（电力电子与电力传动专业论文）智能天线自适应波束形成算法及fpga实现研究.pdf

a b s t r a c t s m a r ta n t e n n ai st h ep r o d u c to f t h ed e v e l o p m e n to f a r r a y s i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y i t c a l lb es e e na sag r o u po fs e n s o r sp l a c e da td i f f e r e n t 】o c a t i o n si n s p a c e a tac e r t a i nw a y t h e s p a c ec o m m u n i c a t i o ns i g n a l sr e c e i v e db yt h es e n s o ra r r a yi sp r o c e s s e dt h r o u g hp r o p e r a d 印t i v es i g n a lp r o c e s s i n gn e t w o r k ，a n de x t r a c tt h ed e s i r e ds i g n a ls o u r c ea n ds i g n a lr e q u i r e d a t t r i b u t e se s s e n t i a l l yi ti sas p a t i a lf i l t e r ，a n di ti sc o m m i t t e dt ot h ed e v e l o p m e n to fs p a c e r e s o u r c e s a d a p t i v ea l g o r i t h m sf o rb e a m f o r m i n ga r eu s e dt op r o d u c es p a t i a la n dd i r e c t i o n a lb e a mi n s m a r ta n t e n n a 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 fd e s i r e du s e ra n d t h es i d e l o b eo rn u l lp o i n t st ot h ec o m i n gd i r e c t i o n o fi n t e r f e r e n c eu s e r ，w h i c hi sb a s e do nt h es p a t i a l i n f o r m a t i o no fu s e r s ，s ot h es i g n a lo fd e s i r e du s e rw i l lb e e nh a n c e d ，t h es i g n a lo fi n t e r f e r e n c e u s e rw i l lb er e s t r a i n e d ，a n dt h ea n t i n o i s ea b i l i t yo ft h es y s t e mi sr e m a r k a b l y d e v e l o p e d a d a p t i v ea l g o r i t h mf o r b e a m f o r m i n go b t a i nt h eo p t i m a lw e i g h tv e c t o rb yi t e r a t i o n s of a s t e r c o n v e r g e n c er a t ea n ds m a l l e rs t e a d y - s t a t ee r r o ra r ea d e c i s i o nf a c t o r s f o rb e a m f o r m i n g p e r f o r m a n c e t h e r e f o r e ，t h ep a p e rs t u d yt h ea n t e n n af o ra d a p t i v eb e a m f o r m i n gi nad e e p r e s e a r c h i t si n c l u d e st h ef e l l o w i n gc o n t e n t s ：f i r s t l y , i n t r o d u c i n gt h ep r i n c i p l es t r u c t u r eo f s m a r ta n t e n n at h a tb a s e do nt h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fv a r i o u sg u i d e l i n e sa n dt y p i c a l b e a m f o r m i n ga l