（电磁场与微波技术专业论文）智能天线算法及其dsp实现研究.pdf

摘要 智能天线是利用数字信号处理技术产生空间定向波束使天线主波束对准 期望用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用 移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。智能天线技术利用了空域信息，可 以更有效地抑制多址干扰，又与现有的技术( f d m a 、t d m a 、c d m a ) 完全兼容t 因此可以成倍地增加移动通信系统的容量，现在已经成为第三代移动通信系统的 关键技术之一。 本文首先阐述了智能天线和自适应波束形成的基本理论，并简要地介绍了几 种适用于c d m a 系统的典型的自适应算法，但它们存在复杂度高的缺点，实用价 值不大。在此基础之上作者给出了两种新的、计算量相对较小的、适用于d s c d m a 系统的盲波束形成算法，并对算法进行了大量的仿真及性能分析。一种是基于最 大信嗓比准则的算法，该算法适用于c d m a 系统的处理增益比较大，即解扩以后 期望用户信号远大于干扰信号的情况；另一种是基于最大信干噪比准则的算法， 该算法在强干扰存在的情况依然有较好的性能。在论文的最后一章，介绍了数字 信号处理器( d s p ) 的相关知识，并用处理速度为1 0 0 m i p s 的t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 芯片实 现了上述两种算法，对算法的实时性进行了分析和研究。本文的工作具有很强的 工程应用价值，并对今后的理论研究有一定的指导意义和参考价值。 关键词：智能天线自适应波束形成数字信号处理器 a b s t r a c t d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e sw e r e u s e dt op r o d u c e s p a t i a la n dd i r e c t i o n a l b e a mi ns m a r ta n t e n n a s t h e nt h em a i nb e a ma i m sa tt h ec o m i n gd i r e c t i o no fr e f e r e n c e u s e ra n dt h es i d el o b ep o i n t st ot h ec o m i n gd i r e c t i o no fi n t e r f e r e n c eu s e r t h es m a r t a n t e n n as y s t e m s ( s a s ) h a sb e c o m eo n eo ft h ek e y t e c h n i q u e so f t h et h i r dg e n e r a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ( 3 g ) f o ri t sa d v a n t a g e so n m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ( m a i ) s u p p r e s s i o nb yu s i n gs p a t i a li n f o r m a t i o n i tc a nb ec o m p a t i b l ew i t ht h ep r e s e n t t e c h n i q u e s ( t d m a ，f d m a a n dc d m a ) ，a n dc a n r e m a r k a b l yi m p r o v e t h ep e r f o r m a n c e a n dt h e c a p a c i t yo f c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s i nt h i s p a p e r ，f i r s t l y ，t h ea u t h o ri l l u s t r a t e s t h ep r i n c i p l e so fs m a r ta n t e n n aa n d a d a p t i v eb e a m f o r m i n g ，a n dt h e ni n t r o d u c e ss o m et y p i c a la d a p t i v ea l g o r i t h m su s e di n c d m a s y s t e m s ，b u tt h e yh a v e t h ed i s a d v a n t a g eo f h i g hc o m p l e x i t y ，s ot h e ya r cn o tf i t f o rp r a c t i c e b a s e do nt h e s ew o r k s ，t h ea u t h o rp r o p o s e