智能天線的主瓣干擾抑制算法

1、摘要智能天線是近年來移動(dòng)通信領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)之一，應(yīng)用智能天線技術(shù)可以很好地解決頻率資源匱乏問題，可以有效地提高移動(dòng)通信系統(tǒng)容量和服務(wù)質(zhì)量。開展智能天線技術(shù)以及其中的一些關(guān)鍵技術(shù)研究對(duì)于智能天線在移動(dòng)通信中的應(yīng)用有著重要的理論和實(shí)際意義。但當(dāng)天線接收信號(hào)存在主瓣干擾時(shí)，利用自適應(yīng)波束形成技術(shù)抑制干擾會(huì)暴露出兩個(gè)缺陷：一是副瓣電平增高；二是主波束變形且峰值偏移。當(dāng)存在主瓣干擾且有期望信號(hào)混入情況下，用常規(guī)自適應(yīng)波束形成方法進(jìn)行自適應(yīng)干擾對(duì)消，不但會(huì)引起主瓣變形，而且期望信號(hào)也會(huì)被抑制，從而影響對(duì)消性能。本文提出一種新的阻塞矩陣方法，對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，消除它們對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)協(xié)方差陣的影響，再用其它

2、方法確定自適應(yīng)權(quán)值。理論分析和計(jì)算機(jī)仿真表明，用阻塞矩陣方法可以獲得較大的性能提升。關(guān)鍵詞智能天線；主瓣干擾；自適應(yīng)波束形成；陣列信號(hào)處理AbstractIn recent years，Smart Antenna，which is considered to be a solution to the problem of lacking frequency，becomes a hotspot in the Mobile Communication area. With this technology，Capacity of Mobile Communication system can be

3、increased effectively and the quality of service can be improved at the same time. To study Smart Antenna and its key technologies is important both in theory and in practice. There are two disadvantages in adaptive beam forming in the presence of main lobe interference， one is heightening of side-l

4、obe level， the other is distortion and peak offset of main beam.When target signal is in the sample data， the performance of adaptive digital beam former (ADBF) will be degraded. If the interference falls into main lobe， the main beam will be distorted with conventional ADBF. A new block matrix (NBM

5、) method is proposed which preprocesses the sample data via a block matrix so that the influence of signal-of-interest (SOI) and main lobe jamming is diminished. This method avoids main lobe distortion and has the better performance of interference cancelling than the direct sample matrix inversion

6、(SMI) method. The results of simulation support the theoretical predictions.Key wordsSmart antenna; Adaptive beam forming; Main lobe interference canceling; Array signal processing 目錄摘要Abstract第1章 緒論11.1背景介紹11.2主要概念21.3智能天線技術(shù)的應(yīng)用需求31.4國內(nèi)外研究現(xiàn)狀41.4.1國外研究現(xiàn)狀41.4.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀51.5智能天線的發(fā)展前景61.6本章小結(jié)7第2章 智能天線82.1概

7、述82.2智能天線的分類82.3智能天線的基本原理與結(jié)構(gòu)92.3.1智能天線的基本原理92.3.2智能天線系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)102.4 自適應(yīng)波束形成算法12第3章 基于阻塞矩陣的主瓣干擾抑制算法143.1常規(guī)的自適應(yīng)波束形成算法143.2基于等距線陣的統(tǒng)計(jì)模型153.3主瓣干擾對(duì)算法的影響163.4基于阻塞矩陣的主瓣干擾抑制173.4.1阻塞矩陣預(yù)處理173.4.2波束形成183.5仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析19結(jié)論22參考文獻(xiàn)23致謝25第一章 緒論1.1背景介紹移動(dòng)通信作為未來個(gè)人通信的主要手段，在全球通信業(yè)務(wù)中占據(jù)越來越重要的地位。隨著移動(dòng)通信用戶數(shù)的迅速增長(zhǎng)以及人們對(duì)通話質(zhì)量要求的不斷提高，要求

8、移動(dòng)通信網(wǎng)在大容量下仍保持較高的服務(wù)質(zhì)量。而與此要求相對(duì)，目前移動(dòng)通信中主要存在兩大問題：第一，隨著移動(dòng)用戶的增多，頻譜資源日益匱乏；第二，由于信道傳輸條件較惡劣，所需信號(hào)在到達(dá)天線接收端前會(huì)經(jīng)歷衰減、衰落和時(shí)延擴(kuò)展，另外還有來自其他用戶的干擾，極大地限制了系統(tǒng)通信質(zhì)量的提高。這兩大問題是移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展中的主要矛盾，也是推動(dòng)移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展的原動(dòng)力。必須采取有效方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容并提高服務(wù)質(zhì)量。為了解決系統(tǒng)容量問題，第二代數(shù)字蜂窩系統(tǒng)中主要采用時(shí)分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA）兩種多址方式;為了提高系統(tǒng)通信質(zhì)量，在第二代系統(tǒng)中廣泛采用了調(diào)制、信道編碼、均衡（TDMA系統(tǒng)）、RAKE接

9、收（CDMA系統(tǒng)）等時(shí)、頻域信號(hào)處理技術(shù)以及分集天線、扇形天線等簡(jiǎn)單空間處理技術(shù)。這些解決方法在發(fā)揮各自功效的同時(shí)，有著共同的不足，即無法對(duì)空域資源進(jìn)行有效利用。智能天線技術(shù)正是在這樣的背景下被引入到移動(dòng)通信中來的。理論研究和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均表明：有用信號(hào)、其延時(shí)樣本和干擾信號(hào)往往具有不同的到達(dá)角（DOA）和空間信號(hào)結(jié)構(gòu)，利用這種空域信息我們可以獲得附加的信號(hào)處理自由度，從而能提高系統(tǒng)容量，并且能夠更有效地對(duì)抗衰落和抑制干擾。應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)基站的智能天線技術(shù)正是充分利用了信號(hào)的空域信息，它能有效地?cái)U(kuò)充系統(tǒng)的容量，大幅度提高系統(tǒng)的通信質(zhì)量。智能天線技術(shù)己經(jīng)被公認(rèn)為第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，

10、并越來越受到人們的關(guān)注。在提交國際電聯(lián)ITU所有的3GRTT標(biāo)準(zhǔn)中，幾乎都附有一條：如果有可能，本建議將采用智能天線技術(shù)：在國際電聯(lián)2000年3月份的會(huì)議上，更是提出要重視在CDMA系統(tǒng)中使用智能天線技術(shù)，并在2000年8月份的會(huì)議上正式討論了在CDMA系統(tǒng)中使用智能天線的問題?？梢灶A(yù)見，智能天線技術(shù)將在未來的移動(dòng)通信體制中占據(jù)非常重要的地位。目前，對(duì)智能天線技術(shù)的研究尚未達(dá)到實(shí)用化階段，這主要是因?yàn)橐苿?dòng)通信中電磁波傳播環(huán)境復(fù)雜且用戶是移動(dòng)的，智能天線的自適應(yīng)過程往往很難動(dòng)態(tài)地捕獲并跟蹤用戶信號(hào)。1.2 主要概念智能天線又稱為自適應(yīng)天線陣列，英文名為Smart Antenna或intellig

