（信号与信息处理专业论文）wcdma通道校正算法实现.pdf

摘要 随着信息化社会的到来，空间电磁环境日趋复杂，信号频谱密度越来越高，如 何有效利用有限的频谱资源已成为人们普遍关心的重要问题之一传统的频谱资 源管理办法主要是从时域和频域两方面去解决，因此也就产生了时分多址和频分 多址两种通信体制，针对t d m a ，f d m a 的不足，入们又提出了码分多址( c d m a ) 的概 念，极大地提高了频谱的利用率，因为利用伪码的相关特性，多个用户可以同时在 一个信道上实现通信，而互不干扰但是c d m a 不仅存在远近效应需要进行复杂 的功率控制，而且c d m a 单个信道所占用的频谱较宽，在某个特定的频带内的信道 就十分有限，通信容量虽然有了较大的提高，但仍然无法满足人们对频谱资源的 需求为此就提出了从空域来提高频谱利用率的设想，即对位于不同空域的用户 分配相同的时问，频率和伪码，通过电磁信号的空间隔离来消除用户之削的干扰， 显然这一技术一旦实现，通信容量将会大大提高智能天线就是在这样一种设想 下提出来的一种新型天线系统，它通过对多个天线阵元输出的信号进行幅相加权 获得所需的天线波束指向来实现空间分离，在第三代移动通信系统基站智能天线 技术中，无论是收还是发，多通道之间的幅相一致性是形成波束质量的关键制约 因素，多通道之间的幅相一致性需要在线实时校j 下，以给基带波束形成算法提供 无幅相误差的收发通道本论文主要完成对通道校f 的算法进彳亍了研究。比之常 用的已知源算法。自校正算法有不可比拟的优点。本论文采用了自校正算法。用 自校正算法进行了计算机仿真和f p g a 实现，并进行了功能仿真，证明自校难算 法在实际应用中是切实可行的。， 关键词：w c d m a 通道校j 下- f p g a a b s t r a c t m 置r k e td e m a n df o rm o b i l ec o m m l m i c a ti o n ss e r v i c e db ot hf o rs p e e c h a n dh i g h r a t ed a t at r a n s m i s s i o 门j i sg r o w i n gc o n s t a n t l y a d a p t i v ea n t e n a a sa t t h e b a s es t a t i o na r e8 i l l o n gt h et e c h n o l o g i e st h a ta r ea b l e t os a r i s f yt h i s d e m a n df o rm o r ec a p a c i t ya n dc o v e r a g e a n t e n n aa r r a y si nc o m b i n a t i o n w i t hd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n ga l l o w t h ee x p t o ir a t i o no ft h es p a t i a l d o m a i no nt o po ft h eo t h e rm u l t i d j ea c c e s st e c h n i q u e st h es y s t e ma l r e a d y e m p l o y s ( t i m e , f r e q u e n c y , c o d e ，b u tw h e ns m a r ta n t e n n ai sa p p l i e d i n p r a c t i c e o n eh a sa l w a y st oc o p ew i t ha ni m p e r f e c tt r a n c e i v e rh a r d w a r e t h e g o a l o ft h i st h e s i si st o i n v e s t i g a t e t h ei n f l u e n c eo fs u c h i m p e r f e c t i o n so nt h eu p l i n ka n dd o w n l i n kp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e ma n d c a l i b r at et h ed i f f e r e n c eo ft r a i n ，8 vm e a n so fs i m u l at i o n sif o u n dt h a t a b ev ea l l , g a i na n dp h a s ei m b a l a n c e sb et w e e nt h ei n d iv i d u a lt r a n c e i v e r t r a i n sw o r s e nt h et r a n c e i v e r sp