副智能天線可發(fā)送的獨(dú)立波束數(shù)研究PPT參考課件

1、2021/3/10授課：xxx1一副智能天線可發(fā)送的獨(dú)立波束數(shù)研究 傅海陽e-mail：2021/3/10授課：xxx2引 言 cdma系統(tǒng)基站(bs)收發(fā)信使用智能天線（sa），用sa定向收發(fā)信形成空分多址, 消除cdma中的多重接入、多徑干擾（mai、mpi），提高頻譜利用率（se)，增加帶寬的用戶數(shù)、cdma碼道數(shù)。 2021/3/10授課：xxx3引 言 收信：一副sa（不可分成子陣）可同時(shí)處理多個(gè)同頻cdma用戶的獨(dú)立波束。由此，許多資料給出錯(cuò)誤結(jié)論： 1. 利用天線互易定理證明上述結(jié)論對sa發(fā)信有效 ； 2. 利用m副sa發(fā)送m個(gè)獨(dú)立波束（簡稱多波束）的公式導(dǎo)出一副sa 用于cdm

2、a同頻、同時(shí)m個(gè)波束發(fā)送原理；2021/3/10授課：xxx4引 言 3. 現(xiàn)有資料：巴特勒天線陣同頻同時(shí)可形成的獨(dú)立波束數(shù)有錯(cuò)。 2021/3/10授課：xxx5概述1、cdma中中sa的工作原理、對多波束的工作原理、對多波束的要求；的要求；2、sa的實(shí)現(xiàn)方法；的實(shí)現(xiàn)方法；3、cdma中中sa的收發(fā)互易性研究；的收發(fā)互易性研究；4、巴特勒天線陣的獨(dú)立多波束固定方、巴特勒天線陣的獨(dú)立多波束固定方向數(shù)。向數(shù)。2021/3/10授課：xxx61、cdma中中sa工作原理、工作原理、對多波束的要求對多波束的要求 ms和bs間是非視距傳播，存在多條反射路徑，設(shè)為r1、r2和r3。 理想的理想的cdma

3、基站收信過程：基站收信過程： 1.測出r1路徑的來波方向； 2.用sa定向接收r1信號。 效果：只收r1信號，消除 mpi，減少mai。 2021/3/10授課：xxx7sa的工作原理的工作原理 用途：定向收發(fā)信、空分多址（用途：定向收發(fā)信、空分多址（sdma) 原理：測出原理：測出r1的來波方向（的來波方向（doa), 定向接收定向接收r1,并反向并反向發(fā)到發(fā)到ms, 消除多徑干擾（消除多徑干擾（mpi) r2和和r3, 或多用戶干或多用戶干擾（擾（mai). 實(shí)現(xiàn)：相控陣天線實(shí)現(xiàn)：相控陣天線=sa2021/3/10授課：xxx8 cdma基站收信考慮：基站收信考慮： 1. r1 doa檢測

4、難度大； 2. td-scdma一個(gè)時(shí)隙有8路cdma語音，需8套doa檢測和定向接收，難度大 ； 3. 定向接收基礎(chǔ)上再實(shí)現(xiàn)3徑信號的rake接收，復(fù)雜度需上升3倍，難度更大。 2021/3/10授課：xxx9 cdma bs發(fā)信：發(fā)信：收發(fā)信時(shí)間間隔小，可用收信的ms doa 利用sa將信號定向發(fā)到ms。 效果：ms收信號中無mpi、mai ，cdma的頻譜利用率得到大幅提升。cdma自干擾； 即mpi、mai，基帶處理產(chǎn)生，只能用空分多址（sdma）消除。sdma天線：拋物面，定向反射，偶極子陣偶極子陣(sa) ；非理想 sdma2021/3/10授課：xxx10 對理想同頻cdma系統(tǒng)

5、多個(gè)用戶的發(fā)信波束要求。圖1(a)要求的獨(dú)立波束賦形c1c2cn10o0o20o360o340o2021/3/10授課：xxx11 假定8個(gè)用戶處在與bs等距離的多個(gè)不同方向上，所以各獨(dú)立波束的幅度相等。 獨(dú)立波束:各波束上只載有各用戶的語音信號c1、c2 c8。才能消除多用戶干擾。 sa的多波束獨(dú)立賦形：實(shí)現(xiàn) sdma，消除mai。一副發(fā)信sa無法實(shí)現(xiàn)這種多波束獨(dú)立賦形作用，可以用8副sa實(shí)現(xiàn)。2021/3/10授課：xxx12 圖1(b) 一副sa可實(shí)現(xiàn)的非獨(dú)立波束賦形 下圖給出一副發(fā)信sa 的多波束賦形圖，主瓣和旁瓣上均有8個(gè)用戶的cdma信號，可增強(qiáng)某個(gè)方向的信號，但不可能是用戶的要求

