Ein Smart Antennas Experimentalsystem

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1 Ein Smart Antennas Experimentalsystem Andreas Kortke Heinrich-Hertz-Institut für Nachrichtentechnik Berlin Abteilung Breitband Mobilfunknetze Einsteinufer 37, D Berlin Telefon: +49/30/ Fax: +49/30/

2 Übersicht Einführung Systemkomponenten Array-Kalibration Meßergebnisse Zusammenfassung und Ausblick A.Kortke 1/13

3 Einführung Konzept: Laborsystem für Smart-Antennas Experimente, aufgebaut aus Low-Cost-Standardkomponenten Array-Empfangssystem für Uplink-Experimente, Testsender mit Einzelantennen Einsatz vorwiegend im Echofreien Meßraum - ideale Wellenausbreitung, Untersuchung der Systemkomponenten Untersuchung von Kalibrationsverfahren und Array- Signalverarbeitungsverfahren (Richtungsschätzung, Beamforming etc.) Lehrveranstaltungen im Fachgebiet Mobilkommunikation A.Kortke 2/13

4 Frequenzbereiche Signalbandbreite: 5.0 MHz (UMTS-kompatibel), Abtastfrequenz: 16 MHz Radio-Frequenzen: 2.1 GHz - UMTS-Frequenzbereich 5.2 GHz - kompaktes Array, Fernfeldbedingung in der Meßkammer näherungsweise erfüllt (HiperLan/2,IEEE a) 60 GHz - Indoor WLAN - Konzept, 155 MBpS, (Pilotsignal-Verarbeitung) A.Kortke 3/13

5 Komponenten (1): Testsender Serial Interface for Control Test Signal Generator I Q IQ Modulator Power Amplifier Local Ocillator with PLL A.Kortke 4/13

6 Komponenten (1.1): Testsignal Generator Serial Interface for Control Micro- Controller with Flash Memory for Program and Signal Data Fast Static Sampling Memory (128KSamples) and Address Counter I Q Fast IQ D/A Converter (8MSpS) and Anti Alias Lowpass Filters I Q IQ Base Band Signal Power Control PA A.Kortke 5/13

7 Komponenten (2): Array Empfänger System Receive Antenna Array and Radio- Frontend (Amplifier and RF/IF Down- Converter -> 200MHz) 8 IF Signals Digital Array Receiver PC for Controlling and Array Signal Processing Frequency Control A.Kortke 6/13

8 Komponenten (2.1): Antennenarray und RF-Frontend Microstrip Antenna Array (8 Elements) Low Noise MMIC Amplifier (8x) Active MMIC Mixer (8x) IF Signals (8x) Local Ocillator with PLL Serial Interface for Frequency Control A.Kortke 7/13

9 Komponenten (2.2): Digitaler Array Receiver IF inputs (8x) IF/Base Band Amplifier and IQ Downconverter Anit Alias Lowpass Filter and Analog/Digital Converter (10Bit,16MSpS) Fast Static Sampling Memory (5 MByte = 256KSamples) Mode Control Gain and Frequency Control Controller and PC Interface Parallel PC- Interface for Data Transfer Serial PC- Interface for Monitoring A.Kortke 8/13

10 Software-Bibliothek - in MatLab implementiert automatisierte Meßprozeduren Netzwerk-Kalibration Array-Kalibration Richtungsschätzung (klassisch,hochauflösend) Beamforming Signalerzeugung Empfängerfunktionen A.Kortke 9/13

11 r0 1 e j 2 ; gcal H g cal I ; g cal g H cal g jgjjg = cal Array-Kalibration relativer e Fehler: = jg;g cal r, j g cal - kalibrierte Array-Mannigfaltigkeit jgj relativer Fehler ohne Berücksichtigung der Elementcharakteristik (Multiplikatives Gesetz): Kalibrationsfehler 0 5 unkalibriertes Array kalibriertes Array e r0 ist Kriterium für die Tiefe von Nullstellen des MD-Beamformers Kalibrationsfehler [db] Einfallswinkel [ ] A.Kortke 10/13

12 Meßergebnisse - Richtungsschätzung und Beamforming MUSIC Spektrum [db] Richtungsschätzung mit MUSIC und ESPRIT Normierte Empfindlichkeit [db] Nullstelle 1 Maximum Directivity Richtcharakteristik Hauptstrahlrichtung Nullstelle 2 Nullstelle 3 Nullstelle Einfallswinkel [ ] Einfallswinkel [ ] Signalquellen bei ;50:0 ;20:0 10:0 30:0 und 35:0 Nutzsignal bei ;20:0 A.Kortke 11/13

13 Ausblick: Erweiterung für Downlink- und MIMO Experimente Receive Antenna Array and Radio- Frontend (Amplifier and RF/IF Down- Converter 5.2GHz -> 200MHz) IF Signals Digital Array Receiver/ Transmitter Complex Base Band Signals Transmit Antenna Array and Radio- Frontend (Modulators and Power Amplifier) Frequency Control Frequency Control PC for Controlling and Array Signal Processing A.Kortke 12/13

14 Zusammenfassung vielseitig einsetzbares Smart-Antennas Experimentalsystem (verschiedene RF-Bereiche, Lehre, Forschung) kommerzielle Low-Cost-Komponenten einfache Implementierung von Algorithmen in MatLab (Sampling-Speicher, kein Echtzeitbetrieb) hohe Genauigkeit durch digitale Kalibration A.Kortke 13/13

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