導(dǎo)語(yǔ)：無(wú)線通信系統(tǒng)通道校準(zhǔn)算法研究一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要多通道無(wú)線通信系統(tǒng)中各通道的校準(zhǔn)是關(guān)鍵技術(shù),通過(guò)設(shè)計(jì)特定的訓(xùn)練序列,并采用高效的快速算法,在線實(shí)時(shí)校正陣列天線系統(tǒng)多個(gè)通道的幅度和相位。分析了發(fā)射通道和接收通道的性能,理論分析和計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明,該算法能校正通道之間的幅度和相位誤差,而且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,具有較好的校準(zhǔn)性能。

關(guān)鍵詞B3G/4G,MIMO,智能天線,多通道,校準(zhǔn)

1引言

在B3G/4G系統(tǒng)中,為了達(dá)到超高傳輸速率和高的頻譜利用率,MIMO(多輸入多輸出)[1]、智能天線[2][13][14]等被認(rèn)為是核心關(guān)鍵技術(shù)。MIMO通過(guò)采用空時(shí)(或空時(shí)頻)編碼,提高系統(tǒng)的性能。為了保證系統(tǒng)性能的實(shí)現(xiàn),工程上要求MIMO系統(tǒng)天線陣列及射頻通道之間的幅度和相位與理論設(shè)計(jì)相比,具有較小的誤差;而作為核心技術(shù)的智能天線對(duì)天線陣列和通道也有同樣甚至更高的要求。但是,由于加工、器件老化、溫度變化等原因,天線、饋線和由模擬器件組成的射頻通道(統(tǒng)稱為通道)往往需要校正才能滿足要求。因此,已經(jīng)對(duì)多通道的天線陣列的校準(zhǔn)技術(shù)展開(kāi)了廣泛的研究,并取得了豐碩成果[3]～[11]。文獻(xiàn)[12]提出了一種利用訓(xùn)練序列進(jìn)行信道估計(jì)的快速算法,在此基礎(chǔ)上,結(jié)合工程問(wèn)題,將該快速算法首次用于無(wú)線通信系統(tǒng)天線陣列校準(zhǔn),并通過(guò)大量的計(jì)算機(jī)窮舉,找到一組合適的特定訓(xùn)練序列。通過(guò)仿真,證明該算法在通道校準(zhǔn)應(yīng)用中具有較好的性能。

通道校準(zhǔn)方法可分為兩大類,離線校準(zhǔn)和在線校準(zhǔn)。離線校準(zhǔn)是指在系統(tǒng)調(diào)試和上電初始化階段所采取的通道校準(zhǔn)措施,主要針對(duì)非時(shí)變誤差。這時(shí)由于不考慮對(duì)通信的影響,可根據(jù)實(shí)際需要選擇校準(zhǔn)算法、參考信號(hào)的功率和形式。

在線校準(zhǔn),也稱為實(shí)時(shí)校準(zhǔn),是指系統(tǒng)正常工作階段所采取的通道校準(zhǔn)措施,碩士論文主要針對(duì)時(shí)變誤差。這時(shí)所選擇的校準(zhǔn)算法、參考信號(hào)的功率和形式、以及參考信號(hào)的獲得方式等,都應(yīng)該是在不影響正常通信的前提下進(jìn)行。在線校準(zhǔn)是實(shí)際通信系統(tǒng)中必須采用的通道校準(zhǔn)措施。在此重點(diǎn)研究在線校準(zhǔn)方法。

結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)結(jié)構(gòu),在線校準(zhǔn)方法可分為基于校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的方法和無(wú)校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的方法,其中基于校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的方法又可進(jìn)一步分為基于校準(zhǔn)通道和基于耦合網(wǎng)絡(luò)兩種方法。無(wú)校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的方法是采用工作通道輪換發(fā)射信號(hào)、其它通道接收的方式,從而得到通道之間的補(bǔ)償系數(shù),該方法由于操作時(shí)間較長(zhǎng),而且對(duì)通道陣列形式要求較高,因此目前在實(shí)際系統(tǒng)中主要采用基于校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的方法。

在基于校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的方法中,基于校準(zhǔn)天線的方法主要應(yīng)用于均勻圓陣或圓弧陣中,即工作天線均勻分布在圓周上,而校準(zhǔn)天線位于圓心。該方法可以對(duì)收發(fā)通道的所有部分(天線、饋線、射頻前端、線性功放和收發(fā)信機(jī)等)進(jìn)行校準(zhǔn),有利于工程實(shí)現(xiàn);基于耦合網(wǎng)絡(luò)的方法,可以沒(méi)有校準(zhǔn)天線,而是通過(guò)耦合器將信號(hào)注入,因此無(wú)法校準(zhǔn)工作天線的幅相誤差,但是該方法適用范圍更廣。

