毕业设计（论文）-智能天线的主瓣干扰抑制算法

1、摘要智能天线是近年来移动通信领域中的研究热点之一，应用智能天线技术可以很好地解决频率资源匮乏问题，可以有效地提高移动通信系统容量和效劳质量。开展智能天线技术以及其中的一些关键技术研究对于智能天线在移动通信中的应用有着重要的理论和实际意义。但当天线接收信号存在主瓣干扰时，利用自适应波束形成技术抑制干扰会暴露出两个缺陷：一是副瓣电平增高；二是主波束变形且峰值偏移。当存在主瓣干扰且有期望信号混入情况下，用常规自适应波束形成方法进行自适应干扰对消，不但会引起主瓣变形，而且期望信号也会被抑制，从而影响对消性能。本文提出一种新的阻塞矩阵方法，对接收数据进行预处理，消除它们对计算数据协方差阵的影响，再用其它

2、方法确定自适应权值。理论分析和计算机仿真说明，用阻塞矩阵方法可以获得较大的性能提升。关键词智能天线；主瓣干扰；自适应波束形成；阵列信号处理AbstractIn recent years，Smart Antenna，which is considered to be a solution to the problem of lacking frequency，becomes a hotspot in the Mobile Communication area. With this technology，Capacity of Mobile Communication system can be

3、increased effectively and the quality of service can be improved at the same time. To study Smart Antenna and its key technologies is important both in theory and in practice. There are two disadvantages in adaptive beam forming in the presence of main lobe interference， one is heightening of side-l

4、obe level， the other is distortion and peak offset of main beam.When target signal is in the sample data， the performance of adaptive digital beam former (ADBF) will be degraded. If the interference falls into main lobe， the main beam will be distorted with conventional ADBF. A new block matrix (NBM

5、) method is proposed which preprocesses the sample data via a block matrix so that the influence of signal-of-interest (SOI) and main lobe jamming is diminished. This method avoids main lobe distortion and has the better performance of interference cancelling than the direct sample matrix inversion

6、(SMI) method. The results of simulation support the theoretical predictions.Key wordsSmart antenna; Adaptive beam forming; Main lobe interference canceling; Array signal processing 目录摘要Abstract第1章 绪论1背景介绍1主要概念2智能天线技术的应用需求31.4国内外研究现状41.4.1国外研究现状41.4.2国内研究现状51.5智能天线的开展前景61.6本章小结7第2章 智能天线8概述8智能天线的分类8智能

7、天线的根本原理与结构9智能天线的根本原理9智能天线系统的根本结构102.4 自适应波束形成算法12第3章 基于阻塞矩阵的主瓣干扰抑制算法14常规的自适应波束形成算法14基于等距线阵的统计模型153.3主瓣干扰对算法的影响163.4基于阻塞矩阵的主瓣干扰抑制173.4.1阻塞矩阵预处理173.4.2波束形成183.5仿真实验及结果分析19结论22参考文献23致谢25第一章 绪论背景介绍移动通信作为未来个人通信的主要手段，在全球通信业务中占据越来越重要的地位。随着移动通信用户数的迅速增长以及人们对通话质量要求的不断提高，要求移动通信网在大容量下仍保持较高的效劳质量。而与此要求相对，目前移动通信中主

8、要存在两大问题：第一，随着移动用户的增多，频谱资源日益匮乏；第二，由于信道传输条件较恶劣，所需信号在到达天线接收端前会经历衰减、衰落和时延扩展，另外还有来自其他用户的干扰，极大地限制了系统通信质量的提高。这两大问题是移动通信技术开展中的主要矛盾，也是推动移动通信技术开展的原动力。必须采取有效方法对系统进行扩容并提高效劳质量。为了解决系统容量问题，第二代数字蜂窝系统中主要采用时分多址TDMA和码分多址CDMA两种多址方式;为了提高系统通信质量，在第二代系统中广泛采用了调制、信道编码、均衡TDMA系统、RAKE接收CDMA系统等时、频域信号处理技术以及分集天线、扇形天线等简单空间处理技术。这些解决

