智能天線實驗平臺研究

摘要：介紹了智能天線的起源、發(fā)展以及天線實驗平臺的研究概況；提出了一個智能天線實驗平臺的實現(xiàn)方案。該方案基于新一代數(shù)字信號處理器TMS320C6701，采用高速A/D、D/A以及零中頻I/Q調(diào)制解調(diào)技術(shù)，工作于2.4GHz，采用八元天線陣列。該平臺用于移動通信中智能天線算法、空時編碼、MIMO技術(shù)和軟件無線電技術(shù)的研究。

    關(guān)鍵詞：移動通信 智能天線 DSP 軟件無線電

1 智能天線技術(shù)的起源與發(fā)展

智能天線的概念是二十世紀(jì)80年代末到90年代初提出的。廣義的智能天線可以理解為能夠收集、處理信息并利用已獲得的知識自動調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)以適應(yīng)不同情況的天線。目前大家討論的智能天線系統(tǒng)都與移動，特點是蜂窩移動系統(tǒng)緊相連，一般指由多個天線單元組成的天線陣列系統(tǒng)。它可以利用數(shù)字信號處理技術(shù)的多個不同的用戶產(chǎn)生多個不販空間波束。每個波速的最大方向自動地對準(zhǔn)各自用戶的方法，而把零接收方向?qū)��?zhǔn)干擾方向，從而提高移動通信系統(tǒng)的性能。

近年來大量的研究表明，智能天線可以在以下方面提高未來移動通信系統(tǒng)的性能：（1）擴大系統(tǒng)的覆蓋區(qū)域；（2）提高系統(tǒng)容量；（3）提高頻譜利用率；（4）減少信號間干擾（如同信道干擾、多址干擾和多徑干擾等）；（5）降低基站發(fā)射功率，減少電磁環(huán)境污染。

智能天線最初以自適應(yīng)天線的形式廣泛應(yīng)用于雷達、聲納及軍事通信領(lǐng)域。由于價值等因素一直未能普及到其他通信領(lǐng)域。近二十年來，移動通信事業(yè)飛展，移動礁用戶呈爆炸性增長，通信資源匱乏日益嚴(yán)重，通信容量不足、通信質(zhì)量下降等成亟待解決的問題。如何消除同信道干擾、多十干擾與多徑衰落的影響成為提高無線通信系統(tǒng)性能考慮的主要因素。自二十世界80年代開始，即第一代蜂窩移動通信系統(tǒng)開始，人們便開始探討利用自適應(yīng)天線消除同信道干擾和多徑衰落的影響、獲得多分集增益。到二十世紀(jì)90年代初，這一思想發(fā)展為智能天線的概念；二十世紀(jì)90年代末，隨著軟件無線電技術(shù)的發(fā)展，人們進一步提出了軟件天線的概念。近年來，由于數(shù)字信號處理技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字信號處理芯片處理能力不斷提高，使利用數(shù)字技術(shù)在基帶進行波束成形成為可能，由此代替了以往在射頻段利用模擬電路進行波束成形的方法，而且天線系統(tǒng)更加可靠和靈活。由于數(shù)字信號處理芯片的價格和性能已為現(xiàn)代通信系統(tǒng)所接受，智能天線技術(shù)的研究開始從軍事領(lǐng)域向民用移動領(lǐng)域轉(zhuǎn)移，智能天線技術(shù)在移動通信中的應(yīng)用研究迅速發(fā)展并顯示出了巨大的潛力。

圖1

2 智能天線實驗平臺的研究概況

目前智能天線的研究主要沿著以下幾個方向開展：一是研究智能天線對現(xiàn)代移動通信信息的作用，利用仿真或理論研究的方法探討應(yīng)用智能天線對移動通信系統(tǒng)的抗干擾能力、系統(tǒng)容量、抗多徑衰落能力的改善；二是智能天線基礎(chǔ)理論的研究，主要研究智能天線的控制算法，利用理論和仿真的方法，結(jié)合的移動通信系統(tǒng)，研究快速高性能的智能天線新算法；三是建立智能天線硬件實驗平臺（測試床），在實際的電磁環(huán)境下測試各種天線陣列、智能天線控制算法的性能， 以確定智能天線的解決方案，并著手解決智能天線實用化的技術(shù)問題（如陣列單元的互耦、各著手解決智能天線實用化的技術(shù)問題（如陣列單元的互耦、各單元通道不一致性的實時校準(zhǔn)技術(shù)等）。