st w on o v e l ，l o wc o m p u t a t i o n a l l o a dd s - c d m a u p l i n kb l i n db e a m f o r m i n ga l g o r i t h m s ，s i m u l a t e st h ea l g o r i t h m sa n d a n a l y s e st h ep e r f o r m a n c e o n eo f w h i c h i sb a s e do nt h em a x i m u m s i g n a l t o n o i s er a t i o ( m s n r ) c r i t e r i o n ，i tc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f t h ea r r a ys y s t e mo n l yw h e nt h e p r o c e s s i n gg a i no f t h eg i v e nc d m a s y s t e mi sh i g he n o u g hs u c ht h a tt h ed e s i r e ds i g n a l c a l lb e c o m ed o m i n a n ta f t e r d i s p r e a d i n g t h e o t h e ri sb a s e do nt h em a x i m u m s i g n a l - t o i n t e r f e r e n c e - p l u s n o i s er a t i o ( m s i n r ) c r i t e r i o n ，a n di th a sw e l lp e r f o r m a n c e w h e n s t r o n gi n t e r f e r e r so c c u r i nt h e l a s tc h a p t e r , t h ea u t h o ri n t r o d u c e ss o m e k n o w l e d g e o f d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ，a n di no r d e rt or e s e a r c ht h er e a l t i m ep e r f o r m a n c e ， t h ea u t h o ri m p l e m e n t st h ea b o v ea l g o r i t h m so nt m s 3 2 0 c 5 4 0 2d s pc h i p ，m a di t s p r o c e s s i n gs p e e di s1 0 0 m i p s i ti so fg r e a tv a l u ei ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o na n di s a g o o dg u i d e t ot h e o r ys t u d yi nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：s m a r ta n t e n n a a d a p t i v eb e a m f o r m i n gd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r 创新性声明 y 5 8 3 5 9 8 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及所取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文 中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安电子科技大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志所做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印、或其它复制手段保存论文。( 保密的论 文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：堡童日期：尘丛! 导师签名：垒垒蕴r 期：竺芏。盟! 坚_ 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 近年来，全球通信业务尤其是移动通信业务得到了迅猛发展。据资料统计， 目前全球的移动通信业务正在以4 0 的速度增长，而我国的移动通信网用户已超 过两亿，这一数据表明移动通信业务在未来通信中的地位攀足轻重并蕴涵着巨大 的市场价值。 随着移动通信事业的发展，无线通信环境大为复杂，无线电频谱资源紧张 如何消除同信道干扰( c c i ) 、多址干扰( m a i ) 与多径衰落的影响成为人们在提高无 线移动通信系统性能时考虑的主要因素。