摘要多通道無線通信系統(tǒng)中各通道的校準(zhǔn)是關(guān)鍵技術(shù)，通過設(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)合工程問題，將該快速算法首次用于無線通信系統(tǒng)天線陣列校準(zhǔn)，并通過大量的計(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，可以沒有校準(zhǔn)天線，而是通過耦合器將信號(hào)注入，因此無法校準(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)的處理過程。通過估計(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 = [ GH G] - 1 GH em (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(xùn)練序列，m( R) 取決于接收的訓(xùn)練序列。可以證明，在沒有噪聲的情況下，該估計(jì)是無偏的。h′是長(zhǎng)度為KW 的通道沖擊響應(yīng)估計(jì)矢量。 無論是基于校準(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M chip s ，其中基本訓(xùn)練序列為N chip s ，所有工作天線對(duì)應(yīng)的訓(xùn)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(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)椋谛?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。