9、方法在发挥各自成效的同时，有着共同的缺乏，即无法对空域资源进行有效利用。智能天线技术正是在这样的背景下被引入到移动通信中来的。理论研究和实测数据均说明：有用信号、其延时样本和干扰信号往往具有不同的到达角DOA和空间信号结构，利用这种空域信息我们可以获得附加的信号处理自由度，从而能提高系统容量，并且能够更有效地对抗衰落和抑制干扰。应用于无线通信系统基站的智能天线技术正是充分利用了信号的空域信息，它能有效地扩充系统的容量，大幅度提高系统的通信质量。智能天线技术己经被公认为第三代移动通信系统的一项关键技术，并越来越受到人们的关注。在提交国际电联ITU所有的3GRTT标准中，几乎都附有一条：如果有可能

10、，本建议将采用智能天线技术：在国际电联2000年3月份的会议上，更是提出要重视在CDMA系统中使用智能天线技术，并在2000年8月份的会议上正式讨论了在CDMA系统中使用智能天线的问题。可以预见，智能天线技术将在未来的移动通信体制中占据非常重要的地位。目前，对智能天线技术的研究尚未到达实用化阶段，这主要是因为移动通信中电磁波传播环境复杂且用户是移动的，智能天线的自适应过程往往很难动态地捕获并跟踪用户信号。1.2 主要概念智能天线又称为自适应天线阵列，英文名为Smart Antenna或intelligent Antenna。智能天线技术的核心是阵列信号处理，早期应用集中于雷达和声纳信号处理领域

11、，七十年代后期被引入到军事通信中，而应用于民用蜂窝移动通信那么是近十几年的事情。一般而言，智能天线是专指用于移动通信中的自适应天线阵列这里的移动通信系统主要指数字蜂窝移动通信系统，它利用数字信号处理技术产生空间定向波束，使天线的主波束跟踪所需用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准不希望的干扰信号到达方向，到达充分别离和有效利用用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。在移动通信的基站中使用具有全向收发功能的智能天线，可以为每个用户提供一个窄的定向波束，使信号在有限的方向区域内发送和接收，这样就可以充分利用信号发射功率，降低信号全向发射带来的电磁干扰与相互干扰。智能天线是提高无线电数据通信，包括蜂窝通信、个

12、人通信和第三代宽带CDMA等系统容量的最正确选择，它超越了任何由信道复用和各种调制技术所到达的水平。CDMACode Division Multiple Access是码分多址的英文缩写，它是在数字技术的分支扩频通信技术上开展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。CDMA技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。SDMASpace Division Multipl

13、e Access是空分多址的英文缩写，移动通信中应用智能天线技术就产生了这种新的信道增容方式。它不同于传统的频分多址FDMA、时分多址TDMA或码分多址CDMA，这种多址方式是利用用户空间位置的不同来区分不同用户，也就是说，在相同时隙、相同频率或相同地址码的情况下，仍然可以根据信号不同的空间传播路径而区分不同的信号。空分多址可以与其他多址方式完全兼容，从而可实现组合的多址方式，例如空分码分多址SD-CDMA、空分时分多址SD-TDMA等，这样可以成倍地增长系统容量。码间干扰Inter-Symbol Interference，简称ISI是数字通信系统中除噪声干扰之外最主要的千扰，它与高斯分布的加

14、性噪声干扰不同，是一种乘性干扰。信道的衰减和时延失真等都可能引起ISI，实际上，只要传输信道的频带是有限的就不可防止地带来一定的ISI。以一定速度传送的波形受到非理想信道的影响表现为各码元波形持续时间拖长，从而使相邻码元波形产生重叠，从而引起判决错误，当这种线性失真严重时，码间干扰显得尤为突出。同信道干扰Common Channel Interference，简称CCI，又叫同频干扰，它是指使用相同频率的信道之间的干扰。在蜂窝移动通信中，同信道干扰主要指使用相同频率的小区间的干扰。多址干扰 Multiple Access Interference，简称MAI，是在码分多址蜂窝移动通信中出现的一

