自適應(yīng)天線系統(tǒng)的原理及應(yīng)用優(yōu)勢分析

商業(yè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)工作在惡劣環(huán)境和極端溫度中，符合高可靠應(yīng)用的所有要求。即便它們對于公司使命并不關(guān)鍵，但電信服務(wù)商和廣播公司仍依賴它們來交付創(chuàng)收服務(wù)。直到最近，自適應(yīng)天線的運(yùn)用還不算是一個(gè)成熟技術(shù)，而現(xiàn)在已有可能把它們用在這些通信系統(tǒng)中，前提是多個(gè)信道同步這一難題得到解決。

自適應(yīng)天線系統(tǒng)使網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商能增加無線網(wǎng)絡(luò)容量。自適應(yīng)天線能有效定位和跟蹤多個(gè)信號，來動(dòng)態(tài)地使干擾最小化，預(yù)期的信號接收最大化，因此有望提供更高的頻譜效率，更大的覆蓋范圍，更高的頻率復(fù)用率。但是，這些性能優(yōu)勢會導(dǎo)致更高的復(fù)雜性，結(jié)果，自適應(yīng)天線收發(fā)器被常規(guī)體系結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。需要為每個(gè)天線陣列元件準(zhǔn)備單獨(dú)的收發(fā)器信道，并且信道之間需要準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)同步。

天線類型

可按物理結(jié)構(gòu)、輻射模式或工作頻率來對天線分類，但它們的設(shè)計(jì)目的均為輻射和接收電磁波。天線的目的是盡可能把電磁能轉(zhuǎn)換為電流，反之亦然。在這方面，天線是收發(fā)系統(tǒng)的自由空間和傳輸線之間的過渡結(jié)構(gòu)。

自從機(jī)電技術(shù)在19世紀(jì)末期開始得到利用以來，這兩大設(shè)計(jì)領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了許多改進(jìn)，科學(xué)家和工程師們努力提高效率、動(dòng)態(tài)范圍和容量。能量分配到周圍空間以及從周圍空間收集能量的效率，對頻譜的運(yùn)用、新網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本以及這些網(wǎng)絡(luò)提供的服務(wù)質(zhì)量有深刻影響。

通過利用多根一起工作的天線來提高特定網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和容量，許多種技術(shù)得到部署應(yīng)用。分集方法（Diversity）利用隨時(shí)間變化（例如衰減）的信號在各個(gè)位置不相同這一事實(shí)，來改善無線電波的接收。換言之，即便對于兩個(gè)相隔僅一個(gè)波長的位置，信號的衰減也很可能不相同。為利用這一事實(shí)，使用兩根相隔一定距離的天線來接收相同信號。在任何特定時(shí)間，在兩個(gè)信號當(dāng)中，信號電平最高的那個(gè)被自動(dòng)發(fā)送到接收器。分集常用于信號接收。

天線還經(jīng)常被排列成多元陣列。陣列是幾個(gè)互連的元件被排列成勻稱的結(jié)構(gòu)，來形成單個(gè)天線。陣列的用途是產(chǎn)生某些輻射模式，它們具有單個(gè)元件無法實(shí)現(xiàn)的某些合乎需要的特征。當(dāng)幾個(gè)天線元件被組合在陣列中（稱作陣列因子）時(shí)，總體輻射模式會改變。

還可連貫地組合多個(gè)孔徑的輸出，來產(chǎn)生將在接收子系統(tǒng)中被解調(diào)的信號。更先進(jìn)的天線技術(shù)已經(jīng)開發(fā)成功，使一根天線能迅速改變其輻射模式，來響應(yīng)接收信號到達(dá)方向的變化。這些天線以及配套技術(shù)被稱作自適應(yīng)天線或智能天線。

智能天線體系結(jié)構(gòu)

