WCDMA中LMS自適應(yīng)天線陣的硬件實(shí)現(xiàn)

摘要：本文針對WCDMA的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種利用LMS算法的自適應(yīng)天線陣。實(shí)現(xiàn)時(shí)DSP采用TI公司的TMS320C6701,并采用了零中頻I/Q調(diào)制解調(diào)技術(shù),工作于1.95GHz。該天線陣結(jié)構(gòu)簡單，復(fù)雜度低。

關(guān)鍵詞:LMS，DSP，MAX2700，自適應(yīng)天線陣

1、概述

    在CDMA中，多址干擾和多徑干擾是限制系統(tǒng)容量和鏈路質(zhì)量的重要因素，而自適應(yīng)天線陣，通過空域?yàn)V波，可有效減小多徑效應(yīng)，抑制多址干擾提高接收機(jī)的輸出信噪比，從而可以提高系統(tǒng)容量，改善鏈路質(zhì)量，增加小區(qū)覆蓋半徑[1]。

    自適應(yīng)天線陣通過對每個(gè)陣元接收信號的加權(quán)，進(jìn)行波束形成，對期望信號形成主波束，并盡量抑制其它干擾信號，從而帶來信干噪比的提高。其重點(diǎn)是如何進(jìn)行波束形成。在這些波束形成算法中，根據(jù)是否需要訓(xùn)練序列可分為需要導(dǎo)頻輔助的非盲自適應(yīng)算法和基于信號固有特征的盲自適應(yīng)算法。僅利用信號固有特征設(shè)計(jì)的盲自適應(yīng)陣計(jì)算量大，收斂較慢，并且容易發(fā)散。第三代移動通信中的上行鏈路普遍加入了導(dǎo)頻符號，利用導(dǎo)頻輔助信號可以更好的進(jìn)行信道估計(jì)和相干接收。結(jié)合WCDMA的技術(shù)規(guī)范，本文的自適應(yīng)天線陣即是針對這一特點(diǎn)提出的。

2、自適應(yīng)陣及LMS算法

　　WCDMA上行鏈路有兩個(gè)專用物理信道[2]，即專用物理數(shù)據(jù)信道DPDCH和專用物理控制信道(DPDCCH)，分別用來傳輸數(shù)據(jù)和傳輸控制信息。其中DPCCH中的每一時(shí)隙由導(dǎo)頻符號、發(fā)送功率控制比特（TPC）、反饋指示信息（FBI）及可選的傳輸格式組合指示（TFCI）時(shí)分復(fù)用而成，如圖1所示。

　
 
                 圖1  無線幀結(jié)構(gòu)
    該自適應(yīng)天線陣?yán)茫祝茫模停辽闲墟溌穾Y(jié)構(gòu)的特征,對每個(gè)時(shí)隙的導(dǎo)頻段采用導(dǎo)頻符號的擴(kuò)頻序列作為天線陣權(quán)矢量更新的參考信號,采用LMS波束形成算法每個(gè)碼片更新一次權(quán)矢量,而在數(shù)據(jù)段權(quán)矢量不作更新,直接沿用同一時(shí)隙導(dǎo)頻段最后得到的權(quán)矢量。減小了基站陣列處理的計(jì)算量,大大加快了權(quán)矢量的收斂速度,而且提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性,是一種有效的接收方案。因?yàn)樵撟赃m應(yīng)陣的權(quán)值僅在導(dǎo)頻段進(jìn)行運(yùn)算，所以稱之為半盲自適應(yīng)陣。圖2為該自適應(yīng)陣的原理圖

　
 
                    圖2  天線陣原理圖
    陣元接收的信號首先下變頻到基帶，然后每路信號用復(fù)擾碼分離同相和正交分路，通過利用上行鏈路發(fā)送的導(dǎo)頻信號，可以對每路信號的時(shí)延和相位進(jìn)行較準(zhǔn)確的估計(jì)。導(dǎo)頻符號對信道的估計(jì)可以對波束形成加權(quán)矢量進(jìn)行控制。該結(jié)構(gòu)的權(quán)值運(yùn)算是碼片級的。
LMS算法如下：
 
 
    X(n)為天線陣接收的信號，W(n)為加權(quán)矢量，e(n)為計(jì)算誤差，μ(n)為迭代步長。天線陣選用導(dǎo)頻符號的擴(kuò)頻序列作為參考信號,雖然僅在各時(shí)隙的導(dǎo)頻段進(jìn)行權(quán)矢量的更新,而在數(shù)據(jù)段權(quán)矢量不作更新,直接沿用同一時(shí)隙導(dǎo)頻段最后得到的權(quán)矢量,但由于權(quán)矢量的更新按碼片進(jìn)行大大加快了權(quán)矢量的收斂速度,足以彌補(bǔ)LMS算法收斂速度慢對系統(tǒng)的性能影響。

3、 天線陣結(jié)構(gòu)

