拓展基地台覆蓋範圍　波束成形相位量測左右成敗

此外，這種補償必須隨著時間持續進行。本文將討論在工廠測試與運作期間量測多組發射器間相位差異的方法，如此基頻處理器就能夠針對這些偏移進行補償。

高性能多重天線出列

智慧型手機之類的個人通訊裝置對資料傳輸量需求持續地提高，以便支援新的應用領域。要改善特定頻寬及覆蓋區域中的傳輸量，必須有更高的訊噪比(SNR)，這意味著功率增加、雜訊降低，或是兩者都有。使用較高輸出的功率放大器(PA)是提高訊號位準的一種方法，但是會顯著增加基地台作業成本，而且也會導致對鄰近基地台的干擾升高。降低接收器系統的雜訊也可能辦得到，但是須要耗費很大的心力，才能在已經最佳化的系統中，獲得超過2分貝(dB)的改善。

圖1　四天線系統

使用多重訊號路徑與一組天線陣列，使得來自於陣列的總體輻射圖形能夠在所需接收器的方向中擁有較高的增益，在其他方向則擁有更低的增益。在所需接收器的方向中，較高發射器增益可以提高接收器中的訊號位準，但對於其他恰好落於發射器窄波束內的接收器則只會讓干擾增加。朝向發射器窄且高的增益接收圖形，會降低接收器中來自於鄰近基地台與行動裝置的干擾。這兩種效應可以改善接收器中的訊噪比。

圖2　相對於單一天線響應的四天線響應(dB)

圖1所示為四組天線分享同一訊號的系統架構方塊圖。連結至中間天線的導線呈現彎曲狀，這是為了強調所有的天線纜線長度必須相等。

圖2所示是對於此系統的模擬響應，假設天線都是全向性的。天線位於通過180 及0 的軸線上。相對於單一全向性天線的增益，極座標圖的輻射狀軸線則是以dB表示的增益。

癥結在於波束成形/波束控制

圖1的架構在許多現今的應用領域裡很有用，可以將需要動態波束控制功能(移動主要波束)或波束成形(移動主要波束與零值)的窄波束系統優點最大化。波束控制需要基頻處理器改變每一組天線訊號的相位，而波束成形則需要基頻處理器改變每一組天線訊號的相位與振幅。除非有特別的說明，本文中「波束成形」同時代表波束控制及波束成形。圖3所示為執行波束成形功能的系統。為了清楚起見，圖中只會顯示發射路徑。

圖3　具有波束控制/波束成形的四天線系統

有些多重使用者的通訊協定如長程演進計畫(LTE)等就是針對波束成形所設計的。在長程演進計畫中，基頻處理器可以單獨調整資源區塊(RB)的振幅及相位，讓使用者即使在多重使用者的子框架中都可以設定波束。

圖4　經過控制的四天線響應相對於單一天線響應

假如基頻處理器針對天線1將資料移動-0.375波長(λ)、針對天線2將資料移動-0.125λ、針對天線3將資料移動+0.125λ，針對天線4將資料移動+0.375λ，就會形成如圖4的輻射圖形。在這個波束控制的範例中，基頻處理器只會將相位修正套用到資料中。圖形內也顯示出兩片葉瓣呈現一致性的移動。假如這是不希望出現的情況，定向天線陣列可以消除掉不需要的葉瓣，並且為所需要的葉瓣提供額外的增益。

圖2與圖4所顯示的圖形是理想狀態，其假設訊號會完全依照所希望的到達每一組天線。然而在實際情況中，變異會產生不希望出現的相位偏移，而且每一組發射路徑都不相同。這些相位偏移可能會在每次系統啟動時發生改變，而且它們會隨著元件溫度的變化而有所不同。在發射器上使用不同的本地振盪器情況下，或是本地振盪器轉送至每一組發射器區塊的路徑不同時，這點會特別的顯著。

