基站波束成形系統的相位測量

利用多天線(xiàn)實(shí)現高性能

為了支持新型應用，如智能手機之類(lèi)，個(gè)人通信設備對數據吞吐速率的要求越來(lái)越高，在給定的帶寬和覆蓋區域，要提高吞吐速率，必須提高信噪比(SNR)，這意味著(zhù)需要提高功率，或者降低噪聲，或者同時(shí)采取這兩種措施。提高信號電平的一種方法是使用輸出功率更高的功率放大器(PA)，但這種方法會(huì )顯著(zhù)提高基站的運行成本，并且可能導致相鄰小區的干擾增大。降低接收機系統噪聲也是可行的，但要在一個(gè)已經(jīng)優(yōu)化的系統上獲得若干dB以上的改善，可能需要付出九牛二虎之力。

如果使用多個(gè)信號路徑和一個(gè)天線(xiàn)陣列，則可以使天線(xiàn)陣列的聚集輻射場(chǎng)型在目標接收機的方向上具有更高的增益，而在其它方向上的增益則低得多。在目標接收機方向上的較高發(fā)射機增益可提高接收機的信號電平，但同時(shí)也會(huì )對正好處于發(fā)射機窄波束內的其它接收機造成更大的干擾。指向發(fā)射機的較窄高增益接收場(chǎng)型可減小相鄰基站和移動(dòng)設備對接收機的干擾。這兩種效應均能提高接收機的信噪比(SNR)。

圖1顯示一個(gè)系統架構的框圖，其中四根天線(xiàn)共用同一信號。中間兩根天線(xiàn)的導體呈回旋狀，目的是強調所有天線(xiàn)的電纜長(cháng)度必須相等。

圖1 4天線(xiàn)系統

圖2顯示該系統的仿真響應，假設這些天線(xiàn)為全向天線(xiàn)。天線(xiàn)位于穿過(guò)180度和0度的軸線(xiàn)上。該極坐標圖的徑向軸表示相對于單根全向天線(xiàn)的增益(dB)。

圖2 相對于單根天線(xiàn)響應的4天線(xiàn)響應(dB)

波束成形和波束控制

圖 1中的架構可用于目前的許多應用中，但要充分發(fā)揮窄波束系統的優(yōu)勢，必須進(jìn)行動(dòng)態(tài)波束控制（移動(dòng)主波束）或波束成形（移動(dòng)主波束和零陷）。波束控制要求基帶處理器(BBP)改變各天線(xiàn)信號的相位，波束成形則要求BBP改變各天線(xiàn)信號的相位和幅度。除非另有說(shuō)明，本文中的“波束成形”同時(shí)包括波束控制和波束成形。圖3所示為一個(gè)波束成形實(shí)現系統。為清楚起見(jiàn)，圖中僅顯示發(fā)射路徑。

圖3 提供波束控制/波束成形的4天線(xiàn)系統

針對波束成形設計了一些多用戶(hù)協(xié)議，例如LTE。在LTE中，BBP可以分別調整資源模塊(RB)的幅度和相位，因此即使在多用戶(hù)子幀中也支持用戶(hù)專(zhuān)用的波束。

如果BBP將天線(xiàn)1的數據移動(dòng)-0.375λ，將天線(xiàn)2的數據移動(dòng)-0.125λ，將天線(xiàn)3的數據移動(dòng)+0.125λ，并將天線(xiàn)4的數據移動(dòng)+0.375λ，則會(huì )產(chǎn)生圖4所示的輻射場(chǎng)型。在這個(gè)波束控制示例中，BBP僅對數據應用相位校正。該圖還顯示兩個(gè)瓣一致移動(dòng)。如果不需要這樣，可以使用定向天線(xiàn)陣列來(lái)消除不需要的瓣，同時(shí)為需要的瓣提供額外增益。

圖4 相對于單根天線(xiàn)響應的控制4天線(xiàn)響應

圖 2和圖4所示的極坐標圖反映的是理想情況，假設信號完全按照需要到達各天線(xiàn)。但實(shí)際上會(huì )存在偏差，導致各發(fā)射路徑都存在獨特的不良相移。這些相移可能會(huì )在每次系統上電時(shí)改變，而且可能隨著(zhù)器件溫度的變化而改變。當發(fā)射機使用不同的本振，或者當到達各發(fā)射機模塊的本振路徑不同時(shí)，這個(gè)問(wèn)題尤其突出。不同路徑長(cháng)度、溫度漂移以及發(fā)射機路徑之間的本振(LO)相位差所引起的不良相位失調，可能會(huì )改變輻射場(chǎng)型，從而使系統性能明顯下降。例如，將區區5度的誤差增加到各天線(xiàn)信號時(shí)（因而天線(xiàn)1 = -0.51λ，天線(xiàn)2 = -0.17λ，天線(xiàn)3 = +0.17λ，天線(xiàn)4 = +0.51λ），其結果如圖5所示。

