些方法包括早－晚方法、子空間方法、基于斜度的方法，以及最小平方(Least Square, LS)方法。

通過(guò)仿真對這些方法進(jìn)行測試，結果表明LS方法更適合平衰減信道。在室內環(huán)境下，相比于單天線(xiàn)系統，2單元天線(xiàn)陣列可獲得2-6 dB的性能增益，4單元天線(xiàn)陣列可獲得5-12dB的性能增益。對這些算法相關(guān)的反饋和延遲問(wèn)題也進(jìn)行了研究。仿真表明復雜權向量的粗糙幅度(coarse magnitude)和相位量化(phase quantization)是可能的，僅有輕微的性能下降。我們還研究了這些算法在IMT-2000的WCDMA實(shí)現中的適用性，WCDMA的信道結構和信號格式能適應這些算法。

發(fā)射分集演示

發(fā)射分集系統的可行性是通過(guò)硬件實(shí)現來(lái)展示的。該硬件裝置包括一個(gè)2單元寬帶發(fā)射分集測試平臺和一個(gè)作為接收器的VIPER。一個(gè)單元的增益保持恒定不變，而另一個(gè)單元的相位則以不連續的方式變化。通過(guò)測量每個(gè)相位設置上的信號強度，可以識別出具有最大功率的設置，并將其轉至發(fā)射器。測量每個(gè)天線(xiàn)單元的信號強度，并比較分集系統與單個(gè)天線(xiàn)系統的性能。初始的結果表明，在累積分布函數(CDF)圖的1%水平上，性能提高3-4dB是可能的。

本文結論

本文介紹了VTAG在智能手機天線(xiàn)方面的研究。通過(guò)利用所開(kāi)發(fā)的不同測試平臺進(jìn)行了各種傳播試驗，信道測量表明分集系統要比單天線(xiàn)系統的性能有所提高。窄帶測量表明，采用帶四單元天線(xiàn)陣列的自適應波束形成技術(shù)可獲得高達40dB的抗干擾性能。利用相應的算法，寬帶系統也可以獲得類(lèi)似的增益。我們利用VIPER系統進(jìn)行了寬帶分集試驗。我們還探討了針對平衰減信道的發(fā)射分集，而且通過(guò)仿真對所提議的各種算法進(jìn)行了驗證。發(fā)射分集在室內環(huán)境下通過(guò)寬帶信號進(jìn)行了演示?；谖覀冊赩IPER上的經(jīng)驗，可以快速開(kāi)發(fā)出具有連續數據采集功能的寬帶手持天線(xiàn)陣列測試平臺，以便支持各種試驗來(lái)評估手機寬帶信號的自適應波束形成性能。