11、ent Antenna。智能天線技術(shù)的核心是陣列信號(hào)處理，早期應(yīng)用集中于雷達(dá)和聲納信號(hào)處理領(lǐng)域，七十年代后期被引入到軍事通信中，而應(yīng)用于民用蜂窩移動(dòng)通信則是近十幾年的事情。一般而言，智能天線是專指用于移動(dòng)通信中的自適應(yīng)天線陣列（這里的移動(dòng)通信系統(tǒng)主要指數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)），它利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)產(chǎn)生空間定向波束，使天線的主波束跟蹤所需用戶信號(hào)到達(dá)方向，旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)不希望的干擾信號(hào)到達(dá)方向，達(dá)到充分分離和有效利用用戶信號(hào)并刪除或抑制干擾信號(hào)的目的。在移動(dòng)通信的基站中使用具有全向收發(fā)功能的智能天線，可以為每個(gè)用戶提供一個(gè)窄的定向波束，使信號(hào)在有限的方向區(qū)域內(nèi)發(fā)送和接收，這樣就可以充分利用信號(hào)發(fā)

12、射功率，降低信號(hào)全向發(fā)射帶來的電磁干擾與相互干擾。智能天線是提高無線電數(shù)據(jù)通信，包括蜂窩通信、個(gè)人通信和第三代寬帶CDMA等系統(tǒng)容量的最佳選擇，它超越了任何由信道復(fù)用和各種調(diào)制技術(shù)所達(dá)到的水平。CDMA（Code Division Multiple Access）是碼分多址的英文縮寫，它是在數(shù)字技術(shù)的分支擴(kuò)頻通信技術(shù)上發(fā)展起來的一種嶄新而成熟的無線通信技術(shù)。CDMA技術(shù)的原理是基于擴(kuò)頻技術(shù)，即將需傳送的具有一定信號(hào)帶寬信息數(shù)據(jù)，用一個(gè)帶寬遠(yuǎn)大于信號(hào)帶寬的高速偽隨機(jī)碼進(jìn)行調(diào)制，使原數(shù)據(jù)信號(hào)的帶寬被擴(kuò)展，再經(jīng)載波調(diào)制并發(fā)送出去。接收端使用完全相同的偽隨機(jī)碼，與接收的帶寬信號(hào)作相關(guān)處理，把寬帶信號(hào)換

13、成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號(hào)即解擴(kuò)，以實(shí)現(xiàn)信息通信。SDMA（Space Division Multiple Access）是空分多址的英文縮寫，移動(dòng)通信中應(yīng)用智能天線技術(shù)就產(chǎn)生了這種新的信道增容方式。它不同于傳統(tǒng)的頻分多址（FDMA）、時(shí)分多址（TDMA）或碼分多址（CDMA），這種多址方式是利用用戶空間位置的不同來區(qū)分不同用戶，也就是說，在相同時(shí)隙、相同頻率或相同地址碼的情況下，仍然可以根據(jù)信號(hào)不同的空間傳播路徑而區(qū)分不同的信號(hào)。空分多址可以與其他多址方式完全兼容，從而可實(shí)現(xiàn)組合的多址方式，例如空分碼分多址（SD-CDMA）、空分時(shí)分多址（SD-TDMA）等，這樣可以成倍地增長(zhǎng)系統(tǒng)容量。碼間干擾

14、（Inter-Symbol Interference，簡(jiǎn)稱ISI）是數(shù)字通信系統(tǒng)中除噪聲干擾之外最主要的千擾，它與高斯分布的加性噪聲干擾不同，是一種乘性干擾。信道的衰減和時(shí)延失真等都可能引起ISI，實(shí)際上，只要傳輸信道的頻帶是有限的就不可避免地帶來一定的ISI。以一定速度傳送的波形受到非理想信道的影響表現(xiàn)為各碼元波形持續(xù)時(shí)間拖長(zhǎng)，從而使相鄰碼元波形產(chǎn)生重疊，從而引起判決錯(cuò)誤，當(dāng)這種線性失真嚴(yán)重時(shí)，碼間干擾顯得尤為突出。同信道干擾（Common Channel Interference，簡(jiǎn)稱CCI），又叫同頻干擾，它是指使用相同頻率的信道之間的干擾。在蜂窩移動(dòng)通信中，同信道干擾主要指使用相同頻率

15、的小區(qū)間的干擾。多址干擾（ Multiple Access Interference，簡(jiǎn)稱MAI），是在碼分多址蜂窩移動(dòng)通信中出現(xiàn)的一種干擾。由于在同一個(gè)小區(qū)內(nèi)同時(shí)通信的用戶是多個(gè)，多個(gè)用戶均占同一時(shí)隙、同一頻率，所不同的是選取的地址碼不一樣，而實(shí)際選用的地址碼間的互相關(guān)函數(shù)不可能全為零，這樣多個(gè)用戶同時(shí)通信時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生多址干擾。天線增益，取定向天線主射方向上的某一點(diǎn)，在該點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)保持不變的情況下，此時(shí)用無方向性天線發(fā)射時(shí)天線所需的輸入功率與采用定向天線時(shí)所需的輸入功率之比稱為天線增益，常用“G”表示，天線增益可以用來描述天線往某一方向發(fā)射的能力。天線方向圖是智能天線中一個(gè)重要概念，它是指以天線

16、為中心，在相同的距離上，天線輻射或接收的電磁波強(qiáng)度隨方位角或仰角變化的分布圖，亦稱天線波瓣圖或輻射方向圖。在天線方向圖中，如果令空間方向最大值等于1，就叫做歸一化方向圖。天線方向圖可以通過計(jì)算得出，也可以通過實(shí)際測(cè)量得出。利用微機(jī)可以得到方向圖的三維模型。為了方便，常采用通過天線最大輻射方向的兩個(gè)相互垂直的平面方向圖。平面方向圖多用直角坐標(biāo)系或極坐標(biāo)系表示。常用的平面方向圖有：（1）水平平面方向圖。它是當(dāng)仰角和距離為常數(shù)時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)或功率方位角變化的圖形。（2）鉛垂平面方向圖。它是當(dāng)方位角和距離為常數(shù)時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)或功率隨仰角變化的圖形。1.3智能天線技術(shù)的應(yīng)用需求移動(dòng)通信系統(tǒng)中引入智能天線技術(shù)后，可以

17、為更多的用戶提供種類更多、性能更優(yōu)的服務(wù)。下面主要從兩個(gè)角度來闡述智能天線技術(shù)的應(yīng)用需求。首先，從移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的角度來看：在網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)初期，增加新基站是一種有效的擴(kuò)容手段，而對(duì)于一個(gè)成熟的網(wǎng)絡(luò)來說，它就顯得不夠經(jīng)濟(jì)而且收效不大。在那些容量需求非常大的地方，傳統(tǒng)的小區(qū)分裂方法漸漸變得不可行，而在基站引入智能天線技術(shù)代替普通天線后，可以擴(kuò)大系統(tǒng)覆蓋區(qū)域，提高小區(qū)內(nèi)頻譜復(fù)用率，這樣就可以在不新建或盡量少建基站的基礎(chǔ)上增加系統(tǒng)容量，即用較少的基站就可實(shí)現(xiàn)較大區(qū)域的覆蓋，從而降低了運(yùn)營(yíng)商的投資成本和運(yùn)營(yíng)成本；同時(shí)在基站引入智能天線技術(shù)可以有效地改善通信鏈路的性能，這使得運(yùn)營(yíng)商可以更輕松地提供各種新

