智能天線(xiàn)技術(shù)及其應用

在無(wú)線(xiàn)電通信領(lǐng)域，智能天線(xiàn)有誘人的前景。智能天線(xiàn)的優(yōu)越性在于自身可以分析到達無(wú)線(xiàn)陣列的信號，靈活、優(yōu)化地使用波束，減少干擾和被干擾的機會(huì )，提高頻率的利用率，改善系統性能。這就是自適應天線(xiàn)陣列的智能化，它體現了自適應、自?xún)?yōu)化和自選擇的概念，對當前移動(dòng)通信系統的完善起到重大的推動(dòng)作用。智能天線(xiàn)雖然從理論上講可以達到最優(yōu)，但要實(shí)現理想的智能天線(xiàn)，還有許多問(wèn)題需要研究解決。智能天線(xiàn)研究值得關(guān)注的有以下內容：智能天線(xiàn)的接收準則及自適應算法，寬帶信號波束的高速波束成形處理，用于移動(dòng)臺的智能天線(xiàn)技術(shù)，智能天線(xiàn)在實(shí)現中的硬件技術(shù)，智能天線(xiàn)的測試平臺及軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)研究等方面。

最初的智能天線(xiàn)技術(shù)主要用于雷達、聲吶、軍事抗干擾通信，用來(lái)完成空間濾波和定位等。近年來(lái)，隨著(zhù)移動(dòng)通信的發(fā)展及對移動(dòng)通信電波傳播、組網(wǎng)技術(shù)、天線(xiàn)理論等方面的研究逐漸深入，現代數字信號處理技術(shù)發(fā)展迅速，數字信號處理芯片處理能力不斷提高，利用數字技術(shù)在基帶形成天線(xiàn)波束成為可能，提高了天線(xiàn)系統的可靠性與靈活程度。智能天線(xiàn)技術(shù)因此用于具有復雜電波傳播環(huán)境的移動(dòng)通信。此外，隨著(zhù)移動(dòng)通信用戶(hù)數的迅速增長(cháng)和人們對通話(huà)質(zhì)量要求的不斷提高，要求移動(dòng)通信網(wǎng)在大容量下仍具有較高的話(huà)音質(zhì)量。經(jīng)研究發(fā)現，智能天線(xiàn)可將無(wú)線(xiàn)電的信號導向具體的方向，產(chǎn)生空間定向波束，使天線(xiàn)主波束對準用戶(hù)信號到達方向DOA（direction of arrinal），旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，達到充分高效利用移動(dòng)用戶(hù)信號并刪除或抑制干擾信號的目的。同時(shí)，利用各個(gè)移動(dòng)用戶(hù)間信號空間特征的差異，通過(guò)陣列天線(xiàn)技術(shù)在同一信道上接收和發(fā)射多個(gè)移動(dòng)用戶(hù)信號而不發(fā)生相互干擾，使無(wú)線(xiàn)電頻譜的利用和信號的傳輸更為有效。在不增加系統復雜度的情況下，使用智能天線(xiàn)可滿(mǎn)足服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò )擴容的需要。實(shí)際上它使通信資源不再局限于時(shí)間域（TDMA）、頻率域（FDMA）或碼域（CDMA）而拓展到了空間域，屬于空分多址（SDMA）體制。

智能天線(xiàn)技術(shù)

智能天線(xiàn)技術(shù)有兩個(gè)主要分支。波束轉換技術(shù)（switched beam technology）和自適應空間數字處理技術(shù)（adaptive spatial digital processing technology），或簡(jiǎn)稱(chēng)波束轉換天線(xiàn)和自適應天線(xiàn)陣。天線(xiàn)以多個(gè)高增益的動(dòng)態(tài)窄波束分別跟蹤多個(gè)期望信號，來(lái)自窄波束以外的信號被抑制，但智能天線(xiàn)的波束跟蹤并不意味著(zhù)一定要將高增益的窄波束指向期望用戶(hù)的物理方向，事實(shí)上，在隨機多徑信道上，移動(dòng)用戶(hù)的物理方向是難以確定的，特別是在發(fā)射臺至接收機的直射路徑上存在阻擋物時(shí)，用戶(hù)的物理方向并不一定是理想的波束方向。智能天線(xiàn)波束跟蹤的真正含義是在最佳路徑方向形成高增益窄波束并跟蹤最佳路徑的變化，充分利用信號的有效發(fā)送功率以減少電磁干擾。

1.波束轉換天線(xiàn)

波束轉換天線(xiàn)包括有限數目的、固定的、預定義的方向圖，通過(guò)陣列天線(xiàn)技術(shù)在同一信道中利用多個(gè)波束同時(shí)給多個(gè)用戶(hù)發(fā)送不同的信號，它從幾個(gè)預定義的、固定波束中選擇其一，檢測信號強度，當移動(dòng)臺越過(guò)扇區時(shí)，從一個(gè)波束切換到另一個(gè)波束。在特定的方向上提高靈敏度，從而提高通信容量和質(zhì)量。

為保證波束轉換天線(xiàn)共享同一信道的各移動(dòng)用戶(hù)只接收到發(fā)給自己的信號而不發(fā)生串話(huà)，要求基站天線(xiàn)陣產(chǎn)生多個(gè)波束來(lái)分別照射不同的用戶(hù)，在每個(gè)波束中發(fā)送的信息不同而且要互不干擾。

