（通信与信息系统专业论文）智能天线定位系统实验平台的设计.pdf

， ， 。，、一 2 t at h e s i sf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ri nt e l e c o m m u n i c a t i o n sa n di n f o r m a t i o n s y s t e m s 一 v f 0 t h e d e s i g no f s m a r ta n t e n n al o c a t i o ns y s t e m e x p e r i m e n t platformperlmentt l a t l o r m b yx i et a o s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw a n gj i n k u a n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 1 1 i 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 学位论文作者签名：衡礴 日期：3 - 0 1 7 孑年j 周3 口 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名：谢游 签字日期：2 唧孑年3 用、j 目 导师签名：1 也妙 签字日期：潮i - ， 1 东北大学硕士学位论文 摘要 智能天线定位系统实验平台的设计 摘要 智能天线技术是第三代移动通信系统的关键技术之一，也是现在国内外热门的研 究课题。在无线通信系统中采用智能天线技术，实际上是通过数字信号处理，使天线 阵为每个用户自适应地进行波束赋形，相当于为每个用户形成了一个可跟踪它的高增 益天线，从而可以进行全方位通信，也可以用较小的发射功率覆盖相同的范围以及提 高系统容量和业务质量、降低用户间的码间干扰和多址干扰。智能天线引入空分多址 的概念，通过用户空间位置的差异对其进行分离。因此各用户的d o a ( d i r e c t i o no f a r r i v a l ) 作为反映用户空间位置的重要参量在智能天线中扮演着非常重要的角色。 本文深入分析了阵列信号的特点以及如何使用d o a 估计方法进行阵列信号的定 位，设计了一个智能天线定位系统的硬件实验平台，该平台由a d 6 6 4 0 、h s p 5 0 2 1 4 b 和a d 9 8 5 1 构成的数据采集模块进行采集数据，d s p 6 4 1 6 进行算法运算处理，p c i 接 口实现该平台与电脑进行数据传输，本文主要进行后端的数据处理模块的设计和开发。 为了能够使整个定位系统具有高精度算法验证功能，本文在设计过程中考虑了很多措 施来确保平台的稳定性及高频环境下的抗干扰能力，包括掌握d s p 6 4 1 6 的工作特点， 其与外设的接口设计，d s p 的中断服务，程序的设计包括与扩展存储器的接口程序设 计。研究并分析了d o a 估计算法的性能，最后在计算机上运行了m u s i c ( 多重信号分 类) 算法，来验证了该硬件平台的设计功能。 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；d s p ；p c i ；m u s i c ；d o a i i ， t h ed e s i g no fs m a r ta n t e n n al o c a t i o ns y s t e me x p e r i m e n t p l a t f o r m a bs t r a c t t h es m a r ta n t e n n ai so n eo fk e yt e c h n i q u ei nt h et h i r dg e n e r a t i o ns y s t e m a n di th a s b e e nt h ep r e s e n tf o c u s e si ns i g n a lp r o c e s s i n gf i e l d t h es m a r ta n t e n n a ，w h i c hi sa d a p t e di n w i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，i nf a c tf o r m sa na n t e n n aw i t hah i g hg a i n t h u s c o m m u n i c a t i o ni na l ld i r e c t i o n sc