智能天线校正技术交流.docx

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智能天线校正技术交流

智能天线校正技术

1.引言

在实际阵列天线系统中，阵列各支路间存在有两种误差:

非时变误差和时变误差。

非时变误差包括由阵列排布引起的如阵元几何位置差异、阵元间的互耦效应、天线方向图差异、各阵元间馈线差异等带来的误差。

时变误差是指阵列各射频通道随温度而变化的放大器相位和增益差异、混频器等器件的老化、滤波器时延、幅频相频特性失真、正交调制解调器哎不平衡等引起的频率响应不一致所带来的误差.这样，真实的阵列流型与理想的有较大差异，而许多波束形成算法的性能与阵列流型紧密相关，阵列流型的误差将会影响零点的位置和陷零的深度。

从而降低了算法的性能，将引起波束形状和功率控制精度的变化而降低系统容量、影响系统性能。

因此阵列误差的校正问题是智能天线实现中需要解决的关键技术之一。

实际阵列误差一般都比较复杂，有的误差可以用少量参数来进行描述，如各阵元射频通道间幅相误差，天线阵的阵元位置误差等，而有些误差则难以用几个参数来进行描述，如方向图误差等。

对于可以参数化描述的误差，用误差校正方法可以取得良好的效果，而难以用参数进行描述的误差，一般需要从提高算法对误差的稳健性或通过测量各个方向的阵列流形来解决。

通过检测和校正射频通道间的误差可使智能天线有效地控制波束方向和形状，实现智能发射和智能接收。

智能天线两种误差可分两步分别校正，非时变误差采用离线校正方法，时变误差采用在线校正方法。

通道误差校正的实质是跟踪和补偿通道幅相特性，减少通道间相对误差，满足上、下行波束形成算法控制精度要求。

在线校正的基本思想是当校正信道性能满足于3GPP对应协议要求前提下，通过跟踪和补偿使阵列通道的幅频、相频特性相对于校正信道的幅相特性而趋于一致。

目前通道时变误差的在线校正有三种方法:

注入参考信号校正方法、无线馈入校正方法和盲校正方法。

前两种方法都是把校正单元作为一个“UE”用户，在基带通过将接收和发射的已知标准信号和解调输出的标准信号相比较得到误差信号并进行补偿，不同之处在于校正信号馈入的方法。

注入参考信号校正方法是通过馈线将校正信号与阵列天线的射频前端连接，无线馈入校正方法是通过校正单元的检测天线（安置于阵列天线中央且与其不在同一截面）从空间馈入到阵列天线，因此在线校正的范围扩大到天馈。

盲校正是把阵元天线在上行链路（或下行链路）接收到（或发射）的信号的合成作为参考信号通过校正信道解调后再与阵列上行通道解调输出（或下行要发出）信号的合成比较得出合成误差信号，并利用NLMS算法更新校正权值来跟踪和补偿误差，不需要其他附加的参考信号。

如前所述，通道时变误差是智能天线系统校正的关键。

阵元射频通道的校正从技术概念上来讲应做三个方面的工作:

1）校正检测信号的馈入设计;

2）校正检测电路模块的设计;

3）校正基带板对通道误差信号的分离、校正权值计算及输出等的设计。

不同的校正方法对应检测电路模块硬件的设计有所区别。

智能天线基本的校正参数检测单元的组成及其在智能天线NodeB中所处位置如图1所示。

图1校正参数检测单元在智能天线NODE-B中所处位置示意图

由于无线通信的特殊性，有效的校正算法应能跟踪和补偿通道时变误差，这正是在线校正的优点。

智能天线校正参数检测单元完成对各阵元射频通道间幅相不平衡的检测，并向智能天线基带提供其误差校正和补偿信息。

因此，在线校正系统工作要与智能天线系统并行工作，并且不影响系统性能、不降低系统容量，硬件复杂度较低且易于实现;在系统初始使用以及以后的工作中，校正系统都能够校正阵列误差;在整个工作频宽范围内都能够达到所要求的校正精度;校正电路具有保护和告等装置。