要使智能天線技術(shù)的移動通信領(lǐng)域得到應(yīng)用，單靠理論和仿真研究是不夠的。智能天線硬件實驗平臺是研究智能天線技術(shù)強有力的手段。世界各種都十分重視智能天線實驗平臺的建設(shè)。目前，實驗平臺大都采用基帶上實現(xiàn)數(shù)字波束合成技術(shù)的方案，即上行接收時每個天線陣列單元輸出下變頻到中頻，然后進行模擬的開交檢測（I/Q檢測），對模擬的I/Q信號數(shù)字化后進行數(shù)字波束成形（DBF）；下行發(fā)射時在數(shù)字波束成形器中形成各天線單元的數(shù)字基帶信號（數(shù)字化I/Q信號），經(jīng)D/A變換后形成模擬I/Q信號，然后進行I/Q調(diào)制和上變頻，再送到天線單元輻射。這樣的方案對A/D、D/A和數(shù)字信號處理芯片的要求比較低，使用目前的技術(shù)容易實現(xiàn)。數(shù)字波束成形器和自適應(yīng)控制采用FPGA、DSP芯片或計算機實現(xiàn)。

歐洲主委員會在RACE計劃中實施了一項稱為TSUNAMI的智能天線技術(shù)研究項目，建立一個智能天線測試床，由8個陣元分別組成直線形、圓形和平面形陣列。陣元間距可調(diào)，工作頻率1.89GHz，數(shù)字波束成形采用ERA公司的專用ASIC芯片DBF1108、TMS320C40DSP芯片作為中央控制。

日本ATR光電通信研究所研究用于衛(wèi)星通信的多波束智能天線，采用4×4平面微整天線方陣，工作頻率1.545GHz，天線數(shù)字信號處理部分由10片F(xiàn)PGA完成。

美國奧斯汀德州大學(xué)Guanghan Xu教授帶領(lǐng)的電子工程研究實驗室分別建立工作在1.5GHz、900MHz和1.8GHz的智能天線試驗床（Testbed）。其中900MHz的智能天線為相距半波的八單元微帶天線陣，陣列為均勻直線陣。智能天線控制單元是Sparc10工作站，帶有8GB的硬盤和96MB的RAM，A/D的采樣速率為5MHz，而D/A的采樣速率為2.5MHz，A/D和D/A的數(shù)據(jù)由工作站通過兩個速率為40Mbps的I/O口進行讀寫；1.8GHz的智能天線也采用8個微帶天線作為陣列單元，排列成均勻直線陣，用一臺PC機控制一塊帶有兩片Analog Devices公司的SHARC 20160浮點DSP的DSP板作為智能天線的控制單元，其結(jié)構(gòu)與900MHz的結(jié)構(gòu)相似，只是每一通道的A/D與D/A是以總線方式與DSP板交換數(shù)據(jù)，A/D采樣速率為3.072MHz。

清華大學(xué)馮正和教授領(lǐng)導(dǎo)的智能天線課題組也完成了一個智能天線的實驗平臺，采用嵌入式和總線結(jié)構(gòu)，并進行了大量實驗。(范文先生網(wǎng)www.gymyzhishaji.com收集整理)

隨著軟件無線電技術(shù)的發(fā)展，智能天線已尼可以在軟件無線電平臺上實現(xiàn)�，F(xiàn)代的軟件無線電設(shè)備提供了對智能天線技術(shù)的支持，如頻譜信號處理有限公司開發(fā)的SDR-3000軟件無線電平臺，它包含F(xiàn)lexComm TM1-3100轉(zhuǎn)換模塊、PRO-3100可編程I/O模塊、PRO-3500基帶處理模塊，分別實現(xiàn)數(shù)模變、通道化和預(yù)處理、基帶處理功能。組成智能天線系統(tǒng)時，陣列單元接到相參射頻收發(fā)器，這些收發(fā)器使用公共的基準(zhǔn)信號和本振信號進行相參操作，保持信號間的相位關(guān)系；中頻信號接到多個轉(zhuǎn)換模塊，同時還一個10MHz的基準(zhǔn)信號和一個時間戳輸入到轉(zhuǎn)換模塊，保證模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換的相參關(guān)系；變換后的數(shù)據(jù)在多個I/O模塊進行信道化，然后在基帶處理模塊實現(xiàn)數(shù)字波速成形和信號的調(diào)制解調(diào)；為保證信道化操作和波束成形時各通道的相參操作，進出I/O模塊的信號都打上時間戳標(biāo)記。