6、方向，也不能產(chǎn)生sdma作用。此副sa的作用比不用時(shí)更差，td-scdma中sa的作用與此圖類似。2021/3/10授課：xxx132、sa的實(shí)現(xiàn)方法的實(shí)現(xiàn)方法 圓形8陣元sa結(jié)構(gòu): 圓周上以/2 為間隔，放置8根偶極子陣元。 陣元間距很小，各陣元上收相關(guān)信號，即各陣元收到的信號幅度基本相等； 各陣元幾何位置不同，電波經(jīng)波長產(chǎn)生2相移，所以各陣元收信號的相位不同。 2021/3/10授課：xxx14 8陣元圓陣的主瓣指向 時(shí)，第n個(gè)陣元收信電流的相位為 ： 取 則有： 表示sa接收與bs為 方向的ms發(fā)信號時(shí)，第n個(gè)陣元收信電流的內(nèi)在或固有相位;若存在多個(gè)方向收信號，則有多個(gè) 。0, 00si

7、ncos()innaka 0,1,2,.7n02 / ,/2,/2,2/4nkan nn 0cos()innaina0ina2021/3/10授課：xxx15圖圖2 智能天線工作原理智能天線工作原理 2021/3/10授課：xxx16 圖2給出sa的收信原理。 改變外接移相器組中 的 值，當(dāng) ，各路收信號載波在m處同相迭加，定義為期望收信號載波的同相分集接收，取得sa的分集接收增益： 收信方向收信方向: 由外接移相器組的值決定，由外接移相器組的值決定，與天線的內(nèi)在相位無關(guān)。與天線的內(nèi)在相位無關(guān)。 *017,.,www10lg89srgdb*ninwa2021/3/10授課：xxx17 圖3給出

8、由圖2的sa原理圖得到的、某個(gè)處在180用戶的收波束賦形圖。 050100150200250300350-30-25-20-15-10-50doa (degree)power pattern (db)ka = 8圖3 8陣元180方向處ms的收波束賦形圖 2021/3/10授課：xxx18 圖3：sa在180方向產(chǎn)生最強(qiáng)波束，180兩側(cè)存在一些旁瓣，旁瓣的位置和幅度固定，不可改變。 sa=非理想sdma：也接收非180的入射波，幅度低，產(chǎn)生小的cdma自干擾。 圖3中的波束賦形：利用波干涉產(chǎn)生，不可能產(chǎn)生圖1(a)的理想波束。 拋物面、定向反射天線：產(chǎn)生圖1(a)理想波束。 2021/3/10

9、授課：xxx19 若收信號基帶處理中引入其它波束賦形算法，可能得到比圖3更好的波束賦形效果。 發(fā)信波束賦形:只能用波干涉原理實(shí)現(xiàn)。 8陣元sa: 圖3的收波束賦形圖可用于發(fā)信。 無法引入收信的基帶處理方法，欲取得9db增益，則它的形狀無法改變。 2021/3/10授課：xxx203、 cdma sa的收發(fā)互易性研究的收發(fā)互易性研究 資料：“前面提到的均為接收波束形成，由于天線的收發(fā)過程滿足互易定理，故相關(guān)原理和方法同樣可以適用于發(fā)送波束形成?！辟澇纱祟愓f法的資料很多。 我們的研究結(jié)果：cdma sa應(yīng)用中不能無條件使用收發(fā)互易定理。 使用互易定理?xiàng)l件：同頻1個(gè)發(fā)碼道。2021/3/10授課：x

10、xx214.1 2陣元陣元sa的發(fā)信虛擬實(shí)驗(yàn)的發(fā)信虛擬實(shí)驗(yàn)圖4 2陣元sa定向發(fā)信實(shí)驗(yàn)2021/3/10授課：xxx22 圖4： cdma bs對同頻、不同方向2 ms利用2ae sa實(shí)現(xiàn)定向發(fā)送。 設(shè) 、 與bs距離相等 、處于不同的方向。 圖4標(biāo)識： ， : 對應(yīng)于 或 “+1”或“-1”的2psk調(diào)制用數(shù)字序列； ， : 載波移相器； ， : sa的耦極子陣元，相距約/2。1ms2ms1s2s2ms1ms1ps2ps 2ae1ae2021/3/10授課：xxx23實(shí)驗(yàn)1：單路信號的sa定向發(fā)送實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)步驟:1、合上 , , 取 =1,調(diào) 使 處收到的發(fā)信電波 和 同相迭加， 取得最大收信

