低功耗、大容量及好鏈接可靠性手機(jī)智能天線測試系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用

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組(VTAG)和移動便攜式無線研究組(MPRG)合作完成的研究項目。

該項目重點確定智能發(fā)送和接收手機(jī)天線的可行性，其目的是為了論證這種天線具有更低的功耗、更大的容量及更好的鏈接可靠性。研究課題包括開發(fā)新的智能天線算法及評估鏈接可靠性和容量的提高。為了評估智能天線在實際應(yīng)用環(huán)境中的性能，研究者采集了一套綜合的時空向量信道測量方法。數(shù)據(jù)采集由VTAG開發(fā)的四個陣列硬件測試平臺完成，它們是手持式天線陣列測試平臺(HAAT)、MPRG天線陣列測試平臺(MAAT)、失量脈沖響應(yīng) (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。一個發(fā)射器用于分集組合試驗，第二個發(fā)射器可用于采用自適應(yīng)波束成型算法的抗干擾試驗。

智能天線可大大提高第三代手持式無線設(shè)備的性能。MPRG和VTAG兩個研究團(tuán)隊共同組成了一個聯(lián)合小組負(fù)責(zé)研究TI公司智能手機(jī)天線的關(guān)鍵特性，包括采集天線及傳輸測量數(shù)據(jù)、評估分集及自適應(yīng)算法、仿真整體系統(tǒng)性能，以及量化對帶智能天線的手機(jī)造成影響的基本現(xiàn)象。自該項目于1998年7月啟動以來，我們已開發(fā)了三種工具：手持式天線陣列測試平臺(HAAT)、向量多徑傳播仿真器(VMPS)、以及寬帶VIPER測量系統(tǒng)。我們已使用這些工具及MPRG天線陣列測試平臺(MAAT)來了解手機(jī)天線陣列的傳輸環(huán)境，這些信息已經(jīng)用來預(yù)測手機(jī)智能天線的性能。

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

系統(tǒng)開發(fā)

1. 手持式天線陣列測試平臺

HAAT系統(tǒng)可用來評估在分集組合和自適應(yīng)波束形成試驗中各種天線配置的性能(典型的應(yīng)用如圖1)。圖2給出了一個采用HAAT系統(tǒng)的典型試驗場景。接收器將來自兩個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(shù)字錄音帶上，以便利用適當(dāng)?shù)乃惴ㄟM(jìn)行離線處理。接收器在2.8米長的軌道上以模仿人行走的恒定速度移動。一個小型手持式無線電裝置支撐著兩個天線，天線的間隔和方向是可變的。該系統(tǒng)具有如下特性：2.05GHz CW信號；兩個發(fā)射器；一個接收器(兩個信道，可擴(kuò)展至4個)；2.8米線性軌道可連續(xù)收集數(shù)據(jù)，并離線處理；高度便攜式電池供電系統(tǒng)；手持接收器的真實工作環(huán)境。

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

2. MPRG天線陣列測試平臺

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(diào)制信號。其帶寬設(shè)為100kHz，但通過調(diào)整可擴(kuò)展至1MHz。MAAT可以執(zhí)行數(shù)字實時波束形成和到達(dá)角度(angle-of-arrival)估測。

3. 向量脈沖響應(yīng)測量系統(tǒng)

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(dá)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算法的測試平臺，可執(zhí)行多徑測量系統(tǒng)的功能以比較多個無線信道環(huán)境下天線算法的性能。圖3給出了VIPER RF前端部分的照片，一個四通道示波器用作采樣系統(tǒng)，計算機(jī)從該示波器獲取所有的信號信息。

VIPER被設(shè)計成在最少的RF硬件條件下，在軟件中實現(xiàn)處理功能。圖4給出了接收器硬件的模塊示意圖。執(zhí)行單階下變頻后，在四個信道的每一個信道的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(jī)處理。

VIPER軟件負(fù)責(zé)采集、處理和記錄所接收信號，并顯示測量或算法結(jié)果。該軟件過去一年來經(jīng)過改進(jìn)，現(xiàn)包括如下模塊：天線分集和分集增益處理；無線信道的時間離散特征(多徑)測量；采用MATLAB開發(fā)的智能天線算法的實現(xiàn)；功耗、時域和頻譜測量；原始接收信號的采集和記錄；回放記錄信號以用于開發(fā)和測試新的算法。

4. 寬帶發(fā)射分集測試平臺

圖3：VIPER RF前端部分組成

寬帶發(fā)射器設(shè)計用于寬帶分集和信道測量試驗。該發(fā)射器基于一個帶片上EEPROM的FPGA，在EEPROM中定義了PN和數(shù)據(jù)序列。當(dāng)前的發(fā)送器可讓PN碼片序列以高達(dá)25Mcps的速度運(yùn)行，但將來可充分發(fā)揮FPGA芯片的性能，使PN序列運(yùn)行速度高達(dá)100Mcps。多徑無線信道的詳細(xì)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無線系統(tǒng)的信號帶寬類似。

5. 向量多徑傳播仿真器

VMPS在窄帶或?qū)拵盘柇h(huán)境下與試驗性測量配合使用。該仿真器可對完整的無線信道進(jìn)行建模，包括天線和傳播效應(yīng)。試驗結(jié)果可用于優(yōu)化由VMPS實現(xiàn)的模型。目的是研究和隔離各種參數(shù)的影響，比如天線模式(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個天線的接收系統(tǒng)進(jìn)行建模。6個發(fā)射器可被激活并放置在接收器周圍的任意位置。多徑傳播可通過在用戶挑選或由內(nèi)置模型決定的位置插入散射器(scatter)來仿真。散射器的發(fā)射功率和反射系數(shù)是可變的，而且可以關(guān)閉或打開直線可視傳輸環(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。對于非直線可視城區(qū)傳播環(huán)境下的兩個天線單元，采用最大比例組合，VMPS可在99%水平時獲得7-11dB的分集增益。這些仿真結(jié)果與采用HAAT系統(tǒng)在類似傳播條件下的測量結(jié)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(tǒng)的性能，比如采用時空陣列、空間陣列、分接式延遲線均衡器(tapped delay line equalizer)，或者單個天線接收器。

圖4：VIPER系統(tǒng)框圖