15、种干扰。由于在同一个小区内同时通信的用户是多个，多个用户均占同一时隙、同一频率，所不同的是选取的地址码不一样，而实际选用的地址码间的互相关函数不可能全为零，这样多个用户同时通信时必然会产生多址干扰。天线增益，取定向天线主射方向上的某一点，在该点场强保持不变的情况下，此时用无方向性天线发射时天线所需的输入功率与采用定向天线时所需的输入功率之比称为天线增益，常用“G表示，天线增益可以用来描述天线往某一方向发射的能力。天线方向图是智能天线中一个重要概念，它是指以天线为中心，在相同的距离上，天线辐射或接收的电磁波强度随方位角或仰角变化的分布图，亦称天线波瓣图或辐射方向图。在天线方向图中，如果令空间方向

16、最大值等于1，就叫做归一化方向图。天线方向图可以通过计算得出，也可以通过实际测量得出。利用微机可以得到方向图的三维模型。为了方便，常采用通过天线最大辐射方向的两个相互垂直的平面方向图。平面方向图多用直角坐标系或极坐标系表示。常用的平面方向图有：1水平平面方向图。它是当仰角和距离为常数时，场强或功率方位角变化的图形。2铅垂平面方向图。它是当方位角和距离为常数时，场强或功率随仰角变化的图形。1.3智能天线技术的应用需求移动通信系统中引入智能天线技术后，可以为更多的用户提供种类更多、性能更优的效劳。下面主要从两个角度来阐述智能天线技术的应用需求。首先，从移动通信网络运营商的角度来看：在网络的建设初期

17、，增加新基站是一种有效的扩容手段，而对于一个成熟的网络来说，它就显得不够经济而且收效不大。在那些容量需求非常大的地方，传统的小区分裂方法渐渐变得不可行，而在基站引入智能天线技术代替普通天线后，可以扩大系统覆盖区域，提高小区内频谱复用率，这样就可以在不新建或尽量少建基站的根底上增加系统容量，即用较少的基站就可实现较大区域的覆盖，从而降低了运营商的投资本钱和运营本钱；同时在基站引入智能天线技术可以有效地改善通信链路的性能，这使得运营商可以更轻松地提供各种新业务如各种数据业务；另外系统容量的增加使得在相同的处理增益下可以同时容纳更多的激活用户，这大大地提高了系统的效率。其次，从移动用户的角度来看：由

18、于智能天线通过空域或空时域等联合处理，可以提高信干噪比、减少时延扩展和减轻衰落，进而提高了链路的性能，这样用户可以得到更加完美的通话质量；智能天线采用窄波束跟踪用户，可以提高用户方向的天线增益，这意味着移动台可以以较低功率工作，这样可以延长 电池的通话时间和待机时间，并且可以大大减轻电磁辐射，从而降低电磁辐射对人体的危害。总之，由于智能天线技术对移动通信系统所带来的优势是目前任何其它技术所难以替代的，所以无论是移动网络运营商还是最终受益的移动用户对它的需求都十分迫切。可以肯定，智能天线技术在移动通信的开展中将扮演越来越重要的角色。外研究现状国外研究现状移动通信在经历了第一代模拟通信系统、第二代

19、蜂窝数字通信系统和窄带CDMA系统，正向第三代移动通信系统开展。目前正处于确立第三代移动通信技术标准之时，国外如欧美等兴旺国家非常重视智能天线技术在未来移动通信方案中的地位与作用，己经开展了大量的理论分析和研究，同时也建立了一些技术试验平台。1欧洲欧洲通信委员会CEC在RACEResearch into Advanced Communication in Europe方案中实施了智能天线技术第一阶段研究，由德国、英国、丹麦和西班牙合作完成。该工程组在DECT基站根底上构造智能天线试验模型，于1995年初开始现场试验。天线由8个阵元组成，射频工作频率为GHz，阵元间距可调，阵元分布分别有直线形、

