TWI466472B - 多天線通道類比系統及方法 - Google Patents

Description

多天線通道類比系統及方法

本發明涉及一種天線輸入輸出系統，尤其係關於一種多天線通道類比系統及方法。

在如今的無線通訊時代，由於無線網通產品日趨重要導致無線網通產品的需求快速地成長。有關無線網通產品的通訊品質中，最重要一環即為高頻天線的設計。此外，由於日益增加的資料傳輸品質及資料量的增加需求，多天線輸入輸出(Multiple-Input Multiple-Output)系統亦在此番規格競賽中脫穎而出。各種通訊規格的MIMO系統都將應用於高度多路徑散射的環境中，使得MIMO系統更能受益於通訊品質的提升。

MIMO系統提供了增加系統效能及容量的可能性，因此測試MIMO系統元件需要提供一個能正確且高效率展現無線通道的類比平臺。然而，提供一個在真實通道環境下的MIMO系統常常係困難重重，其主要原因係MIMO系統需要許多的傳送/接收通道組合。以一般常見的2X2 MIMO系統為例，由於該系統本身含有四個通道，若僅僅利用兩個單獨無相關性的通道，並無法類比出多通道效應。

一般常見的通道測試類比方式有兩種：真實通道量測記錄方法及硬體型通道類比器的測試方式。其中，真實通道量測記錄方法對 於正處設計或驗證階段的無線產品並不係一種有效率的方法，其主要原因係由於通道的敏感性而不可掌控通道特性，及由於通道的不穩定性因而需要進行不同環境的多次量測。硬體型通道類比器的測試方法需要採用特殊硬體加速裝置製作的通道類比器，其具有即時的優異運算效益，使得能夠提供真實的通道效應。然而，由於通道類比器的硬體擴充性的限制而無法實現太複雜的MIMO系統，及由於通道類比器的成本價格較高而無法成為大眾化的測試方式。

鑒於以上內容，有必要提供一種多天線通道類比系統及方法，能夠類比出複雜的多天線輸入輸出系統通道及提供具有穩定效能的通道類比結果。

一種多天線通道類比系統包括：多天線類比單元、天線相關度計算單元及天線通道產生單元。所述之多天線類比單元用於根據從輸入設備輸入的相關參數建立一個多天線系統三維模型，類比出多天線三維系統的遠場場形，及獲取各天線在水平面上的遠場場形。所述之天線相關度計算單元用於根據各天線在水平面上的遠場場形產生各天線的水平角能量分佈頻譜，及根據各天線的水平角能量分佈頻譜計算各天線之間的相關度。所述之天線通道產生單元用於根據各天線的遠場場形及各天線之間的相關度產生多天線輸入輸出的系統通道。此外，該多天線通道類比系統還包括天線通道分析單元，用於將輸入訊號進行訊號編碼及訊號調變，將調變訊號輸入系統通道中進行通道類比傳輸，將經系統通道輸出的調變訊號進行訊號解碼及訊號逆調變，及根據逆調變訊號分析 傳輸訊號的誤碼率。

一種多天線通道類比方法，該方法包括如下步驟：根據輸入的通道類比參數建立一個多天線系統三維模型；根據所述之通道類比參數類比出多天線三維系統的遠場場形；獲取各天線在水平面上的遠場場形；根據各天線在水平面上的遠場場形產生各天線的水平角能量分佈頻譜；根據各天線的水平角能量分佈頻譜計算各天線之間的相關度；及根據各天線的遠場場形及各天線之間的相關度產生一個天線輸入輸出系統通道。此外，該多天線通道類比方法還包括如下步驟：將輸入訊號進行訊號編碼及訊號調變；將調變訊號輸入系統通道中進行通道類比傳輸；將經系統通道輸出的調變訊號進行訊號解碼及訊號逆調變；及根據逆調變訊號分析傳輸訊號的誤碼率。