下面分别描述注入参考信号的校正方法、无线馈入信号的校正方法和盲校正方法。

2．注入参考信号的校正方法

（一）

一种注入参考信号的下行通道误差校正原理方框如图2所示。

这种方法实时校正过程占用一个用户资源。

下行通道由于将发射的己知信号作为参考基准信号，通过向通道分时发送、选择接收后与参考基准信号比较，就可以得到下行通道幅相误差信号并进行误差校正。

其过程原理是下行信号通过定向耦合器引入到射频切换组合电路经下变频、基带处理和滤波后再与参考基准信号比较得到通道幅相误差，并在基带进行校正。

该校正方法须事先测量耦合器、馈线的误差并补偿。

图2注入参考信号校正方法的下行链路校正原理框图

图3为一种注入参考信号校正方法的上行链路校正原理框图，把一个RF信号产生器与一个分路器相连，分路器的多个输出分别送到阵元的射频前端双向耦合器的RTE端。

理想情况，多个有相同幅度、初相的信号被输入阵列的各条支路。

这种方法是以信号产生器的输出作为参考，用NLMS算法进行校正的。

在实际应用中，分路器的多个输出通道的相位响应有几度的差异，所以要想准确估计阵列硬件所带来的幅相响应，必须要先测出分路器各输出口的相位差。

校正过程分两步，先校正分路器误差，再校正阵元通道幅相误差。

图3注入参考信号校正方法的上行链路校正原理框图

3.注入参考信号的校正方法

（二）

如图4所示，收、发通道的校正检测信号由12根馈线分别联接到各天线单元支路RFE中双向耦合器的RTE端口。

校正检测电路模块分三部分，包括RFswitch部分、TxRxswitch收发转换部分、Rx检测TX检测等，其中，RFswitch用于切换12路检测信号;TxRxswitch是收发转换开关。

图4第二种注入参考信号的校正方法原理方框图

在基带控制下，校正电路模块被视为虚拟的“UE”用户与智能天线通信而实施在线检测校正，其中收、发通道分时检测。

上行校正时其发信频率为射频通道接收频率，检测电路模块在基带控制下可实时动态地对收信机送出（通过耦合器）检测信号，各通道摸拟I,Q解调信号经转换复用后进入基带，基带接收机分离出各支路测试信号的幅度和相位信息，比较其不平衡度，再得出模拟通道的误差信息，在基带以此误差信号进行校正。

下行校正时系统控制部分通过智能天线发射通道产生一个对虚拟用户的下行测试信号，经祸合器RTE口取出送入校正检测收信机，由检测收信机和校正基带板完成误差的检测并输出给基带进行校正。

误差检测分两部分，即各天线单元支路收信通道检测和发信通道检测，校正

检测电路模块硬件设计依照3GTS25A04和30TS25.141的有关规定。

4．无线馈入校正方法

图5无线馈入校正参数检测单元在智能天线NODE-B的位置

如图5所示，校正参数检测单元是一个专用收发设备，作为近端移动用户，采用全方向性天线，受基带控制完成检测信号的发射和接收。

三扇区直线阵或园环阵的中央安置校正参数检测单元的检测天线。

检测天线与阵列天线单元间因空间位置布局引起的初始相位是已知的。

检测天线到园环阵列各天线单元的距离相等，与三扇区直线阵列各天线的距离分为相等的几组，根据相对位置可求得各天线的初始相位。

上行通道的误差检测同时进行，下行则分时进行，校正及其过程控制原理与图4中注入参考信号的校正方法

（二）相同。

这种方法校正电路与智能天线射频通道完全实现硬件分离:

校正误差的空间延伸止天馈系统，但校正检测信号收、发天线与阵列天线的信号祸合设计难度较大。

5．盲校正方法

盲校正方法把阵元天线在上行链路（或下行链路）接收到（或发射）的信号合成作为参考信号，不仅参考信号不会对用户产生干扰，而且校正单元相对简单。

它利用NLMS算法的快收敛性使该方法能够跟踪幅频误差的变化，而且适用于上行、下行链路。

盲校正方法硬件电路由三个部分组成，即上下行信号馈入及合成、校正接收检测、校正基带处理（权值分离与控制）。

图5上半部为智能天线射频通道及收发层接口和基带部分，下半部为校正参数检测单元部分，接口分为射频和数字接口。

其中，上行校正数字信号从收发层接口板上行输出口引入，产生的权值输出给基带，下行校正处理串在下行与TRIF数字接口中间。

图6盲校正方法硬件组成框图

6．TD-SCDMA基站通道天线校正的设计

TD-SCDMA智能基站的阵列结构包括直线阵和园环阵。

阵列通道误差可分为非时变误差（无源器件如天线，馈线、腔体滤波器、耦合网络等引起的误差）和时变误差（TPA和RFU中有源器件等引起的误差），通道校正包括对通道相对误差的检测和基带数字补偿，使通道特性达到相对一致而满足波束形成要求。