18、業(yè)務(wù)如各種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；另外系統(tǒng)容量的增加使得在相同的處理增益下可以同時(shí)容納更多的激活用戶，這大大地提高了系統(tǒng)的效率。其次，從移動(dòng)用戶的角度來看：由于智能天線通過空域或空時(shí)域等聯(lián)合處理，可以提高信干噪比、減少時(shí)延擴(kuò)展和減輕衰落，進(jìn)而提高了鏈路的性能，這樣用戶可以得到更加完美的通話質(zhì)量；智能天線采用窄波束跟蹤用戶，可以提高用戶方向的天線增益，這意味著移動(dòng)臺(tái)可以以較低功率工作，這樣可以延長(zhǎng)手機(jī)電池的通話時(shí)間和待機(jī)時(shí)間，并且可以大大減輕電磁輻射，從而降低電磁輻射對(duì)人體的危害?？傊?，由于智能天線技術(shù)對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)所帶來的優(yōu)勢(shì)是目前任何其它技術(shù)所難以替代的，所以無論是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商還是最終受益的移動(dòng)用戶對(duì)它

19、的需求都十分迫切?？梢钥隙?，智能天線技術(shù)在移動(dòng)通信的發(fā)展中將扮演越來越重要的角色。1.4國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.4.1國外研究現(xiàn)狀移動(dòng)通信在經(jīng)歷了第一代模擬通信系統(tǒng)、第二代蜂窩數(shù)字通信系統(tǒng)和窄帶CDMA系統(tǒng)，正向第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展。目前正處于確立第三代移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之時(shí)，國外如歐美等發(fā)達(dá)國家非常重視智能天線技術(shù)在未來移動(dòng)通信方案中的地位與作用，己經(jīng)開展了大量的理論分析和研究，同時(shí)也建立了一些技術(shù)試驗(yàn)平臺(tái)。1歐洲歐洲通信委員會(huì)（CEC）在RACE（Research into Advanced Communication in Europe）計(jì)劃中實(shí)施了智能天線技術(shù)第一階段研究，由德國、英國、丹麥

20、和西班牙合作完成。該項(xiàng)目組在DECT基站基礎(chǔ)上構(gòu)造智能天線試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?995年初開始現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。天線由8個(gè)陣元組成，射頻工作頻率為1.89GHz，陣元間距可調(diào)，陣元分布分別有直線形、圓環(huán)形和平面形三種。模型用數(shù)字波束形成方法實(shí)現(xiàn)智能天線，采用ERA技術(shù)有限公司的專用集成電路芯片DBFI108完成波束形成，系統(tǒng)評(píng)估了識(shí)別信號(hào)到達(dá)方向的多用戶信號(hào)識(shí)別分類算法（MUSIC），采用的自適應(yīng)算法有歸一化最小均方算法（NLMS）和遞歸最小平方算法。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了智能天線的功能，在2個(gè)用戶4個(gè)空間信道（包括上行和下行鏈路）情況下，試驗(yàn)系統(tǒng)比特差錯(cuò)率（BER）優(yōu)于?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，圓形和平面形天線適用于室內(nèi)通信

21、環(huán)境，而市區(qū)環(huán)境則采用簡(jiǎn)單的直線陣更合適。2美國美國對(duì)于智能天線技術(shù)的研究水平處于世界領(lǐng)先地位，并且許多電信設(shè)備生產(chǎn)商紛紛推出了自己的產(chǎn)品。最具代表性的是愛瑞通信公司，它是一家擁有成熟的自適應(yīng)智能天線技術(shù)的全球知名通信技術(shù)公司，在這一領(lǐng)域擁有多項(xiàng)專利技術(shù)，居世界領(lǐng)先水平。愛瑞通信公司擁有豐富的自適應(yīng)智能天線的產(chǎn)品線，其中IntelliCell技術(shù)在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用能有效地改善信號(hào)質(zhì)量和頻譜利用率，使系統(tǒng)容量和覆蓋范圍增大，提高數(shù)據(jù)傳輸速率，從而獲得最佳的語音質(zhì)量。ItelliCell處理器通過自適應(yīng)處理算法，形成可以加權(quán)參數(shù)，在幅度，相位和信號(hào)空間到達(dá)角等多個(gè)指標(biāo)上進(jìn)行每秒調(diào)整數(shù)百次的調(diào)整，從

22、而完成上行處理和下行波束形成。該技術(shù)己經(jīng)在全球超過7.5萬個(gè)基站系統(tǒng)上得到應(yīng)用，為450萬名無線用戶提供高質(zhì)量的無線寬帶服務(wù)。這一技術(shù)支持第三代移動(dòng)通（3G）各種空中接口標(biāo)準(zhǔn)，在容量、數(shù)據(jù)傳輸速率、覆蓋范圍及服務(wù)質(zhì)量上都比傳統(tǒng)移動(dòng)通信系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。據(jù)稱，IntrlliCell可以使運(yùn)營(yíng)商的基站數(shù)量減少50%，由此可以減少大量的設(shè)備成本和營(yíng)運(yùn)成本。3加拿大加拿大McMaster大學(xué)開發(fā)了四元陣列天線，并進(jìn)行了恒模（CMA Constant Module Algorithm）算法的研究。1.4.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)對(duì)于智能天線的研究起步較晚，但也取得了一些成績(jī)。如北京信威公司研制了應(yīng)用于無線本

23、地環(huán)路（WLL）的智能天線系統(tǒng)，信威公司的智能天線采用8陣元環(huán)形自適應(yīng)陣列，工作于17851805MHz，采用時(shí)分雙工方式，收發(fā)間隔10ms，接收機(jī)靈敏度最大可提高9dB。但該系統(tǒng)只能工作于無線本地環(huán)路中，并對(duì)用戶位置、移動(dòng)速率有一定的要求。另外值得一提的是，1998年中國郵電電信科學(xué)技術(shù)研究院代表我國電信主管部門向國際電聯(lián)提交的TD-SCDMA建議和現(xiàn)在成為國際第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)之一的CDMA TDD技術(shù)（低碼片速率選項(xiàng)），就是第一次提出以智能天線為核心技術(shù)的CDMA通信系統(tǒng)，在國內(nèi)外獲得了廣泛的認(rèn)可和支持，并以制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。在國內(nèi)一些大學(xué)和研究結(jié)構(gòu)，如清華大學(xué)、西安交大、中國科技大學(xué)、西

24、安電子科技大學(xué)、北方交通大學(xué)、北京郵電大學(xué)、電信科學(xué)技術(shù)研究院等相繼開展了智能天線的理論研究。一些大的電信設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)如大唐電信、華為、中興科技等也投入了很多的人力物力進(jìn)行研發(fā)；國家“八六三”、國家自然科學(xué)基金、博士點(diǎn)基金等也相應(yīng)支持有關(guān)單位進(jìn)行理論與技術(shù)平臺(tái)的研究。由于各方面的原因，目前我國對(duì)于智能天線技術(shù)仍然處于理論研究與技術(shù)跟蹤階段。1.5智能天線的發(fā)展前景3G普遍采用基于CDMA的多址接入技術(shù)，依靠碼字之間的正交性來區(qū)分不同的用戶，因此接收端各個(gè)信號(hào)之間的不完全同步、擾碼不完全正交、TDD系統(tǒng)中的時(shí)隙偏差等問題都可能在系統(tǒng)內(nèi)用戶之間形成一定程度的干擾。同時(shí)，在理論分析的基礎(chǔ)上，大量的仿