3 一個實用的智能天線實驗平臺方案

為了開展智能天線技術(shù)研究，結(jié)合實際情況，筆者設(shè)計了一個基于TI公司TMS320C6701數(shù)字信號處理器的智能天線實驗平臺。該平臺采用8單元天線陣列，工作頻率為2.4GHz，采樣速率為1.5MHz，采用TI公司的TMS320C6701EVM作為數(shù)字波束成形和控制算法實現(xiàn)單元，用于在實際信號環(huán)境下智能天線控制算法測試，MIMO技術(shù)研究和基他陣列信號處理技術(shù)的研究。實驗平臺的上行通道如圖1所示，下行通道如圖3所示。

試驗平臺的波束成形和控制算法采用TI公司的TMS320C6701EVM（評估板）實現(xiàn)。TMS6701是一種新型的浮點DSP芯片，內(nèi)部集成了2個乘法器和6個算術(shù)運算單元，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，可在一個時鐘周期內(nèi)北朝鮮行執(zhí)行8條指令，峰值運算能力為1336MIPS，對于單精度運算可達1GFLOPS，對于雙精度運算可達250MFLOPS。

TMS320C6701EVM是TI公司為方便用戶開發(fā)、分析、試驗C6x系列數(shù)字信號處理算法和應(yīng)用的一個目標(biāo)平臺。它帶有1個64K×32位SBRAM、2個1M×32位SDRAM、16位聲頻雙聲道A/D和D/A變換器，同時帶有PCI接口，可直接插在PC機的PCI插槽，通過PCI接口。計算機可以上載程序和直接實時訪問評估板睥資源，采用TMS320C6701EVM評估板進行智能天線波束成形和控制，可以極大地方便智能天線試驗平臺的實現(xiàn)。

3.1 上行通道

圖1給出了智能天線試驗平臺上行通道的方框圖。從天線陣列單元接收的射頻信號經(jīng)過MAX2644低噪聲放大器（LNA）放大后進入MAX2701零中頻I/Q解調(diào)器進行I/Q解調(diào)，各通道I/Q解調(diào)器所需的本振信號由一個公共的信號源提供，以保證各通道的相位關(guān)系；解調(diào)出的基帶I/Q信號由TI公司的A/D轉(zhuǎn)換器THS1206變成數(shù)字信號。同樣，為保證A/D變換后各通道的相位關(guān)系保持不變，各路A/D變換采用統(tǒng)一的采樣時鐘。為簡化電路設(shè)計，筆者用C6701DSP上的定時器為各路A/D變換器提供統(tǒng)一時鐘；各通道的數(shù)字化基帶信號通過C6701EVM評估板的子接口（EMIF總線）輸入到TMS320C6701數(shù)字信號處理器，C6701實現(xiàn)數(shù)字波速成形和智能天線算法，C6701EMV評估板托運計算機的PCI總線上，計算機通過PCI總線分析顯示陣列合成結(jié)果并實時監(jiān)測接收信號。與此同時，C6701EVM產(chǎn)生AGC控制信號，通過McBSP送到AGC控制電路產(chǎn)生各通道的AGG電壓，控制I/Q解調(diào)器AMX2701的增益。

3.1.1 A/D變換電路

A/D變換電路由TI公司的THS1206實現(xiàn)。這是一片高速四通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。四個通道可以用同一時鐘同時采樣保持，再分別進行A/D變換，從可保持各通道信號的相位關(guān)系。當(dāng)只用一個通道時，最高變換速率為6MSPS；作雙通道使用時為3MSPS；當(dāng)四通道同時使用為1.5MSPS。片上帶有16字12位的FIFO，使A/D變換數(shù)據(jù)可以整批傳送，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。這一特性使它適于通道I/Q信號的變換。在本智能天線平臺中采用四片THS1206，實現(xiàn)八元天線陣列基帶信號的1.5MSPS A/D變換，也很容易配置成四元天線陣列3MSPS的A/D變換或二元天線陣列6MSPS的A/D變換。

