WCDMA中LMS自適應(yīng)天線陣的硬件實(shí)現(xiàn)

1、WCDMA中LMS自適應(yīng)天線陣的硬件實(shí)現(xiàn) 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)計的盲自適應(yīng)陣計算量大，收斂較慢，并且容易發(fā)散。第三代移

2、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)肳CDMA上行鏈路幀結(jié)構(gòu)的特征,對每個時隙的導(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

3、號,采用LMS波束形成算法每個碼片更新一次權(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延和相位進(jìn)行較準(zhǔn)確的估計。導(dǎo)頻符號對信道的估計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。 X(n)為天線陣接收的信號，W(n)為加權(quán)矢量，

4、e(n)為計算誤差，(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1.8-2.1GH

5、z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)計成本；同時，它免去了中頻變頻模塊和中頻帶通濾波器，大大簡化了整個接收機(jī)的設(shè)計，節(jié)約了成本，易于高度集成化和小型化。MAX2700主要由五個功能模塊組成：低噪聲放大器、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。低噪聲放大器模塊由一個單端輸入、增益可調(diào)放大器實(shí)現(xiàn)，它的噪聲系數(shù)在電源電壓時為；正常工作狀態(tài)下增益達(dá)。正交解調(diào)模塊將射頻信號直

6、接下變頻到基帶，解調(diào)出兩路信號。解調(diào)模塊包括：兩個線性度很高的雙平衡混頻器；一個本振可選倍頻模塊、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。 基帶信號由8片AD9288進(jìn)行抽樣，每個碼片抽取四個樣值，量化為8個bit輸入到DSP進(jìn)行波束形成處理，計算權(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

7、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個乘法器 和6個算術(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,可在一個時鐘周期內(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，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T