20、圆环形和平面形三种。模型用数字波束形成方法实现智能天线，采用ERA技术的专用集成电路芯片DBFI108完成波束形成，系统评估了识别信号到达方向的多用户信号识别分类算法MUSIC，采用的自适应算法有归一化最小均方算法NLMS和递归最小平方算法。实验验证了智能天线的功能，在2个用户4个空间信道包括上行和下行链路情况下，试验系统比特过失率BER优于。现场测试结果说明，圆形和平面形天线适用于室内通信环境，而市区环境那么采用简单的直线阵更适宜。2美国美国对于智能天线技术的研究水平处于世界领先地位，并且许多电信设备生产商纷纷推出了自己的产品。最具代表性的是爱瑞通信公司，它是一家拥有成熟的自适应智能天线技术

21、的全球知名通信技术公司，在这一领域拥有多项专利技术，居世界领先水平。爱瑞通信公司拥有丰富的自适应智能天线的产品线，其中IntelliCell技术在通信系统中的应用能有效地改善信号质量和频谱利用率，使系统容量和覆盖范围增大，提高数据传输速率，从而获得最正确的语音质量。ItelliCell处理器通过自适应处理算法，形成可以加权参数，在幅度，相位和信号空间到达角等多个指标上进行每秒调整数百次的调整，从而完成上行处理和下行波束形成。该技术己经在全球超过万个基站系统上得到应用，为450万名无线用户提供高质量的无线宽带效劳。这一技术支持第三代移动通3G各种空中接口标准，在容量、数据传输速率、覆盖范围及效劳

22、质量上都比传统移动通信系统具有明显的优势。据称，IntrlliCell可以使运营商的基站数量减少50%，由此可以减少大量的设备本钱和营运本钱。3加拿大加拿大McMaster大学开发了四元阵列天线，并进行了恒模CMA Constant Module Algorithm算法的研究。国内研究现状国内对于智能天线的研究起步较晚，但也取得了一些成绩。如北京信威公司研制了应用于无线本地环路WLL的智能天线系统，信威公司的智能天线采用8阵元环形自适应阵列，工作于17851805MHz，采用时分双工方式，收发间隔10ms，接收机灵敏度最大可提高9dB。但该系统只能工作于无线本地环路中，并对用户位置、移动速率有

23、一定的要求。另外值得一提的是，1998年中国邮电电信科学技术研究院代表我国电信主管部门向国际电联提交的TD-SCDMA建议和现在成为国际第三代移动通信标准之一的CDMA TDD技术低码片速率选项，就是第一次提出以智能天线为核心技术的CDMA通信系统，在国内外获得了广泛的认可和支持，并以制定了相关标准。在国内一些大学和研究结构，如清华大学、西安交大、中国科技大学、西安电子科技大学、北方交通大学、北京邮电大学、电信科学技术研究院等相继开展了智能天线的理论研究。一些大的电信设备生产企业如大唐电信、华为、中兴科技等也投入了很多的人力物力进行研发；国家“八六三、国家自然科学基金、博士点基金等也相应支持有

24、关单位进行理论与技术平台的研究。由于各方面的原因，目前我国对于智能天线技术仍然处于理论研究与技术跟踪阶段。3G普遍采用基于CDMA的多址接入技术，依靠码字之间的正交性来区分不同的用户，因此接收端各个信号之间的不完全同步、扰码不完全正交、TDD系统中的时隙偏差等问题都可能在系统内用户之间形成一定程度的干扰。同时，在理论分析的根底上，大量的仿真和现场试验结果也证明了：在3G HYPERLINK :/ enet /enews/ t _blank 通信系统中，网内干扰将超过系统固有的热噪声，成为制约系统性能的主要因素。在干扰和容量这一对矛盾的根底上形成的容量与覆盖、容量与性能、覆盖与性能等互换性问题已

25、经得到共识，成为3G HYPERLINK :/ enet /networks/ t _blank 网络规划和运营的主要特点。在业务特性上，3G以高速的数据业务、视频 和能力得到增强的增值业务作为其对2G系统形成效劳优势的主要手段，这必然使得3G具有大得多的网络流量。但是与2G系统一样，它的容量同样受到空中频谱资源的限制。我们注意到，理论上在相同条件下，CDMA并不比FDMA或者是TDMA具有更大的频谱利用率。因此，为了能够真正表达3G系统在业务能力上的优势，必须使用新技术使频谱利用率得到质的提高，智能天线技术正是目前被认为是能够实现这一目标的最有效的方法之一。它通过增加系统SDMA空分多址的能