11、號 。 ：給出載波 和 間的相位差為 。 決定發(fā)信方向，在發(fā)信期間應(yīng)不變。 ：收到的 、 無法同相迭加，合成信號較小，體現(xiàn)sa波束賦形的定向發(fā)送作用。 11k21k1s1ps1ms1t2t1ms1r1ps11x21xnana2ms1t2t2021/3/10授課：xxx242、取 = -1時(shí)， ， ； 取 =1時(shí)， ， ； 任意碼元期間， 和 間相差始終保持為 。 ：兩路收信號t1和t2保持同相迭加。 決定發(fā)信方向，波束賦形圖與圖3類似。1scos()111xw tcos()211nxw ta111cos()xwt211cos()nxwta1s21x11xna1msna2021/3/10授課：x

12、xx25實(shí)驗(yàn)2：2路不同方向信號的sa定向發(fā)送實(shí)驗(yàn)步驟：1、合上 、 、 、 ，取 =1，有 合成載波 、 的發(fā)信方向：由 決定。 11k21k12k22k1s2s12cos,ywt122cos()cos()nnywtawta12122cos()cos()22nnnnaaaawt1y2y122nnaa2021/3/10授課：xxx26 取 = =-1，此時(shí) ， 期間， 與 、 的合成波 相比，有固定相差。 發(fā)信方向：由 決定。 1s2s12cos ywt122cos()cos() nnywtawta12122cos()cos()22 nnnnaaaawt12ss2y11x12x1y12()2n

13、naa2021/3/10授課：xxx272、當(dāng) 時(shí)，有 與 的相差是 ， 發(fā)信方向：由 決定。12ss1coscos()2cos()cos()22ywtwtwt122cos()cos()nnywtawta12122cos()cos()222nnnnaaaawt1y2y122nnaa122nnaa2021/3/10授課：xxx28 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：2碼道的合成載波 和 的主瓣指向 ，使主瓣方向從應(yīng)有方向偏移，比不用sa時(shí)更差。 波束賦形圖：與圖1(b)類似。 圖1(b)：主瓣和旁瓣上都帶有2個(gè)cdma碼道的信號，無空分多址作用。 多個(gè)碼道工作：sa的發(fā)信主瓣指向多個(gè)碼道應(yīng)有方向的平均值，造成該方向上相

14、鄰小區(qū)的較大干擾。 1y2y12/2nnaa2021/3/10授課：xxx29實(shí)驗(yàn)結(jié)論：實(shí)驗(yàn)結(jié)論： sa的同頻多碼道收信：可用一副sa，多套加權(quán)電路，即移相電路實(shí)現(xiàn)多個(gè)碼道的定向收信。 發(fā)信：不能用sa。 頻分多址（fdma）和時(shí)分多址（tdma）： 可用sa。 2021/3/10授課：xxx304.2 同載波同載波2方向方向2路路am信號的定向發(fā)信信號的定向發(fā)信 圖4兩路發(fā)信號 、 為幅度調(diào)制am信號，研究sa的多波束定向發(fā)信功能。 和 的幅度應(yīng)隨時(shí)間變，簡化標(biāo)志起見，仍表示為 和 。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：實(shí)驗(yàn)內(nèi)容： 1、一路am信號 輸入圖4中的sa定向發(fā)信電路時(shí)，有1s2s1s2s1s2s1s202

15、1/3/10授課：xxx31 和 的載波相位差: 不變，滿足定向發(fā)信要求。 波束賦形圖：類似圖3 ，主瓣和旁瓣的幅度將隨 的幅度改變，它們間的比例保持不變。2、2路 am信號輸入圖4的sa定向發(fā)送電路時(shí)，有cos211nyswta2y1y1na( )1s tcos,11yswtcoscoscos11212yswtswtsswt2021/3/10授課：xxx32其中 和 在發(fā)信期間的相位差: 隨2路調(diào)制信號的幅度變化而變化。 coscos21122nnyswtaswtasinsin1122nnnsasacoscos1122nncsasa(/)arctgcn2y1ycos()222cnwtsin(

