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(dòng)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(dòng)通信,特別是蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)緊密相連,一般指由多個(gè)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(gè)不同的用戶產(chǎn)生多個(gè)不同的空間波束。每個(gè)波束的最大方向自動(dòng)地對準(zhǔn)各自用戶的方向,而把零接收方向?qū)?zhǔn)干擾方向,從而提高移動(dòng)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(dòng)通信系統(tǒng)的性能[1]:(1)擴(kuò)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(dá)、聲納及軍事通信領(lǐng)域。由于價(jià)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(dòng)通信事業(yè)飛速發(fā)展,移動(dòng)通信用戶呈爆炸性增長,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(jì)80年代開始,即第一代蜂窩移動(dòng)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(jì)90年代初,這一思路發(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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jià)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(dòng)通信領(lǐng)域轉(zhuǎn)移,智能天線技術(shù)在移動(dòng)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(shí)驗(yàn)平臺的研究概況

　　目前智能天線的研究主要沿著以下幾個(gè)方向開展[1]:一是研究智能天線對現(xiàn)代移動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)驗(yàn)平臺(測試床),在實(shí)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(shí)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(shí)時(shí)校準(zhǔn)技術(shù)等)。

　　要使智能天線技術(shù)在移動(dòng)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(shí)驗(yàn)平臺是研究智能天線技術(shù)強(qiáng)有力的手段。世界各國都十分重視智能天線實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)2~4。目前,實(shí)驗(yàn)平臺大都采用基帶上實(shí)現(xiàn)數(shù)字波束合成技術(shù)的方案,即上行接收時(shí)每個(gè)天線陣列單元輸出下變頻到中頻,然后進(jìn)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(jìn)行數(shù)字波束成形(DBF);下行發(fā)射時(shí)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(jìn)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(shí)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(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。

　　歐洲通信委員會在RACE計(jì)劃中實(shí)施了一項(xiàng)稱為TSUNAMI的智能天線技術(shù)研究項(xiàng)目,建立一個(gè)智能天線測試床,由8個(gè)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平面微帶天線方陣,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(shí)驗(yàn)室分別建立工作在1.5GHz、900MHz和1.8GHz的智能天線試驗(yàn)床(Testbed)。其中900MHz的智能天線為相距半波長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(gè)速度為40Mbps的I/O口進(jìn)行讀寫;1.8GHz的智能天線也采用8個(gè)微帶天線作為陣列單元,排列成均勻直線陣,用一臺PC機(jī)控制一塊帶有兩片Analog Devices公司的SHARC 20160浮點(diǎn)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(gè)智能天線的實(shí)驗(yàn)平臺,采用嵌入式和總線結(jié)構(gòu),并進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)。

　　隨著軟件無線電技術(shù)的發(fā)展,智能天線已經(jīng)可以在軟件無線電平臺上實(shí)現(xiàn)[5~6]?，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(shí)現(xiàn)數(shù)模變換、通道化和預(yù)處理、基帶處理功能。組成智能天線系統(tǒng)時(shí),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(jìn)行相參操作,保持信號間的相位關(guān)系;中頻信號接到多個(gè)轉(zhuǎn)換模塊,同時(shí)還有一個(gè)10MHz的基準(zhǔn)信號和一個(gè)時(shí)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(gè)I/O模塊進(jìn)行信道化,然后在基帶處理模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)字波束成形和信號的調(diào)制解調(diào);為保證信道化操作和波束成形時(shí)各通道的相參操作,進(jìn)出I/O模塊的信號都打上時(shí)間戳標(biāo)記。

　　3 一個(gè)實(shí)用的智能天線實(shí)驗(yàn)平臺方案

　　為了開展智能天線技術(shù)研究,結(jié)合實(shí)際情況,筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)基于TI公司TMS320C6701數(shù)字信號處理器的智能天線實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)單元,用于在實(shí)際信號環(huán)境下智能天線控制算法測試、MIMO技術(shù)研究和其他陣列信號處理技術(shù)的研究。實(shí)驗(yàn)平臺的上行通道如圖1所示,下行通道如圖3所示。
　　試驗(yàn)平臺的波束成形和控制算法采用TI公司的TMS320C6701EVM(評估板)實(shí)現(xiàn)。TMS6701是一種新型的浮點(diǎn)DSP芯片,內(nèi)部集成了2個(gè)乘法器和6個(gè)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(gè)時(shí)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。

　　TMS320C6701EVM是TI公司為方便用戶開發(fā)、分析、試驗(yàn)C6x系列數(shù)字信號處理算法和應(yīng)用的一個(gè)目標(biāo)平臺。它帶有1個(gè)64K×32位SBRAM、2個(gè)1M×32位SDRAM、16位聲頻雙聲道A/D和D/A變換器,同時(shí)帶有PCI接口,可直接插在PC機(jī)的PCI插槽,通過PCI接口,計(jì)算機(jī)可以上載程序和直接實(shí)時(shí)訪問評估板上的資源。采用TMS320C6701EVM評估板進(jìn)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(yàn)平臺的實(shí)現(xiàn)。

