软件无线电-第六章-基于软件无线电的智能天线

第六章基于软件无线电的智能天线智能天线的概念基于软件无线电的智能天线的结构智能天线的基本算法介绍§6.1智能天线的基本概念信息化的发展使得信号频谱密度越来越高，如何有效利用有限的频谱资源称为重要问题传统的方法：TDMA、FDMA、CDMA还有其他方法吗？—空域分集，从空域提高频谱利用率的设想—诞生了智能天线（SmartAntenna）系统，特点：通过对多个天线阵元输出信号进行幅相加权获得所需要的天线方向图，实现空间分离。关键技术：阵元结构、信号定位、波束成形算法主要应用：4G的MIMO系统、麦克风阵列、雷达信号处理等智能天线的基本概念12...N幅相加权幅相加权幅相加权接收机接收机接收机用户1用户2用户M天线分配6.1.1智能天线原理－线阵波束形成设计N个天线单元按下图所示进行线性排列，天线单元问距为d，第m个用户信号Sm(t)的入射方向(与线阵法线的夹角)为θm，若设最左边的天线为时间参考天线，则到达相邻两天线单元的时间差为:为光速;sinmddm)(tSm智能天线原理－线阵波束形成对N个阵元接收信号加权，可以得到用户信号Sm(t)对应的合成信号ym(t)为：第m个用户的信号被第n个天线阵元接收的信号：mmmmmjnnmnmmnmnttttjmnmmmnmnmeACtsCetaAntsAtx)()()()()]([1010)()()(NnmnmnmNnnmnmmtsCWtxWty智能天线原理－线阵波束形成由此可见，在理想加权情况下，合成信号ym(t)为入射信号Sm(t)的N倍，N根天线起到空间分集接收的增强效果。其中：)sin(2111)(mmmmdnjnmjnnmnmnmeAeACW最佳接收时的线阵方向图函数（不考虑阵元的幅度不平衡性）：210)sin()sin(2210)sin(211)(NndnjNndnjnmmmmmeNeWNF智能天线原理－线阵波束形成使用Matlab仿真可以得到一系列方向图设计：（注意这是在信号最大化准则下的最优，在工程最优准则优很多种。）信号在45o方向的方向图信号在70o方向的方向图6.1.2智能天线原理－圆阵波束形成所谓圆形阵是指其阵元在半径为R的周围上等间隔排列的天线阵，如下图所示。设信号入射方向与0号单元天线的夹角为θm，以圆心为相依参考基准，则可求出第n根天线与圆心之间的相位差为：012N-1m)(tsm)2cos(2mmnmnNR智能天线原理－圆阵波束形成使用Matlab仿真可以得到一系列方向图设计：（注意这是在信号最大化准则下的最优，在工程最优准则优很多种）信号在112o方向和305o方向的方向图6.1.3多波束形成天线的实现方法从系统构成来讲，线阵多波束形成与圆阵多波束形成的基本原理是完全类似的，都是通过N个复加权矢量Wm对N根天线的输出信号进行加权处理，得到M个不同指向的窄波束，只是复加权矢员不同而已。多波束形成天线的实现方法)sin()1(2)sin(12)sin()1(2)sin(12)sin()1(2)sin(1211111111110000111},,,{MMMMdNjdjdNjdjdNjdjTnMnnonmeeeeee多波束形成天线的实现方法如复加权系数矢量统一用移相因子来表示：)2cos(2sin2mmnmmmnmjnmnNRndeWnm圆阵移相因子为：线阵移相因子为：其中：多波束形成天线的实现方法也就是说在不考虑天线单元幅相失配时的波束形成，复加权实际上可以简单地用移相器来实现，对第M根天线的移相值为nm。多波束形成天线的实现方法在射频前端进行移相实现波束形成：该方法要求移相器同时具有宽频带和高精度特性，这样的移相器实现起来是有相当难度的。接收机12...N0m移相器)1(Nm移相器1m移相器多波束形成天线的实现方法采用中频移相波束形成：天线输出信号首先通过下变频器变换为窄带中频信号，然后再进行移相合成。由于这时的移相器是在统一的窄带中频上实现的，移相器相对在射频就要容易制作得多。12...N接收机0m移相器)1(Nm移相器1m移相器下变频下变频下变频多波束形成天线的实现方法采用DBF波束形成：数字波束形成就是把天线输出的信号经下变频器变换为中频信号后，进行A／D采样数字化，然后送到称之为数字波束形成器的信号处码单元完成对各路信号的复加权处理。最后形成所需的多波束信号。12...N下变频下变频下变频A/DA/DA/DDBFx1x2...xN波束1波束2...波束M多波束形成天线的实现方法采用DBF波束形成，只要号处理的速度足够快，一个BDF就能产生多个不问指向的合成波束，而且由于波束形成是通过DSP软件来实现的，所以具有很高的灵活性利可扩展性。§6.2基于SDR智能天线的基本组成智能天线实际上就是一种多波束天线，而多波束的形成可以采用模拟方法实现也可以采用数字方法实现。随着微电子技术和高速数字信号处理(贴P)技术的迅速发展，多波束形成的数字方法实现已成为主流。软件无线电概念的出现，把软件无线电与智能天线有机地结合在一起，大大地促进智能天线特别是通信中的智能天线的实用化。