g o r i t h m ；t h e ni n t r o d u c e sa l g o r i t h mb a s e do nt i m er e f e r e n c el m s ，r l sa n d s p a c e - b a s e dd o aa l g o r i t h m a n dn e x tb ys i m u l a t i o no fi t sc o n v e r g e n c es p e e da n dt h ee f f e c t o tt 1 1 ef o r m a t i o no fb e a m sw e r ec o m p a r e d t h e nf o rt h el m sa l g o r i t h mi sn o ts u i t a b l ef o r h i g hs p e e dr e a l - t i m es i g n a lp r o c e s s i n g ，i ti sp r o v e st h a tt h ed l m sa l g o r i t h mi sd e f t v e d b v a n a l y z i n ga n dc o m p a r i n g t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a td l m sa l g o r i t h mi ss a c r i f i c es o m e o ft h ec o s to fc o n v e r g e n c er a t eg e t t i n g h i g h - s p e e dp a r a l l e lp r o c e s s i n gc a p a b i l i t i e s s ou s i n g o ft h ea d a p t i v eb e a m f o r m i n gd l m s s y s t e mc a nr e a c ht ot h ed e s i r e ds i g n a le n h a n c e m e n t ，f o r t h ep u r p o s eo f n u l l i n gi n t e r f e r e n c es i g n a l s f i n a l l y ，ah a r d w a r ei m p l e m e n ts c h e m eo fd l m sa l g o r i t h mb a s e do nf p g ai sd e s i g n e d i nt h ea r t i c l e u s i n ga l t e r ac o m p a n ys t r a t i xs e r i e so fe p i s10 8 6 7 2 c 6 c h i pa n d v a r i o u s e d at o o l s ，h a r d w a r ed e s i g na n dt h ef p g as i m u l a t i o ni sf i n i s h e d k e yw o r d s ：s m a r ta n t e n n a ；b e a mf o r m i n g ；a d a p t i v ea l g o r i t h m s ；d l m sa l g o r i t h m s ；f p g a 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密影使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作糍：蘑内也指剥雠：舻员 日期：w l o 、5 、3 )卣期：c ；k c 。f 、弓7 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 本文首先分析智能天线的系统结构、工作原理以及阵列接收信号的数学模型。 对线阵与圆阵的结构特性进行了分析，并用m a t l a b 仿真了阵列结构尺寸对波束形成性 的影响。 2 本文分析比较了l m s 、r l s 算法性能的优缺点以及波束形成效果，结合l m s 算法以及易于工程实现的特性，引入d l m s 算法的近似推导。仿真表明，该算法能够 收敛到稳态，并且能够实现并行流水线结构设计。 3 本文设计了d l m s 算法的硬件实现方案，利用f p g a 的数字信号处理专用工 具软件d s p b u i l d e r ，结合多种e d a 工具，采用自适应横向的f i r 滤波器结构，结合时延 最小均( d l m s ) 算法，设计了基于d l m s 算法的自适应滤波系统。完成了算法仿真 与功能仿真。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：菇雨匙 日期： 矽岁弓 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景与现状 1 1 1 智能天线研究背景 第1 章绪论 近年来，全球移动通信事业飞速发展，移动用户数量急剧增长，通信业务 的需求量越来越大，频谱资源变得十分有限，再加上多址干扰，共信道干扰以 及多径衰落的影响限制了信道容量和通信质量的进一步提高。