基于MATLAB的智能天線和仿真

.../摘要隨著移動通信技術的發(fā)展,與日俱增的移動用戶數(shù)量和日趨豐富的移動增值服務,使無線通信的業(yè)務量迅速增加,無限電波有限的帶寬遠遠滿足不了通信業(yè)務需求的增長。另一方面,由于移動通信系統(tǒng)中的同頻干擾和多址干擾的影響嚴重,更影響了無線電波帶寬的利用率。并且無線環(huán)境的多變性和復雜性,使信號在無線傳輸過程中產(chǎn)生多徑衰落和損耗。這些因素嚴重地限制了移動通信系統(tǒng)的容量和性能。因此為了適應通信技術的發(fā)展,迫切需要新技術的出現(xiàn)來解決這些問題。這樣智能天線技術就應運而生。智能天線是近年來移動通信領域中的研究熱點之一,應用智能天線技術可以很好地解決頻率資源匱乏問題,可以有效地提高移動通信系統(tǒng)容量和服務質量。開展智能天線技術以及其中的一些關鍵技術研究對于智能天線在移動通信中的應用有著重要的理論和實際意義。論文的研究工作是在MATLAB軟件平臺上實現(xiàn)的。首先介紹了智能天線技術的背景；其次介紹了智能天線的原理和相關概念,并對智能天線實現(xiàn)中的若干問題,包括:實現(xiàn)方式、性能度量準則、智能自適應算法等進行了分析和總結。著重探討了基于MATLAB的智能天線的波達方向以及波束形成,闡述了music和capon兩種求來波方向估計的方法,并對這兩種算法進行了計算機仿真和算法性能分析;關鍵字:智能天線；移動通信；自適應算法；來波方向；MUSIC算法AbstractWithdevelopmentofmobilecommunicationtechnology,mobileusersandcommunication,incrementserviceareincreasing,thismakewirelessservicesincreasesothatbandwidthofwirelesswaveisunfitfordevelopmentofcommunication,Ontheotherhand,muchseriousCo-ChannelInterruptionandtheMultipleAddressinterruptioneffectutilizerateofwirelesswave’sbandwidth,sothetransportedsignalsaredeclinedandweardown,Allthishasstrongbadeffectonthecapacityandperformanceofquestionandbefitforthedevelopmentofcommunication,sosmartantennaariseSmartAntenna,whichisconsideredtobeasolutiontotheproblemoflackingfrequency,becomesahotspotintheMobileCommunicationarea．Withthistechnology,CapacityofMobileCommunicationsystemcanbeincreasedeffectivelyandthequalityofservicecanbeimprovedatthesametime.TostudySmartAntennaanditskeytechnologiesisimportantbothintheoryandinpractice。AlloftheresearchworkofthispaperisbasedontheMATLABsoftwareenvironment．First,inthispaper,wemakeanintroductionontheappearancebackgroundoftheSmartAntennatechnologyanditsrelativetheoryandconcept．Inaddition,someproblemsaboutitsrealizationsuchasmodesofitsrealization,rulesofitsperformance,adaptivealgorithmsareanalyzed.FocusedonthesmartantennabasedonMATLABtheDOAandbeamforming,andcapononthemusicfortwotowavethedirectionoftheestimatedmethod.Inordertodecreasecalculating-timeandcomplexityofthealgorithm,aruleofmaximumreceivedsignalispresented;Nextseveralproblemsaboutrealizationofthealgorithmarediscussed。KeyWords:SmartAntenna；MobileCommunication；AdaptivealgorithmDirectionOfArrival；Cyclic-MUSICarithmetic目錄第一章緒論61.1課題背景61.2主要概念71.3國內外研究現(xiàn)狀81.3.1國外研究現(xiàn)狀81.3.2國內研究現(xiàn)狀101.4本文研究的意義101.5本論文研究的主要內容及章節(jié)安排11第二章智能天線112.1概述112.2移動通信環(huán)境與智能天線的信號模型122.2.1移動通信環(huán)境122.2.2移動通信中的空間信道模型132.3智能天線的基本原理及結構142.3.1智能天線的基本原理142.3.2智能天線系統(tǒng)的基本結構162.4智能天線的主要功能及應用18第三章基于MATLAB的波達方向研究以及波束形成193.1MATLAB概述193.1.1MATLAB語言簡介193.1.2MATLAB語言特點203.2天線陣的波達方向估計的MATLAB仿真223.2.1原理22波達方向估計的方法233.3天線陣波束形成的MATLAB仿真27第四章總結30參考文獻32致謝33第一章緒論1.1課題背景移動通信作為未來個人通信的主要手段,在全球通信業(yè)務中占據(jù)越來越重要的地位。