相較於習知技術，所述之多天線通道類比系統及方法能夠類比複雜之多天線輸入輸出的通道系統，節約了類比多天線通道系統的成本，及提供具有穩定效能的通道類比結果。

1‧‧‧輸入設備

2‧‧‧多天線通道類比系統

21‧‧‧天線類比單元

22‧‧‧天線相關度計算單元

23‧‧‧天線通道產生單元

24‧‧‧天線通道分析單元

3‧‧‧顯示設備

圖1係本發明多天線通道類比系統較佳實施例的架構圖。

圖2係本發明多天線通道類比方法較佳實施例的流程圖。

圖3A-3B係由兩條天線構成的雙天線三維系統模型的示意圖。

圖4A-4B係各種機率模型的水平角能量分佈頻譜圖。

圖5係對訊號進行時空編碼及訊號調變的示意圖。

圖6係對訊號進行訊號解碼及訊號逆調變的示意圖。

如圖1所示，係本發明多天線通道類比系統2較佳實施例的架構圖。該多天線通道類比系統2連接有輸入設備1及顯示設備3。所述之輸入設備1用於輸入建立一個多天線系統三維模型的通道類比參數，所述之通道類比參數包括需要建立的天線數量、各天線的電磁場能量強度及各天線之間的相關係數。所述之顯示設備3用於顯示建立的多天線系統三維模型。所述之多天線通道類比系統2包括多天線類比單元21、天線相關度計算單元22、天線通道產生單元23及天線通道分析單元24。

所述之多天線類比單元21用於根據從輸入設備1輸入的通道類比參數建立一個多天線系統三維模型，根據輸入的電磁場能量強度類比出多天線三維系統的遠場場形，及獲取各天線在水平面上的遠場場形。所述之遠場場形係指多天線三維系統中的各天線(如圖3A-3B所示的天線1與天線2)週圍電磁場能量分佈情況，當進行天線類比時，各天線須分別處於激發狀態，以得到每一條天線的遠場場形。

所述之天線相關度計算單元22用於根據各天線在水平面上的遠場場形產生各天線的水平角能量分佈頻譜，及根據各天線的水平角能量分佈頻譜計算各天線之間的相關度。所述之水平角能量分佈頻譜係一種描述天線接收入射訊號的表示方式，通常以機率方法模型表示。於本實施例中，可採用的機率方法模型可以為均勻分佈、高斯分佈及拉式分佈。

所述之天線通道產生單元23用於根據各天線的遠場場形及各天線之間的相關度產生一個天線輸入輸出(Multiple-Input Multiple-Output，以下簡稱“MIMO”)系統通道。本實施例中，一般而言，無線通訊的系統通道以雷利氏分佈的隨機變數來進行類比，所謂的雷利氏分佈係指由二維不相關常態分佈的隨機變數組成的數位分佈。

所述之天線通道分析單元24用於將輸入訊號進行時空編碼，並將編碼訊號進行數位訊號調變產生調變訊號，並將上述調變訊號輸入MIMO系統通道中進行通道類比傳輸。於本實施例中，使用的多天線編碼系統為一種Alamouti時空編碼器(Alamouti Space-Time Block Encoder)。

所述之天線通道分析單元24還用於將經MIMO系統通道輸出的調變訊號進行解碼，並將解碼訊號進行數位訊號逆調變。當天線通道分析單元24將調變訊號送入MIMO系統通道後，即立刻需在天線接收端解調分析輸出的調變訊號，解碼後的訊號再依據數位訊號調變方式進行逆調變，進行逆調變的動作，從而還原出原來的輸入訊號。

所述之天線通道分析單元24還用於根據逆調變訊號分析出傳輸訊號的誤碼率。於本實施例中，當天線通道分析單元24完成訊號逆調變之後，便能進行訊號的誤碼率分析，以便驗證藉由MIMO系統通道傳輸後的訊號品質。

如圖2所示，係本發明多天線通道類比方法較佳實施例的流程圖。步驟S20，從輸入設備1輸入通道類比參數，多天線類比單元21根據輸入的通道類比參數建立一個多天線系統三維模型。所述之通道類比參數包括需要建立的天線數量、各天線的電磁場能量強度及各天線之間的相關係數。本實施例中，以建立一個雙天線三 維系統模型為例，當輸入天線數量為2時，多天線類比單元21則建立一個雙天線三維系統模型10。如圖3A和圖3B所示，雙天線三維系統模型10包括天線1及天線2，圖3A為天線1與天線2平行擺置的雙天線三維系統模型，圖3B為天線1與天線2垂直相交擺置的雙天線三維系統模型。