通道校正针对生产阶段和系统运行阶段分为离线校正和在线校正。

校正时关于基站的收发通道、工作时隙、射频工作频率、逻辑信道的设置和校正参考信号的发送与接收信号的采集处理等的控制则需通过对控制寄存器的设置和访问来启动和执行。

校正功能包括:

上、下行通道相对幅相误差检测；

室内外电缆正确连接检测及收发通道失效检测。

6.1基站链路的结构

天线阵列的配置

TD-SCDMA基站阵列基本配置为两种，一种是8阵元等距园阵多波束全向覆盖的智能天线配置，一种是3（多）扇区覆盖的均匀线阵（每扇区4/6/8阵元）智能天线配置。

园环阵和线阵的通道之间要求满足相干特性，对应收发信机的相干设计应满足园环阵及线阵阵元数配置要求。

以4单元线阵和8单元园环阵两种基本阵列配置为例，基站至少满足4和8阵元的相干。

校正以最小相干通道（扇区）分组进行。

8阵元（园环阵或一个扇区线阵）的智能天线系统架构如图31所示，两个收发信机通过本振信号的互联构成相干通道，每个收发信机为4收4发结构，系统设置其1为主收发信机而另一为从收发信机，主收发信机连接到室外单元的偶数天线（0,2,4,6），从收发信机连接到室外单元的奇数天线（1,3,5,7）。

系统在其一个收发信机失效时仍能降额保持通讯。

图相干阵元基站架构框图

根据TD-SCDMA系统帧结构，通道在线校正可选择在下行导频时隙和上行导频时隙之间的保护时间间隔期间进行，这种方法不占用信道资源;也可选择在空闲的载波时隙或定时进行。

因此，校正时通过开关矩阵的切换使每个收发信机第一收发通道同时工作来构成校正上下行链路，而不需设计专用校正辅助通道。

即下行校正时，收发信机的第一收通道作为校正链路的收辅助通道:

而上行校正时，收发信机的第一发通道作为校正链路的发辅助通道。

开关矩阵设置在收（发）信机各通道的输入（出）端，其原理参见图。

图中左边为室外单元，右边为室内单元，室内外单元通过名个通道射频信号电缆和1个校正射频电缆连接。

任一个收发信机都可作为校正辅助通道。

当图3.1为园环阵结构时，校正链路通过天线单元几何结构中间位置的信标天线空馈校正检测信号，天线结构参见图3.2。

当图3.1为线阵结构时，校正链路通过天线单元下端位置的耦合网络来耦合馈入校正检测信号，耦合网络结构参见图3.3。

园环阵结构天线单元也应有耦合网络，主要用于电缆测试和通过工作状态测试。

如果园环阵中设置了耦合网络，可将其校正信号接口和校正天线通过射频转换开关连接到校正射频电缆。

链路控制功能及信号功率分配

校正链路简化模型

图3.1-3.5描述了校正链路的结构，其简化的链路模型如图3.6,图3.7所示。

图下行校正链路简化模型

图为下行校正链路工作时，影响通道幅度、相位特性的各主要电路构成的校正链路简化模型图。

AIQ_TXtxcal为TX各通道校正参考信号，A-10RXtxcal为经下行校正接收机输出的各通道下行相应信号.右边的校正网络理解为园环阵的空馈和线阵时的藕合网络。

图上行校正链路简化模型

图为上行校正链路工作时，影响通道幅度、相位特性的各主要电路构成的校正链路简化模型图.AJQ_TXrxcal为上行校正发射机的校正参考信号，A-IQ-RXrxcal为各通道接收机输出上行信号响应。