隨著移動通信用戶數(shù)的迅速增長以及人們對通話質量要求的不斷提高,要求移動通信網(wǎng)在大容量下仍保持較高的服務質量。而與此要求相對,目前移動通信中主要存在兩大問題：第一,隨著移動用戶的增多,頻譜資源日益匾乏；第二,由于信道傳輸條件較惡劣,所需信號在到達天線接收端前會經(jīng)歷衰減、衰落和時延擴展,另外還有來自其他用戶的干擾,極大地限制了系統(tǒng)通信質量的提高。這兩大問題是移動通信技術發(fā)展的主要矛盾,也是推動移動通信技術發(fā)展的原動力。必須采取有效方法對系統(tǒng)進行擴容并提高服務質量。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)通信質量,在第二代系統(tǒng)中廣泛采用了調制、信道編碼、均衡<TDMA系統(tǒng)>、RAKE接收<CDMA系統(tǒng)>等時、頻域信號處理技術以及分集天線、扇形天線等簡單空間處理技術。這些解決方法在發(fā)揮各自功效的同時,有著共同的不足,即無法對空域資源進行有效利用。智能天線技術正是在這樣的背景下被引入到移動通信中來的。理論研究和實測數(shù)據(jù)均表明:有用信號、其延時樣本和干擾信號往往具有不同的到達角<DOA>和空間信號結構,利用這種空域信息我們可以獲得附加的信號處理自由度,從而能提高系統(tǒng)容量,并且能夠更有效地對抗衰落和抑制干擾。應用于無線通信系統(tǒng)基站的智能天線技術正是充分利用了信號的空域信息,它能有效地擴充系統(tǒng)的容量,大幅度提高系統(tǒng)的通信質量。智能天線技術己經(jīng)被公認為第三代移動通信系統(tǒng)的一項關鍵技術,并越來越受到人們的關注。在提交國際電聯(lián)ITU所有的3GRTT標準中,幾乎都附有一條:如果有可能,本建議將采用智能天線技術:在國際電聯(lián)20XX3月份的會議上,更是提出要重視在CDMA系統(tǒng)中使用智能天線技術,并在20XX8月份的會議上正式討論了在CDMA系統(tǒng)中使用智能天線的問題。可以預見,智能天線技術將在未來的移動通信體制中占據(jù)非常重要的地位。1.2主要概念智能天線又稱為自適應天線陣列,英文名為SmartAntenna或IntelligentAntenna。智能大線技術的核心是陣列信號處理,早期應用集中于雷達和聲納信號處理領域,七十年代后期被引入到軍事通信中,而應用于民用蜂窩移動通信則是近十兒年的事情。一般而言,智能天線是專指用于移動通信中的自適應天線陣列<這里的移動通信系統(tǒng)主要指數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)>,它利用數(shù)字信號處理技術產(chǎn)生空間定向波束,使天線的主波束跟蹤所需用戶信號到達方向,旁瓣或零陷對準不希望的干擾信號到達方向,達到充分分離和有效利用用戶信號并刪除或抑制干擾信號的目的。在移動通信的基站中使用具有全向收發(fā)功能的智能天線,可以為每個用戶提供一個窄的定向波束,使信號在有限的方向區(qū)域內發(fā)送和接收,這樣就可以充分利用信號發(fā)射功率,降低信號全向發(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用和各種調制技術所達到的水平。CDMA<CodeDivisionMultipleAccess>是碼分多址的英文縮寫,它是在數(shù)字技術的分支—擴頻通信技術上發(fā)展起來的一種嶄新而成熟的無線通信技術。CDMA技術的原理是基于擴頻技術,即將需傳送的具有一定信號帶寬信息數(shù)據(jù),用一個帶寬遠大于信號帶寬的高速偽隨機碼進行調制,使原數(shù)據(jù)信號的帶寬被擴展,再經(jīng)載波調制并發(fā)送出去。接收端使用完全相同的偽隨機碼,與接收的帶寬信號作相關處理,把寬帶信號換成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號即解擴,以實現(xiàn)信息通信。SDMA<SpaceDivisionMultipleAccess>是空分多址的英文縮寫,移動通信中應用智能天線技術就產(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,在相同時隙、相同頻率或相同地址碼的情況下,仍然可以根據(jù)信號不同的空間傳播路徑而區(qū)分不同的信號?？辗侄嘀房梢耘c其他多址方式完全兼容,從而可實現(xiàn)組合的多址方式,例如空分—碼分多址<SD-CDMA>、空分—時分多址<SD-TDMA>等,這樣可以成倍地增長系統(tǒng)容量。碼間干擾<ISIInter-SymbolInterference>是數(shù)字通信系統(tǒng)中除噪聲干擾之外最主要的干擾,它與高斯分布的加性噪聲干擾不同,是一種乘性干擾。信道的衰減和時延失真等都可能引起ISI,實際上,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)時間拖長,從而使相鄰碼元波形產(chǎn)生重疊,從而引起判決錯誤,當這種線性失真嚴重時,碼間干擾顯得尤為突出。同信道干擾<CCICommonChannelInterference>,又叫同頻干擾,它是指使用相同頻率的信道之間的干擾。在蜂窩移動通信中,同信道干擾主要指使用相同頻率的小區(qū)間的干擾。