Global Sources
電子工程專輯
 
電子工程專輯 > 測試與測量
 
 
測試與測量  

手機智慧天線測試系統開發及應用

上網時間: 2005年01月16日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:智慧發送和接收天線系統  維吉尼亞科技天線組  VTAG  行動可攜式無線研究組  MPRG 

本文描述了一項由德州儀器公司(TI)發起、由維吉尼亞理工學院、州立大學的維吉尼亞科技天線組(VTAG),以及行動可攜式無線研究組(MPRG)合作完成的研究計畫,該計畫重點確定智慧發送和接收手機天線的可行性,其目的是為了證明這種天線具有更低的功耗、更大的容量及更好的鏈接可靠性。

圖1:在多徑環境下採用HAAT的典型試驗。一個發射器用於分集組合試驗,
第二個發射器適用於採用自適應波束成型演算法的抗干擾試驗。

這份研究課題包括開發新的智慧天線演算法及評估鏈接可靠性和容量的提高。為了評估智慧天線在實際應用環境中的性能,研究者採集了一套綜合的時空向量訊息通道測量方法。數據採集由VTAG開發的四個陣列硬體測試平台完成,它們是手持式天線陣列測試平台(HAAT)、MPRG天線陣列測試平台(MAAT)、向量脈衝響應(VIPER)和發射分集測試平台(TDT)。

智慧天線可大幅提高第三代手持式無線設備的性能。MPRG和VTAG兩個研究團隊共同組成了一個聯合小組負責研究TI公司智慧手機天線的關鍵特性,包括採集天線及傳輸測量數據、評估分集及自適應演算法、模擬整體系統性能,以及量化對帶智慧天線的手機造成影響的基本現象。自該計畫於1998年7月啟動以來,我們已開發了三種工具:手持式天線陣列測試平台(HAAT)、向量多徑傳播模擬器(VMPS)、以及寬頻VIPER測量系統。我們已使用這些工具及MPRG天線陣列測試平台(MAAT)來了解手機天線陣列的傳輸環境,這些資訊已經用來預測手機智慧天線的性能。

廣泛的2.05GHz測量顯示,在可靠性為99%時,在戶外和室內非直線可視環境下的窄頻系統上實現7-9dB鏈路增益預算。這些增益可利用手機分集和自適應的小天線陣列獲得,天線間的隔離間距為0.15波長或更大。其他的測量顯示,利用自適應波束形成(beamforming)演算法可將單個干擾訊號降低25-40dB。因此,可靠性、系統容量和傳輸功率性能都可得到大幅提高。

系統開發

1. 手持式天線陣列測試平台

圖2:MAAT由8個Harris 40214可程式直接數位下變頻器和8個C54x DSP組成。

HAAT系統可用來評估在分集組合和自適應波束形成試驗中各種天線配置的性能(典型的應用如圖1)。圖2顯示了一個採用HAAT系統的典型試驗場景。接收器將來自兩個或更多接收訊息通道的訊號下變頻到基頻。這些訊號被記錄在數位錄音帶上,以便利用適當的演算法進行離線處理。接收器在2.8公尺長的軌道上以模仿人行走的?定速度行動。一個小型手持式無線電裝置支撐著兩個天線,天線的間隔和方向是可變的。該系統具有如下特性:2.05GHz CW訊號;兩個發射器;一個接收器(兩個訊息通道,可擴展至4個);2.8公尺線性軌道可連續收集數據,並離線處理;高度可攜式電池供電系統;手持接收器的真實工作環境。

2. MPRG天線陣列測試平台

圖2中的MAAT具有很多與HAAT一樣的特性,但具有更多訊息通道,而且可容納更大的頻寬。然而,MAAT有些笨重,不容易變換位置。其工作頻率為2.05GHz,訊號為正弦波或已調變訊號。其頻寬設為100kHz,但透過調整可擴展至1MHz。MAAT可以執行數位即時波束形成和到達角度(angle-of-arrival)估測。

3. 向量脈衝響應測量系統

VIPER是一種軟體定義的寬頻向量訊息通道測量接收器,可支援發射和接收分集測量。VIPER接收器能夠接收頻寬高達400MHz的訊號,並在軟體中處理這些訊號。該接收器作為智慧天線演算法的測試平台,可執行多徑測量系統的功能以比較多個無線訊息通道環境下天線演算法的性能。圖3為VIPER RF前端部份的照片,一個四通道示波器作為採樣系統,電腦從該示波器獲取所有的訊號資訊。