25、真和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果也證明了：在3G通信系統(tǒng)中，網(wǎng)內(nèi)干擾將超過系統(tǒng)固有的熱噪聲，成為制約系統(tǒng)性能的主要因素。在干擾和容量這一對(duì)矛盾的基礎(chǔ)上形成的容量與覆蓋、容量與性能、覆蓋與性能等互換性問題已經(jīng)得到共識(shí)，成為3G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和運(yùn)營(yíng)的主要特點(diǎn)。在業(yè)務(wù)特性上，3G以高速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、視頻電話和能力得到增強(qiáng)的增值業(yè)務(wù)作為其對(duì)2G系統(tǒng)形成服務(wù)優(yōu)勢(shì)的主要手段，這必然使得3G具有大得多的網(wǎng)絡(luò)流量。但是與2G系統(tǒng)一樣，它的容量同樣受到空中頻譜資源的限制。我們注意到，理論上在相同條件下，CDMA并不比FDMA或者是TDMA具有更大的頻譜利用率。因此，為了能夠真正體現(xiàn)3G系統(tǒng)在業(yè)務(wù)能力上的優(yōu)勢(shì)，必須使用新技術(shù)使頻譜利用率

26、得到質(zhì)的提高，智能天線技術(shù)正是目前被認(rèn)為是能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)的最有效的方法之一。它通過增加系統(tǒng)SDMA（空分多址）的能力，能夠有效地緩解3G系統(tǒng)中容量與網(wǎng)內(nèi)干擾之間的矛盾，很大程度地提高系統(tǒng)對(duì)空中無線頻譜資源的利用能力。 我國提出的TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)，由于其空中接口采用TDD的雙工方式，通信的上下行信道使用相同的頻率，因此以很短的時(shí)隙間隔相互交錯(cuò)的上下行信道之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性，這樣比較容易根據(jù)上行信道的接收情況對(duì)下行信道的發(fā)送特性進(jìn)行準(zhǔn)確的調(diào)整，因此TD-SCDMA成為3G標(biāo)準(zhǔn)中最方便于使用智能天線的一個(gè)技術(shù)，并且已經(jīng)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，將智能天線作為其主要的關(guān)鍵技術(shù)之一。另外，對(duì)于3G中使用FD

27、D方式的WCDMA和CDMA2000，由于上下行信道使用不同的頻率，并且具有較大的頻差（在我國的3G頻率劃分中，主要工作頻段上下行的頻差為190MHz），因此上下行信道之間的相關(guān)性較弱，加上城區(qū)中復(fù)雜的無線傳播環(huán)境，所以想要利用上行信道的接收信息得到下行鏈路理想的發(fā)送方案是比較困難的，對(duì)算法的復(fù)雜度也有更高的要求。但是由于對(duì)系統(tǒng)性能改善方面的重要作用，所以關(guān)于FDD系統(tǒng)中智能天線的使用也在不斷研究和嘗試中。在英國進(jìn)行的TSUNAMI 項(xiàng)目，在DCS1800系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過使用8副各自由8個(gè)元素構(gòu)成的天線陣列對(duì)智能天線在宏蜂窩和微蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的性能情況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)各種自適應(yīng)算法進(jìn)行了比較，

28、并且發(fā)布了如下的一些試驗(yàn)結(jié)果： （1）在宏蜂窩的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，當(dāng)信號(hào)到達(dá)方向相差10度以上的時(shí)候，通過使用智能天線，系統(tǒng)獲得了達(dá)到30dB的載干比增益，覆蓋范圍增加了54%； （2）在宏蜂窩的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，通過使用8元素的智能天線，系統(tǒng)容量增加了300%； （3）微蜂窩的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下智能天線的性能增益不如宏蜂窩的情況，但大部分自適應(yīng)算法也能夠取得相當(dāng)?shù)男阅茉鲆妗Ｐ枰獙?duì)微蜂窩的情況進(jìn)行更深入的研究。 在此之后的SUNBEAM項(xiàng)目把在DCS1800系統(tǒng)上的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了擴(kuò)展，對(duì)智能天線在3G WCDMA中的應(yīng)用進(jìn)行了研究；與此同時(shí)，在美國、日本和韓國等地方也報(bào)告了關(guān)于智能天線性能的相關(guān)試驗(yàn)和研究結(jié)果。1

29、.6 本章小結(jié)由于智能天線有著非常誘人的應(yīng)用前景，許多國家都投入了大量的人力物力對(duì)該技術(shù)進(jìn)行研究，并取得了一些成就。概括地講，目前研究主要解決了以下兩方面的問題：（1）研究論證了智能天線在不同移動(dòng)通信系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性和有效性，建立了一些技術(shù)試驗(yàn)平臺(tái)，并且在一定的條件下（從目前情況來看，智能天線正逐步應(yīng)用在固定無線接入系統(tǒng)中，即用戶固定無線傳播環(huán)境不斷變化的情況）實(shí)現(xiàn)了智能天線技術(shù)，驗(yàn)證了智能天線在提高移動(dòng)通信系統(tǒng)性能中表現(xiàn)出的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。（2）研究了智能天線基本結(jié)構(gòu)以及功能模塊，并提出了一些智能天線的性能度量準(zhǔn)則和自適應(yīng)波束形成的算法。由于智能天線是移動(dòng)通信中一項(xiàng)新技術(shù)，目前該技術(shù)尚處于發(fā)展的

30、初級(jí)階段，還有很多問題仍未解決，其中智能天線的跟蹤速度問題顯得尤為突出。智能天線是依照一定的性能度量準(zhǔn)則，采用一定的自適應(yīng)算法來調(diào)節(jié)陣元加權(quán)值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的捕獲和跟蹤，智能自適應(yīng)算法是智能天線技術(shù)的核心和關(guān)鍵。目前各種自適應(yīng)算法普遍存在計(jì)算量大、速度慢的問題，無法實(shí)時(shí)地捕獲和跟蹤移動(dòng)用戶，這成為限制智能天線應(yīng)用的主要問題。第二章 智能天線2.1概述簡(jiǎn)單的說，智能天線就是能夠利用多個(gè)天線陣元的組合進(jìn)行信號(hào)處理，自動(dòng)調(diào)整發(fā)射和接收方向圖，以針對(duì)不同的信號(hào)環(huán)境達(dá)到性能最優(yōu)的天線。就是天線方向圖的增益特性能夠根據(jù)信號(hào)情況實(shí)時(shí)進(jìn)行自適應(yīng)變化，即智能天線利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主

31、波束對(duì)準(zhǔn)用戶信號(hào)到達(dá)方向，旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向，達(dá)到充分高效利用移動(dòng)用戶信號(hào)并刪除或抑制干擾信號(hào)的目的。2.2智能天線的分類智能天線根據(jù)采用的天線方向圖的形狀，可分為兩類：多波束智能天線和自適應(yīng)智能天線。 由于體積和技術(shù)等原因，這兩類智能天線目前都僅限于在基站系統(tǒng)中的應(yīng)用。1. 多波束智能天線多波束智能天線主要采用的是波束轉(zhuǎn)換技術(shù)，因此，也稱為波束轉(zhuǎn)換天線。它是在把用戶區(qū)進(jìn)行分區(qū)（扇區(qū)）的基礎(chǔ)上，使天線的每個(gè)波束固定指向不同的分區(qū)，使用多個(gè)并行波束就能覆蓋整個(gè)用戶區(qū)，從而形成了形狀基本不變的天線方向圖。當(dāng)用戶在小區(qū)中移動(dòng)時(shí)，根據(jù)測(cè)量各個(gè)波束的信號(hào)強(qiáng)度來跟蹤移動(dòng)用戶，并能在移動(dòng)用戶移動(dòng)