多址干擾<MAIMultipleAccessInterference>,是在碼分多址蜂窩移動通信中出現(xiàn)的一種干擾。由于在同一個小區(qū)內同時通信的用戶是多個,多個用戶均占同一時隙、同一頻率,所不同的是選取的地址碼不一樣,而實際選用的地址碼間的互相關函數(shù)不可能全為零,這樣多個用戶同時通信時必然會產(chǎn)生多址干擾。天線增益——取定向天線主射方向上的某一點,在該點場強保持不變的情況下,此時用無方向性天線發(fā)射時天線所需的輸入功率與采用定向天線時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。1.3國內外研究現(xiàn)狀1.3.1國外研究現(xiàn)狀移動通信在經(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),正向第三代移動通信系統(tǒng)發(fā)展。目前正處于確立第三代移動通信技術標準之時,國外如歐美等發(fā)達國家非常重視智能天線技術在未來移動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,同時也建立了一些技術試驗平臺。1.歐洲歐洲通信委員會在計劃中實施了智能天線技術第一階段研究,稱之為TSUNAMI<TheTechnologyinSmartantennasforUniversalAdvancedMobileInfrastructure>,德國、英國、丹麥和西班牙合作完成。該項目組在DECT基站基礎上構造智能天線試驗模型,于1995年初開始現(xiàn)場試驗。天線由8個陣元組成,射頻工作頻率為1.89GHz,陣元間距可調,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)字波束形成方法實現(xiàn)智能天線,采用ERA技術有限公司的專用集成電路芯片DBF1108完成波束形成,系統(tǒng)評估了識別信號到達方向的多用戶信號識別分類算法<MUSIC>,采用的自適應算法有歸一化最小均方算法<NLMS>和遞歸最小平方算法。實驗驗證了智能天線的功能,在2個用戶4個空間信道<包括上行和下行鏈路>情況下,試驗系統(tǒng)比特差錯率<BER>優(yōu)于?，F(xiàn)場測試結果表明,圓形和平面形天線適用于室內通信環(huán)境,而市區(qū)環(huán)境則采用簡單的直線陣更合適。日本ATR光電通信研究所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,工作頻率為1.545GHz.陣元接收信號先經(jīng)過模數(shù)變換,然后進行快速傅里葉變換處理,形成正交波束后,分別采用恒模算法或最大比值合并<MRC>算法。數(shù)字信號處理部分由10片現(xiàn)場可編程門陣列完成,整塊電路板大小為23.3*34.0<CM>。野外移動試驗確認了采用恒模算法的多波束智能天線的功能。根據(jù)用戶所處環(huán)境不同,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,利用軟件方法在不同環(huán)境應用不同算法。比如當噪聲是主要因素時使用多波束最大比值合并算法;當同信道干擾是主要因素時則使用多波束恒模算法:而要抵消符號間干擾時采用最小均方算法和最大似然連續(xù)估計算法<MLSE>,以此提供算法分集。3.美國美國對于智能天線技術的研究水平處于世界領先地位,并且許多電信設備生產(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<ArrayComm>,它是一家擁有成熟的自適應智能天線技術的全球知名通信技術公司,在這一領域擁有多項專利技術,居世界領先水平。愛瑞通信公司擁有豐富的自適應智能天線的產(chǎn)品線,其中IntelliCell技術在通信系統(tǒng)中的應用能有效地改善信號質量和頻譜利用率,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量。IntelliCell處理器通過自適應處理算法,形成可以加權參數(shù),在幅度,相位和信號空間到達角等多個指標_L進行每秒調整數(shù)百次的調整,從而完成上行處理和下行波束形成。該技術己經(jīng)在全球超過7.5萬個基站系統(tǒng)上得到應用,為450萬名無線用戶提供高質量的無線寬帶<WirelessBandwidth>服務。這一技術支持第三代移動通<3G>各種空中接口標準<IMT2000WCDMA,CDMA2000,TD-SCDMA>,在容量、數(shù)據(jù)傳輸速率、覆蓋范圍及服務質量上都比傳統(tǒng)移動通信系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢。據(jù)稱,IntelliCell可以使運營商的基站數(shù)量減少50%,由此可以減少大量的設備成本和營運成本。另外,XX大學奧斯丁SDMA小組建立了一套智能天線試驗環(huán)境,并著手理論研究以及與實際系統(tǒng)相結合的研究。4.加拿大加拿大McMaster大學開發(fā)了四元I-4列天線,并進行了恒模<CMAConstantModuleAlgorithm>算法的研究。1.3.2國內研究現(xiàn)狀國內對于智能天線的研究起步較晚,但也取得了一些成績。如北京信威公司研制了應用于無線本地環(huán)路<WLI>的智能天線系統(tǒng),信威公司的智能天線采用8陣元環(huán)形自適應陣列,工作于1785-1805MHz,采用時分雙工方式,收發(fā)間隔10ms,接收機靈敏度最大可提高9dB。但該系統(tǒng)只能工作于無線本地環(huán)路中,并對用戶位置、移動速率有一定的要求。