因此移动通信需 要解决的一个实际问题就是，如何在增加系统容量的同时更有效地利用频谱资 源。为了充分利用有限的无线频谱资源，时分多址技术( t d m a ) ，频分多址技 术( f d m a ) ，码分多址技术( c d m a ) 已经得到了广泛应用。而智能天线技术 则引入了第四维多址方式：空分多址( s d m a ) ，即在相同的时隙、相同的频率 或相同的地址码的情况下，仍然可以根据信号的不同空间传播路径来区分用户。 s d m a 是一种信道增容方式，且与其它多址方式( f d m a ，t d m a ，c d m a ) 完全兼 容，并可以联合使用，使通信资源由时域、频域、码域拓展到了空间域【i i 。 目前，智能天线技术已被确定为第三代移动通信的关键技术之一，几乎所 有先进的移动通信系统都采用此技术。3 g 系统采用智能天线技术提高系统容量 和服务质量，w c d m a 系统采用智能天线技术增加系统容量。由我国大唐电信 提出并拥有许多专利的t d s c d m a 技术是应用智能天线技术的典范。智能天 线技术被认为是目前进一步提高频谱利用率的最有效的方法之一。它是一种具 有测向和波束形成能力的天线阵列，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。在移动通信系 统中使用智能天线技术，可以有效的解决频谱资源的匮乏，同时还可以提高系 统容量和改善通信质量。 智能天线原名自适应阵列天线，最初应用于雷达、声纳、军事等方面，主 要用来完成空间滤波和定位，提高系统的性能和电子对抗的能力【2 】。但由于 价格等因素一直未能普及到其它通信领域。智能天线真正的发展是在2 0 世纪9 0 年代初，随着移动通信的发展，以及对移动通信电波传播、组网技 术、天线理论等方面的研究逐渐深入，微计算机和数字信号处理技术飞速 发展，d s p 数字信号处理芯片的处理能力日益提高，利用数字技术在基带 形成天线波束成为可能。移动通信研究者给应用于移动通信的自适应天线起 了一个较吸引人人的名字：智能天线。顾名思义，智能天线是一种智能化的天 线形式，这里的智能化体现在自适应上，这种自适应的天线阵列由多个天线单 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 曼皇曼! 曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼皇舅曼曼曼曼曼曼i。i _i i o 曼曼鼍曼量舅! 曼曼鼍曼鼍皇曼曼! 曼曼曼曼曼曼皇量 元组成，每一个天线后加一个加权器，最后用加法器进行合并。自适应或智能 的主要含义是指这些加权系数可以适当改变、自适应调整【3j 。 自适应波束形成算法是智能天线研究的核心内容之一，目前已有很多著名 的算法，根据计算波束形成权矢量所需参考信号的不同，可将波束形成算法分 为非盲算法、d o a 估计算法和盲算法h 3 。 ( 1 ) 非盲算法：非盲算法是指需借助参考信号( 导频序列或导频信道) 的算 法。自适应波束形成常采用l m s 、r l s 等算法计算权值。这类算法不需要期望 信号的波达方向( d o a ) ，收敛速度很快，有较强的稳健性。在移动无线环境、 信道特性连续变化的条件下仍能很好工作。当阵元数小于信号源数时也能很好 工作。但是要求精确同步，时延扩展不能太大，而且导频信号或训练信号占有 信道资源。 ( 2 ) d o a 估计算法：基于d o a 估计的算法首先确定期望信号和干扰信号的 数目和方向，然后利用自适应波束形成方法根据一定的准则形成空间波束。此 算法特别适用于频分双工( f d d ) 系统。其上行链路的d o a 估计可用于下行 链路的最佳权矢量计算。但对天线阵的阵元数目和阵列流行要求较高。主要有 c a p o n 、m u s i c 、e s p r i t 算法等。 ( 3 ) 盲算法：盲算法则无需发射端发送已知的导频信号，常用的算法有基于 恒模量的算法、基于高阶累计量的算法和基于循环平稳性的算法。此类算法对 传播条件变化有稳健性，无需参考信号、噪声和干扰信号相关特性等其他先验 知识和复杂的阵列校准。缺点是收敛速度慢，且存在相位模糊问题。 一般来说盲算法的性能要比非盲算法的性能差，从可实现的角度来说，智 能天线的自适应算法的研究可根据业务和信道环境的不同，确定不同的自适应 算法结构以及参数的选取准则。 1 1 2 智能天线研究现状 智能天线技术有待于进一步的研究与开发，才能在移动通信领域获得广泛 应用。这除了受到芯片价格、通信标准等方面的因素的影响外，一些关键的技术 问题仍然有待解决。比如如何在频分双工( f d d ) 模式下使用智能天线，如何实 现下行波束赋形、如何与多用户检测技术、接收机技术相结合以及阵列结构的 设计等问题。智能天线作为一门综合性很强的技术，它涉及到天线技术、无线 电传播技术、信号检测与处理等多学科的背景知识。