　　3.1 上行通道

　　圖1給出了智能天線試驗(yàn)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(jìn)入MAX2701零中頻I/Q解調(diào)器進(jìn)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(gè)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(shí)鐘。為簡化電路設(shè)計(jì),筆者用C6701DSP上的定時(shí)器為各路A/D變換器提供統(tǒng)一時(shí)鐘;各通道的數(shù)字化基帶信號通過C6701EVM評估板的子卡接口(EMIF總線)輸入到TMS320C6701數(shù)字信號處理器,在C6701實(shí)現(xiàn)數(shù)字波束成形和智能天線算法,C6701EVM評估板插在計(jì)算機(jī)的PCI總線上,計(jì)算機(jī)通過PCI總線分析顯示陣列合成結(jié)果并實(shí)時(shí)監(jiān)測接收信號。與此同時(shí),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AGC電壓,控制I/Q解調(diào)器MAX2701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(shí)現(xiàn)。這是一片高速四通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。四個(gè)通道可以用同一時(shí)鐘同時(shí)采樣保持,再分別進(jìn)行A/D變換,從而保持各通道信號的相位關(guān)系。當(dāng)只用一個(gè)通道時(shí),最高變換速率為6MSPS;作雙通道使用時(shí)為3MSPS;當(dāng)四通道同時(shí)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(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。這一特性使它適于多通道I/Q信號的變換。在本智能天線平臺中采用四片THS1206,實(shí)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(diǎn)、寫入點(diǎn)和觸發(fā)點(diǎn)控制讀寫操作,如圖2所示。芯片的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘CONV_CLK控制采樣保持和A/D變換,CONV_CLK讓四個(gè)通道的信號同時(shí)采樣保持,然后分別轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并自動(dòng)順序?qū)懭隖IFO,同時(shí)FIFO的寫入點(diǎn)向前移動(dòng),指示下一個(gè)寫入點(diǎn);當(dāng)FIFO內(nèi)的數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)定的觸發(fā)深度時(shí),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(shí)清除DATA_AV信號,讀取點(diǎn)和觸發(fā)點(diǎn)向前移動(dòng)。芯片的工作方式由兩個(gè)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(shí)驗(yàn)平臺中,四個(gè)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(shí)鐘CONV_CLK由定時(shí)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的高線性直接正交下變頻器,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到中頻,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由三部分組成:低噪聲放大器、正交下變頻器(I/Q解調(diào))、三級可控增益基帶放大器。進(jìn)入MAX2701的射頻信號先經(jīng)過LNA放大,經(jīng)一個(gè)外部的射頻濾波器濾波后由I/Q解調(diào)器變?yōu)榛鶐/Q信號,然后由三級基帶放大器放大,再經(jīng)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

　　圖3給出智能天線實(shí)驗(yàn)平臺下行通道的框圖。待發(fā)送數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)通過PCI總線傳給C6701EVM評估板,C6701DSP根據(jù)波束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(shí)鐘啟動(dòng)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,形成下行波束;各通道I/Q調(diào)制器所需的本振信號由統(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。

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　　3.2.1 D/A變換電路

　　D/A變換器采用TI公司的DAC2902實(shí)現(xiàn)。DAC2902是雙通道高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器,帶有兩個(gè)獨(dú)立的12位D/A轉(zhuǎn)換器,變換速度達(dá)125MSPS。它的兩個(gè)通道對稱性較好,適用于通信上I/Q通道的D/A轉(zhuǎn)換。DAC2902采用平衡電流輸出,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(dòng)負(fù)載電阻獲得電壓輸出:

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

　　DAC2902兩個(gè)D/A通道分別使用兩個(gè)獨(dú)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(shí)鐘(CLK1、CLK2)輸入。WRT的上升沿把數(shù)據(jù)總線上的數(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)。

　　在本智能天線實(shí)驗(yàn)平臺中,采用8個(gè)DAC2902實(shí)現(xiàn)八個(gè)通道D/A轉(zhuǎn)換。為了實(shí)現(xiàn)各通道的相參操作,各通道DAC2902的CLK信號都由C6701EVM的定時(shí)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i。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(shí)啟動(dòng)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(jìn)行I/Q調(diào)制,調(diào)制后經(jīng)VGA和預(yù)功放放大驅(qū)動(dòng)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(gè)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)平臺可以采用這些評估模塊進(jìn)行構(gòu)建,極大地方便了智能天線實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)現(xiàn)。

　　智能天線硬件實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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調(diào)制解調(diào)器,可對智能天線、空時(shí)編碼、多進(jìn)多出技術(shù)以及軟件無線電等方面的算法提供實(shí)際測試。為簡化電路,筆者在A/D、D/A與DSP接口中沒有采用外接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(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)平臺的性能。如果采用更高速的A/D變換器,可以更進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)中頻段的智能天線技術(shù)。