在國內一些大學和研究結構,如清華大學、XX交大、中國科技大學、XX電子科技大學、北方交通大學、北京郵電大學、電信科學技術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行研發(fā);國家"八六三"、國家自然科學基金、博士點基金等也相應支持有關單位進行理論與技術平臺的研究。1.4本文研究的意義智能天線有著非常誘人的應用前景,許多國家都投入了大量的人力物力對該技術進行研究,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通信系統(tǒng)中應用的可行性和有效性,建立了一些技術試驗平臺,并且在一定的條件下〔從目前情況來看,智能天線正逐步應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現(xiàn)了智能天線技術,驗證了智能天線在提高移動通信系統(tǒng)性能中表現(xiàn)出的強大優(yōu)勢。2.研究了智能天線基本結構以及功能模塊,并提出了一些智能天線的性能度量準則和自適應波束形成的算法.智能天線應用于3G系統(tǒng)時,同時也帶來了相應的新問題,如：智能天線的校準、智能天線和其它抗干擾技術的結合、波束賦形的速度問題、設備復雜性的考慮、幀結構及有關物理技術等。波束形成是智能天線的關鍵技術之一,本論文主要研究智能天線的波束形成技術。1.5本論文研究的主要內容及章節(jié)安排本論文主要研究智能天線波束形成技術,包括基本思想、技術原理,研究智能天線波束形成的MATLAB仿真技術,包括天線陣波達方向估計MATLAB仿真,以及天線陣波束形成的MATLAB仿真。本論文的章節(jié)安排如下：智能天線的研究現(xiàn)狀以及本課題研究的意義；智能天線的原理以及結構和功能；利用MATLAB仿真工具,重點對天線陣波達方向估計以及天線陣的波束形成進行仿真。第二章智能天線2.1概述應用于具有復雜電磁波傳播環(huán)境的移動通信系統(tǒng)中的智能天線是一種具有上行接收和下行發(fā)射雙向功能的天線系統(tǒng),它能夠有效提高天線系統(tǒng)的可靠性與靈活性,增加通信系統(tǒng)容量和改善通信質量。本章將對這一技術展開研究,前半部分介紹智能天線系統(tǒng)原理及應用,內容包括智能天線的應用環(huán)境、信道模型、工作原理、結構、應用;后半部分主要探討智能天線技術實現(xiàn)中的若干問題,內容包括智能天線的實現(xiàn)方式、性能度量準則等。2.2移動通信環(huán)境與智能天線的信號模型移動通信系統(tǒng)都有著復雜的電磁波傳播環(huán)境,從某種意義上說,智能天線的工作原理可以理解為根據(jù)用戶信號的不同空間傳播方向調節(jié)用戶信道參數(shù),從而減少干擾對系統(tǒng)的影響。因此,了解移動通信的環(huán)境以及復雜移動通信環(huán)境所引起的干擾,建立可以有效而精確地預測無線系統(tǒng)的信道模型,對于智能天線技術的研究和實現(xiàn)有著十分重要的意義。2.2.1移動通信環(huán)境隨著無線電技術的發(fā)展和廣泛應用,空間傳輸?shù)碾姶挪ㄗ兊迷絹碓綇碗s。應用智能天線技術就是為了有效消除電波傳輸?shù)牟焕绊?。影響移動通信中信號傳輸?shù)闹饕蛩赜?通信信道的特點、電磁波傳播方式、傳輸損耗及傳輸效應,下面分別予以介紹。1.移動通信信道的主要特點1>傳播的開放性,即一切無線信道都是基于電磁波在空間傳播來實現(xiàn)信息傳輸?shù)摹?>接收地理環(huán)境的復雜性與多樣性,有城市中心繁華區(qū)近郊小城鎮(zhèn)農(nóng)村及遠郊區(qū)。3>通信用戶的隨機移動性,有慢速步行的通信和高速車載不間斷的通信。電磁波是無線信號傳輸?shù)慕橘|,移動通信下的電磁波傳播方式有:1>直射波:它是指視距覆蓋區(qū)無遮擋的傳播,直射波信號最強。2>多徑反射波：指不同建筑物或其它物反射后到達接收點的傳播信號。3>繞射波：從較大的山丘或建筑物繞射后到達接收點的傳播信號,其強度與放射波相當。4>散射波：由于空氣中離子受激后二次反射后引起的漫反射后到達接收點的傳播信號,其信號強度最弱。電磁波在傳輸過程中是有損的,移動通信電磁波傳輸可能會有下面三種不同的損耗:1>路徑傳播損耗：又稱為衰耗,它是指電波在空間傳播所產(chǎn)生的損耗,它反映了傳播在宏觀大范圍的空間距離上的接收信號電平平均值的變化趨勢。2>慢衰落損耗：它是由于電磁波在傳播路徑上受到建筑物及山丘等的阻擋所產(chǎn)生的陰影效應而產(chǎn)生的損耗。它反應了中等范圍內數(shù)百波長量級接收電平的均值變化而產(chǎn)生的損耗,一般遵從對數(shù)正態(tài)分布,其變化率較慢故又稱為慢衰落。3>快衰落損耗：它主要是由于多徑傳播而產(chǎn)生的衰落,它反應微觀小范圍內數(shù)十波長量級接收電平的均值變化而產(chǎn)生的損耗,一般遵從瑞利分布或萊斯分布,其變化率比慢衰落快,故稱為快衰落。電磁波在傳輸過程中有不同的傳播路徑,且存在傳輸損耗;另一方面移動通信用戶分布較為分散,用戶與移動臺的相對位置是變化的。因此,在移動通信中存在三種不同效應:1>陰影效應：由于大型建筑物和其他物體的阻擋而形成在傳播接收區(qū)域上的半盲區(qū)。2>遠近效應：由于接收用戶的隨機移動性,移動用戶與基站間的距離也是隨機地變化,若各移動用戶發(fā)射功率一樣,那么到達基站的信號強弱不同,離基站近信號強,離基站遠信號弱。通信系統(tǒng)的非線性則進一步加重,出現(xiàn)前者更前,弱者更弱和以強壓弱的現(xiàn)象,通常稱這類現(xiàn)象為遠近效應。3>多普勒效應：它是由于接收的移動用戶高速運動而引起傳播頻率的擴散而引起的,其擴散程度與用戶運動的速度成正比。