智能天线的研究.doc

智能天线的研究 摘 要 随着信息化社会的到来，空间电磁环境日趋复杂，信号频谱密度越来越高，如何有效利用有限的频谱资源已成为人们普遍关心的重要问题之一。智能天线就是在这样一种设想下提出来的一种新型天线系统，它通过对多个天线阵元输出的信号进行幅相加权获得所需的天线波束之乡来实现空间分离，最终提高了频谱利用率。本文首先介绍了智能天线的基本概念、原理、优点、发展现状及发展趋势；接着介绍了基站用智能天线的基本阵列模型——线阵及圆形阵波束形成；然后介绍了智能天线的两种基本算法：Capon波束形成算法和空间零点预处理波束合成。最后，采用数字波束形成技术，形成了基站圆环阵列智能天线数字波束形成算法。并对基站圆环阵列智能天线的多波束方向图进行综合，得到了希望得到的多个波束。关键词：智能天线，阵列模型，基本算法，圆环阵列，数字波束形成，软件无线电智能天线是3G的一项关键技术，作为当今三大主流标准之一的TD-SCDMA（Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access)是由中国自主提出使用的TDD方式的(时分双工方式)的第三代移动通信系统标准。TD-—SCDMA的核心技术之一就是智能天线技术。在TD-—SCDMA系统中使用智能天线技术，基站可以利用上行信号信息对下行信号进行波束成形，从而降低对其他移动台的干扰，同时提高接收灵敏度，增加覆盖距离和范围，改善整个通信系统的性能。 智能天线是一种多天线系统，它按照某种算法来对准期望信号，使得期望信号得到最大增益，而干扰信号被压制。　智能天线系统的核心在于数字信号处理部分，它根据一定的准则，使天线阵产生定向波束指向移动用户，并自动调整权系数以实现所需的空间滤波。智能天线需要解决以下两个关键问题：辨识信号到达方向DOA（Directions of Arrinal）和数字波束赋形的实现。在对信号DOA估计的算法中，作为超分辨空间谱估计技术的MUSIC（Multiple Signal Classification）算法是最经典的算法之一。 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和移动台之间各个链路的方向特性。智能天线的原理是将无线电的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DOA(Direction of Arrinal)，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。天线的方向图表示的是空间角度与天线增益的关系，对于全向天线来说，它的方向图是一个圆；对于阵列天线，可以通过调整阵列中各个元素的加权参数来形成更具方向性的天线方向图，形成主瓣方向具有较大增益，而其它副瓣方向增益较小的形式。智能天线正是一种能够根据通信的情况，实时地调整阵列天线各元素的参数，形成自适应的方向图的设备。这种方向图通常以最大限度地放大有用信号、抑制干扰信号为目的，例如将大增益的主瓣对准有用信号，而在其它方向的干扰信号上使用小增益的副瓣。 智能天线包括射频天线阵列部分和信号处理部分，其中信号处理部分根据得到的关于通信情况的信息，实时地控制天线阵列的接收和发送特性。这些信息可能是接收到的无线信号的情况；在使用闭环反馈的形式时，也可能是通信对端关于发送信号接收情况的反馈信息。把具有相同极化特性、各向同性及增益相同的天线阵元，按一定的方式排列，构成天线阵列。构成阵列的阵元可按任意方式排列，通常是按直线等距、圆周等距或平面等距排列，其间距通常取工作波长的一半，并且取向相同。智能天线系统由天线阵列部分、阵列形状、模数转换等几部分组成，如图所示。实际智能天线结构比图复杂，因为图中表示的是单个用户情况，假如在一个小区中有K个用户，则图1中仅天线阵列和模数转换部分可以共用，其余自适应数字信号处理器与相应的波束形成网络需要每个用户一套，共K套。以形成K个自适应波束跟踪K个用户。被跟踪的用户为期望用户，剩下的K- 1 个用户均为干扰用户。智能天线可以按通信的需要在有用信号的方向提高增益，在干扰源的方向降低增益.因此，智能天线系统的应用可以带来如下好处：提高系统容量、减小衰减、抗干扰能力较强、实现移动台定位、增强网络管理能力等。综述 智能天线技术有两个主要分支。波束转换技术(Switched Beam Technology)和自适应空间数字处理技术（adaptive spatial digital processing technology) ，或简称波束转换天线和自适应天线阵。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