32、時(shí)適當(dāng)?shù)剞D(zhuǎn)換波束，使接收信號(hào)最強(qiáng)，同時(shí)較好地抑制了干擾，提高了服務(wù)質(zhì)量。2. 自適應(yīng)智能天線自適應(yīng)智能天線是一種安裝在基站現(xiàn)場(chǎng)的雙向（既可接收又可發(fā)送）天線。它基于自適應(yīng)天線原理，采用現(xiàn)代自適應(yīng)空間數(shù)字處理技術(shù)，通過選擇合適的自適應(yīng)算法，利用天線陣的波束賦形技術(shù)動(dòng)態(tài)地形成多個(gè)獨(dú)立的高增益窄波束，使天線主波束對(duì)準(zhǔn)用戶信號(hào)到達(dá)方向，同時(shí)旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向，以增強(qiáng)有用信號(hào)、減少甚至抵消干擾信號(hào)，提高接收信號(hào)的載干比，同時(shí)增加系統(tǒng)的容量和頻譜效率。從空分多址技術(shù)角度來說，它是利用信號(hào)在傳輸方向上的差別，將同頻率或同時(shí)隙、同碼道的信號(hào)區(qū)分開來，從而最大限度地利用有限的信道資源，增加系統(tǒng)的容量

33、和提高頻譜效率。從雙向天線的角度來講，智能天線包括兩個(gè)重要組成部分：一是對(duì)來自移動(dòng)臺(tái)發(fā)射的多徑電波方向進(jìn)行到達(dá)角估計(jì)，并進(jìn)行空間濾波，抑制其他移動(dòng)臺(tái)的干擾。二是對(duì)基站發(fā)送信號(hào)進(jìn)行波束形成，使基站發(fā)送信號(hào)能夠沿著移動(dòng)臺(tái)電波的到達(dá)方向發(fā)送回移動(dòng)臺(tái)，從而降低發(fā)射功率，減少對(duì)其他移動(dòng)臺(tái)的干擾。2.3智能天線的基本原理與結(jié)構(gòu)智能天線也叫自適應(yīng)天線，由多個(gè)天線單元組成，每一個(gè)天線后接一個(gè)復(fù)數(shù)加權(quán)器，最后用相加器進(jìn)行合并輸出。這種結(jié)構(gòu)的智能天線只能完成空域處理。同時(shí)具有空域、時(shí)域處理能力的智能天線在結(jié)構(gòu)上相對(duì)較復(fù)雜，每個(gè)天線后接的是一個(gè)延時(shí)抽頭加權(quán)網(wǎng)絡(luò)（結(jié)構(gòu)上與時(shí)域有限沖擊響應(yīng)均衡器相同）。自適應(yīng)或智能的主

34、要含義是指這些加權(quán)系數(shù)可以根據(jù)一定的自適應(yīng)算法進(jìn)行自適應(yīng)更新調(diào)整。2.3.1智能天線的基本原理智能天線的基本原理就是根據(jù)一定的接收準(zhǔn)則自動(dòng)地調(diào)節(jié)天線陣元的幅度和相位加權(quán)值，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)接收和發(fā)射。從空間響應(yīng)來看，智能天線是一個(gè)空間濾波器，它在信號(hào)入射方向上增益最大，在干擾信號(hào)入射方向上形成零陷或低陷。下面以直線陣為例，說明智能天線的基本原理。假設(shè)滿足天線傳輸窄帶條件，即某一入射信號(hào)在各天線單元的響應(yīng)輸出只有相位差異而沒有幅度變化，這些相位差異由入射信號(hào)到達(dá)各天線所走路線的長(zhǎng)度差來決定。若入射信號(hào)為平面波，則這些相位差由載波波長(zhǎng)、入射角度、天線位置分布唯一確定。給定一組加權(quán)值，一定的入射信號(hào)強(qiáng)度，

35、不同入射角度的信號(hào)由于在天線間的相位差不同，合并后的輸出信號(hào)強(qiáng)度也會(huì)不同。智能天線的工作原理可用下圖說明： 圖2-1 智能天線基本原理圖對(duì)于N元天線陣列，設(shè)信號(hào)自方向入射，陣元間距為d，接收信號(hào)功率為P，以第1個(gè)天線單元為參考，則第i個(gè)天線單元的相位延遲為，其中，為電磁波波長(zhǎng)。天線陣列接收信號(hào)可以用下面的矢量表示 （2-1）式中V（a）為天線陣在方向上的響應(yīng)矢量。設(shè)，分別表示有用信號(hào)、干擾信號(hào)的天線陣響應(yīng)矢量，分別為有用信號(hào)和干擾信號(hào)矢量，M為干擾信號(hào)個(gè)數(shù)，N（t）為噪聲矢量。則經(jīng)過加權(quán)的天線陣輸出X（t）可表示為下式 （2-2）智能天線的目的就是確定最佳權(quán)值矢量W，己達(dá)到提取有用信號(hào)，抑制干

36、擾信號(hào)濾除噪聲信號(hào)的目的。智能天線的方向圖根據(jù)權(quán)值的變化而變化，它不同于全向天線，而更接近定向天線的方向圖，即有主瓣、副辯等，但相比而言，智能天線通常有較窄的主瓣，較靈活的主，副瓣大小、位置關(guān)系和較大的天線增益。它和固定天線的最大區(qū)別是：不同的權(quán)值對(duì)應(yīng)著不同的方向圖，可以通過改變權(quán)值來調(diào)節(jié)天線方向圖，即天線模式。理想的智能天線就是要使天線方向圖的主瓣對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)用戶方向，零瓣對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)方向。智能天線的方向圖是隨著權(quán)值的改變而動(dòng)態(tài)變化的，智能天線正是通過自適應(yīng)調(diào)整權(quán)值的來抑制干擾、提高信噪比，進(jìn)而提高移動(dòng)通信系統(tǒng)性能。2.3.2智能天線系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)通常智能天線系統(tǒng)由3部分組成：實(shí)現(xiàn)信號(hào)空間采樣的

37、天線陣、對(duì)各陣元輸出進(jìn)行加權(quán)合并的波束成型網(wǎng)絡(luò)、更新合并權(quán)值的控制部分，其基本結(jié)構(gòu)如下圖2-2所示。圖2-2典型的智能天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖天線陣列部分根據(jù)天線陣元之間的幾何關(guān)系，陣列形狀大致可劃分為：線陣、面陣、圓陣等，甚至還可以組成三角陣、不規(guī)則陣和隨機(jī)陣。天線陣的配置方式對(duì)智能天線性能有著直接的影響。在移動(dòng)通信應(yīng)用中天線陣多采用均勻線陣或均勻圓陣。因?yàn)橹本€陣已被證明更適合于市區(qū)移動(dòng)通信環(huán)境。天線陣元數(shù)一般取4到16。因?yàn)橐环矫嫣炀€陣元數(shù)越多，系統(tǒng)增益也就越高；但另一方面陣元數(shù)的增加會(huì)使射頻通道相應(yīng)增加，會(huì)導(dǎo)致基站成本上升過大，所以智能天線的天線數(shù)不能過大。陣元間距一般為半個(gè)波長(zhǎng)，因?yàn)槿绻囋?/p>