智能天線技術正是應用在這樣一個復雜的環(huán)境中,在智能天線的算法設計和系統(tǒng)實現(xiàn)中我們必須充分考慮上面這些因素的影響。2.2.2移動通信中的空間信道模型移動通信的電磁波傳播環(huán)境復雜,那么究竟信號傳輸會經(jīng)歷那些過程,受到那些因素的影響呢?下面我們將研究移動通信中的空間信道模型。無線移動通信的空間信道,指將信號分配單元輸出端到信號組合單元輸入端之間的部分合并,簡稱信道。智能天線技術直接建立在信道參量的基礎上,無線移動信道的建模與估計是智能天線技術的基礎,無論是算法描述還是算法的性能分析以及仿真都必須依賴這一基石。而且,根據(jù)無線傳播理論和對各種通信環(huán)境的實際測量建立合理的無線移動信道模型,可以降低智能天線自適應算法的對實時測量的要求。經(jīng)典的模型僅考慮接收信號的功率水平分布和多普勒頻移,而現(xiàn)代空間信道模型建立在衰落和多普勒擴展的基礎上,結合了時延擴展、到達方向和自適應天線陣的幾何特性。2.3智能天線的基本原理及結構2.3.1智能天線的基本原理簡單說,智能天線的基本原理就是根據(jù)一定的接收準則自動地調節(jié)天線陣元的幅度和相位加權值,以實現(xiàn)最優(yōu)接收和發(fā)射。從空間響應來看,智能天線是一個空間濾波器,它在信號入射方向上增益最大,在干擾信號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。假設滿足天線傳輸窄帶條件,即某一入射信號在各天線單元的響應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到達各天線所走路線的長度差來決定。若入射信號為平面波<只有一個入射方向>,則這些相位差由載波波長、入射角度、天線位置分布唯一確定。給定一組加權值,一定的入射信號強度,不同入射角度的信號由于在天線間的相位差不同,合并后的輸出信號強度也會不同。智能天線的工作原理可用下圖說明:yWmW1W0平面波前WmW1W0αXXWn………Wn陣元0陣元1陣元m陣元n求和求和接受器接受器圖2-1智能天線基本原理圖對于N元天線陣列,設信號自α方向入射,陣元間距為d,接收信號功率為P,以第1個天線單元為參考,則第i個天線單元的相位延遲為Φ=β<i-1>dcos<α>,其中β=2π/λ為電磁波波長。智能天線的目的就是確定最佳權值矢量W,己達到提取有用信號,抑制干擾信號濾除噪聲信號的目的。智能天線的方向圖根據(jù)權值的變化而變化,它不同于全向<omni->天線<理想時為一直線>,而更接近定向<directional>天線的方向圖,即有主瓣<mainlobe>.副瓣<sidelobe>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、位置關系和較大的天線增益<無線術語,天線的一項重要指標,是最強大力向的增益與各力向平均增益之比>。它和固定天線的最大區(qū)別是：不同的權值對應著不同的力向圖,可以通過改變權值來調節(jié)天線方向圖,即天線模式<antennaPattern>。理想的智能天線就是要使天線方向圖的主瓣對準目標用戶方向,零瓣對準干擾信號方向,如下圖所示:圖2-2理想智能天線工作的方向圖智能天線的方向圖是隨著權值的改變而動態(tài)變化的,智能天線正是通過自適應調整權值的來抑制干擾、提高信噪比,進而提高移動通信系統(tǒng)性能。2.3.2智能天線系統(tǒng)的基本結構通常智能天線系統(tǒng)由3部分組成:實現(xiàn)信號空間采樣的天線陣;對各陣元輸出進行加權合并的波束成型網(wǎng)絡:更新合并權值的控制部分,其基本結構如圖2-3所示。天線陣列部分根據(jù)天線陣元之間的幾何關系,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)則陣和隨機陣。天線陣的配置方式對智能天線性能有著直接的影響。在移動通信應用中天線陣多采用均勻線陣或均勻圓陣。因為直線陣己被證明更適合于市區(qū)移動通信環(huán)境,本文的討論都是以直線陣為例。天線陣元數(shù)一般取4到16.因為一方面天線陣元數(shù)越多,系統(tǒng)增益也就越高；但另一方面陣元數(shù)的增加會使射頻通道相應增加,會導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波長,因為如果陣元間距過大,接收信號的彼此相關程度會降低;間距過小,會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>。圖2-3典型的智能天線系統(tǒng)結構示意圖波束成型網(wǎng)絡部分主要完成數(shù)模轉換和天線方向圖的自適應調整。每個天線陣陣元上都有ADC和UAC,將接收到的模擬信號轉換為數(shù)字信號,將待發(fā)射的數(shù)字信號轉換為模擬信號,完成模擬信號和數(shù)字信號的相互轉換。所有收發(fā)數(shù)字信號都通過一組高速數(shù)字總線和基帶數(shù)字信號處理器連接。天線方向圖的調整是根據(jù)控制部分得到的權值調節(jié)天線輸出來實現(xiàn)的?？刂撇糠?lt;即算法部分>是智能天線系統(tǒng)的核心部分,其功能是依據(jù)信號環(huán)境、按某種性能度量準則和自適應算法,選擇或計算權值。智能天線系統(tǒng)是由上面三部分組成的一個自適應控制系統(tǒng),它根據(jù)一定的自適應算法自動調準天線陣方向圖,使它在干擾方向形成零陷或低陷,在信號到達方向形成主瓣,從而達到加強有用信號,擬制干擾信號的目的。智能天線系統(tǒng)的基本工作流程可以簡單概括如下:1、系統(tǒng)將首先對來自所有天線中的信號進行快照或取樣,然后將它們轉換成數(shù)字形式,并存儲在內存中。