本节讨论基于软件无线电的智能天线组成结构，包括单信道智能天线，多信道智能天线和信道化智能天线。6.2.1单信道智能天线组成一次只接收一个信道，每个天线阵元经过相同的数字下变频进行M个数字波束形成器(DBF)，分别进行不同指向的波束形成运算，最终获得所需的M个波束。信息解调模块(DEMOD)要么对所形成的这M个波束同时进行解调，要么选取其中信噪比最大的波束进行解调，前者可以实现同频空分复用，后者则可以实现定向接收，改善输出信噪比。值得指出的是．图中的M个DBF可以用一个数字多波束形成器(DMBF)来实现。单信道智能天线组成12...N前端前端前端DBFDBFDBFADADADDDCDDCDDCDE-MOD解调SCMBF单信道多波束形成器......6.2.2多信道智能天线组成多信道智能天线的组成原理与单信道智能天线是类似的，只是在A/D后设置多个单信道多波束形成器SCMBF。12...N前端前端前端SCMBF1SCMBF2SCMBFLADADADDDCDDCDDC......信道1多波束解调输出信道L多波束解调输出信道2多波束解调输出6.2.3多相滤波信道化智能天线组成多相滤波信道化智能天线的组成为下图所示。宽带中频信号经A/D采样数字化后，首先送到多相滤波信道化接收机模块（PPCR），对宽带数字中频传号进行信道化处理，同时输出L=Bw/B路正交基带信号。后续的多波束波形成器（DMBF），则选取其中的一个信道进行数字多波束形成，形成与该信道（频率）相对应的多个波束，并完成解调。如果要求对整个中频带宽内的所有信道同时形成多波束，则图中的DMBF数也应为L＝Bw/B个。多相滤波信道化智能天线组成12...N前端前端前端DMBF1DMBF2DMBFLADADADPPCRPPCRPPCR......§6.3智能天线的基本算法智能天线所处理的信号是在时域、频域上完全重叠，只在空域上分离(来自不同方向)的多路信号，智能天线所起的作用实质上就是—个空域滤波器。为了让波束对准方向θ1,θ2,…,θL，就是对阵列输出x(t)用θi的方向矢量ai(θ)进行加权求和得到波束合成输出。TNiNiiiTDTLtxtxtxtXaaaAtXAAAtytytytY)](,),(),([)()](,),(),([)()()](,),(),([)](,),(),([)(21212121其中：智能天线的基本算法上面这种的共扼方向矢量加权法波束合成，只是把最大波束对准了待处理(接收)的信号方向，对其他方向的空间信号或噪声未加任何约束条件，这就有可能在合成波束输出信号中含有一定成分的其他(D-1)个信号以及其他方向上的空间干扰或噪声，因而这种简单的波束合成法性能较差，通过波束形成获得的处理增益(信噪比改善)不会很高。6.3.1Capon形成算法所谓capon波束形成器就是最小功率算法的波束形成器，是让所需方向上的信号通过的同时，使阵列输出信号功率极小化，即尽可能地抑制主波束外的其他信号或噪声。现在让阵列矢量X(t)用权矢量Wi(t)作加权和，作为所需接收的实际信号S(t)的估计S*(t)。iWiTiTiiPaWtXWtSimin1)()()(*满足：}{})()({minminminixTiWiTTiWiWWRWWtXtXWPiiiCapon形成算法这是一个有约束条件的极值问题，用Lagrange乘数法定义代价函数为]1)([21)(iTixTiiaWWRWWH对Wi求导并令代价函数为零，求得：)()(1),(0)()(11ixiHixiiixiiaRaaRWaWRWWHCapon形成算法仿真仿真条件：6.3.2“零陷”波束形成器所谓“陷波”波束形成器就是首先在不需要的(D-1)个方向上形成“零点”，对不需要的信号进行空域陷波，然后使所需方向上的信号尽可能地大。零点处理波束形成算法具有最佳性能。假设所需信号的方向为θ1，用加权矢量w对阵列输出x(t)进行加权，使其能消去θ2,…,θD。)0,,0,0,()](,),(),([21kaaaWDTTT“零陷”波束形成器)(,),(),()(,),(),()(,),(),()(},,{21222121211121DNNDDNaaaaaaaaaA其中：由于A(θ)为满秩，因此满足上式的线性无关的加权矢量w共有N-D＋1个。设为w1，…,wN-D+1。“零陷”波束形成器0,,0,0,,0,0,,0,)(,),(),()(,),(),()(,),(),(121212221212111121DNDNNDDDNkkkaaaaaaaaa满足：0ˆ)(ˆ)](,)(),([)(],,[ˆ1321111AWaaaA定义：“零陷”波束形成器0ˆ)(ˆ),,(ˆ),,(),,,(0)()(11212111AWuuuWDvvvVuuuUVUASVDANDDDNT可以推出令：维奇异值对角矩阵为其中：得：进行对“零陷”波束形成器)()()()(ˆ,)()](,)(),([)(ˆ)(10211111211tSktYKtyaWKKtYtSktSktSktXWtYDNiiTTTTDN进行矢量加权再用对令最后进行波形合成：