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1智能天線的基本概念及組成

1.1基本概念及工作原理

在移動通信中,智能天線是天線陣在感知和判斷自身所處電磁環(huán)境的基礎上,依據(jù)一定的準則,自動地形成多個高增益的動態(tài)窄波束,以跟蹤移動用戶,同時抑制波束以外的各種干擾和噪聲,從而處于最佳工作狀態(tài)。智能天線吸取了自適應天線的抗干擾原理,依靠陣列信號處理和數(shù)字波束形成技術發(fā)展起來。由于天線有發(fā)射和接收兩種狀態(tài),所以智能天線包含智能化發(fā)射和智能化接收兩個部分,它們的工作原理基本相同。圖1所示的是處于接收狀態(tài)的智能天線結構圖。現(xiàn)以發(fā)射狀態(tài)的智能天線為例,說明波束的形成。將M維信號矢量S(t)=(s1(t),s2(t),...sM(t))T與一個N×M階加權矩陣W相乘,得到一個N維的陣信號矢量X(t)=W×S(t)。其中,X(t)=(x1(t),x2(t),x3(t),…xN(t))T,在遠區(qū)產生的場強為:

顯然,Σnwnmfn(θ)表示單路信號sm(t)的輻射方向圖。一旦天線陣確定下來后,它的方向性函數(shù)fn(θ)也隨之確定,于是只要通過改變wnm就可形成所需要的輻射方向圖。

1.2組成及關鍵技術

(1)射頻部分

射頻部分包括陣列天線和高頻處理。在移動通信系統(tǒng)中,天線陣通常采用直線陣和平面陣兩種方式。陣的形式確定下來后,天線單元的選擇非常關鍵,除了必須滿足系統(tǒng)提出的頻帶、駐波比、增益、極化等性能指標外,在實際中還要做到單元間的互耦小、一致性好和加工方便等,微帶天線憑借自身特有的優(yōu)勢,已經在這方面得到廣泛的應用。高頻處理主要是指對接收或發(fā)射信號進行放大,以滿足A/D變換或發(fā)射功率的要求。考慮到智能天線對誤差非常敏感,還要保證射頻部分各個支路幅度和相位的一致性。

(2)中頻部分

目前受數(shù)字器件水平的限制,還不能直接對來自天線單元的微波信號進行采樣。較為常用的辦法是:先利用下變頻器將微波高頻信號變到中頻,然后使該支路的模擬信號經過濾波和放大等中頻處理,最后對它進行采樣,典型的實現(xiàn)方法有兩種,分別如圖2(a)、(b)所示。

圖2(a)所示的是雙下變頻接收機,通過兩級混頻器,完成高頻信號到中頻的變換。這種接收機的優(yōu)點是降低了對A/D變換器采樣速率的要求,而且整個接收機的增益分配也有一定的靈活性。圖2(b)為直接采樣接收機,它借助于更快速度的A/D變換器和其他一些輔助的數(shù)字器件,在中頻直接對信號進行采樣,避免了信道中I和Q兩路信號的匹配問題。圖中均衡器的作用是補償各支路間幅度和相位的不一致。

(3)數(shù)字波束形成部分

數(shù)字波束形成(DBF)是智能天線的核心部分,在硬件上需要有高速率的數(shù)字信號處理芯片支持。目前能用于該領域的數(shù)字器件主要有兩種:一種是通用的DSP芯片,如TMS320系列;另一種是專用集成電路(ASIU),其中最為典型的是能進行大規(guī)模并行處理的FPGA。數(shù)字波束形成在軟件上需要有收斂速度快、精度高的自適應算法,以調整加權系數(shù)。目前在通信領域研究得較多的算法主要有:LMS及其改進算法RLS、SMI和CMA等。值得注意的是基于特征值分解的自適應數(shù)字波束形成算法越來越受到重視,它不僅能很好地與超分辨測向算法統(tǒng)一起來,而且能自動校正通道不匹配、陣元位置偏差等許多因素所產生的誤差,具有很強的魯棒性(Robust),缺點是計算量大。由于移動通信環(huán)境非常復雜,各種算法都有其優(yōu)缺點,需要相互并用才能取長補短,使系統(tǒng)的性能最佳。

論文關鍵詞：智能天線移動通信空分多址

論文摘要：智能天線被公認為是未來移動通信的一種發(fā)展趨勢。文章對天線的基本概念、關鍵技術、系統(tǒng)性能的改善及國外研究狀況等進行了闡述,指出了研究過程中存在的問題及發(fā)展方向。