e r f o r m a n c e t h ea d a p t iv e c a l i b r a t i o n a l g o r i t h m i sm u c hm o r er o b t 缚t a g a i n s t t h ei n f l u e n c e o fh a r d w a r e i m p e r f e c t i o n s b e c a u s e o fl i m i t a t i o n sc a u s e db y i m p e r f e c t i o n s t h e t r a n c e i v e th a st ob ec a l i b r a t e d fd e s i g nac a l i b a r a t i n gs y s t e r m o c a l i b r at et h ed i f f e r e n c eo ft h ei n d iv i d u a lt r a i n si nd i g it a lf i e l d 劢e r e s u l ts h o w st h ea d a p t i v e c a l i b a r t i o na l g o r i t h mi sf e a s i b l e k e vw o r d ：w c d m at r a c a l i b r a t i o f p g a 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 护 勘笙 日期：& 一土年j 月a 8 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) r 签名：丝导师签名： 日期： 7 稚砍 年月日 缩略词 第三代移动通信系统 宽带码分多址 时分多址 频分多址 全球移动通信系统 现场可编程门阵列 中央处理单元 数字下变频 根升余弦滤波器 数字动念增益控制 低噪声信号放大器 n o d e e 线形功放 发信机 收信机 w c d m a 基站 n o d e b 的收发信机 校f 收发信机 声表面波滤波器 匹配滤波器 信噪比 归一化最小均方误差 最小均方误差 模数转换 数模转换 模数转换器 递归最小均方 叫 眦 叭 m 矾 u c c a 队 如 默 默 w r 憾 s d a c s 们 删 印 阳 凹 叩 腿 队 h 融 盯 趴 忭 刚 加 甩 皇兰型垫厶堂堡鲎堡垒塞 1 1 移动通信的发展 第一章引言 当今的社会已经进入了一个信息化的社会，没有信息的传递和交流，人们就 无法适应现代化的快节奏的生活和工作。人们期望随时随地、及时可靠、不受时 空限制地进行信息交流，提高工作的效率和经济效益。 移动通信可以说从无线电发明之日就产生了。1 8 9 7 年，马可尼所完成的无 线通信实验就是在固定站与一艘拖船之间进行的。而蜂窝移动通信的发展是二十 世纪七十年代中期以后的事。 移动通信综合利用了有线、无线的传输方式，为人们提供了一种快速便捷的 通讯手段。由于电子技术，尤其是半导体、集成电路及计算机技术的发展，以及 市场的推动，使物美价廉、轻便可靠、性能优越的移动通信设备成为可能。现代 的移动通信发展至今，主要走过了两代，而第三代现在正处于紧张的研制阶段， 部分厂家已经推出实验产品。 第一代移动通信系统是模拟制式的蜂窝移动通信系统，时间是本世纪七十年 代中期至八十年代中期。1 9 7 8 年，美国贝尔实验室研制成功先进移动电话系统 ( a m p s ) ，建成了蜂窝式移动通信系统。其它工业化国家也相继开发出蜂窝式 移动通信网。这一阶段相对于以前的移动通信系统，最重要的突破是贝尔实验室 在七十年代提出的蜂窝网的概念。蜂窝网，即小区制，由于实现了频率复用，大 大提高了系统容量。 第一代移动通信系统的典型代表是美国的a m p s 系统( 先进移动电话系统) 和后来的改进型系统t a c s ( 总接入通信系统) 等。a m p s 使用8 0 0 m h z 频带， 在北美、南美和部分环太平洋国家广泛使用；t a c s 使用9 0 0 m h z 频带，分e t a c s ( 欧洲) 和n t a c s ( 日本) 两种版本，英国、日本和部分亚洲国家广泛使用此 标准。 第一代移动通信系统的主要特点是采用频分复用( f d m a ) 模拟制式，语音 电子科技火学硕士学位论文 信号为模拟调制，每隔3 0 k h z 2 5 k h z 一个模拟用户信道。第一代系统在商业上 取得了巨大的成功，但是其弊端也同渐显露出来； ( 1 ) 频谱利用率低 ( 2 ) 业务种类有限 ( 3 ) 无高速数据业务 ( 4 ) 保密性差，易被窃听和盗号 ( 5 ) 设备成本高 ( 6 ) 体积大，重量大 为了解决模拟系统中存在的这些根本性技术缺陷，数字移动通信技术应运而 生，这就是以g s m 和i s 9 5 为代表的第二代移动通信系统，时间是从八十年代 中期开始。模拟蜂窝网虽然取得了很大的成功，但其频谱利用率低，业务种类受 限，通话易被窃听，难以满足移动通信系统的发展。