WCDMA中LMS自適應天線陣的硬件實現

在CDMA中，多址干擾和多徑干擾是限制系統容量和鏈路質量的重要因素，而自適應天線陣，通過空域濾波，可有效減小多徑效應，抑制多址干擾提高接收機的輸出信噪比，從而可以提高系統容量，改善鏈路質量，增加小區覆蓋半徑［1］。

自適應天線陣通過對每個陣元接收信號的加權，進行波束形成，對期望信號形成主波束，并盡量抑制其它干擾信號，從而帶來信干噪比的提高。其重點是如何進行波束形成。在這些波束形成算法中，根據是否需要訓練序列可分為需要導頻輔助的非盲自適應算法和基于信號固有特征的盲自適應算法。僅利用信號固有特征設計的盲自適應陣計算量大，收斂較慢，并且容易發散。第三代移動通信中的上行鏈路普遍加入了導頻符號，利用導頻輔助信號可以更好的進行信道估計和相干接收。結合WCDMA的技術規范，本文的自適應天線陣即是針對這一特點提出的。

2、自適應陣及LMS算法

WCDMA上行鏈路有兩個專用物理信道［2］，即專用物理數據信道DPDCH和專用物理控制信道（DPDCCH），分別用來傳輸數據和傳輸控制信息。其中DPCCH中的每一時隙由導頻符號、發送功率控制比特（TPC）、反饋指示信息（FBI）及可選的傳輸格式組合指示（TFCI）時分復用而成，如圖1所示。

圖1 無線幀結構

該自適應天線陣利用WCDMA上行鏈路幀結構的特征，對每個時隙的導頻段采用導頻符號的擴頻序列作為天線陣權矢量更新的參考信號，采用LMS波束形成算法每個碼片更新一次權矢量，而在數據段權矢量不作更新，直接沿用同一時隙導頻段最后得到的權矢量。減小了基站陣列處理的計算量，大大加快了權矢量的收斂速度，而且提高了系統穩定性，是一種有效的接收方案。因為該自適應陣的權值僅在導頻段進行運算，所以稱之為半盲自適應陣。圖2為該自適應陣的原理圖

圖2 天線陣原理圖

陣元接收的信號首先下變頻到基帶，然后每路信號用復擾碼分離同相和正交分路，通過利用上行鏈路發送的導頻信號，可以對每路信號的時延和相位進行較準確的估計。導頻符號對信道的估計可以對波束形成加權矢量進行控制。該結構的權值運算是碼片級的。

X（n）為天線陣接收的信號，W（n）為加權矢量，e（n）為計算誤差，μ（n）為迭代步長。天線陣選用導頻符號的擴頻序列作為參考信號，雖然僅在各時隙的導頻段進行權矢量的更新，而在數據段權矢量不作更新，直接沿用同一時隙導頻段最后得到的權矢量，但由于權矢量的更新按碼片進行大大加快了權矢量的收斂速度，足以彌補LMS算法收斂速度慢對系統的性能影響。

3、天線陣結構

該自適應天線陣采用8陣元天線陣列，用于上行鏈路，工作頻率為1.95GHz，天線陣結構如圖3所示。

圖3 天線陣結構

天線陣的射頻通道由MAX2641低噪聲放大器（LNA）和零中頻I/Q解調器組成。MAX2641工作于1.95GHz，提供14dB左右的增益。MAX2700是工作在1.8-2.1GHz的高線性直接正交下變頻器，利用外部提供的本振信號（LO），直接把1.95GHz的信號解調為基帶的I/Q信號。零中頻結構接收機在系統中不存在中頻IF （Intermediate Frequency），因而避免了鏡像干擾，節省了鏡像濾波器的設計成本;同時，它免去了中頻變頻模塊和中頻帶通濾波器，大大簡化了整個接收機的設計，節約了成本，易于高度集成化和小型化。

MAX2700主要由五個功能模塊組成：低噪聲放大器LNA、正交下變頻器、基帶可控增益放大器、基帶增益平衡調控電路和偏置電路。低噪聲放大器LNA模塊由一個單端輸入、增益可調放大器實現，它的噪聲系數在電源電壓+3V時為2.3dB;正常工作狀態下增益達16dB。正交解調模塊將射頻信號直接下變頻到基帶，解調出I/Q兩路信號。解調模塊包括：兩個線性度很高的雙平衡混頻器;一個本振可選倍頻模塊、本振正交變換模塊、基帶I/Q緩沖放大器。I/Q增益失配矯正模塊是針對直接下變頻接收機結構的增強措施。偏移調控電路通過一個內置的偏置矯正反饋放大器消除增益可調放大器的直流偏移。MAX2700采用3V的低電壓供電，正常工作狀態下功率不超過0.5W，關斷狀態下功耗降低至60μW。

基帶信號由8片AD9288進行抽樣，每個碼片抽取四個樣值，量化為8個bit輸入到DSP進行波束形成處理，計算權值。AD公司的AD9288是一款雙8bit 高速模數轉換器，兩個ADC可以獨立工作，內部集成了采保電路和基準電路，單電源工作。平行輸出接口，兼容TTL/CMOS格式。

采用TI公司的TMS320C6701作為基帶數字波束形成單元，TMS320C6701是一種新型的浮點DSP芯片，內部集成了2個乘法器和6個算術運算單元，采用VelociTI超長指令字（VLIW）結構，一條指令字（256bit）組合了8條32位指令，可在一個時鐘周期內并行執行8條指令，峰值運算能力為1336MIPS，對于單精度運算可達1GFLOPS，對于雙精度運算可達250MFLOPS。波束形成時，在導頻段，Q路的接收信號以預先知道的導頻字段的值作為參考信號進行LMS波束形成運算。計算出的權值作為I路信號的權值。而在非導頻段，不再進行波束形成運算，權值直接沿用同一時隙導頻段最后得到的權矢量。此外，DSP可以通過PCI總線與計算機進行通信。該天線陣還可以后接RAKE模塊組成聯合2D-RAKE接收機，進一步提高接收機的性能。