右边的校正网络理解为园环阵的空馈和线阵时的藕合网络。

校正链路控制关系

主从收发信机的设置由系统定义

信标天线接到主收发信机的W1中S4的RFC端，见图TD-SCDMA中的智能天线校正技术研究

校正控制模式

8个通道同时校正，此时s个通道收/发同步控制，但第一个通道校正时作为参考信标，RFU中的收/发信机同时工作，而其它通道收发不同时工作。

因此第一通道的收发控制应能单独控制。

下行校正单通道循环进行，此时8个发通道需分时异步（单步）控制。

校正射频信号功率指标分配

上行校正:

信标发信机输出功率一30dBm，经开关矩阵、电缆到信标天线后为－53dBm，经空间-26dB衰减后到各接收通道天线处为一80dBm。

经电缆和开关矩阵后到接收机输入端约为一62dBm。

上行校正各接收通道是完整的。

下行校正:

各通道发信机输出功率一5dBm，经电缆、TPA到天线后为12dBm。

经空间一26dB衰减后到接收信标天线处为一14dBm，经电缆、开关矩阵后到参考接收机输入端为一54dBm。

下行校正各发射通道是完整的。

发信功率调整:

通过对基带校正参考信号幅度加权来控制碉整发信输出功率。

影响通道特性变化的因素

上行通道:

室外单元中的天线滤波器插损、低噪放增益、电缆的损耗:

RFU中接收机的固定放大器增益、射频（压控）及中频（数控）收衰减器的调整、数字下变频增益。

这些数据在离线校正时测量并储存在对应单元的EEPROM中。

下行通道:

RFU发信机数字上变频增益、固定放大器增益、射频（压控）及中频（数控）收衰减器的调整;室外单元中的天线滤波器插损、功放增益、电缆的损耗。

这些数据在离线校正时测量并储存在对应单元的EEPROM中。

通道工作状态检测

通道连接电缆检测:

通过射频单元室内发信机和室外功放的一一对应使能和功率检测来判断室内外对应单元连接电缆的状态。

发射通道欠功率检测:

通过在各发信机基带输入额定幅度的I,Q信号，测定8个通道的最大输出功率，与每个通道的发射功率之比大于某一值时即可判定该通道欠功率输出或出现故障。

接收通道低灵敏度检测:

信标天线发一额定功率检测信号，在各接收机I、Q输出端测量信号幅度，其中的最大值与各通道接收信号幅度的比值大于某一值时即可判定该通道灵敏度低或出现故障。

6.2校正方式及校正指标要求

离线校正

离线校正是指系统还没有投入正式运营，为保证阵列通道的幅相一致性而采取的校正措施，这时由于不考虑对通信的影响，使用的校正算法、参考信号的功率和形式可以根据需要选取，目的是尽最大努力使通道幅相特性一致。

离线校正在系统调试阶段或工程实施阶段应该是必备的一种校正手段。

如前所述，通道总体来讲是时变系统，但是对于无源器件和有源模块进行有条件的事先测试和记录储存将有助于在线校正。

离线校正主要用于无源器件和有源模块中的衰减器和放大器等的测试和补偿。

离线校正事先耦合出被测器件在一定环境温度、工作频率下的信号响应，并测试出随温度、频率变化的信号响应补偿曲线，以供系统实时补偿和在线校正时参考使用。

离线校正是验证在线校正结果的一个必要过程，也是生产过程的一个检测环节。

各通道的射频部分如TPA中的天线滤波器、LPA和LNA的增益以及RFu中的收发信机内放大器增益和数控衰减器的值的设置状态都是要通过离线校正进行检测的。

离线校正的结果储存在对应单元电路的EEPROM中。

离线校正包括如下

内容:

1.线阵和园环阵天线的校正;

2耦合网络的校正（幅度和相位）;

3室外单元内天线滤波器的校正和补偿计算，天线滤波器的参数预存测试;

4.TPA中的LNA和PA的中的增益测试;

5室内外单元连接电缆的生产离线校正:

6.RFU单元的TX通道的增益和可变衰减器的调整:

7.RFU中RX通道的增益和可变衰减器的调整.