到了八十年代中期，欧洲首 先推出了泛欧数字移动通信网( g s m ) 的体系。随后，美国和同本也制订了 各自的数字移动通信体制。数字移动通信网相对于模拟移动通信网，提高了频谱 利用率，支持多种业务服务，并与i s d n 等兼容。第二代移动通信系统以传输话 音和低速数据业务为目的，因此又称为窄带数字通信系统。 第二代数字蜂窝移动通信系统的典型代表是美国的d a m p s 系统、i s 9 5 和欧洲 的g s m 系统。 g s m ( 全球移动通信系统) 发源于欧洲，它是作为全球数字蜂窝通信的 t d m a 标准而设计的，支持6 4 k b i t s 的数据速率，可与i s d n 互连。g s m 使用 9 0 0 m h z 频带，使用1 8 0 0 m h z 频带的称为d c s l 8 0 0 。g s m 采用f d d 双工方式 和t d m a 多址方式，每载频支持8 个信道，信号带宽2 0 0 k h z 。g s m 标准体制 较为完善，技术相对成熟，不足之处是相对于模拟系统其容量增加不多，仅仅为 模拟系统的两倍左右，无法和模拟系统兼容。 d a m p s ( 先进的数字移动电话系统) 也称i s 5 4 ( 北美数字蜂窝) ，使用 8 0 0 m h z 频带，是两种北美数字蜂窝标准中推出较早的一种，指定使用t d m a 多址方式。 i s 9 5 是北美的另一种数字蜂窝标准，使用8 0 0 m h z 或1 9 0 0 m h z 频带。指定 使用c d m a 多址方式，已成为美国p c s ( 个人通信系统) 网的首选技术。 皇王型丝盔堂亟堂焦堡塞 由于第二代移动通信以传输话音和低速数据业务为目的，从1 9 9 6 年开始， 为了解决中速数据传输问题，又出现了2 5 代的移动通信系统t 如g p r s 和 i s 一9 5 b 。 c d m a 系统容量大，相当于模拟系统的1 0 2 0 倍，与模拟系统的兼容性好。 美国、韩国、香港等地已经开通了窄带c d m a 系统，对用户提供服务。由于窄 带c d m a 技术比g s m 成熟晚等原因，使得其在世界范围内的应用远不及g s m ， 国内有北京、上海、广州、西安四地的窄带c d m a 系统在运行。但从发展前景 看，由于自有的技术优势，c d m a 技术已经成为第三代移动通信的核心技术。 移动通信现在主要提供的服务仍然是语音服务以及低速率数据服务。由于网 络的发展，数据和多媒体通信有了迅猛的发展势头，所以第三代移动通信的目标 就是宽带多媒体通信。 第三代移动通信系统是一种能提供多种类型、高质量的多媒体业务，能实现 全球无缝覆盖，具有全球漫游能力，与固定网络相兼容，并以小型便携式终端 在任何时候、任何地点进行任何种类的通信系统。由于其诸多优点，全世界各个 运营商、生产厂家与广大用户对此产生浓厚的兴趣。第三代移动通信系统的目标 可以概括为： 能实现全球漫游：用户可以在整个系统甚至全球范围内漫游，且可以在不 同速率、不同运动状态下获得有质量保证的服务； 能提供多种业务：提供话音、可变速率的数据、活动视频非话等业务，特 别是多媒体业务： 能适应多种环境：可以综合现有的公众电话交换网( p s t n ) 、综合业务数 字网、无绳系统、地面移动通信系统、卫星通信系统，来提供无缝隙的覆盖； 足够的系统容量，强大的多种用户管理能力，高保密性能和高质量的服务。 为实现上述目标，对其无线传输技术( r t t ：r a d i ot r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g y ) 提出了以下要求： ( 1 ) 高速传输以支持多媒体业务。 室内环境至少2 mb i f f s ； 室内外步行环境至少3 8 4 k b i f f s ： 室外车辆运动中至少1 4 4 k b i f f s ； 电子科技入学硕十学位论文 卫星移动环境至少9 6 k b i t s 。 ( 2 ) 传输速率能够按需分配。 ( 3 ) 上下行链路能适应不对称需求。 第三代移动通信系统最早由国际电信联盟( i t u ) 于1 9 8 5 年提出，当时 称为未来公众陆地移动通信系统( f p l m t s ，f u t u r ep u b l i c l a n dm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) ，1 9 9 6 年更名为i m t 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n - 2 0 0 0 ，国际移动通信2 0 0 0 ) ，意即该系统工作在2 0 0 0 m h z 频 段，最高业务速率可达2 0 0 0 k b i f f s ，预期在2 0 0 0 年左右得到商用。主要体伟4 有 w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和u w c 一1 3 6 。