消费者对通信的容量和质量都提出了更 高的要求。这不仅表现在用户希望语音质量更加清晰，而且随着因特网的深入普 及，人们还希望未来的移动通信能够提供高速接入因特网业务和宽带多媒体应用 业务。移动通信的最高目标就是利用各种可能的网络技术，实现任何人在任何时 间、任何地点都可以与任何人进行任何种类的信息交换。目前的移动通信网络的 系统容量是无法承载这么巨大的通信业务的。如何有效地提高系统容量，改善通 信质量成为人们亟待解决的重要课题。 在这样的背景下，人们提出了众多的解决方案，如c d m a 技术、o f d m 技术、 多用户检测技术和智能天线技术等。其中结合c d m a 的智能天线技术得到了人们 的一致青隙。智能天线的基本思想是通过自适应阵列天线跟踪并提取各移动用户 的空间信息，利用用户位置的不同，在同一信道中( 频段时隙码道) 发送和接收各 用户的信号而不发生相互干扰。智能天线的主要原理是利用数字信号处理技术， 产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰 信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。 智能天线引入了空分多址( s d m a ) 1 】的概念，即在相同的时隙、相同的频率或 相同的地址码的情况下，仍可以根据信号的不同空间传播路径来区分用户。s d m a 与其它多址方式( f d m a 、t d m a 、c d m a ) 完全兼容，可以联合使用。智能天线技 术对移动通信系统所带来的优势是目前任何技术所难以替代的，是未来移动通信 中最具希望的关键技术之，所以引起了人们广泛的研究兴趣。 1 2研究现状 智能犬线算法及其d s p 实现研究 目河围际电联( i t u ) 已经确定的3 个无线传输标准是t d s c d m a ，w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 。其巾t d s c d m a 技术是由我圉大唐电信科学技术研究院自行研究 j 1 ：提出的具有完全自主知识产权的标准，w c d m a 是由欧洲和n 本共同支持实施 的标准，c d m a 2 0 0 0 代表了美固和北美地区的标准。各国都非常重视智能天线技术 在第三代以及未来移动通信中的应用，并花费了大量的人力和资会展丌这方面的 理论研究，同时也建立了一些技术试验平台。 从理论研究到工程实现，还需要做许多工作，搭建实验平台，并在此基础上 做一些验证和探索是重要的一步。国外已经在这方面做出了很多工作，他们已经 实现了各自的智能天线实验系统，并通过实验，获得了一些有实际意义的成果。 国内的些大学和企业也正在实现自己的智能天线实验平台。国内外的一些企业 和研究机构关于实现智能天线实验系统的一些计划和项目已经有了系统设计和硬 件实现，我们在这里将情况大致介绍一下。 ( 1 ) 英国e r a 的s m a r tc o m m u n i c a t i o na n t e n n ar e s e a r c hp r o g r a m ( s c a r p ) 在 许多企业和组织的支持下已经得到了实现。系统采用了八面锥体上的八个天线阵 元柬提供半球覆盖，系统载频1 8 9 g h z 。利用参考信号更新最优合并权矢量，权矢 量的更新算法为n l m s ( n o r m a l i z e dl e a s t s q u a r e s ) 算法，1 0 0 次快拍。他们研究了 系统在衰落信道中的性能。结果指出：最优合并器能跟踪时变环境而不降低信号 质量；而且对最优合并和分集合并的比较发现最优合并比分集合并性能提高了 5 d b 。 ( 2 ) 1 9 9 4 年，u p p s a l a 大学和e r i c s s o nr a d i oa c c e s sa b 为研究一种用于通信 系统的自适应阵列天线技术，研制了上行链路的实验系统。参照d c s 1 8 0 0 标准， 发射部分：载频1 7 2 1 m h z 、调制为g m s k 、1 0 阵元圆阵、阵元间距0 5 6 a 、天线 垂直极化、阵元波束宽度8 0 。；接收部分：7 个t m s 3 2 0 c 4 0 、a d c 为8 位、a d c 动态范围3 2 d b m - - 8 0 d b m 、采样频率2 7 0 k h z 、权值计算s m i 算法。实验结果表 明：在无角度扩展和多径传播下，实验系统可抑制与期望信号间隔1 0 。的的同道 于扰，误码率为o 。 ( 3 ) c e n t r a lt o k y o 的实验系统采用4 阵元天线阵列，权矢量更新用c m a 算 法，用数字波束形成来消除时延信号，从而抗多径衰落，调制方式为g m s k ，数 据速率为2 5 6 k b s ，载频为1 5 g h z 。实验结果表明：阵列能成功地在多径延时信 号方向形成零点。 ( 4 ) 法国在其南部的实验用l 波段的5 阵元圆阵阵列天线，发射速率为 2 0 0 k b p s ，用调制器输出的参考信号和矩阵求逆算法更新权矢量。结果表明：算法 能在多径环境下调整权矢量，阵列应用更多的阵元可使接收机的性能进一步提高。 ( 5 ) e r i c s s o n 和德国g i e s s e n 市的g s m l 8 0 0 运营商m a n n e s m a n n 合作，在三个 基站上装配了智能天线，基站位置很高，提供一个大的覆盖范围。1 9 9 8 年秋天丌 第一章绪论 始实验。智能天线为六阵元，上行链路为最大比合并，下行为波束转换。 ( 6 ) t s u n a m i i i 是欧洲a c t s 的一项计划，旨在丌发智能天线实验平台，并 实现智能天线基站。同时有一些大学、企业参加了这项计划，在市区和郊区都完 成了实验。天线为8 阵元，使用了不同的合并策略。结果确定了智能天线可以提 高系统容量。干扰抑制好于3 0 d b ，但只做了一个干扰源的情况，与期望用户的间 隔为1 0 。 ( 7 ) 美国的a r r a y c o m m 公司已经提出了智能天线在g s m 标准和日本的p h s 下的解决方案。1 9 9 7 年，基于p h s 的智能天线w l l ( w i r e l e s sl o c a ll o o p ) 开始商 用。外场实验已经在美国、巴西、马来西亚作过。加拿大的n o r t e l 也声称首先实 现了g s m 中的智能天线系统。 ( 8 ) 其它有关报道：欧洲通信委员会( c e c ) 在d e c t 基础上构造了智能天线实 验平台，并于1 9 9 5 年开始实验；德州大学奥斯汀s d m a 小组建立了一个智能天线 实验平台，对s d m a 的实现方法和无线信道特征进行了深入的研究；斯坦福大学 信息系统实验室建立了用于验证t d m a 系统空时二维算法的实验系统：a l c a t e l 同 v i e n n a 大学合作，正在设计实验系统；美国t e t c o r d i a 和v i r g i n i at e c h 也在做这方 面的工作：韩国和日本也有这方面的报道。 ( 9 ) 我国的进展：清华大学、西安交通大学、北京邮电大学、西安电子科技大 学、东南大学等一些高等院校相继开展了这方面的理论研究工作。国家“八六三”、 国家自然科学基金、博士点基金等也相应支持有关单位进行理论与技术平台的研 究。国内很多通信领域内的高科技公司也在进行相关的研究工作。其中信息产业 部电信科学技术研究院所属的信威公司走在了技术与产品开发、实用化的前列， 他们已成功地开发出应用于w l l 的t d d 方式s - c d m a 产品，并将其改进并推广 应用于我国提出的t d s c d m a 方案中，目前已取得可喜的进展。 1 3 本文的主要工作与内容安排 本论文的主要工作安排如下： 第一章为绪论，简单地介绍了智能天线的研究背景和国内外目前的研究动态， 并对本文的内容结构进行了安排和规划。 第二章较为全面地介绍了智能天线技术，包括它的基本结构、基本原理、应 用等方面。然后对智能天线的信号模型、移动信道的特征进行了详尽的分析。通 过这一章的简要介绍，使读者对智能天线技术有一个宏观的概要的认_ 【 。 第三章介绍了自适应波束形成的基本理论以及波束形成的几种准则，然后义 智能天线算法及其d s p 实现研究 简要地给出了几种典型的适合于c d m a 系统的波束形成算法，但这蝗算法在实际 应用中存在运算量大等一些问题。 第四章给出了两种新的适用于d s c d m a 系统且运算量较小的盲自适应波束 形成算法，作者对算法进行了大量的计算机仿真，根据仿真结果进行了详尽的性 能分析，比较两种算法的优缺点。 第五章首先介绍了d s p 芯片的相关基本概念，包括芯片的特性、与其它常用 处理器相比较的优缺点、发展状况、应用情况等。然后详述了作者在d s p 实验板 上用c 语言实现第四章所给出的两种算法的情况，对提出的算法进行实时性测试， 分析实验结果，并讨论了缩短运算时间的途径。 第二章钽能大线基本理论概述 第二章智能天线基本理论概述 2 1 智能天线的基本原理 智能天线是一种安装在基站现场的双向天线，通过一组带有可编程电子相位 关系的固定天线单元获取方向性。并可以同时获取基站与移动台之间各个链路的 方向特性。智能天线的基本思想是通过各阵元信号的加权幅度和相位来改变阵列 的方向图形状，具有测向和调零的功能，能够把主波束对准入射信号并自适应实 时地跟踪信号，同时将零点对准干扰信号，从而抑制干扰信号提高信号的信噪 比，改善整个通信系统的性能，还能够及时识别不同入射方向的直射波和反射波。 它不同于常规的扇区天线和分集天线，在基站使用全向收发智能天线，可以 为每一个用户提供一个很窄的定向波束，饺信号在有限的方向区域发送和接收， 充分利用了信号发射功率，降低了信号全向发射带来的电磁污染与相互干扰。智 能天线引入了空分多址( s d m a ) 的概念，即在相同的时隙、相同的频率或相同的地 址码的情况下，仍可以根据信号的不同空间传播路径来区分用户。s d m a 与其它 多址方式( f d m a 、t d m a 、c d m a ) 完全兼容，可以联合使用。 