在线校正

在线校正是指系统已经正式投入运营，为保证阵列通道的幅相一致性而采取的校正措施，这时使用的校正算法、参考信号的功率和形式，以及参考信号的获得方式等，都应该控制在不影响正常通信的前提下进行的，因此进行在线校正是比较关键的，因为通道的幅相不一致误差是时变的。

在线校正的实时启动以及校正过程中对链路的控制、校正工作时隙的选择、校正参考信号（序列）的选择、校正射颇信号的功率确定以及校正信号的检测处理算法都对通道校正的稳定性、准确性起决定作用。

收发信机第一通道的隔离设计也对校正检测的准确性有较大影响，如果接收的检测信号包括了通过辐射和泄露而进入的中频或射频非正常路径信号将影响校正的正确性。

在线校正即实时实现对上下行通道的幅度和相位的校正。

对于射频通道的幅度特性可以通过室内外各射频通道模块电路的工作温度的检测并结合离线校正的结果和射频通道温度的测试和计算来进行补偿。

对于通道相位则必须通过校正链路的收发参考信号测试来完成。

各收发通道，特别是各收发信机的第一收发通道的单独收发时隙的协同控制是实现在线校正的前提。

可根据上下行校正的控制要求结合开关矩阵设计出相应的校正通道控制图案，配合校正基带算法处理来完成在线校正。

具体的校正控制图案待定。

一个校正过程的结果可通过连续10次校正的均值来确定。

离线校正实际上是对在线校正的一种单步执行验证过程，因此配合校正过程控制所需的收发时隙控制信号、通道选择、及信源调制解调应能按一定的控制图案进行设置。

设置包括对校正过程所使用的控制寄存器及射频模块内EEPROM的地址单元物理意义的具体定义。

校正在多个频率点进行，校正的结果写入相应的寄存器，并由控制单元对应写入EEPROM中。

对于EEPROM的内容一般不去更新，而基站实时校正的补偿结果值可开辟一些专用的控制寄存器空间储存。

校正时隙

在线校正链路的控制、校正时隙的选择和校正参考信号（序列）的选择与射频电路的切换时延要求和校正处理算法等应同步考虑。

校正检测过程目前可选的工作时隙有三种方案:

1）校正可选择在空闲的载波上单用户执行（占用信道资源）。

2）载波的空闲时隙进行（占用信道资源）.

3）在下行导频时隙和上行导频时隙之间的保护时间间隔期间进行。

校正参考信号

校正检测信号实质是一个已知序列:

1）利用特殊时隙的导频同步信号.

2）选用8个码组相互正交的循环码，上I下行通道校正分时进行。

这种校正处理算法所有的资源比起采用标准用户信号实现校正算法处理时要

简化许多。

所有校正的启动和过程控制以及结果输出均通过与MCU通讯协调来完

成。

通道校正性能指标

在各种环境下，校正后的上行通道或下行通道间的幅度、相位相对误差（最低要求）为:

相对幅度误差小于士0.5dB;

相对相位误差小于土5度。

6.3校正算法实现原理

通道校正算法

（一）

通道校正算法

（一）是一种相关算法.

收发通道表示从天线到收发信机下端的通道所有电路，上行校正按1发8收同时进行，下行校正按1发1收分时进行或8发1收同时进行。

为了简化说明，认为园环阵时信标天线与阵列天线的传递函数都为I，认为线阵时耦合网络的特性（误差己事先测试并记入）也是理想的，不一致性完全由通道内部产生。

设基站上行通道不一致性分别为Cmrl，Cmr2，Cmr3，。

。

。

Cmr8;下行通道不一致性分别为Cmtl，Cmt2，Cmt。

。

。

Cmt8;校正的目的是得到上下行通道的不一致特性Cmrl-8,Cmt1-8，计算出一组校正权值Wadj，以消除上下行通道的不一致性。

下面以4个通道上行校正原理为例，校正算法可以描述如下:

设信号源发送的经加扩加扰的原始数据为TX（一个m位的已知系列），则四个通道接收的数据分别为:

（3-l）

（3-2）

（3-3）

（3一4）

用已知的TX数据和接收数据做相关运算:

（3-5）

（3-6）

（3-7）

（3-8）

我们再以通道1为基准，计算其它通道相对于通道1的幅相不一致性:

（3-9）

（3-10）

（3-11）

（3-12）

由此我们可以获得上行每个收信机中各个通道间不一致性系数，其倒数即为补偿权值。

通道校正算法

（二）

通道校正算法

（二）是一种信道估计算法。

天线校正选择在下行导频时隙和上行导频时隙之间的保护时间间隔期间进行的。

天线校正算法的基本原理等同于信道估计的处理过程，通过估计各个通道的冲激相应，得到相互之间的幅度差异和相位差异，其中上述训练序列则与Midamble码相似。

K个工作天线通道冲激响应组合成一个矢量h

（3-13）

总长度为KW,W为窗长。

K个工作天线通道对应的训练序列为:

（3-14）

其中P是基本训练序列的长度，接收端利用训练序列估计K个工作天线通道的冲激响应，可表示为:

（3-15）

其中

为加性高斯白噪声序列

为P×W矩阵，表示为:

（3-16）

式中

根据矩阵G的表达式，得到h的最大似然估计h为

（3-17）

窗长

，通常取P=32。

目前工作天线阵列为8天线的均匀圆阵，即K=8，因此W=4。

如果各工作天线通道对应的训练序列具有循环特性，则估计天线通道冲激响应可采用FFT的方法，即

（3-18）

式中m表示基本训练序列，m（R）取决于接收的训练序列。

发射通道的天线校正算法

发射通道的天线校正补偿各工作天线发射通道的不一致性。

工作天线同时发射各自对应的训练序列，校正天线接收到训练序列后，就可计算各工作天线TX通道之间的幅度差异和相位差异。

发射校正的训练序列长度为35chips，其中基本训练序列为32chips，所有工作天线对应的训练序列由32chips基本序列循环移位而得到。

设实基本训练序列为m=（mi,m2,A,m32），对应的复基本训练序列为

接收通道的天线校正算法

接收通道的天线校正补偿各工作天线接收通道的不一致性。

校正天线发射训练序列，工作天线同时接收到训练序列后，就可计算各工作天线接收通道之间的幅度差异和相位差异。

接收校正的训练序列长度为35chips，其中基本训练序列为32chips。

6．4校正流程

图所示为基站在线校正流程，主要描述在线校正时各模块间的控制流程。

校正是由系统控制、基带处理、射频单元这三部分协调工作。

校正的过程管理及校正权值计算在基带DSP中进行。

校正的启动在测试阶段由LMT控制，在系统正常运行时由系统控制单元按照一定的时间间隔或某种约定启动。

校正权值在在基带DSP中应用。

校正在保护时隙每载扇单独进行。

校正参考信号类似于训练序列，校正算法原理类似于信道估计。

校正基带信每次校正按10次有效数据（连续10次的过程权值波动，幅度小于0.5dB,相位小于5度）的均值输出。

验证是指在该载波下利用产生的权值进行加权后重新进行校正，检验通道的一致性是否满足要求，以提高校正的准确度和成功率。

图基站在线校正流程图

7．TD-SCDMA基站在线校正实现

7.1基站在线校正概述

在线校正实现动态补偿基站通道的幅相差异，流程由系统控制板发起，需要基带处理板、收发信机和塔顶双向放大器的配合，软件模块天线校正模块运行在基带处理板的DSP上。

硬件结构见图7.1。

图7.1在线校正流程相关硬件结构

与天线校正模块相关的各硬件接口的说明见表7.1.

表7.1校正相关硬件接口说明

DSP基带处理子系统软件模块结构见图7.2.

图7.2基带软件模块结构

与天线校正模块相关的各软件接口的说明见表7.2.

表7.2校正相关模块接口说明

天线校正模块通过发射/收训练序列，估计各阵元通道的幅相不一致性，计算出一组补偿权值，实现基站通道的在线校正。

整个校正过程在保护时隙内完成〔图4.3），不占用额外的信道资源。

但为了实现高精度校准，发射长序列的需要，控制流程应该考虑可以通过业务时隙发送训练序列。

图4.3TD-SCDMA帧结构

7.2在线校正设计原理

在线校正运行子基站的正常工作状态，无需中断业务，通过收发序列的幅相差异估计通道幅相特性，补偿效果受到瞬时硬件环境的影响。

根据以往经验，校正模块的调试工作极为繁琐，而且在实际运转中容易出现校正失败（如连续10次的补偿权值计算结果偏差超