1 9 9 9 年1 1 月5 日，国际电联i t u rt g 8 1 第1 8 次会议通过了“i m t 2 0 0 0 无线接口技术规范”建议，其中我国提出的 t d s c d m a 技术写在了第三代无线接口规范建议的i m t ，2 0 0 0 c d m a t d d 部分 中。“i m t 2 0 0 0 无线接口技术规范”建议的通过表明t g s 1 制定第三代移动通信 系统无线接口技术规范方面的工作已经基本完成，第三代移动通信系统的开发和 应用将进入实质阶段。与此同时，i m t 。2 0 0 0 许可证的发放工作也在世界各国如 火如荼地开展起来。 1 2 本论文在移动通信中的意义 随着移动通信技术的不断发展，空间处理技术通过在空间和时间上联合进行 信号处理可以非常有效地改善系统性能。空间处理技术将达到优化系统的目的。 采用空时处理的方法，系统的发送端或接收端使用多个天线，同时在空间上和时 间上处理信号，它所达到的效果是仅靠单个天线的单时间处理方法所不能实现 的。再加上用户对移动通信的要求也越来越高。对系统容量、通话质量、语音、 数据和图象的传输都有不断增加的要求。智能天线技术是个有重要意义的技术， 作为第三代移动通信技术的核心技术之一，越来越受到重视。通道校正技术作为 智能天线技术的一部分，同样具有重要的意义。本论文所做的工作及得到的有价 值的结论，将为通道校正技术提供新的思路。为完善智能天线技术有积极的作用。 1 3 本论文所要解决的问题 本论文主要针对w c d m a 的智能天线系统中的天线阵元所对应的射频通道 电子科技人学硕士学位论文 之问的幅度和相位的不一致性的问题，进行算法研究及实现。目前国内外对通道 校正的研究也比较多。从大量的文献来看，现在主要的校正方法是己知源校正， 由发射端发射校正信号，通过自环链路，由接收端进行接收，对接收信号进行相 干累加，从而得到校正系数。然后将校正信号对消掉。由于该校正方法对系统而 言，将引入新的干扰，同时也要增加新的硬件电路。所以本论文采用自校正算法 进行通道校正。自校正算法不会增加硬件链路，对系统的影响较小。自校正算法 用n l m s 算法实现，本论文通过计算机仿真和f p g a 实现，证实自校正算法是 切实可行的。结果满足w c d m a 智能天线系统对通道校正精度的要求。所以它 完全可用于w c d m a 中的智能天线系统中。 皇i 型焦盔堂堡主堂垡笙塞 第二章w c d m a 的智能天线技术 2 1 智能天线的发展 长期以来，无线通信系统始终面临着有限的频谱资源与不断快速增长的用 户之间的矛盾。尽管t d m a 时分多址以及c d m a 码分多址技术在一定程度上提 高了频分多址f d m a 系统的容量，但这还远不能满足日益增长的无线业务量的 需求。因此人们开始利用信道的空域特性，如采用分集、扇区化以及最近采用的 智能天线等方法。这些方法可以在不同程度上改善了无线通信系统的通信质量， 提高了容量。智能天线技术是利用信号的空间特性，达到抑制干扰，提取信号的 目的。接收者可以利用信号与干扰的来波方向的不同，即信号和干扰的空间的入 射角来区分信号与干扰。在般情况下，期望的信号和不希望的干扰往往是来自 不同的方向。智能天线所形成的波束可实现空间滤波的作用，它对期望的信号具 有高增益，而对不希望的干扰信号实现近似零陷作用，以达到抑制和减少干扰的 目的。它的波束一般情况下是随着每个用户发出的期望信号的到达方向，不断随 着时间在动态地变化。在移动通信中，至少要求智能天线跟踪变化的速率要大于 用户移动及信道快衰落的变化速率，力1 能起到自适应跟踪用户的目的。准动态的 预波束智能天线，是指在接收端( 或发送端) ，预先设置了一组n 个不同入射 角方向的窄波束，在根据接收( 或发送) 所判断出的期望信号的来波方向( d o a ) ， 并根据一定的信号误差准则，在预置的n 个窄波束中选取一个最合适的波束， 并及时切换至该波束上接收( 或发送) 期望信号。全自适应阵列自动跟踪式智能 天线，即在接收( 或发送) 端利用一组( n 个) 阵列天线，通过不同自适应调整 加权值，达到形成若干个( k 个) 自适应波束，同时自动跟踪若干个( k 个) 用 户的目的。这种全自适应型的智能天线，当用户数目较大( k 很大) 时，特别是 在时变多径衰落信道条件下，其实现有相当的难度。目前仍处于探索阶段，但它 是智能天线最终的发展方向。 智能天线的概念来源于军事上雷达和声纳系统中所采用的阵列天线。根据波 束形成方式的不同，又可划分为模拟波束成形和数字波束成形两种类型。模拟波 - 6 电子科技人学硕十学僚论文 束成形一般可用于中频、射频直接成形，实现技术难度大，精度低。而数字波束 成形，则是在中频以下采用现代数字信号处理技术来实现，实现方便、精度高。 将中频、射频看作是一个线性系统的信道，为了实现在基带数字信号处理与最终 的射频调整和一致性和等效性，要求中频、射频系统有较高的线形度，否则要做 相应的调整和校正。自适应天线阵列的概念自1 9 5 9 年由v a na t t a 提出以来， 到目前已经经历了4 0 余年发展历程，这4 0 余年中，大体上可划分为4 个阶段： 前1 0 年集中在自适应波束的控制上，比如自适应相控制阵列天线、自适应 波束操纵天线等。 