2、處理器將立即分析樣本,對無線環(huán)境進行評估,確認有用用戶所在的位置。3、處理器對天線信號的組合方式進行計算,力爭最佳地恢復用戶的信號。4、系統(tǒng)將進行模擬計算,使天線陣列可以有選擇地向空間發(fā)送信號。5、在上述處理的基礎上,系統(tǒng)就能夠在每條空間信道上發(fā)送和接收信號,從而使這些信道成為雙向信道。以上介紹了智能天線的基本結構、原理以及工作流程,在工程實際中智能天線的工作原理更復雜,并且每一部分的實現(xiàn)和結構往往根據(jù)所應用的系統(tǒng)不同而略有不同。2.4智能天線的主要功能及應用上一節(jié)介紹了智能天線的原理,移動通信中引入智能天線技術究竟能實現(xiàn)那些功能,它又有那些優(yōu)勢；移動通信系統(tǒng)依據(jù)多址方式和實現(xiàn)方法的不同可以分為不同的類別,智能天線在不同的移動通信系統(tǒng)中的應用情況又是怎么樣呢?這一節(jié)里主要介紹這兩個方面的內容。智能天線的功能以及在移動通信中應用的強大優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾個面:1.抗衰落在陸地移動通信中,電波傳播路徑由反射、折射及散射的多徑波組成,隨著移動臺移動及環(huán)境變化,信號瞬時值及延遲失真的變化非常迅速,且不規(guī)則,造成信號衰落。采用全向天線接收所有方向的信號,或采用定向天線接收某個固定方向的信號,都會因衰落使信號失真較大。如果采用智能天線控制接收方向,天線自適應地構成波束的方向性,使得延遲波方向的增益最小,從而可以大大減小信號衰落的影響。智能天線還可用于分集,減少衰落。電波通過不同路徑到達接收天線,其方向角各不相同,利用多副指向不同的自適應接收天線,將這些分量隔離開,然后再合成處理,即可實現(xiàn)角度分集。2.抗干擾用高增益、窄波束智能天線陣代替現(xiàn)有FDMA和TDMA基站的天線。與傳統(tǒng)天線相比,用12個波束天線陣列組成。全覆蓋天線的同頻干擾要小得多。將智能天線用于CDMA基站,可減少移動臺對基站的干擾,改善系統(tǒng)性能?？垢蓴_應用的實質是空間域濾波。智能天線波束具有方向性,可區(qū)別不同入射角的無線電波,可調整控制天線陣單元的激勵"權值",其調整方式與具有時域濾波特性的自適應均衡器類似,可以自適應電波傳播環(huán)境的變化,優(yōu)化天線陣列方向圖,將其"零點"自動對準干擾方向,大大提高陣列的輸出信噪比,提高系統(tǒng)可靠性。3.增加系統(tǒng)容量為了滿足移動通信業(yè)務的巨大需求,應盡量擴大現(xiàn)有基站容量和覆蓋范圍。要盡量減少新建網(wǎng)絡所需的基站數(shù)量,必須通過各種方式提高頻譜利用效率。方法之一是采用智能天線技術,用多波束天線代替普通天線。由于天線波束變窄,提高了天線增益及C/I指標,減少了移動通信系統(tǒng)的同頻干擾,降低了頻率復用系數(shù),提高了頻譜利用效率。使用智能天線后,無須增加新的基站就可改善系統(tǒng)覆蓋質量,擴大系統(tǒng)容量,增強現(xiàn)有移動通信網(wǎng)絡基礎設施的性能。未來的智能天線應能允許任一無線信道與任一波束配對,這樣就可按需分配信道,保證呼叫阻塞嚴重的地區(qū)獲得較多信道資源,等效于增加了此類地區(qū)的無線網(wǎng)容量。采用智能天線是解決稠密市區(qū)容量難題既經(jīng)濟又高效的方案,可在不影響通話質量的情況下,將基站配置成全向連接,大幅度提高基站容量。4.實現(xiàn)移動臺定位目前蜂窩移動通信系統(tǒng)只能確定移動臺所處的小區(qū),如果增加定位業(yè)務,則可隨時確定持機者所處位置,不但給用戶和網(wǎng)絡管理者提供很大方便,還可開發(fā)出更多的新業(yè)務。在陸地移動通信中,如果基站采用智能天線陣,一旦收到信號,即對每個天線元所連接收機產(chǎn)生的響應作相應處理,獲得該信號的空間特征矢量及矩陣,由此獲得信號的功率估值和到達方向,即用戶終端的方位。通過此方法,用兩個基站就可將用戶終端定位到一個較小區(qū)域。智能天線技術己經(jīng)成為移動通信技術中一個最活躍的研究領域,它對移動通信系統(tǒng)所帶來的優(yōu)勢是目前任何技術所難以替代的。第三章基于MATLAB的波達方向研究以及波束形成3.1MATLAB概述3.1.1MATLAB語言簡介MATLAB是一種交互式的、以矩陣為基礎的軟件開發(fā)環(huán)境,它用于科學和工程的計算與可視化。MATLAB的編程功能簡單,并且很容易擴展和創(chuàng)造新的命令與函數(shù)。應用MATLAB可方便地解決復雜數(shù)值計算問題。MATLAB具有強大的Simulink動態(tài)仿真環(huán)境,可以實現(xiàn)可視化建模和多工作環(huán)境間文件互用和數(shù)據(jù)交換。Simulink支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng),也支持多種采樣速率的多速率系統(tǒng)；Simulink為用戶提供了用方框圖進行建模的圖形接口,它與傳統(tǒng)的仿真軟件包用差分方程和微分方程建模相比,更直觀、方便和靈活。用戶可以在MATLAB和Simulink兩種環(huán)境下對自己的模型進行仿真、分析和修改。<用于實現(xiàn)通信仿真的通信工具包CommunicationToolbox,>也叫Commlib,通信工具箱是MATLAB語言中的一個科學性工具包,提供通信領域中計算、研究模擬發(fā)展、系統(tǒng)設計和分析的功能,可以在MATLAB環(huán)境下獨立使用,也可以配合Simulink使用效果更好。