智能天線的發(fā)展及在TD-SCDMA中的應(yīng)用

1、智能天線的發(fā)展及在TD-SCDMA中的應(yīng)用    摘要智能天線是在自適應(yīng)濾波和陣列信號處理技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是通信系統(tǒng)中能通過調(diào)整接收或發(fā)射特性來增強天線性能的1種天線。我國提交的第3代移動通信標準TD-SCDMA系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之1就是智能天線技術(shù)，文章詳細介紹了智能天線的歷史及其發(fā)展，深入分析了智能天線在 TD-SCDMA中的運用，最后對智能天線的應(yīng)用前景進行了展望。    1、智能天線的提出 智能天線是在自適應(yīng)濾波和陣列信號處理技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是通信系統(tǒng)中能通過調(diào)整接收或發(fā)射特性來增強天線性能的1

2、種天線。它利用信號傳輸?shù)目臻g特性，從空間位置及入射角度上區(qū)分所需信號與干擾信號，從而控制天線陣的方向圖，達到增強所需信號、抑制干擾信號的目的；同時它還能根據(jù)所需信號和干擾信號位置及入射角度的變化，自動調(diào)整天線陣的方向圖，實現(xiàn)智能跟蹤環(huán)境變化和用戶移動的目的，達到最佳收發(fā)信號，實現(xiàn)動態(tài)“空間濾波”的效果。采用智能天線的目的主要有以下3點：a）通過提供最佳增益來增強接收信號。b）通過控制天線0點來抑制干擾。c）利用空間信息增大信道容量。 最早的智能天線是出現(xiàn)在20世紀50年代的旁瓣對消天線，這種天線包含1個用于接收有用信號的高增益天線和1個或幾個用于抑制旁瓣的低增益、寬波束天線。將幾個這樣的環(huán)路組

3、合成陣列天線，就構(gòu)成自適應(yīng)天線。隨著陣列信號處理技術(shù)的發(fā)展，與智能天線有關(guān)的術(shù)語也越來越多，如智能天線（intelligent antenna）、相控陣（phased arrays）、空分多址（SDMA）、空間處理（spatial processing）、數(shù)字波束形成（digital beam forming）、自適應(yīng)天線系統(tǒng)（adaptive antenna system）等，反映了智能天線系統(tǒng)技術(shù)的多個不同的方面。但總的來說，智能天線主要包含兩類：開關(guān)波束系統(tǒng)和自適應(yīng)陣列系統(tǒng)。兩者中，只有自適應(yīng)陣列系統(tǒng)能夠在為有用信號提供最佳增益的同時，識別、跟蹤和最小化干擾信號。 2、智能天線的發(fā)展現(xiàn)狀

4、 早期智能天線的研究主要集中在軍事領(lǐng)域，尤其是雷達領(lǐng)域，目的是在復(fù)雜的電磁環(huán)境中有效地識別和跟蹤目標。隨后，智能天線在信道擴容和提高通信質(zhì)量等方面具備的獨特優(yōu)勢吸引了眾多的專家學(xué)者，日本、歐洲和美國的許多研究機構(gòu)都相繼開展了針對智能天線的眾多研究計劃，這也為智能天線的迅速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 2.1日本的智能天線發(fā)展 日本最早開始智能天線的研究是在20世紀70年代。到1987年，研究人員已經(jīng)指出基于最小均方誤差（MMSE）準則的自適應(yīng)天線能夠減小多徑衰落，因而可以用于高速移動通信應(yīng)用中。自此，日本學(xué)者展開了大量的針對移動通信環(huán)境的智能天線研究，包括自適應(yīng)處理算法、數(shù)字波束形成方案、WCDMA 中的

5、多址干擾抑制方法，以及基站和移動終端上分別適用的智能天線類型等。其中，較早的有日本郵政電信部通信研究實驗室的智能天線系統(tǒng)和NTT- DoCoMo公司研制的用于3G的UMTS W-CDMA體制的智能天線實驗系統(tǒng)。前者工作于1.5 GHz，針對TDMA方式采用GMSK調(diào)制，數(shù)碼率可達256 kbps。系統(tǒng)利用4陣元天線進行多徑時延對消以消除多徑衰落，權(quán)值更新采用恒模（CMA）算法在東京進行的實驗表明：自適應(yīng)天線技術(shù)在無線高速數(shù)據(jù)傳輸和存在選擇衰落的情況下仍能很好地對消多徑時延信號。后者則采用2D-RAKE接收機結(jié)合MMSE自適應(yīng)波束形成算法進行處理。實驗系統(tǒng)有3個小區(qū)基站用以評估切換和其他的網(wǎng)絡(luò)功