第二个1 0 年，主要集中在自适应零陷控制上，比如自适应滤波、自适应调 零，自适应旁瓣对消、自适应杂波控制等。 第三个1 0 年，则主要集中在空间谱估计上，比如最大似然谱估计、最大熵 估计、特征空间正交谱估计等。 最近1 0 年，则主要集中在结合移动通信的智能天线实现技术上。 2 2 研究智能天线的动机 2 2 1 链路级改善 ( 1 ) 上行、下行链路的干扰抑制 ( 2 ) 天线增益带来的s n r 改善 ( 3 ) 多径数量减少 2 22 系统级改善 ( 1 ) 容量 ( 2 ) 覆盖范围 ( 3 ) 服务质量q o s 、数据率、移动速度 2 2 3 智能天线的受益者： ( 1 ) 运营商：网络容量、覆盖、“n - n ”填充、基站数量减少、服务质量提高、新 业务 ( 2 ) 设备制造商：采用先进基站的网络建设、更灵活的网络控制 ( 3 ) 移动用户：更好的服务质量、新业务、更长的电池寿命、更安全保密的通信 2 3 智能天线的基本原理 图2 - 1 均匀直线天线阵示意图 以均匀直线天线阵u l a ( u n i f o r m l i n e a ra r r a y ) 为例，平面波在各天线上的相位 差可以表示为： _ = ”t b 2 = 2 r e 如o s 口九= 等d 似一) c o 妇 以接收信号为例： 若信号在自由空间中传播，各天线上的接收信号可以表示为： s ，( f ) = i ( f k q 卜 = i ( f k 7 吐7 s ：( r ) ：；( f k 惭咄l ：i ( ，_ 帕卜争“8 ( f ) ：亨( ，) p ，( n 一“) ：j o l 7 t ，警，m 圳c 。s 口 s k o ) 表示第1 个天线上的信号：瓯，( f ) 表示第m 个天线上的信号；( f ) 表示基 带信号。 生兰型垫厶堂堡主堂堡堡皇一 图2 - 2 为m a t l a b 模拟图形 2 7 0 熬。 少、。 3 3 0 图2 - 2 智能天线形成波束示意 ( m a t l a b 演示) 2 4 智能天线的基本组成 图2 3 为智能天线的原理实现图。它包括了智能天线的基本组成部分。 ( 1 ) 天线阵列部分 阵元本身是由一系列空间分布的天线阵元组成。天线阵元接收所有到达阵列的各 用户信号，通过方向图形成网络适当合并阵列输出。天线阵元数量n 与天线阵 元的配置方式，对智能天线的性能有着直接的影响。阵元数n ，一般在移动通信 中取n = 8 ，1 6 等。 ( 2 ) 阵列形状 根据天线阵元之间的几何关系，阵列形状大致可划分为：线阵、面阵、圆阵等， 甚至还可以划分为三角阵、不规则阵和随机阵等。 ( 3 ) 模数转换 下行时它将模拟信号转换成便于数字信号处理的数字信号，或者在下行时，将处 理后的数字信号转换成模拟信号。 ( 4 ) 智能天线的智能体现 主要体现在一定范围内能够根据用户的需要和天线传播环境的改变而自适应地 进行调整，它由两个主要部分组成： 电子科技火学硕士学位论文 以数字信号处理器和自适应算法为核心的自适应数字信号处理器，用来产生 自适应的最优权值系数w 1 ，w 2 w n 。 以动态自适应加权网络构成的自适应波束形成网络。 ? 曼堕獬她兰苎! 壁粤培 2 5 智能天线的应用 i 破聂鞴蕊森 图2 - 3 智能天线的原理图 2 5 1 固定形状方向图智能天线( 波束切换智能天线系统) 制t t ) 波束切换系统由多个窄波束( 1 5 3 0 度水平波束宽度) 构成，其中质量最好 的波束用于为小区内移动用户服务。自适应系统可以为了追踪移动用户，调整出 多个不同方向图。 波束切换系统实现比较经济，只需要静态波束形成网络、射频切换控制。对每一 个在小区覆盖面内的移动用户，进行独立的波束挑选，实际应用显示容量提高， 如图2 4 所示。 2 52 自适应方向图智能天线( 自适应智能天线系统) 自适应方向图智能天线比波束转换系统性能更高。采用天线阵信号处理，让天线 系统接收相干多径信号，从传播路径的多样化获得增益。自适应天线方向图，增 强有用信号，同时抑制干扰信号( 如图2 - 5 所示) 。自适应系统理论上增益较高， 但是实施中复杂，性能受到影响，技术上看，由于多径的存在，和频率双工，下 - 1 0 电子科技人学硕十学位论文 行波束的形成比较困难，由于核心是选择最佳方向向用户发射，基站处理器必须 检测用户传播路径上功率的变化。当用户变化快速移动时，信号变换很快，波束 形成器有可能不能跟踪变化。另一方面，下行波束取决于上行信号的测量值，上 下行信号特征是不同的，将造成下行波束成型的不准确。 d e s i r e d u s e f s w i t c he d - b e am s y s t e m 图2 - 4 切换波束智能天线系统波束图 in t e r f e r i n g u s e r d e s i r e d u s e r 图2 - 5 自适应智能天线系统波束图 电子科技人学硕十学位论文 2 5 3 在3 g 中的应用 智能天线对于抑制干扰有明显改善作用，3 g 标准指出智能天线应用要求，改善 网络容量与性能，技术上考虑“自适应波束形成”以及“波束切换”。 “自适应波束形成”用在下行方向，可以改进单个用户和一组用户琏路预算， 增强系统性能。在恶劣传播条件下，向小区覆盖边沿、地下室，延伸对用户覆盖， 改善链路范围。 “波束切换系统”在几个窄波束之间交换用户，其效果是形成窄扇区，而无切 换损耗。由于3 g 系统容量随扇区数目的增加而增加，四个3 0 度波束覆盖代替 一个1 2 0 度波束覆盖，带来2 4 倍容量增加。用户在波束之间被转换，不需专 门辅助信道。 3 g 中对智能天线的应用是灵活的，可以有多种选择，波束切换型智能天线是初 始阶段的选择。对于网络规划而言，选用智能天线，相对不用智能天线，减少网 络外部引入干扰( 同频干扰、邻频干扰、其他系统干扰) ，也减少网络自身干扰， 改善的数量级取决于波束的数量，提高网络的容量。 皇型堡盔堂堡堂垡堡塞一 第三章收发通道的不一致性 3 1 收发通道校正的必要性 智能天线运用自适应天线阵，结合信号的时域和空域特性，通过阵列信号处 理，使无线通信系统的容量与通信质量得到了极大的提高和改善，在当今无线通 信领域中受到了广泛的关注。大多数的波束成形算法依靠精确的电路来决定最优 信号的组合和干扰的减少，特别是在支持全双工发送的时候。一个通道的特性变 化将极大地影响系统的性能。由于小的环境变化，比如温度，电子和机械变化， 甚至通道中心频点和通道增益的变化，收发信机的通道的时间变量会发生变形。 这种变化将会有效地改变每个自适应天线通路的传送功能。影响波束成形算法的 精度。 对于众多的自适应阵列信号处理算法，粗略地可以分成两大类：一、根据信 号时域特性的l m s 、r l s 以及c 等算法；二、根据信号空域特性一波达方向 d o a ( d i r e c t i o no f a r r i v a l ) 的d f t ( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ) 、m e m ( m a x i m u m e n t r o p ym e t h o d ) 、m u s i c ( m u l t i p l es i g n a lc l a s s i f i c a t i o n ) 以及e s p r i t ( e s t i m a t i o no fs i g n a lp a r a m e t e r sv i ar o t a t i o n a li n v a r i a n c et e c h n i q u e s ) 等算法。在t d d 系统中，由于上、下行链路的载频一致，短时侧内，移动终端与 基站间的时一空信道特性基本不变，因此用于上行的阵列加权因子可以直接用于 下行发送。然而在f d d 系统中，上、下行链路的载频不同( u t r a f d d 中，上、下 行载频一般相差1 3 0 m h z ) ，这时上、下行信道的特性不同，上行的阵列加权因子 不能用于下行发送。因此，在f d d 系统中，往往根据阵列获得的d o a 信息形成阵列 的加权因子。 然而在d o a 估计中，由于通道的不一致性，使算法基于的数学模型与实际阵 列之间产生了偏差，从而使估计的d o a 偏离真实值，系统的性能可能不但不会提 高，还会变得更差。一些学者专门分析了通道不一致性给系统造成的影响，认为： 通道的不一致性可以分为两类：一类是在整个观察时间内，各通道增益保持不变， 坐型楚厶堂堡堂壁堡塞 称之为慢不一致性，( 简称不一致性) ；另一类是在观察时间一次取样时间内增 益保持不变，而不同取样周期其增益发生变化，称为快不一致性，简称不稳定性。 不论是不一致性还是不稳定性均会引起d o a 估计精度下降，但是对于不一致性是 在整个观察期间是保持不变的，可以有办法消除或减少其影响，而不稳定性由于 是快变化，而且是随机的，无法根本消除其影响，只有在制作通道的过程中力求 其性能的稳定。 3 2 造成通道不一致性的因素 3 2 1 天线阵元问的互耦 近似地，天线阵列中靠近的两个阵元之间会相互影响。每个天线阵元对其它 天线引入了电压。反之亦然。这种影响叫做互耦。它将改变通过天线阵元上 的电流。借助于互阻抗的概念，这种互耦效应应该被考虑。一般地，这些互阻 抗是复数值，与阵列的几何位置有关。当天线阵元的阳j 距增加时，互阻抗的作 用将会减小。计算阵列的几何位置以算出精确的互阻抗值是困难的。并且一般地 这种方法的解决仅能通过数字处理的方法。两个相同的，间距为半个波长的双极 性天线的互阻抗值能作为问距位置的参考。 3 2 3 通道不平衡 自适应天线系统需要从射频到基带的多个接收通道。如果这些通道不相 同，校正算法将不会有效，阵列或多或少要受通道不平衡的影响。用传统的校 正算法，将会降低收发信机的性能。收发信机的增益和相位不平衡是由天线阵 元的非理想性引起的，例如天线单元的尺寸离散性、温度变化、器件老化、射 频接头的松动等。 3 2 4 馈线长度的差异 在实际中，天线阵元通过馈线或传输线与接收机硬件相连。