無(wú)線(xiàn)通信系統通道校準算法研究

摘要多通道無(wú)線(xiàn)通信系統中各通道的校準是關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)設計特定的訓練序列，并采用高效的快速算法，在線(xiàn)實(shí)時(shí)校正陣列天線(xiàn)系統多個(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，理論分析和計算機仿真結果表明，該算法能校正通道之間的幅度和相位誤差，而且實(shí)現簡(jiǎn)單，具有較好的校準性能。 關(guān)鍵詞B3G/ 4G，MIMO ，智能天線(xiàn)，多通道，校準

1 引言 在B3G/ 4G系統中，為了達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(xiàn)[2 ] [13 ] [14 ] 等被認為是核心關(guān)鍵技術(shù)。MIMO 通過(guò)采用空時(shí)(或空時(shí)頻) 編碼，提高系統的性能。為了保證系統性能的實(shí)現，工程上要求MIMO 系統天線(xiàn)陣列及射頻通道之間的幅度和相位與理論設計相比，具有較小的誤差;而作為核心技術(shù)的智能天線(xiàn)對天線(xiàn)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(xiàn)、饋線(xiàn)和由模擬器件組成的射頻通道(統稱(chēng)為通道) 往往需要校正才能滿(mǎn)足要求。因此，已經(jīng)對多通道的天線(xiàn)陣列的校準技術(shù)展開(kāi)了廣泛的研究，并取得了豐碩成果[3 ]～[11 ] 。文獻[ 12 ]提出了一種利用訓練序列進(jìn)行信道估計的快速算法，在此基礎上，結合工程問(wèn)題，將該快速算法首次用于無(wú)線(xiàn)通信系統天線(xiàn)陣列校準，并通過(guò)大量的計算機窮舉，找到一組合適的特定訓練序列。通過(guò)仿真，證明該算法在通道校準應用中具有較好的性能。 通道校準方法可分為兩大類(lèi)，離線(xiàn)校準和在線(xiàn)校準。離線(xiàn)校準是指在系統調試和上電初始化階段所采取的通道校準措施，主要針對非時(shí)變誤差。這時(shí)由于不考慮對通信的影響，可根據實(shí)際需要選擇校準算法、參考信號的功率和形式。 在線(xiàn)校準，也稱(chēng)為實(shí)時(shí)校準，是指系統正常工作階段所采取的通道校準措施，碩士論文 主要針對時(shí)變誤差。這時(shí)所選擇的校準算法、參考信號的功率和形式、以及參考信號的獲得方式等，都應該是在不影響正常通信的前提下進(jìn)行。在線(xiàn)校準是實(shí)際通信系統中必須采用的通道校準措施。在此重點(diǎn)研究在線(xiàn)校準方法。 結合實(shí)際系統結構，在線(xiàn)校準方法可分為基于校準網(wǎng)絡(luò )的方法和無(wú)校準網(wǎng)絡(luò )的方法，其中基于校準網(wǎng)絡(luò )的方法又可進(jìn)一步分為基于校準通道和基于耦合網(wǎng)絡(luò )兩種方法。無(wú)校準網(wǎng)絡(luò )的方法是采用工作通道輪換發(fā)射信號、其它通道接收的方式，從而得到通道之間的補償系數，該方法由于操作時(shí)間較長(cháng)，而且對通道陣列形式要求較高，因此目前在實(shí)際系統中主要采用基于校準網(wǎng)絡(luò )的方法。 在基于校準網(wǎng)絡(luò )的方法中，基于校準天線(xiàn)的方法主要應用于均勻圓陣或圓弧陣中，即工作天線(xiàn)均勻分布在圓周上，而校準天線(xiàn)位于圓心。該方法可以對收發(fā)通道的所有部分(天線(xiàn)、饋線(xiàn)、射頻前端、線(xiàn)性功放和收發(fā)信機等) 進(jìn)行校準，有利于工程實(shí)現;基于耦合網(wǎng)絡(luò )的方法，可以沒(méi)有校準天線(xiàn)，而是通過(guò)耦合器將信號注入，因此無(wú)法校準工作天線(xiàn)的幅相誤差，但是該方法適用范圍更廣。 2 通道陣列校準算法 2. 