当前对智能天线的研究包 括智能天线的接收准则及自适应算法；带宽信号波束的高速波束成形处理；用 于移动台的智能天线技术；智能天线实现中的硬件技术；智能天线的测试平台 及软件无线电技术研究等方面。本文重点讨论智能天线的波束形成算法以及对 算法硬件设计的研究。 智能天线技术是第三代移动通信系统的关键技术之一，世界各国对此都高 度重视，投入了大量的人力物力进行研究和开发。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。大致情况如下【3 】： 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ( 1 ) 欧洲通信委员会( c e c ) 在r a c 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、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 年初开始开始现场试验，天线有8 个阵元组成， 射频工作频率为1 8 9 h z ，阵元间距可调，阵元分布分别有直线形、圆环形和平 面行。模型用数字波束形成的方法实现智能天线。欧洲通信委员会准备在a c t s 计划中继续进行第二阶段智能天线技术研究。 ( 2 ) 日本a t r 光电通信研究所研制出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16 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转换后，进行快速傅立叶变换( f f t ) 处理， 形成正交波束后，分别采用恒模算法或最大比值合并分集算法。天线数字信号 处理部分有10 片f p g a 完成。野外移动试验确认了采用恒模算法的多波束天 线功能。理论分析及实验证明，使用最大比值合并分集算法可以提高多波束天 线在波束交叉部分的增益。 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同算法。比如当噪声是主要因素时， 则使用多波束最大比值合并分集算法，当同信道干扰是主要因素时则使用多波 束恒模算法。利用f p g a 实现实时天线配置，完成智能处理。 ( 3 ) 美国德州大学奥斯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 9 g h z 频段上进行了试验。加拿大m c m a s t e r 大学研究开发了4 元阵 列天线，采用恒模算法。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 ( 4 ) 19 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 信联盟提交的t d dc d m a 建议和现在的国际第三代移动通信标准之一的c d m a t d d 技术，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机构，如清华大学、西安交通大学、中国科技大学、 西安电子科技大学、北京交通大学、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、 中兴科技等公司也投入了很多的人力物力进行研发。国家“8 6 3 ”计划、国家自 然科学基金等也相应支持有关单位进行理论与技术平台的研究。其中中国邮电 电信科学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 已经成功的研制出应用于无线本地环路( w l l ) 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，目前已经获得3 g 牌照。 1 2 智能能天线的技术优势 智能天线作为移动通信领域的关键技术之一，与传统全向天线相比，有巨 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 大的优势。在发射功率相同的情况下，由于波束的高增益，智能天线覆盖范围 更大，而且由于波束的定向作用，能够有效减少多径衰落的影响，提高通信质 量，并能够较少对其他用户干扰，增加频谱效率和信道容量。因而采用智能天 线技术可以大大提高频谱利用率【6 j 。 归纳一下智能天线的技术优势主要表现在以下几个方面【3 】： l 、抗衰落，减少多径效应：由于智能天线具有波束形成能力，可减少多径 影响，抗多径衰落。 2 、抗干扰：即将主瓣对准期望信号，零陷和低增益旁瓣对准主要的干扰信 号，从而可更有效的抑制干扰。 3 、增加覆盖范围：在接收端，由于天线阵列对信号进行相干接收、噪声非 相干相加，因而可获得信噪比增益，该增益与接受天线的数目成正比，这样可 以降低天线的发射功率，在同样的发射功率下，可增加覆盖范围。 4 、降低功率，较少成本：智能天下可以对特定用户的传输进行优化，这样 就会使发射功率降低，从而降低放大器的成本。 5 、改善链路质量，增加可靠性：由于通过独立的衰落路径可以接收到独立 的信号副本，而在这些信号副本中一般会有一个或多个副本未受到衰落，这样 多个独立的衰落就会减少信号波动的影响，产生分集。