MIMO接收系统

从单天线射频链的预算分析开始设计MIMO接收机(RX)系统。在这个例子中，输入信号以35GHz为中心，它是由有效各向同性辐射功率(EIRP)等于20 dBm的发射器(TX)产生的，位于距离接收器100个波长的距离上。

Tx_eirp = 20;CF = 35e9;Lambda = physconst(“光速”) / CF;%波长(1/m)D = 100*lambda;TX与RX天线距离% (m)

RX阵列由8个偶极天线组成，彼此之间的距离为半个波长。

arrayRXObj =设计(线性数组，CF，偶极子);arrayRXObj。NumElements = 8;arrayRXObj.show;

假设TX天线与RX天线相似，位于同一仰角平面上，到达方向垂直于RX阵列轴。

Doa = 0;Az_RX = 90-DOA;%到达方向方位角El_RX = 0;%到达方向的仰角

首先使用全波分析计算阵列增益，然后将单个天线增益近似为整个阵列增益除以阵列中的元素数，在本例中为8。

GAntRX = pattern(arrayRXObj,CF,Az_RX,El_RX，“类型”，“获得”）;GSingleAntRX = GAntRX - 10*log10(8);

接收器链中的下一个元件是低噪声放大器。计算放大器的输入阻抗使用它的s参数内插在中心频率。注意，Touchstone文件还包括噪声数据。

S_amp =参数参数(“amplifier.s2p”）;Zin = gamma2z(gammain(rfinterp1(s_amp,CF)，50));

接下来，使用前一步确定的放大器阻抗作为负载到其余天线单元，计算阵列的第一个天线单元的阻抗。

sp =参数(arrayRXObj,CF);gammaInAnt1 = snp2smp(sp.Parameters,50,1,Zin);ZAnt_RX = gamma2z(gammaInAnt1);

计算TX和RX之间的自由空间路径损耗。

PL = 20*log10(4*pi*d/lambda);

如果TX和RX没有完全对齐在同一阵列法线(DOA0)时，接收到的8个信号相位不同。为了相干地接收发射信号，需要相移以使阵列波束与接收信号的到达方向一致。相控阵系统工具箱中的相移波束形成器对象用于计算所需的相移。

波束az_rx = DOA;%波束形成角(度)波束形成器=相控。PhaseShiftBeamformer (.．.“SensorArray”,分阶段。齿龈(“NumElements”8.．.“ElementSpacing”λ/ 2).．.“OperatingFrequency”CF,.．.“方向”, (Beam_Az_RX;0),.．.“WeightsOutputPort”,真正的);[~， phase_shifts_RX] =波束形成器(ones(1,8));phase_shifts_RX = angle(phase_shifts_RX)'/pi*180;

定义RX链中第一级放大器的三阶输出截点为dBm。

oIP3_RX = 25.5;

在RX系统的每个链上都包含一个额外的放大级。

G_RX = 0 (1,8);

构建射频接收机元素的级联(行向量):

%天线elementsRX(1) = rfantenna(.．.“类型”，“接收方”，.．.“获得”GSingleAntRX,.．.“Z”ZAnt_RX,.．.“PathLoss”PL,.．.“TxEIRP”, TX_EIRP);前端放大器%elementsRX(2) =放大器(.．.“文件名”，“amplifier.s2p”，.．.“OIP3”, oIP3_RX);%解调器elementsRX(3) =调制器(.．.“名字”，“解调”，.．.“获得”3,.．.“NF”8.．.“罗”cf - 100 - e6,.．.“ConverterType”，“下来”）;%附加放大器elementsRX(4) =放大器(.．.“获得”, G_RX (1));移相器:%elementsRX(5) =相移(.．.移相的, phase_shifts_RX (1));

构造一个rfbudget在命令行上从上述元素添加。

B = rfbudget(.．.“元素”elementsRX,.．.“InputFrequency”CF,.．.“SignalBandwidth”100 e6,.．.“规划求解”，“弗瑞”）;

类型显示(b)控件中的链可视化射频预算分析仪应用程序。

中所示的可用输入功率系统参数部分的应用程序工具条，是通过添加发射机的EIRP，减去路径损失加上天线的增益。

Pav = TX_EIRP - PL + GSingleAntRX

Pav = -38.7649

为接收系统创建射频块集模型

您可以将上面的级联导出为RF Blockset™模型，并复制它以创建一个八链RF系统。在模拟MIMO RX系统时，通过将射频预算中使用的单个天线单元替换为完整的天线阵列来捕获天线单元之间的耦合。这是通过使用天线阵列对象的天线块来完成的arrayRXObj．