1 基本原理 通道陣列校準(CC) 的功能在于補償各通道發(fā)射( TX) 或接收(RX) 信號之間幅度和相位不一致性，職稱(chēng)論文同時(shí)檢測某些物理故障。 通道校準算法的基本原理可以等同于信道估計的處理過(guò)程。通過(guò)估計各個(gè)通道的沖激相應，得到相互之間的幅度差異和相位差異，其中，所選擇的基本訓練序列應該自相關(guān)性較強，互相關(guān)性較弱。 K 個(gè)工作天線(xiàn)通道沖激響應組合成一個(gè)矢量，h = [ ( h(1) ) T ， ( h(2) ) T ， ?， ( h( K) ) T ] T 總長(cháng)度KW ， W為窗長(cháng)。K 個(gè)工作通道對應的訓練序列為m( k) =( m( k)1 ， m( k)2 ， ?， m( k)P + W - 1 ) T ， k = 1 ， ?K， 其中P 是基本訓練序列的長(cháng)度，接收端利用訓練序列估計K 個(gè)工作通道的沖激響應，可表示為 em = ( m1 ，m2 ， ?，mP) T = Gh + n (1)其中n = ( n1 ， n2 ， ?， nP) T 是長(cháng)度為P 的加性高斯白噪聲序列， h 為通道沖擊響應矢量， 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 根據矩陣G的表達式，得到h 的最大似然估計^h 為 ^h = [ GH G] - 1 GH em (3) 窗長(cháng)W =[ P/K]。 如果各工作通道對應的訓練序列具有循環(huán)特性，則估計通道沖激響應可借用信道估計中FF T 的方法[12 ] ，即 h′= IFFT[FF T(m) ( R) )/FF T( m) ](4) 式中m 表示基本訓練序列，m( R) 取決于接收的訓練序列?？梢宰C明，在沒(méi)有噪聲的情況下，該估計是無(wú)偏的。h′是長(cháng)度為KW 的通道沖擊響應估計矢量。 無(wú)論是基于校準通道的方法，還是基于耦合網(wǎng)絡(luò )的方法，采用的通道校準算法原理相同，研究結論均適用于上述兩種校準方法。因此，下面以基于校準通道的方法為例，對通道校準算法進(jìn)行研究。為分析方便，不失一般性，對8 個(gè)通道的系統進(jìn)行分析。設天線(xiàn)陣列為8 天線(xiàn)單元的均勻圓陣，校準天線(xiàn)位于圓心。在B3G/ 4G系統中，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，由于上下行頻段不同，需要作一定的補償。訓練序列長(cháng)度P 取32 。 2. 2 發(fā)射( TX) 通道校準算法 TX 校準的功能是補償各工作TX 通道的不一致性。工作天線(xiàn)同時(shí)發(fā)射各自對應的訓練序列，校準天線(xiàn)接收到訓練序列后，就可計算各工作天線(xiàn)TX 通道之間的幅度差異和相位差異。TX 校準的訓練序列長(cháng)度為M chip s ，其中基本訓練序列為N chip s ，所有工作天線(xiàn)對應的訓練序列由N chip s 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 。 設實(shí)基本訓練序列m = ( m1 ，m2 ， ?，m32 ) ，對應的復基本訓練序列m = (m1 ，m2 ， ?，m32 ) ，即 mi = ( j) i- 1 ·mi (5) 根據循環(huán)特性，工作天線(xiàn)1～8 發(fā)射的訓練序列依次為 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 ) 設校準天線(xiàn)接收的訓練序列為 m( CA) = ( m( CA)1 ， m( CA)2 ， ?， m( CA)36 )(6) 由此構造序列 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 估計天線(xiàn)通道沖激響應可采用式(4) 的方法，則天線(xiàn)通道k 的沖激響應估計為 ^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(hù)的沖激響應中取最大值，這是因為，在校準環(huán)境下，每個(gè)通道總是存在一條最強的直達路徑。