自適應(yīng)或智能天線進(jìn)一步拓展了分集概念。典型的自適應(yīng)天線系統(tǒng)如圖1所示。此類系統(tǒng)把天線陣列與數(shù)字信號處理能力結(jié)合起來，以便用一種自適應(yīng)的空間敏感方式來完成收發(fā)。自適應(yīng)天線能實(shí)時(shí)修改其輻射模式，來確保主瓣指向最大信號電平的方向。該方法還可被用于指向某個(gè)不需要的干擾信號方向中的無信號狀態(tài)。

本質(zhì)上，可在相同方向采用幾個(gè)元件來放大較弱的預(yù)期信號，并消除不需要的干擾。同樣，系統(tǒng)可以把信號組合起來，并把它們朝相同方向發(fā)射。這類方法還被稱作波束成形。結(jié)果就是各個(gè)元件的動(dòng)態(tài)范圍可被集中起來，并能區(qū)分預(yù)期信號和非預(yù)期信號。此類好處使得自適應(yīng)天線系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)相比很有吸引力。事實(shí)上，自適應(yīng)天線方法的采用有望對頻譜的高效使用、新無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本的最小化、服務(wù)質(zhì)量的優(yōu)化產(chǎn)生重要影響。

但是，實(shí)現(xiàn)更高性能的代價(jià)是使收發(fā)器更加復(fù)雜，這是因?yàn)樽赃m應(yīng)系統(tǒng)需要為每個(gè)陣列元件準(zhǔn)備單獨(dú)的收發(fā)鏈。各個(gè)收發(fā)鏈必須精確同步，以便保持發(fā)射信號和接收信號之間的相位關(guān)系。本節(jié)僅重點(diǎn)介紹接收子系統(tǒng)?，F(xiàn)代接收系統(tǒng)采用很快的ADC，采樣率至少為1Gsps。人們需要高采樣頻率，這是因?yàn)槟慰固貛挘∟yquist bandwidth）與ADC采樣頻率有很簡單的直接關(guān)系，NyquistBW=FS/2，其中FS即為ADC采樣速率。

增加信息量

有效增加奈奎斯特帶寬，就能增加收發(fā)器中的每條ADC信道的信息載波，由此提高系統(tǒng)吞吐率。與多信道接收器中的同步有關(guān)的一個(gè)挑戰(zhàn)是，采樣率很高的ADC會產(chǎn)生很高的數(shù)據(jù)速率。正常情況下，ADC有一個(gè)輸出時(shí)鐘來把輸出數(shù)據(jù)鎖到FPGA或ASIC中。但是，多信道收發(fā)器中的ADC輸出時(shí)鐘之間的相位關(guān)系是未知的。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)者面臨的挑戰(zhàn)是要使來自多個(gè)運(yùn)行于每秒數(shù)百兆或數(shù)千兆的ADC的數(shù)據(jù)同步。在系統(tǒng)級，一般不會試圖使ADC自身同步，而是實(shí)施額外數(shù)字電路來使ADC之后的FPGA或ASIC里的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)重新同步。這條額外的復(fù)雜數(shù)字電路處理ADC的高速數(shù)據(jù)輸出，此外還需要額外的電路開銷（overhead circuitry）來確定ADC之間的實(shí)際相位關(guān)系。因此，系統(tǒng)級同步的缺點(diǎn)是需要額外高速數(shù)字電路來處理ADC輸出，并且多個(gè)轉(zhuǎn)換器之間實(shí)際相位關(guān)系的確定所需的開銷電路很復(fù)雜。

ADC10D1000等等配備創(chuàng)新技術(shù)的新型轉(zhuǎn)換器能克服這個(gè)技術(shù)難題——在自適應(yīng)天線系統(tǒng)中使多條信道同步。該器件是National Semiconductor公司的超高速空間適用ADC家族的新成員。它采用0.18μm純CMOS工藝制造，滿足100krad總輻射劑量（TID），并且對于超過120MeV/mg/cm2的密度具備單事件閉鎖抗擾度。該設(shè)計(jì)產(chǎn)生的有效位數(shù)（ENOB）高達(dá)9.0，具有248MHz輸入信號和1GHz 采樣率，同時(shí)提供10-18誤碼率。該產(chǎn)品采用376引腳密封CCGA封裝。