2 2智能天线的应用 移动通信信道传输环境较恶劣，多径衰落、时延扩展造成的符号间串扰 i s i ( i n t e r - s y m b o li n t e d e r e n c e ) 、f d m a t d m a 系统f 如g s m ) 由于频率复用引入的同 信道干扰( c c t ，c o c h a n n e li n t e r f e r e n c e ) 、c d m a 系统中的m a i ( m u l t i 【p i ea c c e s s i n t e r f e r e n c e ) 等都使链路性能、系统容量下降，我们熟知的均衡、码匹配滤波、r a k e 接收、信道编译码技术等都是为了对抗或者减小它们的影响。这些技术实际利用 的都是时、频域信息，而实际上有用信号、其时延样本( d e l a yv e r s i o n ) 和干扰信号 在时、频域存在差异的同时，在空域( 入射角d o a ，d i r e c t i o no f a r r i v a l ) 也存在差 异，分集天线( a n t e n n ad i v e r s i t y ) 、特别是扇形天线( s e c t o r a n t e n n a ) 可看作是对这部 分资源的初步利用，而要更充分地利用它只有采用智能天线技术。 智能天线是一种升缩性较好的技术。在移动通信发展的早期，运营商为节约 投资，总是希望用尽可能少的基站覆盖尽可能大的区域这就意味着用户的信号 在到达b t s ( 基站收发信设备) 前可能经历了较长的传播路径。有较大的路径损耗 ( p a t hl o s s ) ，为使接收到的有用信号不至于低于门限，要么增加移动台的发射功率、 智能天线算法及其d s p 实现研究 要么增加基站天线的接收增益，由于移动台( 特别是手机) 的发射功率通常是有限 的，真n 撕，行的是增加天线增益，相对而言用智能天线实现较大增益比用啦天线 容易。 而在移动通信发展的中、晚期，为扩大系统容量、支持更多用户，需要收缩 小区范围、降低频率复用系数提高频率利用率，通常采用的方法是小区分裂和扇 区化，随之而来的是干扰增加，原来被距离( 其实是借助路径损耗) 有效降低的c c i 和m a i 较大比例地增加了。但利用智能天线，借助有用信号和干扰信号在入射角 度上的差异，选择恰当的合并权值，形成正确的天线接收模式，即将主瓣对准有 用信号，低增益副瓣对准主要的干扰信号，从而可更有效地抑制干扰，更大比例 地降低频率复用因子( 比如在g s m 中使复用因子3 成为可能) ，和同时支持更多用 户( c d m a 中) 。从某种角度我们可将智能天线看作是更灵活、主瓣更窄的扇形天线。 智能天线的又一个好处是可减小多径效应，c d m a 中利用r a k e 接收机可对 时延差大于一个码片的多径进行分离和相干合并，而借助智能天线可以对时延不 可分但角度可分的多径进行进一步分离，从而更有效减小多径效应。 采用智能天线技术的主要目的是为了更有效地对抗移动通信信道，而时分、 码分多址系统的信道传输环境从本质上讲是一样的，所以除了具体算法上的差异 外，智能天线可广泛应用于各种时分、码分多址系统，包括已商用的第二代系统， 即是一种广泛适用的系统。 智能天线另一个可能的用途是进行紧急呼叫定位，并提供更高的定位精度， 因为在获得可用于定位的时延、强度等信息的同时，它还可获得波达角信息。 2 3 智能天线的分类 从结构上，智能天线可以分为两大类：多波束切换型智能天线【2 1 3j ( 如图2 1 所示) 和自适应型智能天线 2 】【3 【4 】( 如图2 2 所示) 。天线以多个高增益的动态窄波束 分别跟踪多个期望信号，来自窄波束以外的信号被抑制。但智能天线的波束跟踪 并不意味着一定要将高增益的窄波束指向期望用户的物理方向，事实上，在随机 多径信道上，移动用户的物理方向是难以确定的，特别是在发射台至接收机的直 射路径上存在阻挡物时，用户的物理方向并不一定是理想的波束方向。智能天线 波束跟踪的真正含义是在最佳路径方向形成高增益窄波束并跟踪最佳路径的变 化，充分利用信号的有效的发送功率以减小电磁干扰。 1 多波束切换型智能天线 多波束切换型智能天线具有有限数目的、固定的、预定义的方向图，通过阵 第二章智能天线基本理论概述 列天线技术在同一信道中利用多个波束同时给多个用户发送不同的信号，它从几 圈2 1多波柬切换型智能天线示意图 匝堑垂塑丑徊 x 1 _ 匝塑堕墅 圃 x 2 到 输出信号y ( t ) l ； 一 i l l ! 壅塑至堇塑卜徊 x m匹。 误差信号 + d ( t 一自适应算法卜 图2 2自适应型智能天线示意图 个预定义的、固定波束中选择其一，检测信号强度，当移动台越过扇区时，从一 个波束切换到另一个波束。在特定的方向上提高灵敏度从而提高通信容量和厦 量。 为保证多波束切换型智能天线共享同一信道的各移动用户只接收到发给自己 的信号而不发生串话，要求基站天线阵产生多个波束来分别照射不同用户，特别 地，在每个波束中发送的信息不同而且要互不干扰。 每个波束的方向是固定的，并且其宽度随着天线阵元数而变化。对于移动用 户，基站选择不同的对应波束，使接收的信号强度最大。但用户信号未必在固定 波束中心，当用户信号在波束边缘、干扰信号在波束的中央时，接收效果最差。 因此，与自适应型智能天线比较，它不能实现最佳的信号接收：由于扇形失真， 多波束切换型智能天线增益在方位角上不均匀分布：但它具有结构简单、不需要 判断用户信号方向( d o a ) 、实现的造价比较低等优势。