作者：ADI射頻事業部高級應用工程師 Patrick Wiers

摘要

基站發射機波束成形和波束控制是提高基站覆蓋范圍和容量的有效方法，這些技術要求使用多個收發器，并且基帶處理器必須補償各信號路徑的不良相位失調。此外，這種補償必須持續存在。本文介紹一種在工廠測試和工作期間測量多個發射機之間的相位差，以便基帶處理器補償這些失調的方法。

利用多天線實現高性能

為了支持新型應用，如智能手機之類，個人通信設備對數據吞吐速率的要求越來越高，在給定的帶寬和覆蓋區域，要提高吞吐速率，必須提高信噪比(SNR)，這意味著需要提高功率，或者降低噪聲，或者同時采取這兩種措施。提高信號電平的一種方法是使用輸出功率更高的功率放大器(PA)，但這種方法會顯著提高基站的運行成本，并且可能導致相鄰小區的干擾增大。降低接收機系統噪聲也是可行的，但要在一個已經優化的系統上獲得若干dB以上的改善，可能需要付出九牛二虎之力。

如果使用多個信號路徑和一個天線陣列，則可以使天線陣列的聚集輻射場型在目標接收機的方向上具有更高的增益，而在其它方向上的增益則低得多。在目標接收機方向上的較高發射機增益可提高接收機的信號電平，但同時也會對正好處于發射機窄波束內的其它接收機造成更大的干擾。指向發射機的較窄高增益接收場型可減小相鄰基站和移動設備對接收機的干擾。這兩種效應均能提高接收機的信噪比(SNR)。

圖1顯示一個系統架構的框圖，其中四根天線共用同一信號。中間兩根天線的導體呈回旋狀，目的是強調所有天線的電纜長度必須相等。

圖1 4天線系統

圖2顯示該系統的仿真響應，假設這些天線為全向天線。天線位于穿過180度和0度的軸線上。該極坐標圖的徑向軸表示相對于單根全向天線的增益(dB)。


圖2 相對于單根天線響應的4天線響應(dB)

波束成形和波束控制

圖1中的架構可用于目前的許多應用中，但要充分發揮窄波束系統的優勢，必須進行動態波束控制（移動主波束）或波束成形（移動主波束和零陷）。波束控制要求基帶處理器(BBP)改變各天線信號的相位，波束成形則要求BBP改變各天線信號的相位和幅度。除非另有說明，本文中的“波束成形”同時包括波束控制和波束成形。圖3所示為一個波束成形實現系統。為清楚起見，圖中僅顯示發射路徑。


圖3 提供波束控制/波束成形的4天線系統

針對波束成形設計了一些多用戶協議，例如LTE。在LTE中，BBP可以分別調整資源模塊(RB)的幅度和相位，因此即使在多用戶子幀中也支持用戶專用的波束。

如果BBP將天線1的數據移動-0.375λ，將天線2的數據移動-0.125λ，將天線3的數據移動+0.125λ，并將天線4的數據移動+0.375λ，則會產生圖4所示的輻射場型。在這個波束控制示例中，BBP僅對數據應用相位校正。該圖還顯示兩個瓣一致移動。如果不需要這樣，可以使用定向天線陣列來消除不需要的瓣，同時為需要的瓣提供額外增益。

圖4 相對于單根天線響應的控制4天線響應

圖2和圖4所示的極坐標圖反映的是理想情況，假設信號完全按照需要到達各天線。但實際上會存在偏差，導致各發射路徑都存在獨特的不良相移。這些相移可能會在每次系統上電時改變，而且可能隨著器件溫度的變化而改變。當發射機使用不同的本振，或者當到達各發射機模塊的本振路徑不同時，這個問題尤其突出。不同路徑長度、溫度漂移以及發射機路徑之間的本振(LO)相位差所引起的不良相位失調，可能會改變輻射場型，從而使系統性能明顯下降。例如，將區區5度的誤差增加到各天線信號時（因而天線1 = -0.51λ，天線2 = -0.17λ，天線3 = +0.17λ，天線4 = +0.51λ），其結果如圖5所示。

圖5 存在不良相移的控制4天線響應

測量相位

顯而易見，對于波束成形，系統必須能夠測量各發射機輸出的相對相位失調。完成相對相位失調計算后，除了用于波束控制的相位和幅度系數外，BBP還會對各信號路徑應用一個校正因數。

圖6顯示了一種確定相對相位失調的常用方法，即利用系統中的額外接收機。所示的曲線路徑同樣是為了強調從各RF前端到RF開關的路徑長度必須相等。經過下變頻、濾波和發射信號數字化后，計算相位Tan-1 (Q/I)以得出各路徑的相位失調。然后，BBP將這些校正因數應用于波束成形系數。

圖6 具有發射路徑相位檢測功能的4天線波束成形系統

下變頻處理要求一個全功能接收機子系統，但接收路徑的最大增益不需要像正常接收機那樣高。這種解決方案會增加成本，但波束成形帶來的利益更大。

通過集成降低成本

提高集成度可以在保有波束成形好處的同時，降低圖6實現方案的成本。集成可分為多個級別。例如，整個接收機子系統或發射機子系統可以使用一個IC以降低成本。進一步的集成，例如將多個發射機和接收機集成到單個IC中，可以在保持波束成形功能的同時實現最低成本解決方案。

對于時分雙工(TDD)系統，將接收機和發射機集成到同一IC封裝中還能提供其它好處。這種情況下，接收機和發射機并非同時使用，因此在發送子幀期間，可以讓接收機執行其它任務，例如測量發射機輸出的相位。圖7所示就是這種架構。圖中顯示的是發送子幀期間的情況。標為“Tx Monitor”的模塊是被改派用場的接收機，用于在發送子幀期間測量耦合器的功率并提供I/Q數據輸出。對于接收子幀，接收機電路斷開Tx Monitor輸入，作為正常接收機工作。

第一個2x2收發器的發射和監控路徑使用內部LO。第二個2x2收發器的發射和監控路徑使用不同的LO。LO的頻率相同，但可能存在相位差，而且每次收發器上電時，該相位差可能發生變化。

圖7中，Tx Monitor 2的輸出相位等于ΦAnt1（從發射路徑中的LO 1到耦合器的延遲）加上ΦTxMon2（Tx Monitor路徑返回LO 1的延遲）。圖中將它表示為Φ(det)。如果兩條粗線路徑匹配，則Tx Monitor 3的輸出 = Φ(det) + ΦAnt2 + ΦLO 2 - ΦLO 1。從該值中減去Φ(det)便得到Ant1與Ant2之間的相位差。其它天線路徑的相位差可以類似方式求得。

圖7 集成波束成形系統

總結

波束成形是提高覆蓋范圍，同時減小對其它小區干擾的實用方法。在波束成形中，至關重要的是系統必須能夠測量各信號與其相關天線的相對相位。接收機子系統可以執行這種功能，但集成器件能夠在保有波束成形好處的同時，顯著降低成本。ADI公司的AD9356或AD9357 2x2收發器在同一芯片上集成兩個接收機、兩個發射監控器和兩個發射機，還能夠進一步降低成本。