圖5 存在不良相移的控制4天線(xiàn)響應

測量相位

顯而易見(jiàn)，對于波束成形，系統必須能夠測量各發(fā)射機輸出的相對相位失調。完成相對相位失調計算后，除了用于波束控制的相位和幅度系數外，BBP還會(huì )對各信號路徑應用一個(gè)校正因數。

圖 6顯示了一種確定相對相位失調的常用方法，即利用系統中的額外接收機。所示的曲線(xiàn)路徑同樣是為了強調從各RF前端到RF開(kāi)關(guān)的路徑長(cháng)度必須相等。經(jīng)過(guò)下變頻、濾波和發(fā)射信號數字化后，計算相位Tan-1 (Q/I)以得出各路徑的相位失調。然后，BBP將這些校正因數應用于波束成形系數。

圖6 具有發(fā)射路徑相位檢測功能的4天線(xiàn)波束成形系統

下變頻處理要求一個(gè)全功能接收機子系統，但接收路徑的最大增益不需要像正常接收機那樣高。這種解決方案會(huì )增加成本，但波束成形帶來(lái)的利益更大。

通過(guò)集成降低成本

提高集成度可以在保有波束成形好處的同時(shí)，降低圖6實(shí)現方案的成本。集成可分為多個(gè)級別。例如，整個(gè)接收機子系統或發(fā)射機子系統可以使用一個(gè)IC以降低成本。進(jìn)一步的集成，例如將多個(gè)發(fā)射機和接收機集成到單個(gè)IC中，可以在保持波束成形功能的同時(shí)實(shí)現最低成本解決方案。

對于時(shí)分雙工(TDD)系統，將接收機和發(fā)射機集成到同一IC封裝中還能提供其它好處。這種情況下，接收機和發(fā)射機并非同時(shí)使用，因此在發(fā)送子幀期間，可以讓接收機執行其它任務(wù)，例如測量發(fā)射機輸出的相位。圖7所示就是這種架構。圖中顯示的是發(fā)送子幀期間的情況。標為“Tx Monitor”的模塊是被改派用場(chǎng)的接收機，用于在發(fā)送子幀期間測量耦合器的功率并提供I/Q數據輸出。對于接收子幀，接收機電路斷開(kāi)Tx Monitor輸入，作為正常接收機工作。

第一個(gè)2x2收發(fā)器的發(fā)射和監控路徑使用內部LO。第二個(gè)2x2收發(fā)器的發(fā)射和監控路徑使用不同的LO。LO的頻率相同，但可能存在相位差，而且每次收發(fā)器上電時(shí)，該相位差可能發(fā)生變化。

圖 7中，Tx Monitor 2的輸出相位等于ΦAnt1（從發(fā)射路徑中的LO 1到耦合器的延遲）加上ΦTxMon2（Tx Monitor路徑返回LO 1的延遲）。圖中將它表示為Φ(det)。如果兩條粗線(xiàn)路徑匹配，則Tx Monitor 3的輸出 = Φ(det) + ΦAnt2 + ΦLO 2 - ΦLO 1。從該值中減去Φ(det)便得到Ant1與Ant2之間的相位差。其它天線(xiàn)路徑的相位差可以類(lèi)似方式求得。

圖7 集成波束成形系統

總結

波束成形是提高覆蓋范圍，同時(shí)減小對其它小區干擾的實(shí)用方法。在波束成形中，至關(guān)重要的是系統必須能夠測量各信號與其相關(guān)天線(xiàn)的相對相位。接收機子系統可以執行這種功能，但集成器件能夠在保有波束成形好處的同時(shí)，顯著(zhù)降低成本。ADI公司的AD9356或AD9357 2x2收發(fā)器在同一芯片上集成兩個(gè)接收機、兩個(gè)發(fā)射監控器和兩個(gè)發(fā)射機，還能夠進(jìn)一步降低成本。