现在工程上多采用多波束切 换型智能天线的方式。 2 自适应型智能天线 s智能天线葬法及其d s p 实现研究 自适应型智能天线是由天线阵和实时自适应信号接收处理器所组成的个闭 环反馈控制系统，它用反馈控制方法自动调整天线阵的方向图，使它在干扰方向 形成零陷，将干扰信号抵消，而且可以使有用信号得到加强，从而达到抗干扰的 目的。 自适应型智能天线前端通常采用4 1 6 天线阵元结构，相邻阵元问距一般取 为接收信号中心频率波长的1 2 。阵元问距过大，降低接收信号相关度；阵元间距 过小，将在方向图引起不必要的波瓣，因此，阵元半波长间距通常是优选的。 自适应型智能天线后端利用数字信号处理技术，根据某种准则，产生空f f l j 定 向波束，使天线主波束对准期望用户信号到达方向，对干扰信号到达方向形成零 陷，实现期望信号的最佳接收。采用m 个阵元的智能天线，理论上，天线阵的价 值是能产生m 倍的天线放大，可带来l o l g m 的s n r 改善。对相同的通信质量要 求，移动台的发射功率可以减小l o l g m 。这不但表明可以延长移动台电池寿命或可 以采用体积更小的电池，也意味着基站可以和信号微弱的用户建立正常的通信链 路。对基站发射而言，总功率被分配到m 个阵元，又由于采用d b f ( d i g i t a lb e a m f o r m i n g ) 可使所需总功率下降，因此，每个阵元通道的发射功率大大降低，进而 可使用低功率器件。 自适应型智能天线通过牺牲阵列天线的处理复杂度，获得了比多波束切换型 智能天线更好的系统性能。自适应型智能天线虽然从理论上讲可以达到最优，但 相对雨言各种算法均存在所需数据量大、计算量大、信道模型简单、收敛速度较 慢、在某些情况下甚至可能出现错误收敛等缺点，实际信道条件下当干扰较多、 多径严重，特别是信道快速时变时，很难对某一用户进行实时跟踪。但是，从长 远的观点和理论角度来看，自适应型智能天线能够实现系统的最佳性能，是未来 无线通信的理想目标。寻找快速、有效的自适应波束形成算法和开发高速数字信 号处理器是自适应型智能天线走向实用化的关键。本文中我们将主要研究自适应 型智能天线，在没有特殊说明的情况下，后文中所提到的智能天线均是指自适应 型智能天线。 2 4 智能天线系统的信号模型 5 】 一个任意的阵列天线结构如图2 3 所示。 假设信号从( 臼，) 方向入射到阵列天线上，一般地，我们把0 称为空间仰角， 而咖称为水平方位角。为简化分析，我们通常作如下假定： 1 ) 各阵元之问的间距足够小，这样当同一信号到达不同的阵元时，信号的振 第二章智能天线基本理论概述 幅不变： 2 1 阵元之间无互耦； 3 1 所有被天线阵接收的信号均为离散的平面波，且只有有限个信号i 4 1 入射信号的带宽远小于载波频率。 对于入射到阵列天线上的平面波而言，信号到达第矾个阵元与到达第一个阵 元( 在坐标原点处) 的相位差为 厶= 一女。0 = ( 。c o s b s i n 0 + y 。s i n 妒c o s o + z ，c o s 0 ) ( 2 - 1 ) 其中，= 2 形n 4 9 位4 # n n t ：，丑为载波波长。对于从( 目，妒) 方向入射的信号s ( f ) ， 经第m 个阵元接收后的输出信号为： 靠= g 。( 秽，) s ( t ) e - j - ( 2 2 ) 圈2 3 一个任葸f 勺三维阵列结构不葸幽 其中，g m ，妒) 为第m 个阵元的方向性函数。令口。徊，妒) = g ，( 以) g 一7 “ ( 2 - 3 ) 则第m 个阵元的输出可以表示为： 靠( f ) = 口，( 口，妒) s ( f ) ( 2 - 4 ) 对于一个m 元的阵列天线：我们把各阵元的输出记为向量的形式，有： x = 【 ( f ) ，x 。( ，) 】7 = s ( f ) 口( 目，) ( 2 - 5 ) 其中，a ( o ，) = 【口。( 口，) 7 * p 7 a 。( 日，) r 称为导向矢量。( 目，妒) 称为信号s ( f ) 的波达角 智能天线算法及其d s p 实现研究 ( d o a ) ，一般情况下，我们均假设日= 么，因此，就表示信号的波达角。 返【j 十有：= 。( f ) ，x ，o ) 】7 = 5 ( ，) d ( )( 2 - 6 ) 当育t ，个信号( f ) ，矗( f ) 分别从蛾，丸方向入射到个元的阵列天线上时，阵 d 列输出向量为： = 屯( r ) 口( 氟) ( 2 7 ) k = 1 考虑到背景噪声的存在，又有：x ( 2 - 8 ) 其中，( ，) ( 女= l ，1 ) 为加在各阵元上的背景噪声。令a = 【口( 谚) ，棚( 九) 】。， s ( f ) ： 丑( f ) ，s 。( f ) ，n = h ( f ) ，( f ) ，就得到了阵列信号处理中常用的接收信 号模型：x t ) = a s t ) + 我们通常把矩阵a 叫做阵列响应矩阵。 对每个阵元的输出进行加权，并设权向量为 矽= w i ，w 卅， 则加权后天线阵的输出为： y ( t ) = 矽7 x ( t ) 2 5 1 概述 2 , 5 移动信道特征分析 ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 移动无线信道的环境是非常恶劣的。