天线块的输入是被描述为分割到两者上的规范化功率波的接收信号极化组件。接收到的功率波RX经过标准化处理，使总功率为．天线元件arrayRXObj，是z向偶极子。这样的数组创建一个沿偏振的场方向。假设TX天线阵列和RX天线阵列是同一类型的，可以假设接收到的信号沿极化组件。

Pol = [-1;0];

得到的RX MIMO模型包括连接到分系统的天线块射频接收机代表RX系统，包括八个链:

模型=“simrfV2_RX_array”；open_system(模型)sim(模型)

注意，输入信号是一个三维阵列:第一个维度用于帧化数据，第二个维度用于多载波信号，第三个维度用于提供两个极化分量。

看着面具下的射频接收机子系统展示了多链射频系统的结构。每条链的末端都有一个移相器，这样当信号组合时，阵列光束就会瞄准给定的到达方向。信号结合使用倒威尔金森功率分压器。

open_system([模型/射频接收机的]，“力”）;

输入端(销)和输出(撅嘴)在模型中测量，与期望值近似对应。撅嘴与上面所示的RF预算分析仪应用程序计算的分析所预期的值接近。销接近用天线阻抗匹配效率计算的输出功率，，详情如下:

etaZ = 10 * log10 (1-abs ((Zin-ZAnt_RX ') /(寻+ ZAnt_RX)) ^ 2);Pin_RX = Pav + etaZ

Pin_RX = -39.2523

仿真结果与预算分析计算的期望值之间的差异是由于天线单元在单个RX链中的增益近似为天线阵列的增益除以8。这种近似忽略了有限阵列中不同天线元件接收功率之间的差异。

关闭RX模型，继续对TX建模。

bdclose(模型)

MIMO发射系统

从单天线射频链的预算分析开始，设计MIMO发射机(TX)系统。对于MIMO发射机系统，假设输入功率为-7.41 dBm，中心频率与接收机相同。

TX_Pin = -7.41;%变送器输入功率(dBm)Dod = 180;%出发方向(度)

将TX天线设计为与RX天线相同。阵列方向是这样的，偏离方向是正常的阵列轴，与RX天线相比翻转180度。虽然由于沿z轴对称，这种旋转对当前阵列不起重要作用，但对其他类型的天线可能很重要。

arrayTXObj =设计(线性数组，CF，偶极子);arrayTXObj。NumElements = 8;arrayTXObj。TiltAxis = [0 0 1];arrayTXObj。倾斜角度= 180;

TX阵列与RX天线位于同一仰角平面上，偏离方向沿阵列法线方向。

Az_TX = 90-DOD;%起飞方位El_TX = 0;%起飞方向的仰角

使用全波分析计算TX天线阵列增益。

GAntTX = pattern(arrayTXObj,CF,Az_TX,El_TX，“类型”，“获得”）;

天线前的最后一级TX是输入和输出阻抗为50欧姆的功率放大器。计算发射机第一链的天线阻抗。

Zout = 50;sp =参数(arrayTXObj,CF);gammaInAnt1 = snp2smp(sp.Parameters,50,1,Zout);ZAnt_TX = gamma2z(gammaInAnt1);

如果TX和RX没有在同一阵列法线上完美对齐(DOD0)时，发射的8个信号相位不同。为了确保发射机引导波束朝向接收器，使用了相移。使用相控阵系统工具箱中的相移波束形成器对象来计算将阵列波束与接收信号到达方向对齐所需的相移。

Beam_Az_TX = DOD;%波束形成角(度)波束形成器=相控。PhaseShiftBeamformer (.．.“SensorArray”,分阶段。齿龈(“NumElements”8.．.“ElementSpacing”λ/ 2).．.“OperatingFrequency”CF,.．.“方向”, (Beam_Az_TX;0),.．.“WeightsOutputPort”,真正的);[~， phase_shifts_TX] =波束形成器(ones(1,8));phase_shifts_TX =角度(phase_shifts_TX)'/pi*180;

定义功率放大器的增益和三阶非线性。为TX天线阵列中的每个元素添加固定增益，并在dBm中定义三阶输出截点。

G_TX = 18.6*ones(1,8);% dBoIP3_TX = 30;%三阶输出截点(dBm)

构建射频发射机元件的级联(行向量):

移相器elementsTX(1) =相移(.．.移相的, phase_shifts_TX (1));%调制器elementsTX(2) =调制器(.．.“名字”，调制器的，.．.“获得”3,.．.“NF”8.．.“罗”cf - 100 - e6,.．.“ConverterType”，“了”）;功率放大器elementsTX(3) =放大器(.．.“获得”G_TX (1).．.“OIP3”, oIP3_TX);%天线elementsTX(4) = rfantenna(.．.“类型”，“发射器”，.．.“获得”GAntTX,.．.“Z”, ZAnt_TX);