这种连接引入了相位 移动和传输信号能量的损失。 垒兰型壁叁堂堡堂垡堡壅一 3 3 通道不一致性的影响 波束形成算法基础是发射和接收通道的一致性，即要求从天线感应到复振幅 输出的信号，各通道要保持严格的一致。否则，波束形成算法的精度将会受到影 响。 33 1 通道不一致模型 假设天线为线性等间距的阵列，阵列个数为m ，阵歹1 j 间距为蘸有l 个用户信 号，则天线阵列信号模型可以表示为 牙o ) = a 奴k ( f ) + d o ) ( 1 ) 女= i 其中，西( 幺) 为第k 个信号的方向矢量，i ( f ) 为第k 个信号形式，开( f ) 为加性噪 声。 令 4 p ) = k p a a p 。) 】 s ( f ) = b ，n 屯o ) 】7 则理想情况下的信号模型可以表示为 牙：j 膏+ n 一 ( 2 ) 其中囊c m 8 a c “s c | 蟊c “、 理想情况下第k 通道增益可以表示为 g t = 吼口，a 0 ，k = 1 , 2 m 其中，吼表示幅度增益，以表示相位。 引入幅、相不一致特性后，幅、相不一致的误差函数可以表示为g 。= a a ；p 4 则通道增益可以表示为反= 瓦e “，其中a k , a 。，q 0 ，为一个相对量。写成幅 度和相位不致独立的形式，则 謇t = g 女g 女 电子科技人学硕十学位论文 盎p7 i = 口a a k p 7 ( 十6 ) ( 3 ) 引入幅度误差后的幅度表达式为 引入相位误差后的相位表达式为 通道不一致的数学模型可以表示为 吼= a 女a a i a g = d i a g a a i e ，a 冀，= a a p 0 a a ，p i , 5 # 2 0 a a m e 峨 ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) 在理想情况下时，通道不一致性模型为一个对角阵。 ；0 n a 1 i 、相不一致的通道信号模型为 贾= g 夤雪+ 霄 ( 7 ) 其中，霄假设为白噪声。 在理想情况下，幅度相对增益误差吼= 1 倍，d b ( a a 。) = o d b ，即增益误差为 0 d b ，由于幅度误差的存在，将引起幅度增益的变化，增益误差为 口m = 2 0 l 0 9 1 0 ( a a 。) 分贝，设增益误差服从0 均值，方差为盯。分贝的正态分布， 则幅度不一致性增益为a a 。：1 0 。由于指数函数的非对称性，幅度不一致 性从分贝变化到幅度值后，幅度不一致性误差的均值大于1 ，即 e ( a 。) = 0 ) ：坩1 1 为了不改变信号的功率，同时满足幅度增益均值为1 ，相对值分贝服从正态分 布，可以首先统计幅度增益的均值，然后在幅度增益样本上除以幅度增益的均 值e ( a a ) ，在分贝上减去2 0 l o g l 0 ( e ( a a ) ) x s ，即幅相不一致性在分贝上服从 - 1 6 均值为一2 0 1 0 9 1 0 ( e ( a a ) ) ：分，方差为仃。分贝的正态分布，并不改变幅度误差 的分布特性。 相位的不一致性误差不会影响信号的能量，认为相位不一致性服从0 均值，嘭 度方差的正态分布。 下图为幅相不一致数据产生流程图。 3 3 2 幅度相位不一致性仿真 根据阵列天线的特性，设有f 个阵元，阵元间距为d ，来波方向与水平方向的 夹角为臼，单个阵元输出的数学表达式为： j ( i 一1 ) 2 z dc o s 0 x f 5 e l ( i 0 ) x 为单个阵元的输出，仿真时，波束成形方向图是所有阵元输出相加后得到 的阵列输出。数学表达时天线阵列的削距d = o 5 五，w c d m a 的发射频率 2 1 1 0 m h z 2 1 7 0 m h z ，这里取中心频点为2 l l o m h z ，入射角d o a 为9 0 。 图3 1 为没有幅相误差，智能天线的波束成形仿真图案。阵元数为4 。在给通 道增加幅度和相位误差后，其波束方向图如图3 2 。从两个图的比较当中，我 们可以看出，波束成形方向图发生了畸变。主瓣电平值减小，零点深度抬高， d o a 会发生误差。可以得出通道问的幅度和相位的误差的存在，对波束成形 方向图的影响是显而易见的。对波束成形的精度会产生影响，影响整个智能天 线系统对w c d m a 系统的改善。 固匪多多 蕃 坐整丝叁鲎堕堂堡堡奎 0 i 5 1 0 | 1 5 2 0 之5 3 0 3 5 - 4 0 4 5 5 0 o 5 - 1 0 1 5 - 2 0 - 2 5 3 0 3 5 _ 4 0 - 4 5 5 0 02 04 06 08 0 ， l _ i - 1 0 01 2 01 4 01 6 01 8 0 图3 1无幅相误差的波束成形方向图 02 04 0 6 08 01 0 01 2 01 4 0 1 6 01 8 0 图3 - 2 有幅相误差的波束成形方向图 吨 3 3 3 不一致性对智能天线的指标的影响 智能天线的主要指标包括主瓣电平、方向性增益、第一旁瓣电平和零点深度 等。这里重点讨论幅相不一致性对主瓣电平和方向性增益的影响。