同步多個(gè)接收器信道

該型號有兩個(gè)特性來同步系統(tǒng)中的多個(gè)ADC：AutoSync和DCLK Reset（圖2）。DCLK Reset特性工作方式與AutoSync特性不同，但本質(zhì)上執(zhí)行的是相同功能。但是，當(dāng)人們試圖同步三個(gè)或更多ADC時(shí)，板級實(shí)施會更具挑戰(zhàn)性。

AutoSync 是一種擁有專利的技術(shù)，不斷地使系統(tǒng)中的多個(gè)此類轉(zhuǎn)換器同步。它的工作方式無需特殊的同步脈沖，并且同步期間可能引起的任何擾動(dòng)都會在一個(gè)DCLK時(shí)鐘周期內(nèi)得到恢復(fù)。主/從ADC可被排列成一棵二元樹結(jié)構(gòu)（binary tree），這樣任何擾動(dòng)將很快從系統(tǒng)去除掉。

該技術(shù)指定一個(gè)ADC為主ADC，系統(tǒng)中其它的為從ADC。一個(gè)帶有一個(gè)主ADC和兩個(gè)從ADC的系統(tǒng)實(shí)例如圖3所示。主ADC提供兩個(gè)基準(zhǔn)時(shí)鐘——RCLK1、 RCLK2，它們被一號和二號從ADC使用。為簡單起見，只顯示一個(gè)DCLK。但在現(xiàn)實(shí)中，有DCLKI和DCLKQ時(shí)鐘，但根據(jù)內(nèi)部芯片設(shè)計(jì)，它們生來就同相。對于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器數(shù)量更多的更先進(jìn)系統(tǒng)，鏈中的每個(gè)ADC被輪流用于產(chǎn)生兩個(gè)基準(zhǔn)時(shí)鐘，這樣基準(zhǔn)時(shí)鐘就以二元樹形式傳播（圖3）。

復(fù)雜的同步

對于系統(tǒng)中有多個(gè)主ADC和從ADC的應(yīng)用，AutoSync可被用于使各個(gè)從器件與各自的主器件同步，而DCLK Reset可被用于使主ADC彼此同步。為使多個(gè)ADC的DCLK以及數(shù)據(jù)輸出同步，各個(gè)DCLK必須同時(shí)過渡，并且彼此同相。每個(gè)ADC的DCLK是在一段等待時(shí)間后從CLK生成的，加tOD（輸出數(shù)據(jù)延時(shí)）減tAD（孔徑延時(shí)）。因此，要想使DCLK同時(shí)過渡，CLK信號必須同時(shí)到達(dá)每個(gè)ADC。

為了消除通往每個(gè)ADC的CLK路徑中的任何差異，可使用tAD調(diào)節(jié)特性。但是，使用該特性，還會影響DCLK在輸出端產(chǎn)生的時(shí)間。如果器件處于解復(fù)用器方式，那么就有四個(gè)可能的相位，每個(gè)DCLK可能會在其中某個(gè)相位上被生成，這是因?yàn)閷τ诒景咐湫偷腃LK是1GHz，而DCLK是250MHz。 RCLK信號控制著DCLK的相位，使得每個(gè)從DCLK與主DCLK同相。

有四個(gè)步驟來實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。首先，通過SPI把一號 ADC配置成主器件，并把其它所有ADC配置成從器件。然后，對于其基準(zhǔn)時(shí)鐘給其它ADC饋電的那些ADC，給它們的基準(zhǔn)時(shí)鐘通電。它們的默認(rèn)方式是斷電，以便省電。在下一步，對于每個(gè)從ADC，調(diào)整RCLK_IN時(shí)序來實(shí)現(xiàn)清潔記錄。

最后，對于每個(gè)從ADC，選擇四個(gè)DCLK相位中的某個(gè)，使得DCLK相位與主器件的相位匹配。用戶可以選擇那個(gè)通過SPI來對齊兩個(gè)DCLK的相位。

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