波束成形和波束控制 - 基站波束成形系统的相位测量

波束成形和波束控制

　　图 1中的架构可用于目前的许多应用中，但要充分发挥窄波束系统的优势，必须进行动态波束控制(移动主波束)或波束成形(移动主波束和零陷)。波束控制要求基带处理器(BBP)改变各天线信号的相位，波束成形则要求BBP改变各天线信号的相位和幅度。除非另有说明，本文中的“波束成形”同时包括波束控制和波束成形。图3所示为一个波束成形实现系统。为清楚起见，图中仅显示发射路径。

　　

 

　　图3 提供波束控制/波束成形的4天线系统

　　针对波束成形设计了一些多用户协议，例如LTE。在LTE中，BBP可以分别调整资源模块(RB)的幅度和相位，因此即使在多用户子帧中也支持用户专用的波束。

　　如果BBP将天线1的数据移动-0.375λ，将天线2的数据移动-0.125λ，将天线3的数据移动+0.125λ，并将天线4的数据移动+0.375λ，则会产生图4所示的辐射场型。在这个波束控制示例中，BBP仅对数据应用相位校正。该图还显示两个瓣一致移动。如果不需要这样，可以使用定向天线阵列来消除不需要的瓣，同时为需要的瓣提供额外增益。

　　

 

　　图4 相对于单根天线响应的控制4天线响应

　　图 2和图4所示的极坐标图反映的是理想情况，假设信号完全按照需要到达各天线。但实际上会存在偏差，导致各发射路径都存在独特的不良相移。这些相移可能会在每次系统上电时改变，而且可能随着器件温度的变化而改变。当发射机使用不同的本振，或者当到达各发射机模块的本振路径不同时，这个问题尤其突出。不同路径长度、温度漂移以及发射机路径之间的本振(LO)相位差所引起的不良相位失调，可能会改变辐射场型，从而使系统性能明显下降。例如，将区区5度的误差增加到各天线信号时(因而天线1 = -0.51λ，天线2 = -0.17λ，天线3 = +0.17λ，天线4 = +0.51λ)，其结果如图5所示。

　　

 

　　图5 存在不良相移的控制4天线响应

　　测量相位

　　显而易见，对于波束成形，系统必须能够测量各发射机输出的相对相位失调。完成相对相位失调计算后，除了用于波束控制的相位和幅度系数外，BBP还会对各信号路径应用一个校正因数。

　　图 6显示了一种确定相对相位失调的常用方法，即利用系统中的额外接收机。所示的曲线路径同样是为了强调从各RF前端到RF开关的路径长度必须相等。经过下变频、滤波和发射信号数字化后，计算相位Tan-1 (Q/I)以得出各路径的相位失调。然后，BBP将这些校正因数应用于波束成形系数。

　　

 

　　图6 具有发射路径相位检测功能的4天线波束成形系统

　　下变频处理要求一个全功能接收机子系统，但接收路径的最大增益不需要像正常接收机那样高。这种解决方案会增加成本，但波束成形带来的利益更大。