包括不同入射 角度情况下，幅相误差对方向性增益的影响。 主瓣电平代表着天线输出对入射方向响应的最大值。它会影响指向所需用户 方向的发射( 或接收功率) 的大小。发射功率越大，对克服信道衰落，增大小区 覆盖范围有很大的影响。而w c d m a 的信道模型也是一个衰落信道模型，智能天 线系统的目的就是保证主瓣电平的值比较大，这样才能改善w c d m a 系统的性 能。通道之间的误差将会影响主瓣电平的值。 ( 1 ) 图3 4 为无相位误差，而幅度误差从0 l d b 变化时主瓣电平的仿真变化趋势 图。中一i i , 频点为2 1 1 0 m h z ，d o a 为9 0 ”，可见，通道间的幅度误差对主瓣电平有 明显的影响。随着通道间幅度误差的不断增大，而主瓣电平的值不断降低。 ( 2 ) 图3 5 为无幅度误差，而通道间的相位误差从o 。1 0 “之间变化，对主瓣电 平的产生的影响。这罩，中心频点为2 1 1 0 m h z ，d o a 为9 0 ”。可见，随着通道间 的相位误差不断增大，主瓣电平不断降低。 通常，通道间的幅度误差和相位误差是同时存在的。并同时对通道产生作用。 ( 3 ) 图3 6 为入射角d o a 为9 0 。，相位误差分别为0 “、3 “、6 。、9 。时，随着 幅度误差的不断增大，主瓣电平的变化趋势仿真图。在无幅相误差时，主瓣电平 为1 2 0 6 d b ，而随着幅相误差的增大，在相位误差达到9 ”，而幅度误差达到ld b 时，主瓣电平只有1 2 2 5 d b ，损失约为2 d b ，可见，它对主瓣电平的影响是非常 大的。 ( 4 ) 图3 7 为方向性增益随幅相误差变化趋势图，在无幅相误差时，方向性增益 为1 0 8 拈多，而随着幅相误差的增大，方向性增益逐渐变小，说明相对副瓣电 平在增加，即其他用户的干扰在不断增大，在相位误差为9 。时，幅度误差为l 拈 时，方向性增益为1 0 1 拈，损失接近0 7 拈，这在w c d m a 系统中，这种损失是 相当大的。在w c d m a 系统中，其他用户信号都是所需用户信号的干扰。这种干 扰要尽可能小。否则将影响w c d m a 系统的性能。 电子科技人学硕十学位论文 ( 4 ) 图3 8 ，图3 9 分别为入射角为6 0 ”和3 0 “时随幅相误差变化的方向性增益 的变化趋势图。因为我们前面考虑的都是入射角为9 0 ”的理想情况，而实际系统 中，决大部分情况都不是9 0 ”。在3 1 e 9 0 ”的入射角位置上，方向性增益比入射角 为9 0 。时小，而方向性增益的损失将更会影响智能天线系统的性能。 因此，根据上面仿真的结果，通道间的幅相误差对波束成形有明显的影响。 为了提高精度，因而一定要对通道进行校f 。以保证波束成形算法的可靠性。 1 20 4 o1 1 j - -j o2o 3 0 4o5o 607 0 8091 a m p l i t u d es q u a r ee r r o r ：d b 图3 4 随幅度误差变化的主瓣电平变化趋势图 2 0 m m 纠 m n m m 。 住 佗 一 侄 住 坦 像 oo口磐is毋o m5苟兰o毋苫，【田上j - 1 20 4 卜一；【 r j一斗、 一1 2 0 6 ，1 2 0 8 1 21 1 2 1 2 至 巴 1 21 4 1 2 1 6 1 19 5 - 1 2 1 20 5 1 21 1 2 1 5 1 22 1 22 5 1 23 0 0 123456 p h a s ee n o r ： = = 1 # b l a c k ：0d e g r e e j 一 891 0 图3 5 随相位变化的主瓣电平变化趋势图 + b l a c k ：0d e g r e e # m a g e n t a ：3d e g r e e 十 r e d ：6d e g r e e tb l u e ：gd e g r e e 0102030405060708 0g a m p l i t u d es q u a r ee r r o r ：d b 图3 6 在相位误差一定的情况下随幅度误差变化的主瓣电平变化趋势图 2 1 oo口巴is。a m5苛呈mo毋 一 j + 一 ? 、 、 o o p；罂is凸m五肖ui毋om至田巴 1 0 o 9 3 1 o b l a c k ：0d e g r e e m a g e n t a ：3d e g r e e r e d ：6d e g r e e n u e ：9d e g l e e 0102o30 40506070809 a m p l i t u d es q u a r ee r r o r ：d b 图3 7 入射角为9 0o 时的方向性增益随幅相误差变化趋势图 讳 十 一斗 + 斗 山 n a c k ：0d e g r e e 卜 m a g e n l a ：3 d e g r e e r e d ：6d e g r e e 1 n u e ：9d e g r e e 【一【一1 l 一一i 一 【一 0 10 20 3040 50 60 7obo 9