低功耗、大容量及好鏈接可靠性手機智能天線測試系統開發及應用

本文描述了一項由德州儀器公司(TI)發起、弗吉尼亞理工學院和州立大學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送和接收手機天線的可行性，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用環境中的性能，研究者采集了一套綜合的時空向量信道測量方法。數據采集由VTAG開發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 (VIPER)和發射分集測試平臺(TDT)。

圖1：在多徑環境下采用HAAT的典型試驗。一個發射器用于分集組合試驗，第二個發射器可用于采用自適應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備的性能。MPRG和VTAG兩個研究團隊共同組成了一個聯合小組負責研究TI公司智能手機天線的關鍵特性，包括采集天線及傳輸測量數據、評估分集及自適應算法、仿真整體系統性能，以及量化對帶智能天線的手機造成影響的基本現象。自該項目于1998年7月啟動以來，我們已開發了三種工具：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。我們已使用這些工具及MPRG天線陣列測試平臺(MAAT)來了解手機天線陣列的傳輸環境，這些信息已經用來預測手機智能天線的性能。

廣泛的2.05GHz測量表明，在可靠性為99%時，在戶外和室內非直線可視環境下的窄帶系統上實現7-9 dB鏈路增益預算。這些增益可利用手機分集和自適應的小天線陣列獲得，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、系統容量和傳輸功率性能都可得到大大提高。

系統開發

1. 手持式天線陣列測試平臺

HAAT系統可用來評估在分集組合和自適應波束形成試驗中各種天線配置的性能(典型的應用如圖1)。圖2給出了一個采用HAAT系統的典型試驗場景。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字錄音帶上，以便利用適當的算法進行離線處理。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。該系統具有如下特性：2.05GHz CW信號；兩個發射器；一個接收器(兩個信道，可擴展至4個)；2.8米線性軌道可連續收集數據，并離線處理；高度便攜式電池供電系統；手持接收器的真實工作環境。

圖2：MAAT由8個Harris 40214可編程直接數字下變頻器和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制信號。其帶寬設為100kHz，但通過調整可擴展至1MHz。MAAT可以執行數字實時波束形成和到達角度(angle-of-arrival)估測。

3. 向量脈沖響應測量系統

VIPER是一種軟件定義的寬帶向量信道測量接收器，可支持發射和接收分集測量。VIPER接收器能夠接收帶寬高達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，可執行多徑測量系統的功能以比較多個無線信道環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，計算機從該示波器獲取所有的信號信息。

VIPER被設計成在最少的RF硬件條件下，在軟件中實現處理功能。圖4給出了接收器硬件的模塊示意圖。執行單階下變頻后，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，并由計算機處理。

VIPER軟件負責采集、處理和記錄所接收信號，并顯示測量或算法結果。該軟件過去一年來經過改進，現包括如下模塊：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開發的智能天線算法的實現；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和測試新的算法。

4. 寬帶發射分集測試平臺

圖3：VIPER RF前端部分組成

寬帶發射器設計用于寬帶分集和信道測量試驗。該發射器基于一個帶片上EEPROM的FPGA，在EEPROM中定義了PN和數據序列。當前的發送器可讓PN碼片序列以高達25Mcps的速度運行，但將來可充分發揮FPGA芯片的性能，使PN序列運行速度高達100Mcps。多徑無線信道的詳細測量需要高碼片速率，但在分集試驗中則采用低碼片速率，以便所產生的信號帶寬與3G無線系統的信號帶寬類似。

5. 向量多徑傳播仿真器

VMPS在窄帶或寬帶信號環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行建模，包括天線和傳播效應。試驗結果可用于優化由VMPS實現的模型。目的是研究和隔離各種參數的影響，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個天線的接收系統進行建模。6個發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置模型決定的位置插入散射器(scatter)來仿真。散射器的發射功率和反射系數是可變的，而且可以關閉或打開直線可視傳輸環境條件。這些特性可以仿真多種信道狀態。

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傳播環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。這些仿真結果與采用HAAT系統在類似傳播條件下的測量結果一致。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系統框圖