分集的形式包括时间分 集、频率分集、码分集和空间分集等。用智能天线对空间域进行采样，就会产 生空间分集。智能天线在发射和接收端的空间分集作用，可大大提高无线通信 系统的链路质量，从而增强通信的可靠性。 6 、提高频谱效率：一方面智能天线通过减小衰落和干扰提高通信质量，从 而增加使用同样资源的用户数目，提高频谱效率。另一方面智能天线波束形成 技术的应用产生了一种新的多址接入方式：空分多址。空分多址利用多个独立 的空间维数来同时传送数据，在系统中这种独立的空间维数被称为m i m o 信道特 征模式。空分多址实现了资源的复用，从而提高了频谱效率。 7 、提高通信的安全性：在传统无线通信系统中，整个小区都可以截听用户 的空中接口无线信号，但采用智能天线技术后，由于波束的定向作用，只能在 有限区域接收到用户信号，提高了通信的安全性。 8 、实现移动台定位业务：大多数蜂窝移动通信系统只能确定移动台所处的 小区，采用智能天线技术后，可以随时确定持机者所处的位置，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。 可见，智能天线技术给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。智能天线技术己成为移动通信中最具吸引力的技术之一。在移动通信 中使用智能天线技术可有效的解决频谱资源的匮乏，同时还可以提高系统容量 和改善通信质量。 1 3 高速数据处理的发展现状 随着信号处理技术的不断发展，对信号处理速度的要求也不断提高。由于 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 受到目前技术水平的限制，特别是集成电路技术发展的限制，许多理论上已经 很成熟的信号处理算法很难得以实用，这里面一个最重要的原因是硬件速度问 题。要求处理的信号形式越来越复杂，使得现代信号处理的方法大都以大数据 量、高复杂度为其主要特点。在这种情况下，寻找有效的高速实时信号处理方 法是非常有必要和迫切的。 早期对并行处理技术的讨论主要集中在计算机科学领域，所以对并行处理 技术的定义、说明、分类等大多基于计算机科学，随着并行技术的不断发展， 这些定义已经能够适用于其它领域，并行性蕴涵着提高处理速度和解决大规模 问题的巨大潜力，展现出由多个处理器组成更大计算系统以及由超大规模集成 电路( v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t e dv l s i ) 构造并行结构的前景【7 】。 并行处理技术的种类很多。比较重要的并行处理方式有： 1 、脉动阵( s y s t o l i c ) 处理器结构【8 】。该结构是h t k u n g 和l e i s e r s o n 于19 7 8 年首先提出的。脉动结构表示一种有节奏地计算并通过系统传输数据的处理单 元( p r o c e s s i n ge l e m e n t sp e ) 网络。这些处理单元规则地泵入泵出数据以维持规 则的数据流。脉动系统的特征是模块化和规则化，这对于v l s i 设计是很重要 的性质。 2 、流水线结构。流水线采用沿着数据通路引入流水线锁存器的方法来减小 有效关键路径( e f f e c t i v ec r i t i c a lp a t h ) 。通过增加在同一时刻，系统各部分的输出 处理能力，来发掘系统的并行处理能力。 3 、并行处理结构。该结构是从另一个方面而发掘系统的实时处理能力。与 流水线结构不同，并行处理结构的并行实现方式是复制数据处理单元。通过增 加数据处理单元的个数来增大系统在同一时刻的数据处理能力。 在高速自适应数字滤波器实现方面，由于常规l m s 算法不能直接应用高速 数据处理结构实现，所以必须对基本算法进行近似变换。延时l m s ( d e l a y e d l m s ) 算法和流水线l m s ( p i p e l i n e dl m s ) 算法就是适用于高速数字滤波器实现 的自适应滤波算法。随后n a r e s hr s h a n b h a g 提出了基于弛豫超前的流水线 l m s 算法( r e l a x e dl o o k a h e a dp i p e l i n e dl m s ) t9 j 【l 。l o k k e et i n g 提出的基于 细粒度流水线结构的直接型d l m s 自适应数字滤波器可以工作在12 0 m h z 的采 样率条件下【1 1 1 。 1 4 本论文的主要工作 本文主要针对智能天线自适应波束形成算法进行研究与仿真验证，并利用 f p g a 的数字信号处理专用工具软件d s pb u i l d e r ，结合多种e d a 软件，采用自 适应横向的f i r 滤波器结构，结合时延最小均方( d l m s ) 算法，设计了d l m s 算法的硬件实现方案。其中各章节的安排如下： 第章介绍智能天线的研究背景及研究内容的发展与现状； 第二章主要研究智能天线系统结构、工作原理及阵列天线的特性。