圖3:VIPER RF前端部份組成。

VIPER被設計成在最少的RF硬體條件下,在軟體中實現處理功能。圖4為接收器硬體的模組示意圖。執行單階下變頻後,在四個訊息通道的每一個訊息通道的IF訊號以每秒1G的採樣率被採樣。所採集樣本訊號儲存在RAM中,並由電腦處理。

VIPER軟體負責採集、處理和記錄所接收訊號,並顯示測量或演算法結果。該軟體過去一年來經過改進,現包括如下模組:天線分集和分集增益處理;無線訊息通道的時間離散特徵(多徑)測量;採用MATLAB開發的智慧天線演算法的實現;功耗、時域和頻譜測量;原始接收訊號的採集和記錄;回放記錄訊號以用於開發和測試新的演算法。

4. 寬頻發射分集測試平台

寬頻發射器設計用於寬頻分集和訊息通道測量試驗。該發射器基於一個帶片上EEPROM的FPGA,在EEPROM中定義了PN和數據序列。目前的發送器可讓PN碼片序列以高達25Mcps的速度執行,但將來可充分發揮PFGA晶片的性能,使PN序列執行速度高達100Mcps。多徑無線訊息通道的詳細測量需要高碼片速率,但在分集試驗中則採用低碼片速率,以便所產生的訊號頻寬與3G無線系統的訊號頻寬類似。

5. 向量多徑傳播模擬器

VMPS在窄頻或寬頻訊號環境下與試驗性測量配合使用。該模擬器可對完整的無線訊息通道進行建模,包括天線和傳播效應。試驗結果適用於最佳化由VMPS實現的模型。目的是研究和隔離各種參數的影響,比如天線模式(antenna pattern)和間隔、多徑、干擾、演算法性能及其它因素。

利用VMPS模擬器可對帶8個天線的接收系統進行建模。6個發射器可被啟動並放置在接收器周圍的任意位置。多徑傳播可透過在用戶挑選或由內建模型決定的位置插入散射器(scatter)來模擬。散射器的發射功率和反射係數是可變的,而且可以關閉或打開直線可視傳輸環境條件。這些特性可以模擬多種訊息通道狀態。

圖4:VIPER系統架構圖。

該模擬器可模仿幾個分集配置方案的性能,比如空間、極化、模式和角度分集。對於非直線可視城區傳播環境下的兩個天線單元,採用最大比例組合,VMPS可在99%水準時獲得7-11dB的分集增益。這些模擬結果與採用HAAT系統在類似傳播條件下的測量結果一致。VMPS還可在不同干擾和多徑情況下評估寬頻通訊系統的性能,比如採用時空陣列、空間陣列、分接式延遲線均衡器(tapped delay line equalizer),或者單個天線接收器。

系統測量

利用所開發的硬體測試平台進行了廣泛的測量,包括手機分集測量、天線間隔和作業員身體對分集的影響、自適應波束形成、到達角、訊息通道互易驗證,以及寬頻向量訊息通道測量。圖5和圖6給出了戶外非直線可視訊息通道的採樣分集測量。圖5對比相對於天線間隔的相關係數,注意到當相關性遠低於0.7時將十分有利於提高分集性能。圖6顯示出分集增益與天線間隔的函數關係:99%可靠性時,增益約9dB;90%可靠性時,增益約5-dB。當間隔降至0.1波長時,幾乎沒有關聯關係了。

我們利用手持天線陣列對自適應波束形成做了深入研究。調查所用的小型四單元天線陣列被安裝在一個像行動電話一樣小巧的接收器上。自適應波束形成研究利用兩個相互干擾的發射器在偏遠地區、郊區和市區進行了250次試驗。利用最小二乘?模演算法(LSCMA),受控試驗可提高性能達25至50dB。

在多徑訊息通道中,若在接收器看來發射器間沒有分隔,而且兩個發射天線的方向無區別,性能提高更加明顯。在對等網路(peer-to-peer)和微蜂巢式條件下,將接收器拿在手中以步行速度行動時的性能也進行了測量。在對等網路條件下,平均SINR提高約37-41dB,而在微蜂巢式條件下波束形成後的平均SINR為21-27dB。在微蜂巢式條件下造成較低的SINR的部份原因在於,訊號在較長的傳播路徑上由於衰減而導致低SNR。在所測量的多徑訊息通道中,雙或多極化天線陣列相對於同極化陣列的優勢不足3dB,這顯示在這些訊息通道中極化靈活性對提高性能有所幫助,但不是關鍵因素。