6、能。實驗結(jié)果表明，就平均誤碼率（BER）而言，智能天線比空間分集有明顯改善。 此外，日本ATR光電通信研究所也研制了基于波束空間處理方式的多波束智能天線。天線陣元布局為間距半波長的16陣元平面方陣，射頻工作頻率是 1.545GHz。陣元組件接收信號在經(jīng)過低噪聲放大、下變頻和模數(shù)變換后，進行快速傅氏變換（FFT）處理，形成正交波束后分別采用恒模（CMA）算法或最大比值合并分集（MRC）算法。野外移動試驗確認了采用恒模算法的多波束天線功能。理論分析及實驗證明使用最大比值合并算法可以提高多波束天線在波束交叉部分的增益。在此基礎(chǔ)上，ATR的研究人員提出了基于智能天線的軟件天線概念：根據(jù)用戶所處環(huán)境不同

7、，影響系統(tǒng)性能的主要因素（如噪聲、同信道干擾或符號間干擾）也不同，利用軟件方法實現(xiàn)不同環(huán)境應(yīng)用不同算法。比如當(dāng)噪聲是主要因素時，則使用多波束MRC算法，而當(dāng)同信道干擾是主要因素時則使用多波束 CMA算法，以此提供算法分集，利用FPGA實現(xiàn)實時天線配景，完成智能處理。 隨后，ATR研究所又針對移動通信中移動終端上適用的智能天線形式進行了大量探討，最終提出了單端口電激勵的ESPAR天線。該天線巧妙地利用了各陣元之間的耦合，在天線處實現(xiàn)了空間濾波。 2.4 軟開關(guān)技術(shù) 高頻化以后，為了提高開關(guān)電源的效率，必須開發(fā)和應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù)。它是過去幾10年國際電源界的1個研究熱點。 PWM開關(guān)電源按硬開關(guān)模式

8、工作（開關(guān)過程中電壓下降上升和電流上升下降波形有交疊），因而開關(guān)損耗大。高頻化雖可以縮小體積重量，但開關(guān)損耗卻更大了。為此，必須研究開關(guān)電壓電流波形不交疊的技術(shù)，即所謂0電壓開關(guān)（ZVS）0電流開關(guān)（ZCS）技術(shù)，或稱軟開關(guān)技術(shù)，小功率軟開關(guān)電源效率可提高到800%85%。上世紀70年代諧振開關(guān)電源奠定了軟開關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)。隨后新的軟開關(guān)技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如準諧振（上世紀80年代中）全橋移相ZVS -PWM，恒頻ZVS-PWMZCS-PWM（上世紀80年代末）ZVS-PWM有源嵌位；ZVT-PWMZCT-PWM（上世紀90年代初）全橋移相ZV-ZCS-PWM（上世紀90年代中）等。我國已將最新軟開關(guān)

9、技術(shù)應(yīng)用于6kW通信電源中，效率達93。 2.5 同步整流技術(shù) 對于低電壓、大電流輸出的軟開關(guān)變換器，進1步提高其效率的措施是設(shè)法降低開關(guān)的通態(tài)損耗。例如同步整流（SR）技術(shù)，即以功率MOS管反接作為整流用開關(guān)2極管，代替蕭特基2極管（SBD），可降低管壓降，從而提高電路效率。 2.6 功率因數(shù)校正（PFC）變換器 由于ACDC變換電路的輸入端有整流器件和濾波電容，在正 弦電壓輸入時，單相整流電源供電的電子設(shè)備，電網(wǎng)側(cè)（交流輸入端）功率因數(shù)僅為0.6-0.65。采用功率因數(shù)校正（PFC）變換器，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可提高到0.950.99，輸入電流THD<10。既治理了對電網(wǎng)的諧波污染，又提高了

10、電源的整體效率。這1技術(shù)稱為有源功率因數(shù)校正（APFC），單相APFC國內(nèi)外開發(fā)較早，技術(shù)已較成熟；3相APFC的拓撲類型和控制策略雖然已經(jīng)有很多種，但還有待繼續(xù)研究發(fā)展。 高功率因數(shù)ACDC開關(guān)電源，由兩級拓撲組成，對于小功率ACDC開關(guān)電源來說，采用兩級拓撲結(jié)構(gòu)總體效率低、成本高。如果對輸入端功率因數(shù)要求不特別高時，將PFC變換器和后級DCDC變換器組合成1個拓撲，構(gòu)成單級高功率因數(shù)ACDC開關(guān)電源，只用1個主開關(guān)管，可使功率因數(shù)校正到0.8 以上，并使輸出直流電壓可調(diào)，這種拓撲結(jié)構(gòu)稱為單管單級PFC變換器。 2.7 全數(shù)字化控制 電源的控制已經(jīng)由模擬控制，模數(shù)混合控制，進入到全數(shù)字控制階