38、間距過大，接收信號(hào)的彼此相關(guān)程度會(huì)降低：間距過小，會(huì)在天線的方向圖上形成不必要的柵瓣（有較大甚至和主瓣高度相同的旁瓣）。波束成型網(wǎng)絡(luò)部分主要完成數(shù)模轉(zhuǎn)換和天線方向圖的自適應(yīng)調(diào)整。每個(gè)天線陣陣元上都有ADC和DAC，將接收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，將待發(fā)射的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，完成模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換。所有收發(fā)數(shù)字信號(hào)都通過一組高速數(shù)字總線和基帶數(shù)字信號(hào)處理器連接。天線方向圖的調(diào)整是根據(jù)控制部分得到的權(quán)值調(diào)節(jié)天線輸出來實(shí)現(xiàn)的?？刂撇糠郑此惴ú糠郑┦侵悄芴炀€系統(tǒng)的核心部分，其功能是依據(jù)信號(hào)環(huán)境、按某種性能度量準(zhǔn)則和自適應(yīng)算法，選擇或計(jì)算權(quán)值。智能天線系統(tǒng)是由上面三部分組成的一個(gè)自適

39、應(yīng)控制系統(tǒng)，它根據(jù)一定的自適應(yīng)算法自動(dòng)調(diào)準(zhǔn)天線陣方向圖，使它在干擾方向形成零陷或低陷，在信號(hào)到達(dá)方向形成主瓣，從而達(dá)到加強(qiáng)有用信號(hào)，擬制干擾信號(hào)的目的。智能天線系統(tǒng)的基本工作流程可以簡(jiǎn)單概括如下：（1）系統(tǒng)將首先對(duì)來自所有天線中的信號(hào)進(jìn)行快照或取樣，然后將它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，并存儲(chǔ)在內(nèi)存中。（2）處理器將立即分析樣本，對(duì)無線環(huán)境進(jìn)行評(píng)估，確認(rèn)有用用戶所在的位置。（3）處理器對(duì)天線信號(hào)的組合方式進(jìn)行計(jì)算，力爭(zhēng)最佳地恢復(fù)用戶的信號(hào)。（4）系統(tǒng)將進(jìn)行模擬計(jì)算，使天線陣列可以有選擇地向空間發(fā)送信號(hào)。（5）在上述處理的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)就能夠在每條空間信道上發(fā)送和接收信號(hào)，從而使這些信道成為雙向信道。以上介紹

40、了智能天線的基本結(jié)構(gòu)、原理以及工作流程，在工程實(shí)際中智能天線的工作原理更復(fù)雜，并且每一部分的實(shí)現(xiàn)和結(jié)構(gòu)往往根據(jù)所應(yīng)用的系統(tǒng)不同而略有不同。2.4 自適應(yīng)波束形成算法在智能天線技術(shù)中，需要根據(jù)不同的用戶確定不同的權(quán)值以實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶地跟蹤。這些確定權(quán)值的算法統(tǒng)稱為智能自適應(yīng)算法，它是智能天線技術(shù)的核心。自適應(yīng)算法決定著天線陣的暫態(tài)響應(yīng)速率和實(shí)現(xiàn)電路的復(fù)雜程度。因此，自適應(yīng)算法的研究一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。自適應(yīng)波束形成技術(shù)經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，已經(jīng)逐漸走向成熟，已有的自適應(yīng)波束形成算法大致可分為三大類：基于參考信號(hào)的波束形成，基于來波波達(dá)方向（DOA）的波束形成，基于信號(hào)結(jié)構(gòu)特性的盲波束形成。（1）基于

41、參考信號(hào)的波束形成。這類算法需要發(fā)射端向接收端發(fā)射訓(xùn)練序列或?qū)ьl信號(hào)來產(chǎn)生接收端參考信號(hào)。2G-GSM系統(tǒng)可以用專用碼訓(xùn)練序列，3G-UMTS系統(tǒng)用戶可以使用專用導(dǎo)頻。其對(duì)應(yīng)自適應(yīng)波束形成可以采用最小均方（LMS，Least Mean Squares）算法，遞歸最小二乘（RLS）算法，直接矩陣求逆（DMI）等算法。這類算法不需要確定信號(hào)的DOA，有較強(qiáng)的健壯（Robust）性，一般不需要較正，可以結(jié)合最佳多徑從而降低衰落影響。這種方式一般需要精確同步，并要求高的更新率；時(shí)延擴(kuò)展小時(shí)性能很好；對(duì)于頻分雙工體制，不能從上行接收信息確定下行波束權(quán)矢量。（2）基于來波方向的波束形成。這類算法需要DOA

42、估計(jì)技術(shù)的支持，不需要參考信號(hào)的信息。算法一般包括DOA估計(jì)和基于DOA的波束調(diào)整兩部分?；趤聿ǚ较虻牟ㄊ纬杉夹g(shù)中，DOA估計(jì)非常重要，目前已有多種DOA估計(jì)算法，如多重信號(hào)分類（MUSIC，Multiple Signal Classification）和借助旋轉(zhuǎn)不變技術(shù)估計(jì)信號(hào)參數(shù)（ESPRIT，Estimation Signal Parameters via Rotational In variance Techniques）算法。此類算法先估計(jì)出方向向量，再利用線性約束最小方差（LCMV）準(zhǔn)則形成權(quán)值。為提高精度，還可以利用特征空間算法得到更佳的權(quán)值。但此類算法有一個(gè)共同的特點(diǎn)，每個(gè)

43、入射波前的方向先被估計(jì)，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)波束形成器恢復(fù)來自該方向上的信號(hào)。這類算法一般要求天線陣列流形是確知的，而實(shí)際系統(tǒng)的流形誤差是不可避免的，故陣列必須是校正過的。此類算法的另一優(yōu)點(diǎn)是非常適合于頻分雙工系統(tǒng)。（3）盲波束形成算法。盲波束形成算法的目的與非盲算法類似，都是為了確定一組權(quán)矢量而使接收信號(hào)的質(zhì)量最好。但盲波束形成算法不需要訓(xùn)練序列，它利用時(shí)間、空間、碼字結(jié)構(gòu)、或陣列流形來實(shí)現(xiàn)同樣的功能。這種盲波束形成技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是：波束形成器與信道的空間性質(zhì)或陣列的校正無關(guān)?？傊?，只要期望信號(hào)具有與噪聲和干擾不同的特性，就可以設(shè)法估計(jì)出期望信號(hào)的陣列方向向量。然后用它作為導(dǎo)向向量進(jìn)行自適應(yīng)波束形成