2通道陣列校準(zhǔn)算法

2.1基本原理

通道陣列校準(zhǔn)(CC)的功能在于補(bǔ)償各通道發(fā)射(TX)或接收(RX)信號(hào)之間幅度和相位不一致性,職稱論文同時(shí)檢測(cè)某些物理故障。

通道校準(zhǔn)算法的基本原理可以等同于信道估計(jì)的處理過(guò)程。通過(guò)估計(jì)各個(gè)通道的沖激相應(yīng),得到相互之間的幅度差異和相位差異,其中,所選擇的基本訓(xùn)練序列應(yīng)該自相關(guān)性較強(qiáng),互相關(guān)性較弱。

K個(gè)工作天線通道沖激響應(yīng)組合成一個(gè)矢量,h=[(h(1))T,(h(2))T,⋯,(h(K))T]T總長(zhǎng)度KW,W為窗長(zhǎng)。K個(gè)工作通道對(duì)應(yīng)的訓(xùn)練序列為m(k)=(m(k)1,m(k)2,⋯,m(k)P+W-1)T,k=1,⋯K,其中P是基本訓(xùn)練序列的長(zhǎng)度,接收端利用訓(xùn)練序列估計(jì)K個(gè)工作通道的沖激響應(yīng),可表示為

em=(m1,m2,⋯,mP)T=Gh+n(1)其中n=(n1,n2,⋯,nP)T是長(zhǎng)度為P的加性高斯白噪聲序列,h為通道沖擊響應(yīng)矢量,G=[(G(1))T,(G(2))T,⋯,(G(K))T]T,G(k)為P×W階矩陣,表示為

G(k)=[Gkij](2)

Gkij=m(k)

W+i-j,k=1,⋯,K,i=1,⋯,P,j=1,⋯,W

根據(jù)矩陣G的表達(dá)式,得到h的最大似然估計(jì)^h為

^h=[GHG]-1GHem(3)

窗長(zhǎng)W=[P/K]。

如果各工作通道對(duì)應(yīng)的訓(xùn)練序列具有循環(huán)特性,則估計(jì)通道沖激響應(yīng)可借用信道估計(jì)中FFT的方法[12],即

h′=IFFT[FFT(m)(R))/FFT(m)](4)

式中m表示基本訓(xùn)練序列,m(R)取決于接收的訓(xùn)練序列?？梢宰C明,在沒(méi)有噪聲的情況下,該估計(jì)是無(wú)偏的。h′是長(zhǎng)度為KW的通道沖擊響應(yīng)估計(jì)矢量。

無(wú)論是基于校準(zhǔn)通道的方法,還是基于耦合網(wǎng)絡(luò)的方法,采用的通道校準(zhǔn)算法原理相同,研究結(jié)論均適用于上述兩種校準(zhǔn)方法。因此,下面以基于校準(zhǔn)通道的方法為例,對(duì)通道校準(zhǔn)算法進(jìn)行研究。為分析方便,不失一般性,對(duì)8個(gè)通道的系統(tǒng)進(jìn)行分析。設(shè)天線陣列為8天線單元的均勻圓陣,校準(zhǔn)天線位于圓心。在B3G/4G系統(tǒng)中,TDD為一種很有前途的工作方式,此時(shí)可選用非盲算法。在FDD系統(tǒng),由于上下行頻段不同,需要作一定的補(bǔ)償。訓(xùn)練序列長(zhǎng)度P取32。

2.2發(fā)射(TX)通道校準(zhǔn)算法

TX校準(zhǔn)的功能是補(bǔ)償各工作TX通道的不一致性。工作天線同時(shí)發(fā)射各自對(duì)應(yīng)的訓(xùn)練序列,校準(zhǔn)天線接收到訓(xùn)練序列后,就可計(jì)算各工作天線TX通道之間的幅度差異和相位差異。TX校準(zhǔn)的訓(xùn)練序列長(zhǎng)度為Mchips,其中基本訓(xùn)練序列為Nchips,所有工作天線對(duì)應(yīng)的訓(xùn)練序列由Nchips基本序列循環(huán)移位而得到。作為有價(jià)值的實(shí)例,又不失一般性,取M=36,N=32。

設(shè)實(shí)基本訓(xùn)練序列m=(m1,m2,⋯,m32),對(duì)應(yīng)的復(fù)基本訓(xùn)練序列m=(m1,m2,⋯,m32),即

mi=(j)i-1·mi(5)

根據(jù)循環(huán)特性,工作天線1～8發(fā)射的訓(xùn)練序列依次為

m(T,1)=(m29,m30,m31,m32,m1,m2,⋯,m32)

m(T,2)=(m25,m26,⋯,m32,m1,m2,⋯,m28)

m(T,3)=(m21,m22,⋯,m32,m1,m2,⋯,m24)

m(T,4)=(m17,m18,⋯,m32,m1,m2,⋯,m20)

m(T,5)=(m13,m14,⋯,m32,m1,m2,⋯,m16)

m(T,6)=(m9,m10,⋯,m32,m1,m2,⋯,m12)

m(T,7)=(m5,m6,⋯,m32,m1,m2,⋯,m8)

m(T,8)=(m1,m2,⋯,m32,m1,m2,⋯,m4)

