A hardware implementation of LMS adaptive array  for WCDMA system
Abstract:：According to the feature of WCDMA ,an adaptive array using LMS algorithm was proposed in this paper .TMS320C6701 of TI was selected as the digital signal processing unit and the zero intermediate frequency technique was adopted in this array .The complexity of this adaptive array was low . The application of this array can improve the performance of receiver .
Key words : LMS, DSP ,MAX2700,adaptive array
摘要：本文针对WCDMA的特点设计了一种利用LMS算法的自适应天线阵。实现时DSP采用TI公司的TMS320C6701,并采用了零中频I/Q调制解调技术,工作于1.95GHz。该天线阵结构简单，复杂度低。
关键词:LMS，DSP，MAX2700，自适应天线阵

1、概述
在CDMA中，多址干扰和多径干扰是限制系统容量和链路质量的重要因素，而自适应天线阵，通过空域滤波，可有效减小多径效应，抑制多址干扰提高接收机的输出信噪比，从而可以提高系统容量，改善链路质量，增加小区覆盖半径[1]。
自适应天线阵通过对每个阵元接收信号的加权，进行波束形成，对期望信号形成主波束，并尽量抑制其它干扰信号，从而带来信干噪比的提高。其重点是如何进行波束形成。在这些波束形成算法中，根据是否需要训练序列可分为需要导频辅助的非盲自适应算法和基于信号固有特征的盲自适应算法。仅利用信号固有特征设计的盲自适应阵计算量大，收敛较慢，并且容易发散。第三代移动通信中的上行链路普遍加入了导频符号，利用导频辅助信号可以更好的进行信道估计和相干接收。结合WCDMA的技术规范，本文的自适应天线阵即是针对这一特点提出的。
2、自适应阵及LMS算法
  WCDMA上行链路有两个专用物理信道[2]，即专用物理数据信道DPDCH和专用物理控制信道(DPDCCH)，分别用来传输数据和传输控制信息。其中DPCCH中的每一时隙由导频符号、发送功率控制比特（TPC）、反馈指示信息（FBI）及可选的传输格式组合指示（TFCI）时分复用而成，如图1所示。
 
            
该自适应天线阵利用ＷＣＤＭＡ上行链路帧结构的特征,对每个时隙的导频段采用导频符号的扩频序列作为天线阵权矢量更新的参考信号,采用LMS波束形成算法每个码片更新一次权矢量,而在数据段权矢量不作更新,直接沿用同一时隙导频段最后得到的权矢量。减小了基站阵列处理的计算量,大大加快了权矢量的收敛速度,而且提高了系统稳定性,是一种有效的接收方案。因为该自适应阵的权值仅在导频段进行运算，所以称之为半盲自适应阵。图2为该自适应阵的原理图
 
            
阵元接收的信号首先下变频到基带，然后每路信号用复扰码分离同相和正交分路，通过利用上行链路发送的导频信号，可以对每路信号的时延和相位进行较准确的估计。导频符号对信道的估计可以对波束形成加权矢量进行控制。该结构的权值运算是码片级的。
LMS算法如下：
 
 
X(n)为天线阵接收的信号，W(n)为加权矢量，e(n)为计算误差，μ(n)为迭代步长。天线阵选用导频符号的扩频序列作为参考信号,虽然仅在各时隙的导频段进行权矢量的更新,而在数据段权矢量不作更新,直接沿用同一时隙导频段最后得到的权矢量,但由于权矢量的更新按码片进行大大加快了权矢量的收敛速度,足以弥补LMS算法收敛速度慢对系统的性能影响。
3、 天线阵结构
该自适应天线阵采用8阵元天线阵列,用于上行链路，工作频率为1.95GHz,天线阵结构如图3所示。
 　　     
              