构建TXrfbudget对象:

B = rfbudget(.．.“元素”elementsTX,.．.“InputFrequency”100 e6,.．.“AvailableInputPower”， TX_Pin - 10*log10(8)，.．.“SignalBandwidth”100 e6,.．.“规划求解”，“弗瑞”）;

类型显示(b)命令在命令行中可视化TX链射频预算分析仪应用程序。

请注意，可用的输入功率是发送器的输入除以8，这是由于8个链前面的8路分配器。此外，预算中的天线单元近似为具有阵列的增益。这个假设允许将每条链的EIRP值相加，得到系统的总EIRP:

TX_EIRP = b.EIRP + 10*log10(8)

Tx_eirp = 20.2143

创建发射系统的射频块集模型

与接收系统类似，上面的TX级联可以导出为RF Blockset模型并复制以创建八链RF系统，其中8个单独的天线被单个天线阵列取代。天线块的输出是传输的信号，TX，这被描述为一个能量波分裂到两个偏振分量，并被归一化，使总发射功率等于．您现在可以确认前面的假设，即大多数传输(和接收)功率与极化组件。

模型=“simrfV2_TX_array”；open_system(模型)sim(模型)

总归一化发射功率等于20 dBm的EIRP值，正如预算分析所预期的那样。

关闭TX模型，继续将TX和RX组合在一起。

bdclose(模型)

在单一模型中结合TX和RX系统

为了解释整个通信链路行为，可以将上面的两个系统合并到一个模型中。发射天线的输出通过表示天线间理想路径损耗的增益块连接到接收天线的输入。可以使用更复杂的通道模型，例如包括衰落效应。

模型=“simrfV2_TXRX_arrays”；open_system(模型)sim(模型)

TX和RX之间的远场相互作用是通过在两个阵列之间传播的信号来捕获的，并且RF系统(例如波束转向相移变化或阻抗匹配)和天线(例如方向、元素或整个天线阵列的变化)中的变化的影响都得到了充分考虑。

例如，更改TX数组，同时保持上面的RX数组。具体来说，旋转发射天线，使阵列轴沿z轴设置，偶极子方向平行于x轴。有了这个旋转，TX能量只辐射在偏振，正交于RX天线的偏振分量。这可以通过使用以下命令重新设计TX天线阵列并模拟TX+RX模型来验证。

arrayTXObj =设计(线性数组，CF，偶极子);arrayTXObj。NumElements = 8;%旋转天线阵列，使阵列轴沿z轴设置:arrayTXObj。TiltAxis = [0 10 0];arrayTXObj。倾斜= 90;%天线在整块重复使用前应预溶解sp =参数(arrayTXObj,CF);

虽然发射机的EIRP保持在20 dBm的水平，但由于强烈的极化不匹配，重新运行完整通信链路的模拟显示接收功率为-188.3 dBm。

关闭TX和RX组合模型，并继续执行系统的时域仿真。

bdclose(模型)

TX与RX组合系统的时域仿真

以上模型均对射频系统进行静态分析(谐波平衡)。然而，这些模型可以很容易地扩展来模拟系统的时域性能。以前，天线的性能是在单个频率点上计算的。为了捕捉天线的时域行为，重新计算天线s参数的波段，包括中心频率周围的模拟波段。

spRX =参数(arrayRXObj,linspace(CF-100e6, CF+100e6, 31));spTX =参数(arrayTXObj,linspace(CF-100e6, CF+100e6, 31));

请注意，新的天线计算结果保存在天线对象中，并由天线块用于估计它们在模拟波段内的时间行为。

时域仿真采用与原模型结构相同的新模型进行。然而，正在传输的信号现在是一个OFDM波形，而不是一个单一的音调信号。另外，接收到的信号出来了射频接收机现在用频谱分析仪测量，并进入基带接收机执行基带解调并计算接收到的OFDM波形的EVM和MER的子系统。

模型=“simrfV2_TXRX_OFDM2”；open_system(模型)sim(模型)

部分测量的EVM可以归因于由于频率相关的天线阻抗和模式造成的失真。天线模块允许通过模块掩码参数对话框的建模窗格中的参数来控制这些数量的建模:

在建模选项中选择“时域(rationalfit)”将创建一个解析理性模型，该模型近似模拟整个频率范围内的天线参数。天线块的建模选择类似于其他RF块集块(如S-Parameter块)中的建模选择。然而，对于天线块，有两个单独的量需要建模:天线阻抗和归一化矢量有效长度。建模窗格指示了使用的极点数以及为每个数量实现的相对误差。

bdclose(模型)清晰模型