THS1206內(nèi)部的FIFO安排成環(huán)形，采用讀取點、寫入點和觸發(fā)點控制讀寫操作，如圖2所示。芯片的轉(zhuǎn)換時鐘CONV_CLK控制采樣保持和A/D變換，CONV_CLK讓四個通道的信號同時采樣保持，然后分別轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并自動順序?qū)懭隖IFO，同時FIFO的寫入點向前移動，指示下一個寫入點；當(dāng)FIFO內(nèi)的數(shù)據(jù)達到預(yù)定的觸發(fā)深度時，發(fā)出數(shù)據(jù)就緒信號DATSA_AV發(fā)出，DSP讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，同時清除DATA_AV信號，讀取點和觸發(fā)點向前移動。芯片的工作方式由兩個寄存器控制，通過寫寄存器，可以選擇使用通道、工作模式、FIFO觸發(fā)深度、DATA_AV的極性與觸發(fā)方式等。

THS1206可以與C6701直接接口。在本智能天線實驗平臺中，四個THS1206芯片的RD、WR、CS0和DATA分別接C6701EVM子卡接口的ARE、AWE、CE1和數(shù)據(jù)總線的D0-D11，THS1206的CS1分別接C6701不同的地址線，而DATA_AV分別接C6701不同的中斷輸入，所有THS1206的轉(zhuǎn)換時鐘CONV_CLK則定時器0輸出TOUT0統(tǒng)一提供。

3.1.2 上行射頻通道

上行射頻通道由MAX2644低噪聲放大器（LNA）和MAX2701零中頻I/Q解調(diào)器組成。MAX2644工作于2.4GHz，噪聲系數(shù)2dB，提供16dB的增益。MAX2701是工作在2.1-2.5GHz的高線性直接

正交正變頻器，利用外部提供的本振信號（LO），直接把2.4GHz的信號解調(diào)為基帶的I/Q信號，3dB基帶帶寬大于56MHz，全通道總增益大于110dB，AGC控制范圍大于60dB。由于采用零中頻結(jié)構(gòu)，不需要中頻濾波器和下變頻和中頻，使射頻通道的結(jié)構(gòu)大為簡化。由于零中頻結(jié)構(gòu)沒有鏡像干擾，對射頻濾波器的要求大為降低。MAX2701的三部分組成：低噪聲放大器、正交正變頻器（I/Q解調(diào)）、三級可控增益基帶放大器。進入MAX2701的射頻信號先進過LNA放大，經(jīng)一個外部的射頻濾波器濾波后由I/Q解調(diào)器變?yōu)榛鶐�I/Q信號，然后由三級基帶放大器放大，再經(jīng)我外接抗混迭濾波器濾波后輸入到A/D變換電路。

3.2 下行通道

3.2 下行通道

圖3給出智能天線實驗平臺下行通道的框圖。待發(fā)送數(shù)據(jù)由計算機通過PCI總線傳給C6701EVM評估板，C6701DSP根據(jù)波速成形的需要生成各通道所需的數(shù)字基帶I/Q信號；D/A變換器DAC2902把數(shù)字基帶I/Q信號變成模擬I/Q信號，為了保持各通道信號的相位關(guān)系，各路D/A變換器采用統(tǒng)一的時鐘啟動、D/A變換，各路D/A變換器的控制信號由D/A變換控制電路產(chǎn)生；各通道模擬I/Q信號由零中頻I/Q調(diào)制器MAX2721上變頻到2.4GHz的射頻信號，經(jīng)過功率放大器MAX2242放大后送到天線陣列輻射，經(jīng)過功率放大器MAX2242放大后送到天線陣列輻射，經(jīng)過功率放大器MAX2242放大后送到天線陣列輻射，形成下行波束；各通道I/Q調(diào)制順?biāo)�需的本振信號由統(tǒng)一的信號源產(chǎn)生以保證各通道的相位關(guān)系；C6701EVM通過McBSP發(fā)送命令到功率控制電路產(chǎn)生控制信號到MAX2721的功率控制端，控制天線陣列的輸出功率。