3.1.2MATLAB語言特點MATLAB是MathWorks公司開發(fā)的一種跨平臺的,用于矩陣數(shù)值計算的簡單高效的數(shù)學語言,與其它計算機高級語言如C,C++,FortrarhBasic,Pascal等相比,MATLAB語言編程要簡潔得多,編程語句更力日接近數(shù)學描述,可讀性好,其強大的圖形功能和可視化數(shù)據(jù)處理能力也是其它高級語言望塵莫及的。對于具有任何一門高級語言基礎的讀者來說,學習MATLAB十分容易。但是,要用好MATLAB卻不是在短時間就可以達到的。這并不是因為MATLAB語言復雜難懂,而是實際問題的求解往往更多的是需要使用者具備數(shù)學知識和專業(yè)知識。MATLAB使得人們擺脫了常規(guī)計算機編程的繁瑣,讓人們能夠將大部分精力投入到研究問題的數(shù)學建模上,可以說,應用MATLAB這一數(shù)學計算和系統(tǒng)仿真的強大工具,可以使科學研究的效率得以成百倍的提高。目前,MATLAB已經(jīng)廣泛用于理工科大學從高等數(shù)學到幾乎各門專業(yè)課程之中,成為這些課程進行虛擬實驗的有效工具。在科研部門,MATLAB更是極為廣泛地得到應用,成為全球科學家和工程師進行學術交流首選的共同語言。在國內外許多著名學術期刊上登載的論文,大部分的數(shù)值結果和圖形都是借助MATLAB來完成的。與其它高級語言相比較,MATLAB具有獨特的優(yōu)勢:<1>MATLAB是一種跨平臺的數(shù)學語言。采用MATLAB編寫的程序可以在目前所有的操作系統(tǒng)上運行<只要這些系統(tǒng)上安裝了MATLAB平臺>。MATLAB程序不依賴于計算機類型和操作系統(tǒng)類型。<2>MATLAB是一種超高級語言。MATLAB平臺本身是用C語言寫成的,其中匯集了當前最新的數(shù)學算法庫,是許多專業(yè)數(shù)學家和工程學者多年的勞動結晶。使用MATLAB意味著站在巨人的肩膀上觀察和處理問題,所以在編程效率,程序的可讀性、可靠性和可移植性上遠遠超過了常規(guī)的高級語言。這使得MATLAB成為了進行科學研究和數(shù)值計算的首選語言。<3>MATLAB語法簡單,編程風格接近數(shù)學語言描述,是數(shù)學算法開發(fā)和驗證的最佳工具。MATLAB以復數(shù)矩陣運算為基礎,其基本編程單位是矩陣,使得編程簡單,而功能極為強大。對于常規(guī)語言中必須使用許多語句才能實現(xiàn)的功能,如矩陣分解、矩陣求逆、積分、快速傅立葉變換,甚至串口操作、聲音的輸入輸出等,在MATLAB中均用一兩句指令即可實現(xiàn)。而且,MATLAB中的數(shù)值算法是經(jīng)過千錘百煉的,比用戶自己編程實現(xiàn)的算法的可信度和可靠性都大為提高。<4>MATLAB計算精度很高。MATLAB中數(shù)據(jù)是以雙精度存儲的,一個實數(shù)采用8字節(jié)存儲,而一個復數(shù)則采用16字節(jié)存儲。通常矩陣運算精度高達10的15次方以上,完全能夠滿足一般工程和科學計算的需要。與其它語言相比,MATLAB對計算機內存、硬盤空間的要求也是比較高的。<5>MATLAB具有強大的繪圖功能。利用MATLAB的繪圖功能,可以輕易地獲得高質量的<印刷級>曲線圖。具有多種形式來表達二維、三維圖形,并具有強大的動畫功能,可以非常直觀地表現(xiàn)抽象的數(shù)值結果。這也是MATLAB廣為流行的重要原因之一。<6>MATLAB具有串口操作主聲音輸入輸出等硬件操控能力。隨著版本的提高,這種能力還會不斷加強,使得人們利用計算機和實際硬件相連接的半實物仿真的夢想得以輕易實現(xiàn)。<7>MATLAB程序可以直接映射為DSP芯片可接受的代碼,大大提高了現(xiàn)代電子通信設備的研發(fā)效率。<8>MATLAB的程序執(zhí)行效率比其它語言低。MATLAB程序通常是解釋執(zhí)行的,在執(zhí)行效率和速度上低丁共它高級語言,當然如果對執(zhí)行效率有特別要求,可以采用C語言編制算法,然后通過MATLAB接口在MATLAB中執(zhí)行。事實上,MATLAB自帶的許多內部函數(shù)均是用C語言編寫并編譯的,因此利用MATLAB內部函數(shù)的程序部分運行速度并不比其它語言中相應函數(shù)低。3.2天線陣的波達方向估計的MATLAB仿真陣列天線信號處理作為信號處理的一個重要分支,在通信、雷達、地震勘探、射電天文等領域獲得了廣泛應用和迅速發(fā)展。它包括：·信源定位——確定陣列到信源的仰角和方位角,甚至距離?！ば旁捶蛛x——確定各個信源發(fā)射的信號波形。各個信源從不同方向到達陣列,即使它們在時域和頻域上是疊加的?！ば诺拦烙嫛_定信源與陣列之間的傳輸信道的參數(shù)。陣列信號處理是改善蜂窩和個人通信服務系統(tǒng)質量、覆蓋范圍和容量的一種強有力的工具。建立在波達方向估計、波束形成基礎上的智能天線的應用,抑制了干擾信號。改善了欲接收信號的信噪比,降低了數(shù)字通信的誤碼率。將接受天線陣列用于公眾網(wǎng)的反向連接時,多個接受天線能夠收集更多的信號能量,若天線在空間足夠分離或極化各異,則多個天線能夠提供很好的分集接收,并抑制多徑傳輸引起的衰落。這些好處可以擴大基站的覆蓋范圍,改善通信質量。3.2.1原理全向天線不僅利用率不高,而且對各種信號不加區(qū)別地接收,降低了通信質量。定點元線通信采用定向天線,大幅度地改善了通信質量。面對眾多移動用戶的公眾通信網(wǎng)基站和專用移動通信網(wǎng),采用天線指向即波束可變的天線<智能天線>,可以使移動通信的通信質量得到很大的改善。為使天線的波束指向可控,甚至形狀可控,采用陣列天線是合適的。在距離通信源足夠遠的空間里,可以將到達的電磁波視為平面波。