信号在传输的过程中会遇到各种建筑物、 树木、车辆以及起伏的地形，引起能量的吸收和穿透以及电波的反射、散射和绕 射等。 在移动通信系统中，移动台发射的信号到达基站接收端时的信号是多个通过 频移、时延、相移和幅度衰落等变化的信号的叠加。下面我们具体分析一下移动 信道会对接收信号产生怎样的影响。 1 多普勒频移 当移动台在运动中通信时，接收信号频率会发生变化，这种现象称为多普勒 效应，这是任何波动过程都具有的特性。多普勒效应所引起的附加频移称为多普 勒频移( d o p p l e rs h i f t ) ，可以用下式表示： 厂，、= 2 c o s a( 2 1 2 ) 。h + 、j俄，l“ 。h 第二章智能天线基本理论概述 其中，盘是入射波与移动台运动方向的夹角，v 是运动速度，a 是波氏。 2 多径衰落 陆地移动信道的主要特征是多径传播。由移动台发射的信号并不是通过单一 的一条路径到达基站的，而是许多路径来的众多反射波的合成。由于电波通过各 个路径的距离不同，因而各条路径来的反射波到达时间不同，相位也就不同。不 同相位的多个信号在接收端叠加，时而同相叠加而增强，时而反相叠加而减弱。 这样接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。这种衰落是由于多径现象而引 起的，称为多径衰落。也叫快衰落。 多径衰落的影响可以从空域、时域和频域三个方面来描述与测量。 首先从空域看，沿移动台运动方向，接收信号的幅度随距离变化呈现衰减。 其包络呈现较快的幅度变化。大量的实测数据及数学分析的结果表明，由多径引 起的接收信号包络变化服从瑞利分布，其相位变化服从( 0 口2 行) 上的均匀分布。 pr 2 只( ，) = e x p ( - ：j ) ( 2 1 3 ) o厶。 其次，从时域看，由于各个路径的长度不同，因而信号到达时问就不相同。 这样，若从基站发射一个脉冲信号，则移动台所接收的信号中不但包含该脉冲， 还包含它的各个迟延信号的脉冲。这种由于多径效应引起的接收信号中脉冲宽度 扩展的现象，称为时延扩展( t i m ed e l a y s p r e a d ) 。时延扩展可以直观地理解为在一 串接收脉冲中，最大传输时延与最小传输时延的差值，通常用来表示。 在数字传输中，由于时延扩展，接收信号中一个码元的波形会扩展到其它码 元周期中。时延扩展将引起码间干扰( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n e c ) ，严重影响数字信号 的传输质量。为了避免码间干扰，应使码元周期大于多径效应引起的时延扩展， 或者，等效地说码元速率凤小于时延扩展的倒数。 见 1 a( 2 1 4 ) 最后，从频域来考察。有一个和时延扩展相关的重要概念，即相关带宽。相 关带宽表征信号中两个频率分量基本相关的频率间隔。实际上，相关带宽是对移 动信道传输具有一定带宽信号的能力的统计度量。当信号通过移动信道时，会引 起多径衰落。信号中不同的频率分量的衰落是否相同呢? 这个问题的答寨对于不 同的信道和不同的信号是不一样的。根据衰落与频率的关系，可将衰落分为两种： 频率选择性衰落和非频率选择性衰落，后者又称平坦衰落。 所谓频率选择性衰落是指信号中各分量的衰落状况与频率有关，即传输信道 对信号中不同频率成分有不同的随机响应，由于信号中不同频率分量衰落不一致， 所以衰落信号波形将产生失真。所谓非频率选择性衰落是指信号中各分量的衰落 状况与频率无关，即信号经传输后，各频率分量所遭受的衰落具有一致性，因而 智能天线算法及其d s p 实现研究 衰落信号的波形不失真。 对于移动信道来说，存在一个相关带宽。当信号的带宽小于相关带宽时，发 生非频率选择性衰落；当信号带宽大于相关带宽时，发生频率选择性衰落。 频率选择性衰落信道在一定范围内满足以下两点假设： a 在若干码元期间衰落的统计特性可认为对于时间t 是近似平稳的； b 环境对电波的散射是连续且不相关的，也就是电波到达角度与传播时延是 统计独立的变量。 满足以上两点的信道又称为广义平稳非相关散射信道 6 ( w s s l t s ，w i d es e n s e s t a t i o n a r yu n c o r r e l a t e ds c a a e f i n g ) 。 3 慢衰落 馒衰落是接收天线处的场强中值随移动台运动时周围地形、建筑物等的变化 而出现的波动，其变化速率较为缓慢。阴影衰落就是一种慢衰落。当移动台在运 动中通过不同障碍物的阴影时，就构成接收天线处场强中值的变化，从而引起阴 影衰落。 慢衰落相对于快衰落而言是宏观变化，是以较大的空间尺度来度量的。而快 衰落是微观变化，在较小的空间尺度内信号幅度会发生急剧变化。 慢衰落的衰落速率与频率无关，这一点与快衰落不同。慢衰落主要决定于传 播环境。慢衰落的深度，即接收信号局部中值电平变化的幅度取决于信号频率与 障碍物状况。频率较高的信号比频率较低的信号容易穿透建筑物，丽频率较低的 信号比频率较高的信号具有较强的绕射能力。 对实际数据的统计分析表明，慢衰落信号的局部均值近似服从对数正态分布。 