步驟S21，多天線類比單元21根據輸入的電磁場能量強度類比出多天線三維系統的遠場場形，所述之遠場場形係指多天線三維系統中的各天線(例如天線1與天線2)週圍電磁場能量分佈情況，當進行天線類比時，各天線須分別處於激發狀態，以得到每一條天線的原場場形。步驟S22，多天線類比單元21獲取各天線在水平面上的遠場場形，如圖3A和圖3B所示，多天線類比單元21沿x方向及y方向獲取每一條天線的E_θ向量分量及E_ψ向量分量，其中，“E”為電磁場能量，“θ”及“ψ”為偏移x方向與y方向的角度。

步驟S23，天線相關度計算單元22根據各天線在水平面上的遠場場形產生各天線的水平角能量分佈頻譜(Power Azimuth Spectrum，以下簡稱為“PAS”)。所述之水平角能量分佈頻譜係一種描述天線接收入射訊號的表示方式，通常以機率方法表示。於本實施例中，可採用的機率模型可以為均勻分佈、高斯分佈及拉式分佈。如圖4A所示，係各種機率模型的水平角能量分佈頻譜圖。天線相關度計算單元22可以產生一種均勻分佈的水平角能量分佈頻譜a，一種高斯分佈的水平角能量分佈頻譜b，及一種拉式分佈的水平角能量分佈頻譜c。當天線多個方向的能量重疊時，天線相關度計算單元22也可以產生如圖4B所示的多叢集水平角 能量分佈頻譜圖，以符合處於多散射環境下的電磁場能量分佈情形。

步驟S24，天線相關度計算單元22根據各天線的水平角能量分佈頻譜計算各天線之間的相關度。本實施例中，假設PAS(ψ)=PAS_θ(ψ)=PAS_ψ(ψ)，天線相關度計算單元22採用如下公式計算天線之間的相關度(採用“ρ₁₂”表示)：，其中， ；及

步驟S25，天線通道產生單元23根據各天線的遠場場形及各天線之間的相關度產生一個天線輸入輸出(MIMO)系統通道。本實施例中，一般而言，無線通訊的系統通道以雷利氏分佈(Rayleigh distribution)的隨機變數(Random Variable，以下簡稱“RV”)來進行類比，所謂的雷利氏分佈，即由二維不相關常態分佈((normal distribution)的隨機變數組成。於本實施例中，以程式語言表達如下式：(normal distribution RV(N,M)+j*normal distribution RV(N,M)/√2。其中，N與M為天線的數量，而式中最後除以√2則係為類比的系統通道做規一化的動作。

步驟S26，天線通道分析單元24將輸入訊號進行時空編碼，並將編碼訊號進行數位訊號調變產生調變訊號。於本實施例中，使用 的多天線編碼系統為一種Alamouti時空編碼器，其編碼方式如下：將輸入的訊號流(如s0,s1,s2,…..)依次序分配給多個發射天線，然後利用編碼法則進行編碼後，再進行訊號傳輸。以兩隻發射天線為例，其傳輸模式如圖5所示，例如天線1上傳輸的訊號為s0,-s1*,…..，及天線2上傳輸的訊號為s1,s0*,…..。當輸入訊號進行完時空編碼後，便要進行數位訊號調變，而一般的數位訊號調變方式非常多，例如BPSK、QPSK、16-QAM及64-QAM等，其各有運用優勢，本實施例可依需求採用上述不同的數位訊號調變方式。

步驟S27，天線通道分析單元24將上述調變訊號輸入MIMO系統通道中進行通道類比傳輸。步驟S28，天線通道分析單元24將經MIMO系統通道輸出的調變訊號進行解碼，並將解碼訊號進行數位訊號逆調變。當天線通道分析單元24將調變訊號送入MIMO系統通道後，即立刻需在天線接收端解調分析輸出的調變訊號。於本實施例中，採用的係估測通道(例如圖6中h11，h12，h21，h22)未知特性的解調方式對調變訊號進行解碼，解碼後的訊號再依據步驟S26所使用的數位訊號調變方式進行逆調變，進行逆調變的動作，從而還原成原來的輸入訊號(如s0，s1，s2，…..)。

步驟S29，天線通道分析單元24根據逆調變訊號分析出傳輸訊號時的誤碼率。於本實施例中，當天線通道分析單元24完成訊號逆調變之後，便能進行訊號的誤碼率分析，以便驗證藉由MIMO系統通道傳輸後的訊號品質。