對于等距離直線陣天線,由于調制在載波上的基帶信號碼元寬度與波速的乘積遠大于天線陣列的尺寸,因此多個天線陣元上的信號的幅度可視為不變,而它們的載波的相位差則取決于其相互位置、尺寸、波長和到達方向。圖3-1所示是智能天線的原理框圖。天線接收的元線電信號中有許多成分,其中有我們關心的S信號。天線陣列各個陣元接收的電磁波信號因為陣元排列位置的不同帶來相位差。經(jīng)過特定參數(shù)的加權控制器四處理后,進一步改變了各個陣元輸出信號的相位和幅度。處理的目標是使得陣元輸出的信號和Y中的S成分具有最大輸出。用S信號作為基準信號,反饋控制單元的功能就是將輸出信號Y與基準信號S的差值<即誤差信號ε>,作為調節(jié)控制加權控制器ω參數(shù)的依據(jù)。反饋控制的結果是使ε減小,Y中的S成分加大,也就是說,天線陣列接收方向圖指向了S信號方向。圖3-2所示是均勻直線陣三維圖智能天線的原理框圖。圖3—1智能天線原理圖圖3—2均勻直線陣三維圖3.2.2波達方向估計的方法1.Capon法Capon法亦稱最小方差元畸變響應MVDR<MinimumVarianceDistortiOE-LessReSPOIlse>。天線陣列中的陣元數(shù)決定了陣列方向圖設計中的自由度數(shù)。Capon法將陣列中可控的自由度用來形成期望的波束形狀,達到對有用信號進行提升和對無用信號進行抑制的目的,并將其優(yōu)化問題表達為〔3—1其約束條件為。可以證明上式的解為即可以得到相應的功率為〔3—22.MUSIC法MUSIC法亦稱多重信號分類<MultipleSignalClassification>。當入射信號數(shù)N小于陣元數(shù)M時,矩陣有與進入陣列的信號數(shù)目相等的非零特征值及M—N個為零的特征值。=[…]〔是相應的噪聲特征矢量因為A與的正交性,分母很小,峰值很大,這樣可以得出MUSIC法的空間譜為〔3—3以下是對七單元線形天線陣在四信號輸入情況下的編程仿真。設信號1從/4方向入射,信號2從/3方向入射,信號3從/6方向入射,信號4從3/4方向入射。下面是用兩種方法求波達方向估計的應用程序。程序3—1%七單元線形天線陣的波達方向估計d=1;%天線陣元的間距l(xiāng)ma=2;%信號中心波長q1=1pi/4;q2=pi/3;q3=pi/6;q4=3pi/4;%四個輸入信號的方向A1=[exp<-2pijd[0.6]cos<q1>/lma>]’;%求陣因子A2=[exp<-2pijd[0.6]cos<q2>/lma>]’;A3=[exp<-2pijd[0.6]cos<q3>/lma>]’;A4=[exp<-2pijd[0.6]cos<q4>/lma>]’;A=[A1,A2,A3,A4];%得出A矩陣n=1:1900;v1=.015;%四信號的頻率v2=.05;v3=.02;v4=.035;d=[1.3cos<v1n>;1sin<v2n>;1sin<v3n>;1sin<v4n>];%輸入信號矢量U=Ad;%總的輸入信號U1=<U>’;c=cov<UU1>;%總輸入信號的協(xié)方差矩陣[s,h]=eig<c>;%求協(xié)方差矩陣的特征矢量Vn=s<:,[5:7]>;%取出與零特征值對應的特征矢量ci=inv<c>;qlb=[pi/180:pi/180:pi];forn=1:length<qlb>qla<n>=qlb<n>;Ala=[exp<-2pij1[0.6]cos<qla<n>>/lma>]’;Pmusic<n>=<Ala>’Ala<inv<<Ala>’Vn<Vn>’Ala>>;%應用MUSIC法估計輸出Pcap<n>=inv<<Ala>’ci<Ala>>;%應用Capon法估計輸出T<n>=qla<n>;P1=abs<Pmusic>;P2=abs<Pcap>;endfigure<1>%繪出應用MUSIC法估計的波達方向圖polar<T,P1>figure<2>%繪出應用MUSIC法估計的波達方向圖T1=T180/pi;Semilogy<T1,P1>;gridfigure<3>%繪出應用Capon法估計的波達方向圖polar<T,P2>figure<4>%繪出應用Capon法估計的波達方向圖T1=T180/pi;semilogy<T1,P2>;grid圖3-3～3-6所示是程序運行后顯示的結果。圖3-3Capon法作出的波達方向估計〔極坐標圖3-4Capon法作出的波達方向估計〔直角坐標圖3-5MUSIC法作出的波達方向估計〔極坐標圖3-6MUSIC法作出的波達方向估計〔直角坐標以上四圖的分析中可以得到如下結論：兩種方法估計都比較準確。MUSIC法的方向圖線的幅度更大。3.3天線陣波束形成的MATLAB仿真本論文以等距離圓陣為例來討論天線陣的波束形成。圖3-7所示是等距離圓線陣的三維圖。圖3-7等距離圓線陣的三維圖我們把天線陣元順序定為從OB起順時針排列為0到M-1。若有一平面波以角入射到陣列上,第K號陣元上產(chǎn)生的信號為,它與到達陣元中心的波前的相位差是；與r分別是入射波的波長和陣列圓的半徑,亦稱陣因子。為了使天線陣的輸出滿足需要,在每個陣元加上加權因子控制。這樣第K號陣元上輸出的信號為。若到達天線陣的信號是第N個,天線陣的輸出是N個信號在M個陣元上的輸出的疊加。用解析式表達如下：〔3—4〔3—5〔3—6式中,是K陣元以OB為基準順時針畫出的角度?！?—7〔3—8〔3—9為了求得多個信號到達的方向〔波達方向,可以采用上述的Capon、MUSIC兩種方法。波束形成可以采用下面的方法：當有多〔N個信號輸入時,其中有1個信號是我們關心的,N-1是需要抑制的。方程組〔3—10描述了上述需求的約束條件〔四個信號輸入中,第一個信號是我們關心的,其余的信號是需要抑制的?！?—10根據(jù)信號波達方向的知識及約束條件求解方程組〔3—10,可以得到〔3—11代入式〔3—9可以得到陣列輸出的方