16、)22cnwt2021/3/10授課：xxx33實(shí)驗(yàn)結(jié)論：實(shí)驗(yàn)結(jié)論： 定向發(fā)送條件: 載波 和 的相位差在發(fā)信期間保持恒定，因此有2路am信號輸入時(shí)無法實(shí)現(xiàn)定向發(fā)送。 qam信號、有功率控制的qpsk信號等都可以分解為2路正交的am信號。根據(jù)上面的結(jié)果，取任何調(diào)制信號時(shí)都必須在時(shí)分多址、頻分多址的基礎(chǔ)上才能用一副sa實(shí)現(xiàn)多路信號不同方向上的定向發(fā)送。 2y1y2021/3/10授課：xxx344、巴特勒天線陣的獨(dú)立多波束巴特勒天線陣的獨(dú)立多波束固定方向發(fā)送能力固定方向發(fā)送能力 圖5 (a) 無源傳輸線網(wǎng)絡(luò) 圖5(b) 巴特勒天線陣2021/3/10授課：xxx35 由無源傳輸線網(wǎng)絡(luò)(圖5(a)

17、所示）和天線陣（如圖5(b)所示）組成的巴特勒天線陣具有一種特殊的結(jié)構(gòu)，可以使各陣元間的載波信號具有固定的相位差，可同時(shí)用于同頻2個(gè)獨(dú)立多波束的定向發(fā)送。 圖7中給出4陣元巴特勒天線陣的結(jié)構(gòu)，下部的標(biāo)記1、2、3、4用作已調(diào)載波信號的輸入、輸出端。 2021/3/10授課：xxx36 由它的陣列結(jié)構(gòu)導(dǎo)得4陣元巴特勒天線陣對應(yīng)于各路輸入輸出信號時(shí)、各陣元載波的相位，此時(shí)假定各路輸入輸出信號的載波同頻且相位相等，見表1。表中還給出陣元間的相位差和波束方向 。陣元1陣元2陣元3陣元4波束方向陣元間相位端口1-45-18045-90138.6 -135端口20-45-90-135 104.5 -45端

18、口3-135-90-45075.545端口4-9045-180 -4541.4135表1 4陣元巴特勒陣的陣元相位、陣元間相位差和波束方向2021/3/10授課：xxx37 考慮將該巴特勒陣用于固定方向的發(fā)信時(shí)，從表1中可以發(fā)現(xiàn)： 1、就端口1和3對應(yīng)的 和 這兩個(gè)輸入信號而言，設(shè) 和 載波信號同頻同相時(shí)，則兩路信號經(jīng)巴特勒天線陣傳輸網(wǎng)絡(luò)后到達(dá)各陣元的2路信號載波正交，因此該天線陣可以同時(shí)發(fā)出2路同頻信號、兩個(gè)固定方向的獨(dú)立波束，它們的波束賦形結(jié)果類似于圖2(a)。就 和 信號的發(fā)信而言，具有相同的結(jié)論。 1s3s2s4s1s3s2021/3/10授課：xxx38 2、這兩對信號不能同時(shí)使用，

19、并且必須配對使用。若取 和 同時(shí)發(fā)信時(shí)，則無法形成定向發(fā)送波束，因?yàn)榇藭r(shí)到達(dá)各陣元的2路載波信號不是正交的，天線陣的發(fā)信方向?qū)⒂?路信號迭加后的載波相位決定。 因此有些資料稱“各個(gè)端口權(quán)向量相互正交”的說法不成立；事實(shí)上，它們只在配對間的端口成立。而該資料中稱“固定波束形成矩陣是雙向的，”這種說法也是不對的。1s2s2021/3/10授課：xxx39圖6 8陣元巴特勒天線陣的結(jié)構(gòu)2021/3/10授課：xxx40 圖6給出8陣元巴特勒天線陣的結(jié)構(gòu)，根據(jù)該結(jié)構(gòu)，表2（下頁）列出相關(guān)參數(shù)，從表中可以發(fā)現(xiàn)它同時(shí)只能用于同載波2路固定方向的獨(dú)立波束發(fā)信，例如端口1和端口2的信號經(jīng)無源傳輸網(wǎng)絡(luò)后在各天線陣元滿足正交要求，可以形成空分多址作用。2021/3/10授課：xxx41陣元1陣元2 陣元3陣元4陣元5陣元6陣元7 陣元8端口1 0-22.5 -45-67.5-90-112.5-135-157.5端口2 -9067.5-13522.5-180-22.5-225-67.5端口3 -67.5-18067.5-45-157.5-2