a nb ec o n d u c t e d ，t h e nb a s es t a t i o na n t e n n ac o v e r a g e ， s y s t e mc a p a c i t ya n ds e r v i c eq u a l i t y a r ei m p r o v e d ，a l s oi n t e r - s y m b o li n t e r f e r e sa n d m u f t i a c c e s si n t e r f e r e a r er e d u c e d t h es p a c ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( s d m a ) i s i n t r o d u c e d ，a n du s e r sc a nb ed i s t i n c tf r o me a c ho t h e rt h r o u g ht h e i rs p e c i a ll o c a t i o n s ot h e 十doao fu s e r sp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei ns m a r ta n t e n n as y s t e m s i nt h i sp a p e r , a n a l y z et h es p e c i a l t yo fa r r a ys i g n a ld e e p l ya n dh o wt ou s ed o a e s t i m a t i o nt ol o c a t et h ea r r a ys i g n a l ah a r dw a r ep l a t f o r mf o rs m a r ta n t e n n ai sd e s i g n e d t h i sp l a t f o r mi sc o n d u c t e db ya d 6 6 4 0 ，h s p 5 0 214 ba n da d 9 8 5 1f o r m e dd a t aa c q u i s i t i o n f o rd a t ac o l l e c t i o n ，t h ed s p 6 416p r o c e s s o ra l g o r i t h m s ，p c ii n t e r f a c ew i t ht h ec o m p u t e r p l a t f o r mf o rd a t at r a n s m i s s i o n t h et h e s i sc a r r i e so u tb a c kd a t ap r o c e s sm o d u l e i no r d e r t o e n s u r et h ee n t i r el o c a t i n gp l a t f o r mh a sh i g hp r e c i s i o na l g o r i t h mt e s tf u n c t i o n ，i nt h ec o u r s e o fd e s i g n i n g ，t h i n k i n ga b o u tm a n ym e a s u r e st oe n s u r ep l a t f o r m ss t a b i l i t ya n dl o w e rh i g h f r e q u e n c ye n v i r o n m e n ta n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t y , i n c l u d i n gg r a p p i n gt h ej o bc h a r a c t e r i s t i co f d s p 6 416 ；t h ed e s i g no fd s p 6 416c o n n e c t i o nw i t hp e r i p h e r a li n t e r f a c e ；d s pi n t e r r u p t i o n s e r v i c e ；t h ed e s i g no fe x p a n s i o nm e m o r yi n t e r f a c ep r o g r a m m i n g r e s e a r c ha n da n a l y z et h e p e r f o r m a n c eo fd o a