設(shè)校準(zhǔn)天線接收的訓(xùn)練序列為

m(CA)=(m(CA)1,m(CA)2,⋯,m(CA)36)(6)

由此構(gòu)造序列

m(R)=(m(R)1,m(R)2,⋯,m(R)32)(7)

其中m(R)i=m(CA)i+3,i=1,2,⋯,32

估計(jì)天線通道沖激響應(yīng)可采用式(4)的方法,則天線通道k的沖激響應(yīng)估計(jì)為

^h(k)=max[h′(i)],i=(k-1)W+1,⋯,kW,k=1,⋯,K此處式中max[·]表示從每個(gè)用戶的沖激響應(yīng)中取最大值,這是因?yàn)?在校準(zhǔn)環(huán)境下,每個(gè)通道總是存在一條最強(qiáng)的直達(dá)路徑。

2.3接收(RX)通道校準(zhǔn)算法

RX校準(zhǔn)的功能是補(bǔ)償各工作天線RX通道的不一致性。校準(zhǔn)天線發(fā)射訓(xùn)練序列,工作天線同時(shí)接收到訓(xùn)練序列后,就可計(jì)算各工作天線RX通道之間的幅度差異和相位差異。RX校準(zhǔn)的訓(xùn)練序列長(zhǎng)度為36chips,其中基本訓(xùn)練序列為32chips。

設(shè)實(shí)訓(xùn)練序列為m=(m1,m2,⋯,m32),對(duì)應(yīng)的復(fù)訓(xùn)練序列為m=(m1,m2,⋯,m32),即

mi=(j)i-1·mi(8)

校準(zhǔn)天線發(fā)射的訓(xùn)練序列為

m(CA)=(m29,m30,m31,m32,m1,m2,⋯,m32)

工作天線k接收的訓(xùn)練序列表示為

m(WA,k)=(m(WAk)1,m(WA,k)2,⋯,m(WAk)36),k=1,⋯,K

m(R,k)=(m(R,k)1,m(R,k)2,⋯,m(R,k)32),其中m(R,k)i=m(WAk)

i+3,i=1,2,⋯,32,k=1,⋯,K同樣,估計(jì)接收通道沖激響應(yīng)可采用FFT的方法,即

h′(k)=IFFT[FFT(m(R,k))/FFT(m)],k=1,⋯,K(9)

類似地,接收通道k的沖激響應(yīng)估計(jì)為

^h=max[h′(k)],k=1,⋯,K(10)

3仿真研究

選擇基本訓(xùn)練序列,要求自相關(guān)性較強(qiáng),互相關(guān)性較弱。

假設(shè)環(huán)境為高斯白噪聲的通道校準(zhǔn)算法的性能仿真:設(shè)通道幅度不一致(設(shè)方差為0.1)時(shí)校準(zhǔn)算法的統(tǒng)計(jì)性能分析。仿真參數(shù):P=32,K=8。

K個(gè)TX和RX通道沖激響應(yīng)隨機(jī)生成,幅度服從均值為1、方差為0.1的正態(tài)分布,相位服從[0,2π]的均勻分布,相位的單位為0。TX和RX通道校準(zhǔn)幅度估計(jì)均方根誤差隨信噪比的變化情況以及相位估計(jì)均方根誤差隨信噪比的變化情況分別如圖1到圖4所示,Monte2Carlo仿真結(jié)果如下:

由圖1～圖4可見(jiàn),隨著信噪比的增大,通道校準(zhǔn)算法的幅度和相位估計(jì)性能均明顯提高。工作總結(jié)RX通道校準(zhǔn)算法的估計(jì)精度明顯優(yōu)于TX通道校準(zhǔn)算法。這與TX/RX通道校準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)方法有著密切關(guān)系。通道幅度方差為0.1、信噪比約為10dB時(shí),在TX通道校準(zhǔn)中,相位估計(jì)均方根誤差約為±5°;而RX通道校準(zhǔn)中,相位估計(jì)均方根誤差約為±4.5°。

4結(jié)論

通過(guò)對(duì)上述仿真結(jié)果進(jìn)行分析,可以得到如下結(jié)論:在無(wú)噪聲環(huán)境中,通道校準(zhǔn)算法能夠準(zhǔn)確地估計(jì)出各通道的沖激響應(yīng);在高斯白噪聲環(huán)境中,信噪比越大,通道校準(zhǔn)算法的性能越高。本文提出的算法,對(duì)傳統(tǒng)的智能天線和下一代寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)的MIMO天線陣列的實(shí)現(xiàn)都具有重要的指導(dǎo)意義。

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