北大天線理論課件第八章智能天線

1、第八章 智能天線智能天線技術(shù)是在自適應(yīng)濾波和陣列信號(hào)處理技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新興天線技術(shù)。基本思想：利用各用戶信號(hào)空間特征的差異，采用陣列天線技術(shù)，根據(jù)某一接收準(zhǔn)則自動(dòng)調(diào)節(jié)各陣元的加權(quán)向量，達(dá)到最佳接收和發(fā)射，使得在同一信道上接收和發(fā)送多個(gè)用戶的信號(hào)而又不相互干擾。特點(diǎn)：具有抗多址干擾和擴(kuò)容能力分類：1) 自適應(yīng)天線自適應(yīng)天線是一種控制反饋系統(tǒng)，根據(jù)一定的準(zhǔn)則，采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)形成天線陣列的加權(quán)向量，通過(guò)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行加權(quán)合并，在有用信號(hào)方向上形成主波束，而在干擾方向上形成零陷，從而提高信號(hào)的信干比。2) 多波束天線多波束天線采用多個(gè)波束覆蓋整個(gè)用戶區(qū)，每個(gè)波束的指向固定，波束寬度由

2、陣源數(shù)目決定，系統(tǒng)根據(jù)用戶的空間位置選取相應(yīng)的波束，使接收信號(hào)最佳。§7.1 智能天線的基本原理智能天線是一種陣列天線，排列方式多樣，只介紹等間距直線陣。智能天線的信號(hào)模型：假設(shè)等間距直線陣的陣元數(shù)目為，元間距為，參考陣元為1，微波信號(hào)的入射方向與天線陣法向的夾角為。如下圖所示。信號(hào)到達(dá)第個(gè)陣元和參考元時(shí)的時(shí)間差為：式中為光速。如果載波頻率為，波長(zhǎng)為，信號(hào)在參考元上感應(yīng)信號(hào)用復(fù)數(shù)表示為：信號(hào)在第個(gè)陣元上的感應(yīng)信號(hào)可表示為：信號(hào)在天線陣上感應(yīng)的信號(hào)用向量表示為：式中稱為引導(dǎo)向量并可表示為：設(shè)陣元的熱噪聲向量為：空間干擾向量為：則有：智能天線的核心是波束形成器，而波束形成器的核心是自適應(yīng)

3、信號(hào)處理器。見下圖所示。信號(hào)處理器依據(jù)某一準(zhǔn)則實(shí)時(shí)地求出滿足該準(zhǔn)則的當(dāng)前權(quán)向量值，該準(zhǔn)則稱為波束形成算法，它是波束形成的關(guān)鍵技術(shù)。波束形成器的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：陣列最后輸出的信號(hào)為：根據(jù)不同的準(zhǔn)則選取加權(quán)向量W，達(dá)到控制天線陣方向圖動(dòng)態(tài)地在有用信號(hào)方向產(chǎn)生高增益窄波束，在干擾和無(wú)用信號(hào)方向產(chǎn)生較深零陷的目的。§7.2 自適應(yīng)數(shù)字波束形成算法眾多，最基本算法基于時(shí)域參考信號(hào)的自適應(yīng)算法。算法步驟：假設(shè)接收系統(tǒng)中設(shè)置與有用信號(hào)具有最大相關(guān)性的本地參考信號(hào)。1. 計(jì)算與陣列輸出信號(hào)之間的誤差2. 計(jì)算均方誤差其中3. 求對(duì)加權(quán)向量的梯度4. 令，求解最佳加權(quán)向量-最佳維納解實(shí)際應(yīng)用中，和事先未

4、知，不能直接得到最佳加權(quán)向量，必須根據(jù)某種自適應(yīng)算法求解。最簡(jiǎn)單的是LMS（Least Mean Squares）算法，其迭代公式為：式中為迭代步長(zhǎng)，其取值滿足：-的最大特征根。例：的均勻直線陣，陣元間距。在信噪比為2，信干比為5，有用信號(hào)方向?yàn)?，干擾來(lái)向?yàn)榈臈l件下，LMS算法結(jié)果見下圖所示。§7.3 多波束天線在移動(dòng)通信中，多波束天線可以利用各個(gè)移動(dòng)用戶空間特征的差異，在同一信道上接收和發(fā)送多個(gè)用戶信號(hào)而不發(fā)生相互干擾，即實(shí)現(xiàn)空分多址。多波束天線的形成可以認(rèn)為是各組權(quán)值單獨(dú)形成的波束的空間場(chǎng)疊加結(jié)果。對(duì)多波束天線而言，主瓣的數(shù)目受天線陣元數(shù)的限制。假如載波波長(zhǎng)為、相鄰陣元間距為、陣元數(shù)為的等間距直線陣最多形成個(gè)主瓣。各主瓣間距受到主瓣寬度的限制，即主瓣間最小間距必須大于。實(shí)際系統(tǒng)中，可以對(duì)主瓣加窗，以調(diào)整主瓣寬度和副瓣電平，控制不同方向上的波束形成權(quán)的幅值，從而實(shí)現(xiàn)功率強(qiáng)弱有別的數(shù)字多波束。例：