e s t i m a t i o na l g o r i t h m r u nt h em u s i c ( t h em u l t i p l es i g n a lc l a s s i f i e s ) a l g o r i t h mo nc o m p u t e rf i n a l l yt ov e r i f i e dt h ef u n c t i o no ft h eh a r d w a r ep l a t f o r m 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 sag o o dg u i d et ot h e o r ys t u d yi nt h e f u t u r e k e y w o r d s ：s m a r ta n t e n n a ；d s p ；p c i ；m u s i c ；d o a l 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 研究的背景及发展现状1 1 2 智能天线技术的主要优点2 1 3 主要的研究方向4 1 4 本论文研究的主要内容7 第二章智能天线技术9 2 1 智能天线的结构。9 2 1 1 等距线阵1 0 2 1 2 均匀圆阵10 2 1 3 阵列信号处理的统计模型11 2 2 波达方向( d o a ) 估计的基本原理1 2 2 3 智能天线的分类1 3 2 3 1 空间分集接收1 3 2 3 2 波束切换天线1 4 2 3 - 3 自适应天线阵列1 4 2 4 发射波束形成15 2 5 利用波束形成和d o a 估计实现空分复用1 7 2 6 定位和测向的应用1 7 2 7 小结18 第三章基于阵列天线的定位技术2 1 3 1 引言2 l 3 2 阵列接收信号的特点2 l 3 2 1 阵列天线窄带信号的调制与解调2 3 3 2 2 阵列信号模型及空间采样2 3 3 3 基于d o a 估计定位的关键问题2 5 东北大学硕士学位论文目录 3 4 基于d o a 估计的定位算法2 6 3 5 小结2 9 一 第四章定位平台总体设计31 4 1 引言31 4 2 定位平台系统结构31 4 3 系统接收模块设计3 3 4 4 数据采集与传输模块3 3 4 4 1 模数转换器3 4 、 4 4 2 数字下变频器3 6 4 4 - 3 直接数字频率合成器d d s 3 7 4 5 数字信号处理模块4 0 4 6 小结4 6 第五章波达方 h j ( d o a ) 估计算法4 7 5 1 引言4 7 5 2 经典波束形成器法4 7 ， 5 2 1b a r t l e t t 波束形成器4 9 5 2 2c a p o n 波束形成器4 9 5 3 最大似然法5 0 5 3 1 确定性最大似然法5 0 5 3 2 随机性最大似然法5 1 5 4d o a 估计的子空间法。5 2 5 4 1m u s i c 算法5 2 5 4 2m u s i c 改进算法5 4 5 4 3e s p r i t 算法。5 5 5 5 无线定位方法5 7 5 6 计算机仿真6 0 5 7 小结6 2 第六章结论6 3 参考文献6 5 。 致谢6 9 v 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 研究的背景及发展现状 基站阵列天线最优波束形成技术和自适应信号处理技术是第三代移动通信系统的 关键技术之一。欧、日、美等国都非常重视智能天线技术在未来移动通信方案中的地 位与作用，并开展了大量的理论分析研究，同时也建立了一些技术试验平台。 欧洲通信委员会( c e c ) 在r a c e ( r e s e a r c hi na d v a n c e dc o m m u n i c a t i o ne u r o p e ) 计划 中实施了第一阶段智能天线技术研究，由德国、英国、丹麦和西班牙合作完成。项目 组在d e c t 基站基础上构造智能天线试验模型，于1 9 9 5 年初开始现场试验，天线由 八个阵元组成，射频工作频率为1 8 9 g h z ，阵元间距可调，阵元分布分别有直线型、 圆环型和平面型三种形式。模型用数字波束成形的方法实现智能天线。欧洲通信委员 会准备在a c t s ( a d v a n c e dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa n ds e r v i c e s ) 计划中继续进行第 二阶段智能天线技术研究，具体问题集中于以下方面：最优波束形成算法、系统协议 研究与系统性能评估、多用户检测与自适应天线结构，时空信道特性估计及微蜂窝优 化与现场试验。 