44、。通常信號(hào)的典型統(tǒng)計(jì)性質(zhì)有非高斯性和循環(huán)平穩(wěn)性等，典型的確定性性質(zhì)則包括恒模性、有限符號(hào)集特性等。利用這類性質(zhì)構(gòu)成了一類新的波束形成算法即盲波束形成算法。典型的盲波束形成算法有恒模（CMA）算法等。第三章 基于阻塞矩陣的主瓣干擾抑制算法近年來，無線通信中使用智能天線提高系統(tǒng)容量和減少干擾已是一個(gè)重要課題。智能天線的自適應(yīng)波束形成可以提高無線鏈路中的信干噪比，減少信道阻塞，增加總的系統(tǒng)容量。通過加權(quán)形成的波束以近似零增益波瓣對(duì)準(zhǔn)多徑信號(hào)和強(qiáng)干擾信號(hào)源，同時(shí)以高增益波瓣對(duì)準(zhǔn)期望信號(hào)源，可以減小干擾，降低用戶發(fā)射功率，使多個(gè)移動(dòng)用戶共享同一個(gè)信道與基站進(jìn)行通信。由于這些陣列中的加權(quán)形成波束的操作可以

45、在基帶中完成，因此現(xiàn)在已可以用DSP來實(shí)現(xiàn)。一般的自適應(yīng)波束形成技術(shù)存在主瓣干擾時(shí)，會(huì)出現(xiàn)副瓣電平增高及主波束變形的現(xiàn)象。本章采用了基于阻塞矩陣預(yù)處理（BMB）的自適應(yīng)波束保形方法，方法分兩步：首先對(duì)主瓣干擾進(jìn)行方位估計(jì)，利用所得方位結(jié)果對(duì)接收的信號(hào)作預(yù)處理，再進(jìn)行自適應(yīng)波束形成。以下的分析基于這樣一個(gè)假設(shè)：主瓣內(nèi)存在一個(gè)干擾，而對(duì)副瓣內(nèi)的干擾數(shù)目沒有限制。3.1常規(guī)的自適應(yīng)波束形成算法考慮等間距排列的 M元窄帶線性陣列，陣列單元間距，為工作波長(zhǎng)，并假設(shè)各通道噪聲為相互獨(dú)立的零均值高斯白噪聲，且與信號(hào)不相關(guān)，方差為，則陣列接收的干擾噪聲信號(hào)可表示為 （3-1）式中個(gè)干擾信號(hào)的復(fù)包絡(luò)； 通道噪聲

46、；個(gè)干擾信號(hào)的方向矢量，其中 第個(gè)干擾信號(hào)的入射角度，并有。干擾噪聲協(xié)方差矩陣為 （3-2）式中干擾協(xié)方差矩陣，根據(jù)線性約束最小方差準(zhǔn)則，求得最佳自適應(yīng)權(quán)為 （3-3）式中常數(shù)；維靜態(tài)波束導(dǎo)向矢量。所求得的最佳自適應(yīng)權(quán)能保證在信號(hào)進(jìn)入的前提下，在干擾方向上形成零陷，從而有效地抑制掉干擾。 但是當(dāng)存在主瓣干擾時(shí) ，自適應(yīng)波束形成技術(shù)將在主瓣形成一個(gè)深的零陷，顯然這將導(dǎo)致主波束變形 ，且峰值偏移、副瓣電平增高。3.2基于等距線陣的統(tǒng)計(jì)模型為方便起見，仍以平面空間的等距線陣為例。設(shè)陣元數(shù)為，陣元間距為，共有個(gè)信源，其中。設(shè)波達(dá)方向?yàn)?，并以?個(gè)陣元為基準(zhǔn)點(diǎn)，各信源在基準(zhǔn)點(diǎn)的復(fù)包絡(luò)分別為。則在第個(gè)陣元

47、上第次快拍的采樣值為 （3-4）式（3-4）中表示第個(gè)陣元上加性高斯白噪聲的第次快拍。將各個(gè)陣元上第次快拍的采樣寫成向量形式 （3-5）其中 （3-6） （3-7） （3-8） （3-9）陣列可以獲取許多次快拍的觀測(cè)數(shù)據(jù)，為了充分利用這些數(shù)據(jù)以提高檢測(cè)可靠性和參數(shù)估計(jì)的精度，可采用累計(jì)的辦法，但用數(shù)據(jù)直接累計(jì)是不行的，因?yàn)殡S變化，且其初相通常為均勻分布，一階統(tǒng)計(jì)量（均值）為零。但它的二階統(tǒng)計(jì)量由于可以消去的隨機(jī)初相，所以能反映出信號(hào)向量的特征。陣列向量的二階統(tǒng)計(jì)量用其外積的統(tǒng)計(jì)平均值表示，稱之為陣列協(xié)方差矩陣，定義為 （3-10）將式（3-4）代入式（3-10），考慮到與是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，于是可得

48、 （3-11）式（3-11）中，是信源部分的協(xié)方差矩陣。由于各個(gè)陣元的噪聲強(qiáng)度相等且彼此互不相關(guān)，故其協(xié)方差矩陣為。容易驗(yàn)證，陣列協(xié)方差矩陣滿足。這說明，陣列協(xié)方差矩陣屬于Hermite矩陣，它的特征值為正值。令特征值為，則協(xié)方差矩陣的特征值分解可以寫成 （3-12）式（3-12）中，是由特征向量組成的酉矩陣，是由特征值構(gòu)成的對(duì)角矩陣。比較式（3-12）和式（3-11）可知，若將的個(gè)特征值從大到小依次排列，則前個(gè)與信號(hào)有關(guān)，其數(shù)值大于，即，第開始的特征值完全取決與噪聲，其數(shù)值等于，即。因此，可以將的個(gè)特征向量分成兩個(gè)部分：一部分是和對(duì)應(yīng)的特征向量，它們張成的空間稱為信號(hào)子空間；另一部分是和最小

49、特征值對(duì)應(yīng)的特征向量，它們張成的空間稱為噪聲子空間。由 （3-13）可知各方向向量（方向矩陣的各列）均位于信號(hào)子空間里，它們與噪聲子空間正交。3.3主瓣干擾對(duì)算法的影響天線在實(shí)際的應(yīng)用中，由于大量密集而強(qiáng)大的干擾，使得帶寬的選擇受到限制，很難找到較寬的且干凈的頻帶。要么降低帶寬，要么在滿足帶寬的前提下抑制干擾。因此帶寬的選擇要兼顧距離分辨力和干擾的影響，較為理想的辦法是在滿足帶寬的要求下抑制干擾。有源干擾的抑制方法，無非是根據(jù)信號(hào)和干擾在空域、頻域和時(shí)域的差異，在不同的域中進(jìn)行分離抑制。利用空間兩路相減獲得干擾信號(hào)，再進(jìn)行時(shí)域自適應(yīng)干擾對(duì)消的方法抑制副瓣干擾，可以取得較好的效果，但對(duì)于從主瓣進(jìn)

50、入的干擾該方法無能為力。由于主瓣干擾在空域上和有用信號(hào)沒有區(qū)別，故只能考慮在頻域和時(shí)域上加以區(qū)分。常規(guī)的方法是對(duì)主瓣內(nèi)的有源射頻干擾進(jìn)行頻率躲避，或者根據(jù)干擾信號(hào)的極化濾波處理，發(fā)射信號(hào)的頻率躲避必然會(huì)限制帶寬的利用率。為此，有些學(xué)者提出了頻譜不連續(xù)的思想：考慮到窄帶干擾占據(jù)信號(hào)帶寬的一部分，用凹口濾波器零陷被干擾污染的頻段，得到間斷的頻譜，各帶寬之和滿足總帶寬的要求，其缺點(diǎn)是零陷干擾的同時(shí)將有用信號(hào)也濾除掉了，脈壓后的相對(duì)旁瓣大幅度抬高，且對(duì)凹口濾波器的設(shè)計(jì)提出較高的要求。自適應(yīng)波束形成技術(shù)抑制干擾應(yīng)用的基本思想是：在保證信號(hào)進(jìn)入的前提下，使天線方向圖在對(duì)準(zhǔn)干擾的方向自適應(yīng)形成零陷，從而抑制