分析空间接 收信号的数学模型以及均匀线阵、均匀圆阵的波束形成的原理： 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第三章介绍了多种自适应波束形成准则和典型的波束形成算法，主要分析基于 时间参考的l m s 和r l s 算法的性能，并针对l m s 算法应用在高速实 时信号处理时的不足，讨论了延时最小均方( d l m s ) 算法。最后通过 m a t l a b 软件仿真，比较了算法的收敛速度以及波束形成性能； 第四章介绍了d o a 估计技术，分析了延时相加法、c a p o n 算法以及m u s i c 算法的优缺点以及性能： 第五章设计了d l m s 算法的硬件实现方案，利用f p g a 的数字信号处理专用工 具软件d s p b u i l d e r ，结合多种e d a 软件，采用自适应横向的f i r 滤波 器结构，结合时延最小均方( d l m s ) 算法，设计了基于f p g a 的自适应 算法的实现，完成了算法级仿真和功能仿真。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章智能天线基础 无线通信通过天线发射和接收电磁波，为了提高电波的利用率，天线应具 一定的方向性，做到定向地发射和接收，而当对方位置改变时，天线波束的指 向也应随之变化。对于移动通信，基站要面对众多的用户，而且用户的方向是 多变且无法预知的，早期的基站采用全向天线，不仅能量利用率不高，而且造 成相互影响，因为一个用户的信号对其他用户相当于干扰，这就提出了智能天 线的问题：使天线同时形成多个波束，且波束的指向可控，从而使发射和接收 波束均能指向所需要的用户，更进一步，还希望可以控制波束的形状，使波束 的零点指向干扰电波的来波方向，对消掉干扰。 采用智能天线易于控制波束的指向：即在空间分开布置一系列的阵元，并 将各阵元接收到的信号作加权组合。这类似于有限冲激响应( f i r ) 滤波器通过延 迟线将不同时间的采样值加权组合，改变滤波器的权值，可使频率特性变化。 而改变智能天线阵列的权值，可使波束形状随之变化。与f i r 滤波器的时域处 理相对比，智能天线阵列的空域处理有类似的对偶关系：f i r 是在时域对时间 信号作离散采样，而智能天线阵列则相当于在空域对空间信号作离散采样。因 此，和f i r 滤波器一样，智能天线阵列处理也可对信号作一系列的运算，如滤 波，分离和参数估计等。与f i r 滤波器不同的是，智能天线阵列所研究和处理 的对象是空间信号【l2 l 。 2 1 智能天线基本原理 智能天线中所谓的“智能”【3 】，我们可以理解为天线以多个高增益的动态窄 波束分别自动的跟踪多个期望信号目标，而来自波束以外的其他信号被相对抑 制。但这罩所指的跟踪并不意味着波束的指向与期望信号的物理方向一致。事 实上，在多径信道上，期望信号到达天线的路径难以确定，期望信号的物理方 向不一定是最理想的波束方向，所以波束的指向通常为期望信号的信干比最大 的方向，其为最佳路径。智能天线的结构一般由天线阵列，方向图形成网络( 加 权网络) 和自适应处理器( 智能算法处理器) 三部分构成。天线阵由多个天线 单元组成，通常分为均匀直线阵列，均匀圆形阵列和平面阵列等。每一跟天线 都是全向天线，并与其他天线集合在一起进行接受和发射。方向图形网络实际 就是信号在经过每根天线进行传输的时候被乘以了一组最优权值，从而在空域 上形成不同的波束方向。自适应处理器负责根据已经选定的算法，如最小均方 ( l m s ) ，最小二乘( r l s ) 等，计算出用在方向图形成网络中的最优权值。实际上， 天线阵列与自适应处理器形成了一个闭环的反馈网络，天线通过这个网络来自 动调整天线的方向图，使其在干扰方向上形成零陷，使有用信号得到加强，达 到抗干扰的目的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 1 1 系统结构 智能天线是一种阵列天线，它通过调节各个阵元信号的加权幅度和相位来 改变阵列方向图形状，即自适应或以预制方式控制波束幅度、指向和零点位置， 使波束总是指向期望信号方向，而零点指向干扰方向，实现波束随着用户走， 从而提高天线的增益和信干噪比，节省发射功率。 信 五t r ) 陟 芝 恐( f ) a 少 陟 ， 一r 、 ， 户 7 乡 x ，( f ) d 陟 7 妙 i +l l白芒b i ：旨i - a _ 且 k 埘腿f 一 一1 - 一 日珥上1 i 矩习e 硒 i 图2 1 智能天线原理图 上行链路中智能天线的原理结构图如图2 1 所示 1 3 】。由图可见，智能天线系统 由以下几部分组成： 1 天线阵列部分 天线阵元数量和天线阵元的配置方式都对智能天线的性能有直接的影响， 设阵元数为m ，一般在移动通信中取m = 8 或16 等。阵列天线的阵列排列方式 多种多样，典型的列形状有：线阵、面阵、圆阵等。 2 模数转换部分 这里我们只考虑基站端的智能天线，在上行链路时，天线将接收的模拟信 号转换为数字信号；而在下行链路中，要将处理后的数字信号转换为模拟信号。 