每個(gè)波束的方向是固定的，并且其寬度隨著(zhù)天線(xiàn)陣元數而變化。對于移動(dòng)用戶(hù)，基站選擇不同的對應波束，使接收的信號強度最大，但用戶(hù)信號未必在固定波束中心，當使用者在波束邊緣、干擾信號在波束中央時(shí)，接收效果最差。因此，與自適應天線(xiàn)陣比較，波束轉換天線(xiàn)不能實(shí)現最佳的信號接收。由于扇形失真，波束轉換天線(xiàn)增益在方位角上不均勻分布。波束轉換天線(xiàn)有結構簡(jiǎn)單和不需要判斷用戶(hù)信號方向（DOA）的優(yōu)勢。主要用于模擬通信系統。

2.自適應天線(xiàn)陣

融入自適應數字處理技術(shù)的智能天線(xiàn)是利用數字信號處理的算法去測量不同波束的信號強度，因而能動(dòng)態(tài)地改變波束使天線(xiàn)的傳輸功率集中。應用空間處理技術(shù)（spatial processing technology）可以增強信號能力，使多個(gè)用戶(hù)共同使用一個(gè)信道。

T0是相鄰的抽頭之間的延遲，Wn．m是n天線(xiàn)第m個(gè)抽頭因子。每個(gè)天線(xiàn)后接一個(gè)延時(shí)抽頭加權網(wǎng)，可自適應地調整加權系數。這樣一來(lái)就同時(shí)具有時(shí)域和空域處理能力。

自適應天線(xiàn)陣是一個(gè)由天線(xiàn)陣和實(shí)時(shí)自適應信號接收處理器所組成的一個(gè)閉環(huán)反饋控制系統，它用反饋控制方法自動(dòng)調準天線(xiàn)陣的方向圖，使它在干擾方向形成零陷，將干擾信號抵消，而且可使有用信號得到加強，從而達到抗干擾的目的。

由自適應天線(xiàn)陣接收到的信號被加權及合并，取得最佳的信噪比系數。采用個(gè)陣元自適應天線(xiàn)，在理論上，自適應天線(xiàn)陣的價(jià)值是能產(chǎn)生（－1）倍天線(xiàn)放大，可帶來(lái)10lg的SNR改善，消除扇形失真的影響，并且它的（－1）倍分集增益相關(guān)性是足夠低的。對相同的通信質(zhì)量要求，移動(dòng)臺的發(fā)射功率可減小10lg。這不但表明可以延長(cháng)移動(dòng)臺電池壽命或可采用體積更小的電池，也意味著(zhù)基站可以和信號微弱的用戶(hù)建立正常的通信鏈路。對基站發(fā)射而言，總功率被分配到個(gè)陣元，又由于采用DBF（Digital Beam－Forming）可以使所需總功率下降，因此，每個(gè)陣元通道的發(fā)射功率大大降低，進(jìn)而可使用低功率器件。

采用自適應抽頭時(shí)延線(xiàn)天線(xiàn)陣對信號接收、均衡和測試很有幫助。對每個(gè)接收天線(xiàn)加上若干抽頭時(shí)延線(xiàn)，然后送入智能處理器，則可以對多徑信號進(jìn)行最佳接收，減少多徑干擾的影響，從而使基站接收信號的信噪比得到很大程度的提高，降低了系統的誤碼率。

通常采用4～16天線(xiàn)陣元結構，相鄰陣元間距一般取為接收信號中心頻率波長(cháng)的1/2。陣元間距過(guò)大，降低接收信號相關(guān)度；陣元間距過(guò)小，將在方向圖引起不必要的波瓣，因此陣元半波長(cháng)間距通常是優(yōu)選的。天線(xiàn)陣元配置方式包含直線(xiàn)形、環(huán)形和平面形，自適應天線(xiàn)是智能天線(xiàn)的主要形式。自適應天線(xiàn)完成用戶(hù)信號接收和發(fā)送可認為是全向天線(xiàn)。它采用數字信號處理技術(shù)識別用戶(hù)信號的DOA，或者是主波束方向。根據不同空間用戶(hù)信號傳播方向，提供不同空間通道，有效克服對系統干擾。自適應天線(xiàn)主要用于數字通信系統。

智能天線(xiàn)算法

智能天線(xiàn)系統的核心是智能算法，智能算法決定瞬時(shí)響應速率和電路實(shí)現的復雜程度，因此重要的是選擇較好算法實(shí)現波束的智能控制。通過(guò)算法自動(dòng)調整加權值得到所需空間和頻率濾波器的作用。目前已提出很多著(zhù)名算法，概括地講有非盲算法和盲算法兩大類(lèi)。非盲算法是指需借助參考信號（導頻序列或導頻信道）的算法，此時(shí)，接收端知道發(fā)送的是什么，進(jìn)行算法處理時(shí)要么先確定信道響應再按一定準則（比如最優(yōu)的迫零準則zero forcing）確定各加權值，要么直接按一定的準則確定或逐漸調整權值，以使智能天線(xiàn)輸出與已知輸入最大相關(guān)，常用的相關(guān)準則有SE（最小均方誤差）、LS（最小均方）和LS（最小二乘）等。盲算法則無(wú)需發(fā)端傳送已知的導頻信號，判決反饋算法（Decision Feedback）是一種較特殊的算法，接收端自己估計發(fā)送的信號并以此為參考信號進(jìn)行上述處理，但需注意的是應確保判決信號與實(shí)際傳送的信號間有較小差錯。