3.2.1 D/A變換電路

D/A變換器采用TI公司的DAC2902實現(xiàn)。DAC2902是雙通道高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器，帶有兩個獨立的12位D/A轉(zhuǎn)換器，變換速度達125MSPS.它的兩個通道對稱性較好，適用于通信上I/Q通道的D/A轉(zhuǎn)換。DAC2902采和平均電流輸出，通過外接電阻，滿幅度電流2mA-20mA可調(diào)：

IoutFS=32·Vref/Rset

D/A的電流輸出可以驅(qū)動負(fù)載電阻獲得電壓輸出：

Vout=Iout·Rload=IoutFS·(Code/4906)·Rload

DAC2902兩個D/A通道分別使用兩個獨立的12位并行數(shù)據(jù)輸入口，并帶有各自的寫信號（WRT1、WRT2）和時鐘（CLK1、CLK2）輸入。WRT的上升沿把數(shù)據(jù)總線上數(shù)據(jù)鎖入內(nèi)部的輸入鎖存器，在WRT下降沿把數(shù)據(jù)輸出至DAC鎖存器的輸入端；在CLK的上升沿把該數(shù)據(jù)鎖存到DAC鎖存器，開始D/A變換。因此DAC2902的D/A轉(zhuǎn)換由CLK的上升沿觸發(fā)。

圖3

    在本智能天線實驗平臺中，采用8個DAC2902實現(xiàn)八個通道D/A轉(zhuǎn)換。為了實現(xiàn)各通道的相參操作，各通道DAC2902的CLK信號都由C6701EVM的定時器輸出TOUT0提供，而各通道的WRT信號由數(shù)模轉(zhuǎn)換控制電路通過組合各自D/A通道地址和AWE信號產(chǎn)生：WRT通道I=/AWE·地址通道。DSP把各通道輸出的數(shù)據(jù)寫入各DAC2902的輸入鎖存器，然后由TOUT0觸發(fā)，同時啟動D/A變換。

3.2.2 下行射頻通道

下行射頻通道由直接（零中頻）I/Q調(diào)制器MAX2721和功率放大器MAX2242組成。MAX2721工作在2.1-2.5GHz，由I/Q調(diào)制器、可控增益射頻放大器VGA和預(yù)功放（PA Driver）組成，輸入I/Q信號把外部輸入的本振信號（LO）進行I/Q調(diào)制，調(diào)制后經(jīng)VGA和預(yù)功放放大驅(qū)動功放MAX2242功率放大，由天線輻射。MAX2721的基帶I/Q輸入信號的3dB帶寬40MHz，載波抑制30dBc，邊帶抑制35dB,VGA增益控制范圍35dB，輸出功率-5dBm。功率放大器MAX2242工作在2.4-2.5GHz，提供28.5dBm功率增益和22.5dBm的線性輸出功率。8個射頻通道LO由同一信號源通過分支器提供，以保證各通道相參操作。

智能天線實驗平臺所用的THS1206、DAC2902、MAX2701、MAX2721、MAX2242和MAX2644、MAXIM和TI公司提供了相應(yīng)的評估模塊（EVM或Evkit），用于評估對應(yīng)芯片性能。智能天線實驗平臺可以采用這些評估模塊進行構(gòu)建，極大地方便了線實驗平臺的實現(xiàn)。

智能天線硬件實驗平臺是研究智能天線技術(shù)不可缺少的手段。本智能天線硬件實驗平臺基于新一代的數(shù)字信號處理器C6701，采用高速A/D、D/A技術(shù)和零中頻射頻I/Q 吊解調(diào)器，可對智能天線、空時編碼、多進多出技術(shù)以及軟件無線電等方面的算法提供實際測試、為簡化電路，筆者在A/D、D/A與DSP接口與沒有采用外接FIFO或雙口RAM的結(jié)構(gòu)，這需要占用DSP的資源。如果采用FIFO或雙口RAM并結(jié)合DMA方式，還可以進一步提高實驗平臺的性能。如果采用更高速的A/D變換器，可以更進一步實驗中頻段的智能天線技術(shù)。

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