3 波束形成网络部分 这一部分的主要功能体现为天线波束在一定范围内根据用户的需要和天线 传播环境的变化，通过数字信号处理器自适应调整权值系数w 、比、w ， 以调整到合适的波束形成网络，获得最佳的主波束的方向。 2 1 2 工作原理 自适应阵列天线跟踪并提取各个移动用户的空间信息，利用用户位置的不 同，在同一信道( 频段、时隙、码道) 中发送和接收各用户的空间信息而不发 生相互干扰。它使通信资源不再局限于时间、频域或码域而扩展到了空间域。 它提供了另外一种多址方式，空分多址( s d m a ) 。智能天线技术的关键和难点 是在多用户和多径条件下对各个用户的时空信道进行盲辨识，盲均衡，并能自 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 适应、动态地跟踪时空信道的变化，从而对多用户信号进行盲分离。 假设传输信号满足窄带条件，即某一入射信号在各个天线单元的响应输出 只有相位差异，没有幅度变化，这些相位差异由入射信号到达天线阵各个阵元 的所走路线的长度差决定。若入射信号为平面波( 只有一个入射方向) ，则这些 相位差由载波波长、入射角度、天线位置分布唯一确定。给定一组加权值，一 定的入射信号强度，不同入射角度的信号由于在天线间的相位差不同，加权叠 加的输出信号强度也会不同，期望信号的增益达到最大值，干扰信号的增益有 较小的幅度。 智能天线智能的含义 3 l 是指权系数可以恰当改变，自适应调整。智能天线 的波束实现是对阵元接收信号加权处理形成的波束，使主波束对准期望用户信 号方向，而在干扰方向形成方向图零陷或者较低的功率方向图增益，达到抑制 干扰的目的。当然这只是理想情况，实际的无线通信环境是很复杂的，干扰信 号很多、存在多径传输、天线阵元数不会很多、有用信号与干扰信号在入射方 向上差异不大等。 2 2 阵列天线 2 2 1 阵列天线概述 自适应天线的使用是通过阵列天线来实现的。阵列天线是由多个独立的阵 元在空间按照某种几何形状排列而成，天线的发射和接收是全部阵元发射和接 收信号的线性组合。但通常这些阵元是按直线等距、圆周等距或平面等距排列 的，并且取向相同1 1 4 - 1 6 】。 设有一 r 元阵，并以阵元o 作为基准或参考点。设各阵元无方向性，各个 阵元用位置矢量i ( f = 0 ，2 ，n 一1 ) 表示。如果基准处的接收信号为s ( t ) e 倒，则f 个 阵元上的接收信号表达式为 ( t ) = s ( t 一三1 7 口) e ) 【p j ( c o t - r , r 七) ( 2 - 1 ) c 式中，k 为波数向量；a = k l k i 为电波传播方向的单位向量；i k = o ) c = 2 ；r 2 为波数( 弧度长度) ，其中缈为信号的角频率，c 为光速，五为信号的波长；三f r 口 为信号相对基准点的延迟时间；r r k 为电波传播到离基准点r 处的阵元对于点播 传播到基准点的之后相位( 弧度) ，图中为电波传播方向角，波数向量可以表示 为 k = k l c o s 0 ，s i n 0 r ( 2 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 a i i i ； 一_ i 曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼! 曼! 曼! 曼! ! 曼! ! 曼曼曼曼曼曼曼! 曼! 曼曼! 曼曼! ! 曼璺曼! ! 曼 这里假设，电波从点辐射源以球面向外传播，只要距离辐射的足够远，在 接收的局部区域内，球面波就可以近似为平面波。另外在天线阵列里，信号的 11 带宽b 一般比载波频率缈小的多，所以s ( ，) 的变换相对缓慢，延时二，：7 口口， fd 1 所以s ( f 一一i r 口) s ( t ) ，即信号包络在各阵元上的差距可以忽略不计。此外，天 c 线阵列信号总是变换到基带再进行处理，因而阵列信号用向量形式表示为 s ( ，) = i s l ( ，) ，5 2 ( ，) ，s t ( ，) 7 = j ( r ) p 一7 币，p 一7 彳。，p - j r ；k 丁 ( 2 - 3 ) 式中的向量部分称为方向向量，当波长和阵列的位置确定时，该向量只与 到达波的空间向量臼有关。方向向量与基准点的位置无关，若以第o 个阵元为 基准点，则方向向量为 a ( o ) = 1 ，e 1 1 ，e 叫咯一1 。】 ( 2 - 4 ) 当有p 个信源时，到达波的方向向量可分别表示为口( 幺) ，a ( o z ) ，口( 吃) ， 这p 个方向向量组成矩阵a = 口( q ，口( 秒。) 称为阵列的方向矩阵或响应矩阵， 它表示所有信源的方向信息。 假设发自窄带信号源的平面波以( 0 ，9 ) 方向入射到由n 个全向阵元组成的天 线阵列上，基准点处的接收信号为s ( t ) e 删，则整个阵列接收到的信号可用向量 表示为： x ( t ) = s 1 ( ，) ，( ，) ，s n ( r ) 7 = s ( t ) a ( o ，缈) ( 2 - 5 ) 如果空间存在上个平面波，分别来自( 鼠，仍) 、( 岛，仍) 、( 眈，吼) ，对应在 原点处的信号为。( ，) 、：( r ) 、。( ，) 。