    該自適應(yīng)天線陣采用8陣元天線陣列,用于上行鏈路，工作頻率為1.95GHz,天線陣結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　
 　　    
                     圖3  天線陣結(jié)構(gòu) 

    天線陣的射頻通道由MAX2641低噪聲放大器(LNA)和零中頻I/Q解調(diào)器組成。MAX2641工作于1.95GHz,提供14dB左右的增益。MAX2700是工作在1.8-2.1GHz的高線性直接正交下變頻器,利用外部提供的本振信號(LO),直接把1.95GHz的信號解調(diào)為基帶的I/Q信號。零中頻結(jié)構(gòu)接收機(jī)在系統(tǒng)中不存在中頻IF(Intermediate Frequency)，因而避免了鏡像干擾，節(jié)省了鏡像濾波器的設(shè)計(jì)成本；同時(shí)，它免去了中頻變頻模塊和中頻帶通濾波器，大大簡化了整個(gè)接收機(jī)的設(shè)計(jì)，節(jié)約了成本，易于高度集成化和小型化。

　　MAX2700主要由五個(gè)功能模塊組成：低噪聲放大器ＬＮＡ、正交下變頻器、基帶可控增益放大器、基帶增益平衡調(diào)控電路和偏置電路。低噪聲放大器ＬＮＡ模塊由一個(gè)單端輸入、增益可調(diào)放大器實(shí)現(xiàn)，它的噪聲系數(shù)在電源電壓＋３Ｖ時(shí)為２．３ｄＢ；正常工作狀態(tài)下增益達(dá)１６ｄＢ。正交解調(diào)模塊將射頻信號直接下變頻到基帶，解調(diào)出Ｉ／Ｑ兩路信號。解調(diào)模塊包括：兩個(gè)線性度很高的雙平衡混頻器； 一個(gè)本振可選倍頻模塊、本振正交變換模塊、基帶I/Q緩沖放大器。I/Q增益失配矯正模塊是針對直接下變頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)措施。偏移調(diào)控電路通過一個(gè)內(nèi)置的偏置矯正反饋放大器消除增益可調(diào)放大器的直流偏移。MAX2700采用３Ｖ的低電壓供電，正常工作狀態(tài)下功率不超過0.5W，關(guān)斷狀態(tài)下功耗降低至６０μＷ。

    基帶信號由8片AD9288進(jìn)行抽樣，每個(gè)碼片抽取四個(gè)樣值，量化為8個(gè)bit輸入到DSP進(jìn)行波束形成處理，計(jì)算權(quán)值。AD公司的AD9288是一款雙8bit 高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，兩個(gè)ADC可以獨(dú)立工作，內(nèi)部集成了采保電路和基準(zhǔn)電路，單電源工作。平行輸出接口，兼容TTL/CMOS格式。

    采用TI公司的TMS320C6701作為基帶數(shù)字波束形成單元,TMS320C6701是一種新型的浮點(diǎn)DSP芯片,內(nèi)部集成了2個(gè)乘法器和6個(gè)算術(shù)運(yùn)算單元,采用VelociTI超長指令字(VLIW)結(jié)構(gòu),一條指令字(256bit)組合了8條32位指令,可在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)并行執(zhí)行8條指令,峰值運(yùn)算能力為1336MIPS,對于單精度運(yùn)算可達(dá)1GFLOPS,對于雙精度運(yùn)算可達(dá)250MFLOPS。波束形成時(shí)，在導(dǎo)頻段，Q路的接收信號以預(yù)先知道的導(dǎo)頻字段的值作為參考信號進(jìn)行LMS波束形成運(yùn)算。計(jì)算出的權(quán)值作為I路信號的權(quán)值。而在非導(dǎo)頻段，不再進(jìn)行波束形成運(yùn)算，權(quán)值直接沿用同一時(shí)隙導(dǎo)頻段最后得到的權(quán)矢量。此外，DSP可以通過PCI總線與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。該天線陣還可以后接RAKE模塊組成聯(lián)合2D-RAKE接收機(jī)，進(jìn)一步提高接收機(jī)的性能。

4、結(jié)論

    該自適應(yīng)天線基于新一代的數(shù)字信號處理器TMS320C6701,采用高速A/D技術(shù)和零中頻射頻I/Q調(diào)制解調(diào)器，結(jié)構(gòu)簡單，復(fù)雜度低，適于用作基站的接收天線。該天線陣選用的自適應(yīng)波束形成算法復(fù)雜度低，運(yùn)算量小，雖然有收斂慢的缺點(diǎn)但是因?yàn)檫\(yùn)算是碼片級的，仍可以在較短的時(shí)間收斂。

參考文獻(xiàn)：
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[2]3GPP,TS 25.213.
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[4]Jiangzhou Wang .Performance of wideband CDMA system with complex spreading and imperfect channel estimation .Vehicular Technology ,IEEE Transactions on ,2000,49(5):1760~1775.
[5]Simon Haykin. Adaptive Filter Theory [M],Third Edition. Prentice-Hall, Inc 1996.