51、掉干擾。我們知道，當(dāng)干擾從副瓣進(jìn)入時(shí)，自適應(yīng)波束形成技術(shù)有著優(yōu)良的性能，關(guān)于這方面的研究有大量的文獻(xiàn)報(bào)道。然而在現(xiàn)代復(fù)雜電磁環(huán)境下，干擾很可能從主瓣進(jìn)入，當(dāng)存在主瓣干擾時(shí)，自適應(yīng)波束形成技術(shù)便暴露出兩個(gè)嚴(yán)重的缺陷23：一是副瓣電平增高 ，這將導(dǎo)致虛警概率的急劇上升；二是主波束變形且峰值偏移，從而影響了測(cè)角的精度。這兩點(diǎn)嚴(yán)重地限制了自適應(yīng)波束形成技術(shù)在主瓣干擾條件下的應(yīng)用。究其原因，是由于自適應(yīng)波束形成為抑制主瓣干擾，必須在主瓣內(nèi)形成零陷所致。 基于這點(diǎn)，由于在對(duì)接收信號(hào)作預(yù)處理中，就對(duì)消了主瓣干擾，因此接下來的自適應(yīng)波束形成就不會(huì)在主瓣內(nèi)形成零陷，從而不會(huì)導(dǎo)致主波束變形及副瓣電平增高的現(xiàn)象。下

52、面我們將詳細(xì)分析該方法。3.4基于阻塞矩陣的主瓣干擾抑制3.4.1阻塞矩陣預(yù)處理首先利用空間譜估計(jì)方法對(duì)主瓣干擾進(jìn)行方位估計(jì)，由于干擾強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目標(biāo)信號(hào)及噪聲的強(qiáng)度，并且主瓣內(nèi)只存在一個(gè)干擾，因此空間譜估計(jì)法選用較為簡(jiǎn)單的最小方差法即可，而不必選用復(fù)雜的空間譜估計(jì)法如MUSIC法等。最小方差法估計(jì)主瓣干擾方位的表達(dá)式為 （3-14）由于我們只對(duì)主瓣干擾定位，故上式的角度搜索范圍只需在主波束內(nèi)進(jìn)行，從而大大減少了運(yùn)算量。得到主瓣干擾的方位信息后，再對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行主瓣干擾相消預(yù)處理，設(shè)處理后的信號(hào)為Y ，則有 （3-15）式中為維的預(yù)處理變換矩陣 （3-16）其中，為主瓣干擾的方位角，相應(yīng)的復(fù)包

53、絡(luò)為，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)信號(hào)阻塞矩陣26，它利用相鄰天線單元進(jìn)行相消處理來抑制主瓣干擾，設(shè)（3-17）預(yù)處理變換前，第個(gè)天線單元的接收信號(hào)為 （3-18）其中，經(jīng)過預(yù)處理變換后， 根據(jù)式（3-16），得到變換后的信號(hào)為 ，（3-19）其中， ，。比較式（3-18）和式（3-19），可以看出預(yù)處理變換改變了信號(hào)的復(fù)包絡(luò)，但不改變信號(hào)的波達(dá)方向，并且對(duì)于主瓣干擾，其復(fù)包絡(luò)，因此，預(yù)處理變換有效地抑制了主瓣干擾，并且不會(huì)影響后續(xù)自適應(yīng)波束形成處理對(duì)其它副瓣干擾的零陷形成。3.4.2波束形成對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理變換后，第二步就是進(jìn)行一般的自適應(yīng)波束形成，變換后的信號(hào)協(xié)方差矩陣為 （3-20）從上式可看出，中

54、的噪聲項(xiàng)不再代表一個(gè)白噪聲的協(xié)方差矩陣， 因此需進(jìn)一步進(jìn)行白化處理 （3-21）實(shí)際進(jìn)行上式的白化處理時(shí)需要估計(jì)，這時(shí)，需對(duì)作特征分解，求出個(gè)最小特征值，取它們的平均值即為估計(jì)值；L為一適當(dāng)?shù)膶?duì)角加載量，以彌補(bǔ) 的估計(jì)誤差，從而進(jìn)一步降低旁瓣，一般取即可。最后，可求得自適應(yīng)權(quán)為 （3-22）上述的BMB波束保形方法能在抑制主、副瓣干擾的同時(shí)，有效地解決波束畸變的問題。但是該方法需要較準(zhǔn)確地估計(jì)主瓣干擾的方位，當(dāng)方位估計(jì)存在誤差時(shí)，由于不能有效地對(duì)消主瓣干擾，性能將要下降。綜上所述，當(dāng)采樣數(shù)據(jù)中包含目標(biāo)信號(hào)且同時(shí)有一個(gè)主瓣干擾情況下阻塞方法處理原理見圖 3-1。圖3-1 阻塞方法抑制干擾原理圖3

55、.5仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析通過計(jì)算機(jī)仿真來考查阻塞矩陣方法抑制干擾的性能，以及當(dāng)阻塞方向與主瓣干擾方向有偏差時(shí)對(duì)抑制干擾性能的影響。仿真1：等距均勻線陣，陣元數(shù)為8，陣元間距，目標(biāo)信號(hào)在方向，信噪比為20dB，三個(gè)互不相關(guān)的干擾信號(hào)分別從、和入射到陣列上，干噪比均為40dB ，其中方位的干擾處于主波束內(nèi)。仿真時(shí)取快拍數(shù)為200。如圖3-2所示。圖3-2 陣元數(shù)為8干擾為3波束的方向圖由圖3-2可以看出，用阻塞矩陣方法得到的方向圖，在信號(hào)方向及主瓣內(nèi)干擾方向都沒有形成零點(diǎn)，因此主波束沒有畸變。而用常規(guī)的數(shù)據(jù)矩陣求逆法得到的自適應(yīng)方向圖除了在干擾方向形成零點(diǎn)，在信號(hào)及主瓣內(nèi)干擾方向也形成了零點(diǎn)，方向圖變形嚴(yán)重，而且副瓣電平比阻塞矩陣方法得到的副瓣要得多。增加干擾數(shù)，進(jìn)行第2個(gè)仿真。仿真 2：等距均勻線陣，陣元數(shù)為8，陣元間距，目標(biāo)信號(hào)在方向，信噪比為20dB，八個(gè)互不相關(guān)的干擾信號(hào)分別從、和入射到陣列上 ，干噪比均為40dB ，其中方位的干擾處于主波束內(nèi)。仿真時(shí)取快拍數(shù)為200。如圖3-3所示。圖3-3 陣元數(shù)為8干擾為8波束的方向圖由圖3-3可以看出，當(dāng)陣元數(shù)仍為8，干擾數(shù)增加到8的情況下，利用阻塞矩陣方法就不能很好的抑制干擾。智能天線的原理已經(jīng)被