智能天線實驗平臺研究

廣州華南理工大學電子與信息工程學院(510640) 謝澤明 賴聲禮 龍智文
 
　　摘　要：介紹了智能天線的起源、發(fā)展以及智能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)都與移動通信,特別是蜂窩移動通信系統(tǒng)緊密相連,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)對多個不同的用戶產(chǎn)生多個不同的空間波束。每個波束的最大方向自動地對準各自用戶的方向,而把零接收方向?qū)矢蓴_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]:(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。由于價格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)飛速發(fā)展,移動通信用戶呈爆炸性增長,通信資源匱乏日益嚴重,通信容量不足、通信質(zhì)量下降等成為亟待解決的問題。如何消除同信道干擾、多址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。自二十世紀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、獲得多徑分集增益。到二十世紀90年代初,這一思路發(fā)展為智能天線的概念;二十世紀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)域向民用移動通信領(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。
　　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[1]:一是研究智能天線對現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)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)合具體的移動通信系統(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、各單元通道不一致性的實時校準技術(shù)等)。
　　要使智能天線技術(shù)在移動通信領(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。世界各國都十分重視智能天線實驗平臺的建設(shè)2~4。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,然后進行模擬的正交檢測(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)。
　　歐洲通信委員會在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