手机智能天线测试系统开发及应用

本文描述了一项由德州仪器公司(TI)发起、弗吉尼亚理工学院和州立大学的弗吉尼亚科技天线组(VTAG)和移动便携式无线研究组(MPRG)合作完成的研究项目。

该项目重点确定智能发送和接收手机天线的可行性，其目的是为了论证这种天线具有更低的功耗、更大的容量及更好的链接可靠性。研究课题包括开发新的智能天线算法及评估链接可靠性和容量的提高。为了评估智能天线在实际应用环境中的性能，研究者采集了一套综合的时空向量信道测量方法。数据采集由VTAG开发的四个阵列硬件测试平台完成，它们是手持式天线阵列测试平台(HAAT)、MPRG天线阵列测试平台(MAAT)、失量脉冲响应 (VIPER)和发射分集测试平台(TDT)。

图1：在多径环境下采用HAAT的典型试验。一个发射器用于分集组合试验，第二个发射器可用于采用自适应波束成型算法的抗干扰试验。

智能天线可大大提高第三代手持式无线设备的性能。MPRG和VTAG两个研究团队共同组成了一个联合小组负责研究TI公司智能手机天线的关键特性，包括采集天线及传输测量数据、评估分集及自适应算法、仿真整体系统性能，以及量化对带智能天线的手机造成影响的基本现象。自该项目于1998年7月启动以来，我们已开发了三种工具：手持式天线阵列测试平台(HAAT)、向量多径传播仿真器(VMPS)、以及宽带VIPER测量系统。我们已使用这些工具及MPRG天线阵列测试平台(MAAT)来了解手机天线阵列的传输环境，这些信息已经用来预测手机智能天线的性能。

广泛的2.05GHz测量表明，在可靠性为99%时，在户外和室内非直线可视环境下的窄带系统上实现7-9 dB链路增益预算。这些增益可利用手机分集和自适应的小天线阵列获得，天线间的隔离间距为0.15波长或更大。其他的测量表明，利用自适应波束形成(beamforming)算法可将单个干扰信号降低25-40dB。因此，可靠性、系统容量和传输功率性能都可得到大大提高。

系统开发

1. 手持式天线阵列测试平台

HAAT系统可用来评估在分集组合和自适应波束形成试验中各种天线配置的性能(典型的应用如图1)。图2给出了一个采用HAAT系统的典型试验场景。接收器将来自两个或更多接收信道的信号下变频到基带。这些信号被记录在数字录音带上，以便利用适当的算法进行离线处理。接收器在2.8米长的轨道上以模仿人行走的恒定速度移动。一个小型手持式无线电装置支撑着两个天线，天线的间隔和方向是可变的。该系统具有如下特性：2.05GHz CW信号；两个发射器；一个接收器(两个信道，可扩展至4个)；2.8米线性轨道可连续收集数据，并离线处理；高度便携式电池供电系统；手持接收器的真实工作环境。

图2：MAAT由8个Harris 40214可编程直接数字下变频器和8个C54x DSP组成

2. MPRG天线阵列测试平台

图2中的MAAT具有很多与HAAT一样的特性，但具有更多信道，而且可容纳更大的带宽。然而，MAAT有些笨重，不容易变换位置。其工作频率为2.05GHz，信号为正弦波或已调制信号。其带宽设为100kHz，但通过调整可扩展至1MHz。MAAT可以执行数字实时波束形成和到达角度(angle-of-arrival)估测。

3. 向量脉冲响应测量系统

VIPER是一种软件定义的宽带向量信道测量接收器，可支持发射和接收分集测量。VIPER接收器能够接收带宽高达400MHz的信号，并在软件中处理这些信号。该接收器作为智能天线算法的测试平台，可执行多径测量系统的功能以比较多个无线信道环境下天线算法的性能。图3给出了VIPER RF前端部分的照片，一个四通道示波器用作采样系统，计算机从该示波器获取所有的信号信息。

VIPER被设计成在最少的RF硬件条件下，在软件中实现处理功能。图4给出了接收器硬件的模块示意图。执行单阶下变频后，在四个信道的每一个信道的IF信号以每秒1G的采样率被采样。所采集样本信号存储在RAM中，并由计算机处理。

VIPER软件负责采集、处理和记录所接收信号，并显示测量或算法结果。该软件过去一年来经过改进，现包括如下模块：天线分集和分集增益处理；无线信道的时间离散特征(多径)测量；采用MATLAB开发的智能天线算法的实现；功耗、时域和频谱测量；原始接收信号的采集和记录；回放记录信号以用于开发和测试新的算法。

4. 宽带发射分集测试平台

图3：VIPER RF前端部分组成

宽带发射器设计用于宽带分集和信道测量试验。该发射器基于一个带片上EEPROM的FPGA，在EEPROM中定义了PN和数据序列。当前的发送器可让PN码片序列以高达25Mcps的速度运行，但将来可充分发挥FPGA芯片的性能，使PN序列运行速度高达100Mcps。多径无线信道的详细测量需要高码片速率，但在分集试验中则采用低码片速率，以便所产生的信号带宽与3G无线系统的信号带宽类似。

5. 向量多径传播仿真器

VMPS在窄带或宽带信号环境下与试验性测量配合使用。该仿真器可对完整的无线信道进行建模，包括天线和传播效应。试验结果可用于优化由VMPS实现的模型。目的是研究和隔离各种参数的影响，比如天线模式(antenna pattern)和间隔、多径、干扰、算法性能及其它因素。

利用VMPS仿真器可对带8个天线的接收系统进行建模。6个发射器可被激活并放置在接收器周围的任意位置。多径传播可通过在用户挑选或由内置模型决定的位置插入散射器(scatter)来仿真。散射器的发射功率和反射系数是可变的，而且可以关闭或打开直线可视传输环境条件。这些特性可以仿真多种信道状态。

该仿真器可模仿几个分集配置方案的性能，比如空间、极化、模式和角度分集。对于非直线可视城区传播环境下的两个天线单元，采用最大比例组合，VMPS可在99%水平时获得7-11dB的分集增益。这些仿真结果与采用HAAT系统在类似传播条件下的测量结果一致。VMPS还可在不同干扰和多径情况下评估宽带通信系统的性能，比如采用时空阵列、空间阵列、分接式延迟线均衡器(tapped delay line equalizer)，或者单个天线接收器。

图4：VIPER系统框图