日本a t r 光电通信研究所研制了基于波束空间处理方式的多波束智能天线。天线 阵元布局为间距半波长的1 6 阵元平面方阵，射频工作频率是1 5 4 5 g h z 。阵元组件接 收信号在模数变换后，进行快速付氏变换( f f t ) 处理，形成正交波束后，分别采用恒模 ( c m a ) 算法或最大比值合并分集算法。天线数字信号处理部分由1 0 片f p g a 完成。 野外移动试验确认了采用c m a 算法的多波束天线功能。理论分析及实验证明使 用最大比值合并算法( m r c ) 可以提高多波束天线在波束交叉部分的增益。上述两种方 案在所形成波束内，选用最大电平接收信号，不用判别用户信号到达方向及反馈控制 机构等硬件跟踪装置。 a t r 研究人员同时也提出了基于智能天线的软件天线概念。根据用户所处环境不 同，影响系统性能的主要因素( 如噪声、同信道干扰或符号间干扰) 也不同，利用软 件方法实现不同环境应用不问算法。比如当噪声是主要因素时，则使用多波束最大比 值合并( m r c ) 算法，而当同信道干扰是主要因素时则使用多波束c m a 算法。利用 f p g a 实现实时天线配置，完成智能处理。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 美国德州大学奥斯汀s d m a 小组建立了一套智能天线试验环境，着手理论与实际 系统相结合。a t & t 公司采用带功率控制的开关多波束天线组成智能天线，在1 9g h z 频段上进行了实验。加拿大m e - - m a s t e r 大学研究开发了4 元阵列天线，采用c m a 算 法。美国a r r a y c o m m 公司和中国邮电电信科学研究院信威公司研制出应用于无线本 地环路( w l l ) 智能天线系统。a r r a y c o m m 产品采用可变阵元配置，有1 2 元和4 元环 形自适应阵列可供不同环境选用。在日本进行的现场实验表明，在p h s 基站采用该技 术可以使系统容量提高四倍。信威公司智能天线采用八阵元环形自适应阵列，射频工 作于1 7 8 5 m h z - 1 8 0 5 m h z ，采用t d d 双工方式，收发间隔1 0 m s ，接收机灵敏度最 大可提高9 d b 。 1 9 9 8 年中国邮电电子科学技术研究院代表我国电信主管部门向国际电联提交的 t d dc d m a 建议和现在成为国际第三代移动通信标准之一的c d m at d d 技术( 低码 片速率选项) ，就是第一次提出以智能天线为核心技术的c d m a 通信系统，在国内外 获得了广泛的认可和支持，并以此制定了相关标准。 在国内一些大学和研究结构，如清华大学、西安交大、中国科技大学、西安电子 科技大学、北方交通大学、北京邮电大学、电信科学技术研究院等相继开展了智能天 线的理论研究。一些大的电信设备生产企业如大唐电信、华为、中兴科技等也投入了 很多的人力物力进行研发；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。 1 2 智能天线技术的主要优点 无线移动通信的信道传输环境具有复杂性和不确定性，存在多径衰落和时延扩展， 造成了符号间串扰( i s i ) 、同信道干扰( c c i ) 、多址干扰( m a i ) 等，这些干扰降低了链路 性能和系统容量。通过采用均衡、码匹配滤波、r a k e 接收、信道编译码等技术都可 以对抗或者减小这几种干扰。这些技术利用信号的时域或频域信息，但实际上有用信 号的时延样本( d e l a yv e r s i o n ) 和干扰信号在时域或频域存在差异时，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 ) 上也存在差异。利用智能天线技术就可以解决这个的问题 它可将无线电信号导向具体的方向，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抵 消或抑制干扰信号的目的。同时，利用各个移动用户间信号空间特征的差异，通过阵 列天线技术在同一信道上接收和发射多个移动用户信号而不发生相互干扰，使无线电 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 频谱的利用和信号的传输更为有效。在不增加系统复杂度的情况下，使用智能天线可 满足服务质量和网络扩容的需，它使通信资源不再局限于时间域、频率域或码域而拓 展到了空间域。因此可以把智能天线看作实现s d m a ( s p a t i a ld i v i s i o nm u l t ia c c e s s ) 的关键技术。 