圖5　經過控制，具有不希望出現相位偏移的四天線響應。

由於路徑長度的不同、溫度漂移以及在發射器路徑間的本地振盪器(LO)相位差異所造成不希望出現的相位偏移，會使輻射場型改變，進而使系統性能嚴重地降級。舉例來說，假如將只有5 的誤差加入每一組天線訊號中，將會造成：天線1=-0.51λ，天線2=-0.17λ，天線3=+0.17λ，天線4=+0.51λ(圖5)。

量測相位偏移 修正並加諸路徑

很顯然地，對於波束成形來說，系統必須具備量測每一組發射器輸出相對相位偏移的能力。在計算過相對相位偏移後，除相位與振幅係數外，基頻處理器還會把一組將用於控制波束的修正係數加諸於每一組訊號路徑。

圖6　具有Tx路徑相位偵測的四組波束成形系統

圖6所示為在系統中使用一組額外的接收器，藉以決定相對相位偏移的常用方法。彎曲的路徑仍然是為了強調從每一組射頻(RF)前端至射頻交換器的路徑長度必須要相同。將發射訊號降轉換、濾波及數位化，然後以Tan^-1(Q/I)計算相位，可以得出每一組路徑的相位偏移。接著，基頻處理器會將這些修正係數加諸於波束成形係數中。

降頻轉換程序必須有具備全功能的接收器子系統，但是接收路徑的最大增益毋須與一般的接收器一樣高。像這種方式的解決方案會使成本增加，但是波束成形的優點較其更具價值。

利用整合性降低成本

提高整合性的位準能夠降低圖6執行方案的成本，並且維持波束成形的優點。提高整合性分成好幾種層級。舉例來說，使用單一IC作為整個接收器子系統或發射器子系統以降低成本。進一步的整合性，則像是把多組發射器與接收器整合至單一IC中，以提供具有最低成本又能夠保有波束成形功能性的解決方案。

將接收器與發射器結合至相同的IC封裝中，可以為分時雙工(TDD)系統提供額外的優點。在這種情況中，接收器與發射器不會在同一時間內使用，這使得接收器能夠被重新安排任務，可以在發射子框架期間量測發射器輸出的相位。圖7所示即為此種架構。這個圖形顯示在發射子框架期間的狀況。標示為Tx Monitor的區塊就是被重新安排任務的接收器，用以量測耦合器功率及在發射子框架期間提供I/Q資料輸出。對於接收子框架，接收器電路會與Tx Monitor輸入切斷，並且以正常接收器的方式運作。

圖7 整合式波束成形系統

第一組2×2發射接收器採用一組內部LO作為發射與監視路徑之用，第二組2×2發射接收器採用不同的LO作為其自身的發射與監視路徑。所有LO的頻率都相同，但可能會存在相位三角，而且會在每一次發射接收器啟動時產生變化。

在圖7中，Tx Monitor 2之輸出的相位會等於ΦAnt1(從發射路徑中LO 1到耦合器的延遲)加上ΦTxMon2(Tx Monitor或回返至LO 1路徑的延遲)。在圖形中，這被稱為Φ(det)。假如兩組粗走線相互匹配，則Tx Monitor 3的輸出就是以相同的Φ(det)加上ΦAnt2加上ΦLO 2減去ΦLO 1。將這個值減去Φ(det)就是Ant 1與Ant 2間的相位差異。其他天線路徑的相位差異都能夠以類似的方法計算出。

整合式元件將肩負重任

波束成形是一個可以提高覆蓋區域，同時又能夠降低對其他基地台干擾的實際方法。在波束成形中極為重要的就是系統量測鄰近其相關天線每個訊號相對相位的能力。接收器子系統能執行這項功能，但是整合式元件則可顯著地降低成本，同時又保有波束成形的優點。例如亞德諾(ADI)的AD9356 或AD9357 2×2發射接收器，這類型元件可以讓成本降低更多，並且將兩組接收器、兩組Tx Monitors及兩組發射器整合在單一晶片中。

(本文作者任職於亞德諾)