          图3  天线阵结构
天线阵的射频通道由MAX2641低噪声放大器(LNA)和零中频I/Q解调器组成。MAX2641工作于1.95GHz,提供14dB左右的增益。MAX2700是工作在1.8-2.1GHz的高线性直接正交下变频器,利用外部提供的本振信号(LO),直接把1.95GHz的信号解调为基带的I/Q信号。零中频结构接收机在系统中不存在中频IF(Intermediate Frequency)，因而避免了镜像干扰，节省了镜像滤波器的设计成本；同时，它免去了中频变频模块和中频带通滤波器，大大简化了整个接收机的设计，节约了成本，易于高度集成化和小型化。
MAX2700主要由五个功能模块组成：低噪声放大器ＬＮＡ、正交下变频器、基带可控增益放大器、基带增益平衡调控电路和偏置电路。低噪声放大器ＬＮＡ模块由一个单端输入、增益可调放大器实现，它的噪声系数在电源电压＋３Ｖ时为２．３ｄＢ；正常工作状态下增益达１６ｄＢ。正交解调模块将射频信号直接下变频到基带，解调出Ｉ／Ｑ两路信号。解调模块包括：两个线性度很高的双平衡混频器； 一个本振可选倍频模块、本振正交变换模块、基带I/Q缓冲放大器。I/Q增益失配矫正模块是针对直接下变频接收机结构的增强措施。偏移调控电路通过一个内置的偏置矫正反馈放大器消除增益可调放大器的直流偏移。MAX2700采用３Ｖ的低电压供电，正常工作状态下功率不超过0.5W，关断状态下功耗降低至６０μＷ。
基带信号由8片AD9288进行抽样，每个码片抽取四个样值，量化为8个bit输入到DSP进行波束形成处理，计算权值。AD公司的AD9288是一款双8bit 高速模数转换器，两个ADC可以独立工作，内部集成了采保电路和基准电路，单电源工作。平行输出接口，兼容TTL/CMOS格式。
采用TI公司的TMS320C6701作为基带数字波束形成单元,TMS320C6701是一种新型的浮点DSP芯片,内部集成了2个乘法器和6个算术运算单元,采用VelociTI超长指令字(VLIW)结构,一条指令字(256bit)组合了8条32位指令,可在一个时钟周期内并行执行8条指令,峰值运算能力为1336MIPS,对于单精度运算可达1GFLOPS,对于双精度运算可达250MFLOPS。波束形成时，在导频段，Q路的接收信号以预先知道的导频字段的值作为参考信号进行LMS波束形成运算。计算出的权值作为I路信号的权值。而在非导频段，不再进行波束形成运算，权值直接沿用同一时隙导频段最后得到的权矢量。此外，DSP可以通过PCI总线与计算机进行通信。该天线阵还可以后接RAKE模块组成联合2D-RAKE接收机，进一步提高接收机的性能。
4、结论
该自适应天线基于新一代的数字信号处理器TMS320C6701,采用高速A/D技术和零中频射频I/Q调制解调器，结构简单，复杂度低，适于用作基站的接收天线。该天线阵选用的自适应波束形成算法复杂度低，运算量小，虽然有收敛慢的缺点但是因为运算是码片级的，仍可以在较短的时间收敛。
参考文献：
[1]J.S.Thompson,etal.Smart antenna arrays for CDMA systems. IEEE Personal Commun, 1996,3(5):16~25.
[2]3GPP,TS 25.213.
[3]张贤达 保铮 现代信号处理 北京：国防工业出版社 2000。
[4]Jiangzhou Wang .Performance of wideband CDMA system with complex spreading and imperfect channel estimation .Vehicular Technology ,IEEE Transactions on ,2000,49(5):1760~1775.
[5]Simon Haykin. Adaptive Filter Theory [M],Third Edition. Prentice-Hall, Inc 1996.
作者简介：
邢明(1978-),男，山东德州人，信息工程大学硕士研究生，主要从事第三代移动通信中智能天线和多用户检测技术的研究。
王明飞(1979-)男，山东金乡人，信息工程大学硕士研究生，研究方向：第三代移动通信中的数字信号处理。
贾明利(1979-)男，河南汝州人，信息工程大学硕士研究生，研究方向：第三代移动通信中定位技术的研究。
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