智能天线可以在以下方面提高移动通信系统的性能： ( 1 ) 智能天线通过增加覆盖距离，达到增加覆盖范围的目的。 在基站和手机用户发射功率不变的情况下，智能天线可以通过增加基站天线的增 益而增加覆盖距离。上行时基站接收到的移动台功率为： e = 只+ g ：+ g 6 一p l ( 1 1 ) 式中，e 是基站接收到的功率，只是用户的发射功率，g 是用户端的天线增益，g 是 基站的天线增益。在上行链路中，如果基站要求的接收功率为p 。，通过提高基站的增 益g ，链路可以容许更大的路径损耗p l ，这样可以增加基站的接收距离d 。与传统天 线相比，智能天线系统能提供更大的增益，因而能提供小区距离扩展能力。 ( 2 ) 距离扩展可以减少无线系统安装的初期建设费用 在初期建设阶段，为满足覆盖范围的要求，尽管还没有用户收入的支持，也必须 安装一些基站以覆盖关键地带。随着更多用户的加入到蜂窝网络中，减少基站的覆盖 范围，增加额外的小区，可以提高系统容量。智能天线可以通过增加初期蜂窝覆盖面 积而缓解这个问题。但计算智能天线系统的成本收益时，必须考虑用智能天线取代传 统天线的附加费用。 ( 3 ) 智能天线为非理想情况下的系统扰动和灵敏度降低提供有力的保护 c d m a 系统需要功率控制保证到达基站的所有信号大致具有相同的功率电平。智 能天线有助于将不同用户的上行信号隔离开，从而降低功率控制的要求或缓和非理想 功率控制的影响。c d m a 无线系统还对用户的地面分布特别敏感。智能天线可以调整 方向图，以覆盖用户密度暂时很高的热点地区。 ( 4 ) 多径处理可以改善链路质量 无线信道中的多径效应导致信号的衰落和时间扩散，智能天线有助于缓和多径效 应的冲击，甚至可以利用多径所固有的分集效应。 ( 5 ) 智能天线能提高系统容量 利用空分多址技术可以减少信号之间干扰，提高频谱利用效率，增加系统容量。 采用智能天线技术以后，由于天线波束变窄，提高了天线增益及c i 指标，减少了移 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 动通信系统间的频率干扰，降低了频率复用系数，提高了频谱利用效率，改善系统覆 盖质量，扩大系统容量，增强现有移动通信网络基础设施的性能。 ( 6 ) 抗衰落 在移动通信中，电波传播路径由反射、折射及散射的多径波组成，随着移动台移 动及环境变化，信号瞬时值及延迟失真的变化非常迅速，且不规则，造成信号衰落。 采用全向天线接收所有方向的信号，或采用定向天线接收某个固定方向的信号，都会 因衰落使信号失真较大。采用智能天线控制信号接收方向，天线自适应地构成波束的 方向性，使得延迟波方向的增益最小，减小信号衰落的影响。 ( 7 ) 抗干扰 抗干扰应用的实质是空间域滤波。由于智能天线波束具有方向性，可区别不同入 射角的无线电波，调整控制天线阵单元的激励“权值”，以便可以自适应电波传播环境 的变化，优化天线阵列方向图，将其“零点”自动对准干扰方向，大大提高阵列的输出 信噪比，提高系统可靠性。 ( 8 ) 实现移动台定位 目前蜂窝移动通信系统只能确定移动台所处的小区。如果增加定位业务，则可随 时确定持机者所处位置，不但给用户和网络管理者提供很大方便，还可开发出更多的 新业务。在移动通信中，如果基站采用智能天线阵，一旦收到信号，就对每个天线阵 元所连的接收机产生的响应作相应处理，获得该信号的空间特征矢量及矩阵，由此获 得信号的功率估值和到达方向，这样就可以得到移动用户终端的方位；不同于常规的 扇区天线和天线分集方法，智能天线可以为每个用户提供一个窄的定向波束，使信号 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。 1 3 主要的研究方向 自适应信号处理技术【l 】引入移动通信领域，很快形成了一个新的研究热点一智能 天线( s m a r ta n t e n n a s ) 。阵列信号处理作为信号处理的一个重要分支，在通信、雷达、 声纳、地震勘探、射电天文等众多领域里得到了广泛的应用和迅速的发展。 阵列信号处理是将多个传感器设置在空间的不同位置组成传感器阵列，并利用这 一阵列对空间信号场进行接收和处理，目的是提取阵列所接受的信号及其特征信息， 同时抑制干扰和噪声或不感兴趣的信息。阵列信号处理与一般的信号处理方式不同， 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 因为其阵列为按一定方式布置在空间不同位置上的传感器组，主要是利用信号的空域 。 特性来增强信号及有效提取信号空域信息，因此阵列信号处理也称为空域信号处理。 阵列信号处理主要的两个研究方向是自适应空域滤波( 自适应阵列处理) 和空间 谱估计，其主要应用于： ( 1 ) 信号定位，即确定阵列得到信号的仰角和方位角，甚至距离。 ( 2 ) 信源分离，确定各个信源发射的信号波形。 ( 3 ) 信道估计，确定信源与阵列间的传输信道参数。 f 与自适应阵列处理技术不同，空间谱估计技术侧重于研究空间多传感器阵列所构 成的处理系统对感兴趣的空间信号的多种参数进行准确估计的能力，其主要目的是估 计信号的空域参数或信源位置。理论上，该技术可以极大的改善在系统处理宽带内空 间的角度估计精度、角度分辨力及其他相关参数精度。在空间谱估计技术的发展过程 中，相关的理论与算法或针对不同角度的相关研究工作主要分布在以下几个方面【2 】： 。( 1 ) 信号源个数的估计 信号源个数的估计是空间谱估计中的一个重要问题。在常用的阵列测向算法中， 。 一般认为信号源个数是先验参数，这与实际是不符合。在实际中为了准确估计信号源 的方向，事先必须估计信号源个数，所以信号源个数的估计是空间谱估计的一个重要 环节。目前常用的信号源个数估计方法有假设检验法【3 1 、基于信息论准则方法【4 1 、广 义似然比方法【5 1 、最大后验概率方法【6 1 、针对相干信号源的信源个数估计【7 1 、基于模型 的信号源个数检测【8 】等。 ( 2 ) 相干信号源的空间谱估计 在实际的环境中，由于多径传播等因素的影响，存在大量相干信号源。然而对于 一般的d o a 估计算法，由于相干信号源信号子空间与噪声自空间相互渗透，故不能 - 对相干信号源进行有效分辨或测向。因此，相干信号源的估计始终是热点问题。目前， 对相干信号源的处理方法一般有以下几类：空间平滑类，如空间平滑算法、修正的空 间平滑算法；矩阵重构算法，如矩阵分解法、奇异值分解法：非降维算法，如子空间 拟和算法、t o e p l i t z 法【9 】等。 。 ( 3 ) 子空间迭代与跟踪法 子空间的迭代与跟踪是实际环境中d o a 估计需要解决的两个重要问题。目前这 一方面的研究内容主要有：直接从静态过程扩展到非静态过程的算法，如特征子空间 算法的推广、幂迭代等；有关秩l 的矩阵算法，如r o s a 算法【1 、p a s t 算法【1 2 】； 东北大学硕士学位论文第一章绪论 一类带约束的最优化问题，如梯度算法【1 3 】、高斯牛顿算法【1 4 】、共轭梯度法【1 5 1 等。 ( 4 ) 特殊信号的空间谱估计 特殊信号是指信号是循环平稳的、宽带的或是满足一定统计分布的，此时空间谱 估计算法可以利用信号源的特性与特殊结构来改善估计性能。宽带信号是在雷达、声 纳或通信中常遇到的一类特殊信号。对宽带信号的处理的方法很多，如f f t 类算法【1 6 】、 聚焦变换【1 7 】、基于波束空间的变换【1 8 】等。 ( 5 ) 模型未知或存在误差时的d o a 估计 在通常的d o a 估计中是基于理想情况下进行的，但在工程应用场合中各种各样 的误差不可避免。因此，在实际模型中与假设模型不相符合或偏差过大时，许多基于 理想模型基础的d o a 算法的性能将严重下降，因而必须采取补偿或误差校正措施。 工程应用时的误差基本分为三类：优先数据长度快拍；不能先验已知或精确估计噪声 协方差矩阵；导向矢量或阵列流型存在误差。在一般应用中，考虑有限长度数据对噪 声是色噪声或满足一定模型的色噪声。 ( 6 ) 特殊阵列的空间谱估计问题 在一些应用场合，对阵列的安置具有特殊性，因此阵列型或可能是非均匀线阵、 圆阵、稀布阵等。特殊结构通常要研究一些特殊的处理算法，如针对圆阵的模式空间 变换法、针对非均匀阵列的设置方法【1 9 】等。不同的应用背景会用到不同的特殊阵列， 从而解决类似圆阵中解相关的难题。 ( 7 ) 现代信号处理方法子空间谱估计中的应用 现代信号处理技术在空间谱估计中的应用已成为空间谱估计技术新的发展方向。 空间谱估计中特别是多维估计的谱峰搜索中花费较多的时间，而遗传算法在谱峰搜索 方面有许多优点。利用高阶累积量可以对高斯噪声进行抑制，从而提高传统高分辨算 法性能，但这类算法目前还不够完善，有待于进一步的研究。 ( 8 ) 多维空间谱估计的问题 多维空间谱估计问题是更加贴近实际的问题，如空间目标的方位和俯仰角联合估 计的问题、多普勒频率与角度联合估计问题、频率和角度估计问题等。在多维问题的 一个重要研究方向是空时二维谱估计问题，充分利用时域信息来提高参数估计的性能。 ( 9 ) 空间谱估计技术实用化问题 人们对估计算法进行了大量的研究，在完善理论的研究的同时，对算法的应用的 问题，尤其是实用化问题也进行了大量的研究。这一部分涉及算法本身、算法结构、 6 东北大学硕士学位论文第一章绪论 算法实现及误差条件下的估计等，突出的特点是算法的可实现性和结构，虽然常规的 一维空域处理算法可实现性比较好，但算法稳定性和鲁棒性差，而拟合算法鲁棒性和 稳定性较强，但其运算量较大。 ( 1 0 ) 空间谱估计算法在其他领域的推广 由于空间谱估计算法具有良好的超分辨能力，从而被广泛应用到其他信号估计领 。 域，如信号的频率估计、信号的时延及信号的极化估计等。 随着移动通信的发展及对移动通信电波传播、组网技术、天线理论等方面研究的 深入，以及现代数字信号处理技术的迅速发展，数字信号处理芯片处理能力的不断提 高，使得利用数字技术在基带形成天线波束，提高天线系统的可靠性与灵活程度成为 可能。 1 4 本论文研究的主要内容 随着移动通信业务的发展，人们对它的工作质量提出了更高的要求。在第三代移 动通信中，为了提高频谱利用率、增加系统容量、扩大基站覆盖范围、改善通信质量， 、 以及减小电磁污染等目的，提出了智能天线的概念。根据己有的报道，智能天线可以 明显改善系统的通信质量，智能天线已经成为移动通信研究的热点之一。 本文主要工作： 第一章主要介绍了智能天线的发展现状及主要优点。 第二章主要讨论了智能天线阵列的信号处理模型，智能天线的分类，以及定位测 向的应用。 第三章分析了阵列信号的特点，说明了如何利用阵列接收信号的特点实现d o a 估计和定位。 。第四章根据智能天线实验平台的定位要求以及系统参数要求，提出了总体框架的 设计方案，进而再通过分析每个模块的系统设计要求之后，又设计出了理想的基于智 t 能天线的定位实验平台的设计方案，并给出了具体的每个模块之间的硬件连接以及详 细的电路设计。 第五章研究了智能天线定位当中的核心算法，即波达方向估计算法，比较了各个 算法在测向系统当中的性能，通过比较几种定位方法之后最终选择了适合本实验平台 的方法，最后由计算机仿真出将在系统中使用的m u s i c 算法的仿真结果。 第六章总结了前几章的研究成果，对本文所做的工作加以总结，并指出整个平台 7 东北大学硕士学位论文第一章绪论 设计有待改进的地方。 8 一 ， 东北大学硕士学位论文第二章智能天线技术 第二章智能天线技术 由于移动用户数的不断增长，必然导致通信资源的匮乏。智能天线技术由于其自 身的特点，为无线通信的发展提供了广阔的前景。 在移动通信中，无线定位技术是利用无线信号来判定某一半径范围内无线信号发 射终端物理位置的一种方法。采用无线定位方法，可以确定移动通信网络中移动终端 的物理位置。与g p s 定位相比，网络无线定位对数量巨大的移动终端无需做任何改动， 仅对基站增加一些设备就可以为用户提供很好的服务。d o a 估计技术作为第三代移动 通信的关键技术之一，在无线通信中起着重要的作用。在智能天线中，对于时分双工 ( t d d ) 系统，上、下行的频率相同，可以直接通过上行信号的空间特征估计形成下行 波束；然而在频分双i ( f d d ) 系统中，上、下行频率不同，d o a 是上下行联系的纽带， 是下行波束形成的唯一依据。 2 1 智能天线的结构 基站一般使用的是全方向或方向固定的扇形天线，当它们向用户发射信号时，发 射功率的绝大多数是被浪费了，并且这些浪费的功率对其他用户的信号产生干扰。图 2 1 表示了智能天线的组成【2 0 1 。 波前 a t ) 图2 1 智能大线组成不意图 f i g 2 1t h ec o m p o s i t i o no fs m a r ta n t e n n a sb l o c kd i a g r a m 智能天线能够根据信道情况自适应变化，对天线输出进行加权处理，使整个链路 性能达到最优化。智能天线的“天线”不仅是指将传统的电磁波转化为无线频率信号， 或反之将无线信号转化为电磁波的器件；还包括合成模式网，由若干个线性时变滤波 9 东北大学硕士学位论文 第二章智能天线技术 器组成。 2 1 1 等距线阵 等距线阵如图2 2 所示，n 个阵元等距离的排列成一直线，阵元间距为d 。假定一 信源位于远场，即信号到达每个阵元的波前均为平面波。 p ，其 波达方向为6 ( i = 1 ，2 ，p ) ，以阵列的第一个阵元为基准，各信号源在基准点上 的复包络为暑( f ) ( f = 1 州2 一p ) ，则其在m ( m = l ，2 ，n ) 个阵元上的第k 次快拍的采样值 为： ( 七) = 8 川“”以血州+ ( 七) ( 2 4 ) 式中，( 七) b 表示第m 个阵元上的噪声。 将阵元上第k 次快拍的采样用向量表示为： x ( 七) = 彳s ( 七) + 一( 七)( 2 5 ) 式中 a = 【口( q ) a ( 0 0 口( 眈) 】 口( 矽) = i e - j 2 z m o , , , t p 一，2 f ( 一1 ) i h q ，2 7 s ( 七) = s 。