26、力，能够有效地缓解3G系统中容量与网内干扰之间的矛盾，很大程度地提高系统对空中无线频谱资源的利用能力。 我国提出的TD-SCDMA标准，由于其空中接口采用TDD的双工方式，通信的上下行信道使用相同的频率，因此以很短的时隙间隔相互交错的上下行信道之间具有较强的相关性，这样比拟容易根据上行信道的接收情况对下行信道的发送特性进行准确的调整，因此TD-SCDMA成为3G标准中最方便于使用智能天线的一个技术，并且已经进行了标准化，将智能天线作为其主要的关键技术之一。另外，对于3G中使用FDD方式的WCDMA和CDMA2000，由于上下行信道使用不同的频率，并且具有较大的频差在我国的3G频率划分中，主要工

27、作频段上下行的频差为190MHz，因此上下行信道之间的相关性较弱，加上城区中复杂的无线传播环境，所以想要利用上行信道的接收 HYPERLINK :/ enet /enews/ t _blank 信息得到下行链路理想的发送方案是比拟困难的，对算法的复杂度也有更高的要求。但是由于对系统性能改善方面的重要作用，所以关于FDD系统中智能天线的使用也在不断研究和尝试中。在英国进行的T HYPERLINK :/product.enet /price/plist70_1826.shtml t _blank SUNAMI 工程，在DCS1800系统的根底上，通过使用8副各 HYPERLINK :/produc

28、t.enet /price/plist100_85732.shtml t _blank 自由8个元素构成的天线阵列对智能天线在宏蜂窝和微蜂窝网络中的性能情况进行了现场试验，对各种自适应算法进行了比拟，并且发布了如下的一些试验结果： 1在宏蜂窝的网络结构中，当信号到达方向相差10度以上的时候，通过使用智能天线，系统获得了到达30dB的载干比增益，覆盖范围增加了54%； 2在宏蜂窝的网络结构中，通过使用8元素的智能天线，系统容量增加了300%； 3微蜂窝的网络结构下智能天线的性能增益不如宏蜂窝的情况，但大局部自适应算法也能够取得相当的性能增益。需要对微蜂窝的情况进行更深入的研究。 在此之后的SUN

29、BEAM工程把在DCS1800系统上的试验结果进行了扩展，对智能天线在3G WCDMA中的应用进行了研究；与此同时，在美国、日本和韩国等地方也报告了关于智能天线性能的相关试验和研究结果。1.6 本章小结由于智能天线有着非常诱人的应用前景，许多国家都投入了大量的人力物力对该技术进行研究，并取得了一些成就。概括地讲，目前研究主要解决了以下两方面的问题：1研究论证了智能天线在不同移动通信系统中应用的可行性和有效性，建立了一些技术试验平台，并且在一定的条件下从目前情况来看，智能天线正逐步应用在固定无线接入系统中，即用户固定无线传播环境不断变化的情况实现了智能天线技术，验证了智能天线在提高移动通信系统性

30、能中表现出的强大优势。2研究了智能天线根本结构以及功能模块，并提出了一些智能天线的性能度量准那么和自适应波束形成的算法。由于智能天线是移动通信中一项新技术，目前该技术尚处于开展的初级阶段，还有很多问题仍未解决，其中智能天线的跟踪速度问题显得尤为突出。智能天线是依照一定的性能度量准那么，采用一定的自适应算法来调节阵元加权值，从而实现对用户的捕获和跟踪，智能自适应算法是智能天线技术的核心和关键。目前各种自适应算法普遍存在计算量大、速度慢的问题，无法实时地捕获和跟踪移动用户，这成为限制智能天线应用的主要问题。第二章 智能天线概述简单的说，智能天线就是能够利用多个天线阵元的组合进行信号处理，自动调整发