2 5 2 矢量信道冲击响应模型 如前所述，陆地移动信道的主要特征是由于多径传播所引起的快衰落与时延 扩展和由于移动台而引起的多普勒频移。它是一种频率选择性衰落信道。为了能 比较准确地接述这种信道，研究分析这种无线信道的特征，我们采用矢量信道冲 击响应( v e c t o rc h a n n e li m p u l s er e s p o n s e ) 这一工具来建立分析模型。 在矢量信道冲击响应模型中，信道被离散化进行分析。每一个多径分离被看 作是具有一个离散的时延由一个离散的方向入射的平面波，用矢量信道冲击响应 可以描述为： l “ - i h k ( f ，r ) = d ( 以，) 口“( f ) j ( f o ，( f ) ) ( 2 1 5 ) 第二章智能天线基本理论概述 其中，h k ( t ，r ) 表示第k 个用户的矢量信道冲击响应，l a t ) 代表第k 个用户共有 条多径分量，0 ，) 、q 舟) 、n ( 戎，) 分别代表第七个用户的第j 条多径分量 的时延、复包络和波达方向矢量。其中，吼，( f ) 可以具体写成下面的形式： 吼) = 反，p 2 8 如” ( 2 _ 1 6 ) 其中，成r 。和帆，分别代表第七个用户的第z 条多径分量的路径损耗，多普勒 频移和相移。一般情况下，这些变量都随时间、用户位置及用户移动速度的变化 而变化。 如果，第r 个用户的信号用& ( f ) 来表示，经过矢量信道冲击响应为k ( f ，r ) 信 道的传输到达接收端的信号u k ( t ) 可阻表示为下式【7 】： “i i t ) = 【“i o i t ) ，“o ) ，“i 一l ( ) 】7 = & ( f ) + 吃( ，f ) ( 2 1 7 ) 工l - i = 艺口( 蛾，) 吼，( f ) ( f o ) 如果某个特定用户的各个多径分量的路径时延相对于用户信号一个码片的时 间宽度来说比较小，可以近似地认为0 ，= 0 ，所以上式可以改写为： 上- 1 ( f ) = 矗。一k ，。) d ( 欢) 吒，( f ) + 弹( f ) = s k ( t t ，) b k i t ) ( 2 1 8 ) ，o 阢( f ) = 艺口( 唬，玩，( f ) = 以魄，) 局e 且2 蜗一“， ( 2 t 9 ) ，t 0，- 0 在上式中，魂( t ) 被称作第k 个用户的空间签名( s p a t i a ls i g n a t u r e ) 。请注意，这 里的玩( f ) 代表的是一种乘性信道，而不是一种卷积信道。如果信道是频率选择性 衰落信道，即多径时延接近或超过了个码片的时间宽度。则必须使用最基本的 矢量信道冲击响应模型。 一般地，在一个有x 个用户的实际系统中，考虑了无线信道的响应和接收机 本身引入的加性高斯白噪声的影响后，阵列天线接收端信号“似可以表示为： r ik - i 厶- i u ( t ) = z u 女( f ) + n ( f ) = n 慨，) a k j ( f _ g k 抄h ( f ) ( 2 2 0 ) 智能天线算法及其d s p 实现研究 2 6 本章小结 本章，作者首先阐述了智能天线的基本概念和基本理论。从智能天线的实现 原理、应用、分类等不同方面阐述了智能天线的基本概念。然后对智能天线的信 号模型、移动信道的特征进行了详尽的分析。通过这一章的简要介绍，使读者对 智能天线有一个宏观的概要的认识。我们知道，智能天线技术研究的核心是自适 应算法，因为它决定着天线阵瞬态响应的速度和电路的复杂程度。在下一章中， 作者将对自适应波束形成的基本准则及常规波束形成算法进行详细地阐述。 第三章自适应波束形成算法 第三章自适应波束形成算法 3 1 自适应波束形成的基本理论 自适应波束形成最早出现在声纳和雷达系统中【4 】 8 】，1 9 6 5 年，a p p l e b a u m 提 出了完全自适应阵列的概念，并提出了基于最大信噪比准则的算法，接着，w i d r o w 和h o f f 提出了利用最小均方误差的算法，在一定条件下，该算法可以获得良好的 性能。虽然表面上看最大信噪比算法和最小均方误差算法是两种完全不同的方法， 但已有文献证明，对于稳定的信号，它们均收敛于维纳解。后来，c a p o n 提出了最 大似然方法，r e e d 等学者又提出了直接对样本相关矩阵求逆的方法，该方法能够 快速收敛，但是计算量极大。自适应波束形成技术经过了几十年的发展，已经逐 渐走向成熟，鉴于已有许多文献专著专门来介绍波束形成的基本原理和概念，这 里，我们着重介绍一些最基本的波束形成准则和算法。一般来说，这些准则包括： 最小均方误差准则、最大信噪比准则和最小方差准贝l j 4 1 。 1 最小均方误差准则( m m s e ) 顾名思义，最小均方误差准则就是使估计误差的均方值最小化，具体地说， 就是使阵列输出) ，o ) = w 7 x ( o 与参考信号d o ) 的均方误差最小，即使： e ( e 2 ( f ) ) = e 【d ( f ) 一w r o ) 】2( 3 1 ) 最小化，把上式展开得： e ( s 2 ( f ) ) = e m ( f ) 】2 2 w r + w 7 r w( 3 - 2 ) 其中，r = e ( d ( f ) x ( f ) ) ，r = e ( x x