( 七) 屯( i | ) j ，( 七) 7 以七) = h ( 七) n 2 ( k ) ( 七) r 阵列可以获取多次快拍的观测数据，为了充分利用这些数据，一般采用二阶统计 11 东北大学硕士学位论文 第二章智能天线技术 量的方法，这样可以消去随机初相，反映信号向量的特征。 2 2 波达方向( d o a ) 估计的基本原理 d o a 估计的基本原理就是：对于一个的远场信号，信号到达不同阵元会有一个波 程差，这个波程差会使得各接收信号之间存在一个相位差，而利用这个相位差就可以 求出信号的方位。 图2 4d o a 估计的基本原理 f i g 2 4d o a e s t i m a t i o nb a s i ct h e o r y 考虑两个阵元，阵元间距为d ，远场信号入射角度为目，如图2 4 所示。 则阵元接收信号存在波程差： ( 2 6 ) 则两个阵元间的相位差| l c ，为 吵= e x p ( 一缈r ) ：e x p ( 一_ ，缈d s i n o ) 2 酬川万筹门 式中c 一光速 五中心频率 五信号波长 对于窄带信号( 厂= 五) ，则有相位差为 1 2 ( 2 7 ) 东北大学硕士学位论文第二章智能天线技术 ：e x p ( 一j 2 万d _ s i _ n o ) ( 2 8 ) 因此，只要知道信号的相位延迟，就可以根据公式2 8 反求出信号的入射方向0 。 2 3 智能天线的分类 。 根据不同的要求智能天线的分类也不同，一般可以分为三类：空间分集接收、波 束切换天线和自适应天线阵列。它们的复杂度依次递增，性能也依次递增。 2 3 1 空间分集接收 空间分集接收的框图如图2 4 所示。图中简单表示了天线与接收机的情况，其中 d 是指两个天线之间的间距，五为载波的波长，一般情况下d 五。接收机中的信道估 计器对每个天线接收到的所有用户的信道脉冲响应进行估计，将估出的响应值与接收 到的信号值一同送到空间分集算法，最后计算出信号估计值。 d 口j 图2 4 空间分集接收机和信号接收框图 f i g 2 4s p a t i a ld i v e r s i t yr e c e p t i o na n ds i g n a lr e c e i v i n gb l o c kd i a g r a m 在无线移动信道中每一个用户的信号都要受到信道衰落的影响，信道衰落持续时 间的长短有时会成为决定误码率高低的一个重要方面。空间分集中由于每个天线的间 隔较远，接收到的信号之间的相关性很小，这样可以减小信道深衰落的影响，降低输 出信号的误码率。 1 3 东北大学硕士学位论文第二章智能天线技术 2 3 2 波束切换天线 波束切换天线接收机的框图如图2 5 所示。 2 i | 壅i f f r 士几 以仪1 7 l 信 号 滤 波 估出的信 器 空间角度搜索 一 尹 东北大学硕士学位论文第二章智能天线技术 立通信链路。 图2 6 自适应大线阵列框图 f i g 2 6a d a p t i v ea n t e n n aa r r a yb l o c kd i a g r a m 信道估计模块，对每一个波束中用户的信道进行估计，为后面的信号恢复提供信 道信息。信号滤波器，利用上两个模块提供的估计信息对接收到的信号进行滤波处理， 、处理符号间干扰和用户问干扰。与开关波束天线不同，自适应天线能够准确地估计出 用户的位置，利用基站分配的波束进行上下行链路通信。通信时波束直接对准用户， 避免或者减小了多径形成的可能，也减小了其他用户的干扰，降低了发射的功率，扩 大了基站的覆盖范围，提高了蜂窝的容量。 2 4 发射波束形成 当上行链路( 反向链路) 受限时，可以在基站接收机处使用智能天线提高整个系 统的性能。在非平衡无线系统中，反向链路信号要比前向链路信号弱得多，智能天线 基站接收机在提高反向链路性能方面极具价值。对于平衡系统，覆盖距离和容量的提 高也取决于下行链路性能的改善。 c d m a 系统有很多与链路有关的参数，设计者依据这些参数来平衡上下行链路的 性能。如果只在c d m a 系统上行链路采用智能天线，对上行信号进行空间分离，增加 反向链路覆盖距离，从而可以减少处于软切换状态下的用户数。由于只需更少的下行 信道来支持软切换，所以整个系统的容量就得到了提高。 、 提高下行链路性能的一种方法是在链路的用户端使用空间处理，但由于受到尺寸 空间、处理功率以及手机周围环境的动态特性的限制，当前在用户端只能实现有限的 空间处理。下行链路波束形成的目的是使用天线阵列形成波束方向图，为期望接收用 15 东北大学硕士学位论文 第二章智能天线技术 户提供良好信号质量的同时，尽量减少向其他方向的干扰。图2 7 给出了一个多信号 下行链路波束形成系统【2 1 1 ，其中每个信号自身的权向量为w k 。 图2 7 能同时形成k 个波束的f 行链路波束形成系统 f i g 2 7s i m u l t a