本實施例提供一個雙天線系統的類比範例，參考圖3A所示，為天 線1與天線2平行擺置的雙天線系統，圖3B為天線1與天線2垂直相交擺置的雙天線系統。此外，本次類比範例採用均勻分佈的機率模型來產生天線的水平角能量分佈頻譜，如圖4A所示的水平角能量分佈頻譜a。在訊號編碼調變方面，使用Alamouti時空編碼的BPSK數位訊號調變方式，並通過通道估測進行解碼解調動作。藉由本發明類比出的雙天線系統，當天線垂直相交擺置時(如圖3B)，由於天線1與天線2之間之相關係數降低，使得系統通道相關性降低，因此該雙天線系統不論係低信雜比或低信雜比的環境條件中，都能有效降低誤碼率，從而提升了該雙天線系統的訊號傳輸品質。

以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，且已達廣泛之使用功效，凡其他未脫離本發明所揭示之精神下所完成之均等變化或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。

1‧‧‧輸入設備

2‧‧‧多天線通道類比系統

21‧‧‧天線類比單元

22‧‧‧天線相關度計算單元

23‧‧‧天線通道產生單元

24‧‧‧天線通道分析單元

3‧‧‧顯示設備

Claims (8)

1. 一種多天線通道類比系統，該多天線通道類比系統連接有輸入設備及顯示設備，該多天線通道類比系統包括：多天線類比單元，用於根據從輸入設備輸入的通道類比參數建立一個多天線系統三維模型，類比出多天線三維系統的遠場場形，及獲取各天線在水平面上的遠場場形；天線相關度計算單元，用於根據各天線在水平面上的遠場場形產生各天線的水平角能量分佈頻譜，及根據各天線的水平角能量分佈頻譜計算各天線之間的相關度；天線通道產生單元，用於根據各天線的遠場場形及各天線之間的相關度產生多天線輸入輸出的系統通道；及天線通道分析單元，用於將輸入訊號進行訊號編碼及訊號調變，將調變訊號輸入系統通道中進行通道類比傳輸，將經系統通道輸出的調變訊號進行訊號解碼及訊號逆調變，及根據逆調變訊號分析傳輸訊號時之誤碼率。
2. 如申請專利範圍第1項所述之多天線通道類比系統，其中所述之天線通道分析單元使用時空編碼器對訊號進行訊號編碼。
3. 如申請專利範圍第1項所述之多天線通道類比系統，其中所述之通道類比參數包括需要建立的天線數量、各天線的電磁場能量強度及各天線之間的相關係數。
4. 如申請專利範圍第1項所述之多天線通道類比系統，其中所述之水平角能量分佈頻譜係一種描述天線接收發射訊號的表示方式，其採用之機率方法模型包括均勻分佈模型、高斯分佈模型及拉式分佈模型。
5. 一種多天線通道類比方法，該方法包括如下步驟：根據輸入的通道類比參數建立一個多天線系統三維模型；根據所述之通道類比參數類比出多天線三維系統的遠場場形；獲取各天線在水平面上的遠場場形；根據各天線在水平面上的遠場場形產生各天線的水平角能量分佈頻譜；根據各天線的水平角能量分佈頻譜計算各天線之間的相關度；根據各天線的遠場場形及各天線之間的相關度產生一個天線輸入輸出系統通道；將輸入訊號進行訊號編碼及訊號調變；將調變訊號輸入系統通道中進行通道類比傳輸；將經系統通道輸出的調變訊號進行訊號解碼及訊號逆調變；及根據逆調變訊號分析傳輸訊號時的誤碼率。
6. 如申請專利範圍第5項所述之多天線通道類比方法，其中所述之對輸入訊號進行訊號編碼係採用時空編碼器。
7. 如申請專利範圍第5項所述之多天線通道類比方法，其中所述之通道類比參數包括需要建立的天線數量、各天線的電磁場能量強度及各天線之間的相關係數。
8. 如申請專利範圍第5項所述之多天線通道類比方法，其中所述之水平角能量分佈頻譜係一種描述天線接收發射訊號的表示方式，其採用的機率方法模型包括均勻分佈模型、高斯分佈模型及拉式分佈模型。