11、段。全數(shù)字控制是發(fā)展趨勢，已經(jīng)在許多功率變換設(shè)備中得到應(yīng)用。 全數(shù)字控制的優(yōu)點是數(shù)字信號與混合模數(shù)信號相比可以標定更小的量，芯片價格也更低廉；對電流檢測誤差可以進行精確的數(shù)字校正，電壓檢測也更精確；可以實現(xiàn)快速，靈活的控制設(shè)計。 近兩年來，高性能全數(shù)字控制芯片已經(jīng)開發(fā)，費用也已降到比較合理的水平，歐美已有多家公司開發(fā)并制造出開關(guān)變換器的數(shù)字控制芯片及軟件。 2.8 電磁兼容性 高頻開關(guān)電源的電磁兼容（EMC）問題有其特殊性。功率半導(dǎo)體器件在開關(guān)過程中所產(chǎn)生的didt和dvdt，將引起強大的傳導(dǎo)電磁干擾和諧波干擾，以及強電磁場（通常是近場）輻射。不但嚴重污染周圍電磁環(huán)境，對附近的電氣設(shè)備造成電磁

12、干擾，還可能危及附近操作人員的安全。同時，電力電子電路（如開關(guān)變換器）內(nèi)部的控制電路也必須能承受開關(guān)動作產(chǎn)生的EMI及應(yīng)用現(xiàn)場電磁噪聲的干擾。上述特殊性，再加上EMI測量上的具體困難，在電力電子的電磁兼容領(lǐng)域里，存在著許多交叉學(xué)科的前沿課題有待人們研究。國內(nèi)外許多大學(xué)均開展了電力電子電路的電磁干擾和電磁兼容性問題的研究，并取得了不少可喜成果。 2.9 設(shè)計和測試技術(shù) 建模、仿真和CAD是1種新的設(shè)計研究工具。為了仿真電源系統(tǒng)，首先要建立仿真模型，包括電力電子器件、變換器電路、數(shù)字和模擬控制電路以及磁元件和磁場分布模型等，還要考慮開關(guān)管的熱模型、可靠性模型和EMC模型。各種模型差別很大，建模的發(fā)

13、展方向是數(shù)字1模擬混合建模、混合層次建模以及將各種模型組成1個統(tǒng)1的多層次模型等。 電源系統(tǒng)的CAD，包括主電路和控制電路設(shè)計、器件選擇、參數(shù)最優(yōu)化、磁設(shè)計、熱設(shè)計、EMI設(shè)計和印制電路板設(shè)計、可靠性預(yù)估、計算機輔助綜合和優(yōu)化設(shè)計等。用基于仿真的專家系統(tǒng)進行電源系統(tǒng)的CAD，可使所設(shè)計的系統(tǒng)性能最優(yōu)，減少設(shè)計制造費用，并能做可制造性分析，是21世紀仿真和CAD技術(shù)的發(fā)展方向之1。此外，電源系統(tǒng)的熱測試、EMI測試、可靠性測試等技術(shù)的開發(fā)、研究與應(yīng)用也是應(yīng)大力發(fā)展的。 2.10 系統(tǒng)集成技術(shù) 電源設(shè)備的制造特點是非標準件多、勞動強度大、設(shè)計周期長、成本高、可靠性低等，而用戶要求制造廠生產(chǎn)的電源產(chǎn)品更加實用、可靠性更高、更輕小、成本更低。這些情況使電源制造廠家承受巨大壓力，迫切需要開展集成電源模塊的研究開發(fā)，使電源產(chǎn)品的標準化、模塊化、可制造性、規(guī)模生產(chǎn)、降低成本等目標得以實現(xiàn)。 實際上，在電源集成技術(shù)的發(fā)展進程中，已經(jīng)經(jīng)歷了電力半導(dǎo)體器件模塊化，功率與控制電路的集成化，集成無源元件（包括磁集成技術(shù)）等發(fā)展階段。近年來的發(fā)展方向是將小功率電源系統(tǒng)集成在1個芯片上，可以使電源產(chǎn)品更為緊湊，體積更小，也減小了引線長度，從而減小了寄生參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，可以實現(xiàn)1體化，所有元器件連同控制保護集成在1個模塊中。 上世紀90年