波束成形系統(tǒng)的相位測(cè)量
2011-4-22 12:09:09　　

　　 利用多天線實(shí)現(xiàn)高性能
　　 為了支持新型應(yīng)用，如智能手機(jī)之類，個(gè)人通信設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)吞吐速率的要求越來越高，在給定的帶寬和覆蓋區(qū)域，要提高吞吐速率，必須提高信噪比(SNR)，這意味著需要提高功率，或者降低噪聲，或者同時(shí)采取這兩種措施。提高信號(hào)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)顯著提高基站的運(yùn)行成本，并且可能導(dǎo)致相鄰小區(qū)的干擾增大。降低接收機(jī)系統(tǒng)噪聲也是可行的，但要在一個(gè)已經(jīng)優(yōu)化的系統(tǒng)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(hào)路徑和一個(gè)天線陣列，則可以使天線陣列的聚集輻射場(chǎng)型在目標(biāo)接收機(jī)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(biāo)接收機(jī)方向上的較高發(fā)射機(jī)增益可提高接收機(jī)的信號(hào)電平，但同時(shí)也會(huì)對(duì)正好處于發(fā)射機(jī)窄波束內(nèi)的其它接收機(jī)造成更大的干擾。指向發(fā)射機(jī)的較窄高增益接收?qǐng)鲂涂蓽p小相鄰基站和移動(dòng)設(shè)備對(duì)接收機(jī)的干擾。這兩種效應(yīng)均能提高接收機(jī)的信噪比(SNR)。
　　 圖1顯示一個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)的框圖，其中四根天線共用同一信號(hào)。中間兩根天線的導(dǎo)體呈回旋狀，目的是強(qiáng)調(diào)所有天線的電纜長(zhǎng)度必須相等。


點(diǎn)擊看大圖
　　 圖1 4天線系統(tǒng)
　　 圖2顯示該系統(tǒng)的仿真響應(yīng)，假設(shè)這些天線為全向天線。天線位于穿過180度和0度的軸線上。該極坐標(biāo)圖的徑向軸表示相對(duì)于單根全向天線的增益(dB)。

　　 圖2 相對(duì)于單根天線響應(yīng)的4天線響應(yīng)(dB)
　　 波束成形和波束控制
　　 圖1中的架構(gòu)可用于目前的許多應(yīng)用中，但要充分發(fā)揮窄波束系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，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)改變各天線信號(hào)的相位，波束成形則要求BBP改變各天線信號(hào)的相位和幅度。除非另有說明，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(xiàn)系統(tǒng)。為清楚起見，圖中僅顯示發(fā)射路徑。

點(diǎn)擊看大圖
　　 圖3 提供波束控制/波束成形的4天線系統(tǒng)

　　 針對(duì)波束成形設(shè)計(jì)了一些多用戶協(xié)議，例如LTE。在LTE中，BBP可以分別調(diào)整資源模塊(RB)的幅度和相位，因此即使在多用戶子幀中也支持用戶專用的波束。
　　 如果BBP將天線1的數(shù)據(jù)移動(dòng)-0.375λ，將天線2的數(shù)據(jù)移動(dòng)-0.125λ，將天線3的數(shù)據(jù)移動(dòng)+0.125λ，并將天線4的數(shù)據(jù)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(duì)數(shù)據(jù)應(yīng)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，可以使用定向天線陣列來消除不需要的瓣，同時(shí)為需要的瓣提供額外增益。


點(diǎn)擊看大圖
　　 圖4 相對(duì)于單根天線響應(yīng)的控制4天線響應(yīng)
　　 圖2和圖4所示的極坐標(biāo)圖反映的是理想情況，假設(shè)信號(hào)完全按照需要到達(dá)各天線。但實(shí)際上會(huì)存在偏差，導(dǎo)致各發(fā)射路徑都存在獨(dú)特的不良相移。這些相移可能會(huì)在每次系統(tǒng)上電時(shí)改變，而且可能隨著器件溫度的變化而改變。當(dāng)發(fā)射機(jī)使用不同的本振，或者當(dāng)?shù)竭_(dá)各發(fā)射機(jī)模塊的本振路徑不同時(shí)，這個(gè)問題尤其突出。不同路徑長(zhǎng)度、溫度漂移以及發(fā)射機(jī)路徑之間的本振(LO)相位差所引起的不良相位失調(diào)，可能會(huì)改變輻射場(chǎng)型，從而使系統(tǒng)性能明顯下降。例如，將區(qū)區(qū)5度的誤差增加到各天線信號(hào)時(shí)（因而天線1 = -0.51λ，天線2 = -0.17λ，天線3 = +0.17λ，天線4 = +0.51λ），其結(jié)果如圖5所示。

　　 圖5 存在不良相移的控制4天線響應(yīng)
　　 測(cè)量相位
　　 顯而易見，對(duì)于波束成形，系統(tǒng)必須能夠測(cè)量各發(fā)射機(jī)輸出的相對(duì)相位失調(diào)。完成相對(duì)相位失調(diào)計(jì)算后，除了用于波束控制的相位和幅度系數(shù)外，BBP還會(huì)對(duì)各信號(hào)路徑應(yīng)用一個(gè)校正因數(shù)。