圖5:在市區、非LOS環境下,
空間分集測量中封包(envelope)相關係數與天線間隔關係。

MAAT系統用於到達角測量、針對擴頻系統(低頻寬)的自適應干擾消除演算法,以及在10MHz頻寬上基於頻率掃描的多頻譜向量訊息通道測量。多頻譜測量可提供室內訊息通道的平衰減特性,以及戶外到室內訊息通道的頻率選擇衰減特性。

VIPER用於啟動一系列寬頻向量訊息通道測量,針對各種具有類似IMT-2000頻寬的訊息通道(如室內和戶外等)。最初的試驗是在室內環境下進行的。

發射分集研究

本節講述研究組在手機發射分集方面的最近研究活動,這涉及到分集形式不同方面的研究。當在發射器上天線陣列的所有天線上發射符號序列時,就用到發射分集。問題是要在接收器端針對?定的發射功率最大化訊息噪音比。為了在平衰減訊息通道上實現手機發射分集,研究人員採用了多種演算法和方法。這些方法涉及到在發射器端採用複雜的加權向量(weight vector)來調整透過不同天線單元的符號。將各種方法所能獲得的最大SNR和訊號匯集特性進行比較。這些方法包括早-晚技術、子空間方法、基於斜度的方法,以及最小平方(Least Square,LS)方法。gradient

透過模擬對這些方法進行測試,結果顯示LS方法更適合平衰減訊息通道。在室內環境下,相較於單天線系統,2單元天線陣列可獲得2-6dB的性能增益,4單元天線陣列可獲得5-12dB的性能增益。對這些演算法相關的反饋和延遲問題也進行了研究。模擬顯示複雜權向量的粗糙幅度(coarse magnitude)和相位量化(phase quantization)是可能的,僅有輕微的性能下降。我們還研究了這些演算法在IMT-2000的WCDMA實現中的適用性,WCDMA的訊息通道結構和訊號格式能適應這些演算法。

發射分集展示

圖6:在市區、非LOS環境下,
空間分集測量中平均分集增益與天線間隔關係圖。

發射分集系統的可行性是透過硬體實現來展示的。該硬體裝置包括一個2單元寬頻發射分集測試平台和一個作為接收器的VIPER。一個單元的增益保持?定不變,而另一個單元的相位則以不連續的方式變化。透過測量每個相位設置上的訊號強度,可以識別出具有最大功率的設置,並將其轉至發射器。測量每個天線單元的訊號強度,並比較分集系統與單個天線系統的性能。初始的結果顯示,在累積分佈函數(CDF)圖的1%水準上,性能提高3-4dB是可能的。

本文結論

本文介紹了VTAG在智慧手機天線方面的研究。透過利用所開發的不同測試平台進行了各種傳播試驗,訊息通道測量顯示分集系統要比單天線系統的性能有所提高。窄頻測量顯示,採用帶四單元天線陣列的自適應波束形成技術可獲得高達40dB的抗干擾性能。利用相應的演算法,寬頻系統也可以獲得類似的增益。我們利用VIPER系統進行了寬頻分集試驗。我們還探討了針對平衰減訊息通道的發射分集,而且透過模擬對所提議的各種演算法進行了驗證。發射分集在室內環境下透過寬頻訊號進行了展示。基於我們在VIPER上的經驗,可以快速開發出具有連續數據採集功能的寬頻手持天線陣列測試平台,以便支援各種試驗來評估手機寬頻訊號的自適應波束形成性能。

參考文獻

[1]. "Summary of the First Year of Work with Virginia Tech's Smart Handset-Antenna Research for Texas Instruments",

Technical report submitted to TI, 1999.

[2]. "Summary of the Second Year of Work with Virginia Tech's Smart Handset- Antenna Research for Texas Instruments",

Technical report submitted to TI, 2000.

作者:Tom Biedka, Carl Dietrich, Kai Dietze


Email: reedjh@vt.edu


Email: stutzman@vt.edu


維吉尼亞理工學院暨州立大學





投票數:   加入我的最愛
我來評論 - 手機智慧天線測試系統開發及應用
評論:  
*  您還能輸入[0]個字
*驗證碼:
 
論壇熱門主題 熱門下載
 •   將邁入40歲的你...存款多少了  •  深入電容觸控技術就從這個問題開始
 •  我有一個數位電源的專利...  •  磷酸鋰鐵電池一問
 •   關於設備商公司的工程師(廠商)薪資前景  •  計算諧振轉換器的同步整流MOSFET功耗損失
 •   Touch sensor & MEMS controller  •  針對智慧電表PLC通訊應用的線路驅動器
 •   下週 深圳 llC 2012 關於PCB免費工具的研討會  •  邏輯閘的應用


EE人生人氣排行
 
返回頁首