则阵列信号输入矢量为： x = s 0 1 ( t ) a a l + s 0 2 ( t ) a d 2 + + s o u ) = a d l ，a d 2 ，a a l s ( t ) ( 2 - 6 ) = a s ( t ) 其中a = 【乃1 ，乃2 ，屹 ，s ( ，) = s o l ( ，) ，( r ) ，s o ( 明7 考虑到噪声的影响，噪声用啊( ，) ，胛，( ，) ， 。，( f ) 表示，并用噪声向量总 体表示，即n ( t ) = ，z l ( ，) ，也( ，) ，( ，) ，则阵列输入矢量为： x ( t ) = a s ( t ) + 珂( r ) ( 2 - 7 ) 如果空间还存在干扰，则令j = z ，z 歹。， ，式中z ( f = 1 ，2 ，n ) 为 第f 个阵元上响应的干扰信号，则阵列输入信号矢量为： x ( ，) = a u ( t ) + n ( t ) + j ( t ) ( 2 - 8 ) 如果阵元响应的信号分别经过相应的w ，w e ，w 加权，然后合成，则 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 相应的输出为： y = 五+ 心艺+ + w n x n 2 l - - - 1 w x ( 2 9 )、- ， = w 7 ( t ) x ( t ) 2 y s + y n + y j 式中弘，只，y j 分别对应于信号的输出，噪声的输出和干扰信号的输出。自适 应天线就是按照一定的控制准则，使天线阵列只输出有用信号弘，而抑制噪声 和干扰的输出。 2 2 2 均匀线阵 秽。弋露| | ld 丫 丫丫 1 卜d 1 3 一n j n 图2 2 均匀线阵原理图 线阵【1 7 】是目前用得最多的基阵之一，线阵列模型如上，设有n 个无方向性 阵元组成的均匀线阵，阵元间距为d ，来波方向与阵列法线的夹角为p ，如图 2 2 所示。阵列的空间滤波响应即波束图定义为当阵列输入为平面波时，阵输 出( 通常只考虑输出幅度或功率) 与平面波入射角的关系。对于图2 2 所示的均 匀线阵，在阵列确定后，其空间响应即波束完全取决于权矢量缈- q ，国：缈。 7 ， 此时线阵的方向性因子为口( 口) ，其中口( 秒) ： 1 ，p 胪，p ，( - lj p f ，式中= 挈s i n 秒， 幅度波束图为 ，( 9 ) = j 少( ，? ) = | ( o h 口( 乡) i ( 2 10 ) 为了将波束指向法线方向( 秒= 0 。) ，取0 9 = 1 ，1 1 7 。 波束图为函数： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 ，c 一，= i 。 a c 一，i ；i 喜r h n j 】= 。s 。i 。n 。( ，n ，p ：) ，l = i ：；i ；酱f t ：_ ， 波束形成的目的就是让阵列接收的信号通过波束形成嚣，经过某种波束形 成算法的处理后，在波束形成器输出端得到期望信号，而消除干扰和噪声。波 束形成器通常是一个横向滤波器通过各个抽头上权值的更新来控制天线方向 图使方向图的主瓣对准期望信号的入射方向，而使零点对准干扰方向，这样 就可以提取感兴趣的信号了。 2 23 均匀线阵波束形成与阵列关系 1 均匀线阵取不同阵元数波柬形成性能仿真 图2 - 3 到图2 - 6 分别是阵元b j 距不变取d = o5 2 改变阵元数的均匀线阵的 仿真波束图。 山仿真图可知：当均匀线阵的的阵元问距不变，阵元数变化时波束形成性 能发生变化。当阵元数比较少时，方向图主波束比较宽：随着阵元数的增多， 方向图主波束变窄第一旁瓣相对于主波束高度几乎不变 18 i 。因此选取合适的阵 元数有助于波束形成性能的提高。 1 1 。f d f ；”。 ， t m t i i i j r l r 畜1 j r i 面百讪 t 图2 - 34 阵元波束图 图2 - 5 1 2 阵元波束豳 1 。 l ：m ：m t 自 图2 - 6 】6 阵元波束图 、丫、 图托。一臌 、f1， 一潍 1。m h m 图 *舶_毒掣蛳非枯 。驴b；如。 2 均匀线阵取不同阵元间距波束形成性能仿真 ，。，。一，、+3 0 ，、 ， 0 4 ，一、，一 1 8 0f l i o 二藻犁0 卜一一一：糕；哆z 0 j i ：。，j ，i i 鬟“、。：。j ： 乡i ? 1 、，r ，j i 一。- ：- - _ ? ，、 ， u j 。j i ，一一、 o , 。2 ，-。 御置懑姆。 只：、一o j i 、j 2 ，弋、j ，o ，i o 锄 、 ：一，+ 一o 。， o 一，。 2 府j ，7 如 2 7 0 图2 7d = o 2 a 波束图 图2 - 8d 2 0 5 名波束图 g o 1 1 2 0 、 一一。一0 8 1 5 07 j ，。一。；、 、3 0 - 一- ，p 。、 、 ，+ ，+ “：，0 , 2 + 、 ，f 1 8 0l - 簿- - 0 。 j 甏一jo l ，冀，j 。 。，。 ，j 2 1 0 、。 ；，。、j 。； 图2 9d = 0 8 z ，7 ：二：。；0 8 卜： 、i ，。一，一一一。| 3 0 ， 。：，一一+ ，