31、射和接收方向图，以针对不同的信号环境到达性能最优的天线。就是天线方向图的增益特性能够根据信号情况实时进行自适应变化，即智能天线利用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，到达充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。智能天线的分类智能天线根据采用的天线方向图的形状，可分为两类：多波束智能天线和自适应智能天线。 由于体积和技术等原因，这两类智能天线目前都仅限于在基站系统中的应用。1. 多波束智能天线多波束智能天线主要采用的是波束转换技术，因此，也称为波束转换天线。它是在把用户区进行分区扇区的根底上，使天线的每个波束固定指向不

32、同的分区，使用多个并行波束就能覆盖整个用户区，从而形成了形状根本不变的天线方向图。当用户在小区中移动时，根据测量各个波束的信号强度来跟踪移动用户，并能在移动用户移动时适当地转换波束，使接收信号最强，同时较好地抑制了干扰，提高了效劳质量。2. 自适应智能天线自适应智能天线是一种安装在基站现场的双向既可接收又可发送天线。它基于自适应天线原理，采用现代自适应空间数字处理技术，通过选择适宜的自适应算法，利用天线阵的波束赋形技术动态地形成多个独立的高增益窄波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，同时旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，以增强有用信号、减少甚至抵消干扰信号，提高接收信号的载干比，同时增加系统的

33、容量和频谱效率。从空分多址技术角度来说，它是利用信号在传输方向上的差异，将同频率或同时隙、同码道的信号区分开来，从而最大限度地利用有限的信道资源，增加系统的容量和提高频谱效率。从双向天线的角度来讲，智能天线包括两个重要组成局部：一是对来自移动台发射的多径电波方向进行到达角估计，并进行空间滤波，抑制其他移动台的干扰。二是对基站发送信号进行波束形成，使基站发送信号能够沿着移动台电波的到达方向发送回移动台，从而降低发射功率，减少对其他移动台的干扰。智能天线的根本原理与结构智能天线也叫自适应天线，由多个天线单元组成，每一个天线后接一个复数加权器，最后用相加器进行合并输出。这种结构的智能天线只能完成空域

34、处理。同时具有空域、时域处理能力的智能天线在结构上相对较复杂，每个天线后接的是一个延时抽头加权网络结构上与时域有限冲击响应均衡器相同。自适应或智能的主要含义是指这些加权系数可以根据一定的自适应算法进行自适应更新调整。智能天线的根本原理智能天线的根本原理就是根据一定的接收准那么自动地调节天线阵元的幅度和相位加权值，以实现最优接收和发射。从空间响应来看，智能天线是一个空间滤波器，它在信号入射方向上增益最大，在干扰信号入射方向上形成零陷或低陷。下面以直线阵为例，说明智能天线的根本原理。假设满足天线传输窄带条件，即某一入射信号在各天线单元的响应输出只有相位差异而没有幅度变化，这些相位差异由入射信号到达

35、各天线所走路线的长度差来决定。假设入射信号为平面波，那么这些相位差由载波波长、入射角度、天线位置分布唯一确定。给定一组加权值，一定的入射信号强度，不同入射角度的信号由于在天线间的相位差不同，合并后的输出信号强度也会不同。智能天线的工作原理可用下列图说明： 图2-1 智能天线根本原理图对于N元天线阵列，设信号自方向入射，阵元间距为d，接收信号功率为P，以第1个天线单元为参考，那么第i个天线单元的相位延迟为，其中，为电磁波波长。天线阵列接收信号可以用下面的矢量表示 2-1式中Va为天线阵在方向上的响应矢量。设，分别表示有用信号、干扰信号的天线阵响应矢量，分别为有用信号和干扰信号矢量，M为干扰信号个

36、数，Nt为噪声矢量。那么经过加权的天线阵输出Xt可表示为下式 2-2智能天线的目的就是确定最正确权值矢量W，己到达提取有用信号，抑制干扰信号滤除噪声信号的目的。智能天线的方向图根据权值的变化而变化，它不同于全向天线，而更接近定向天线的方向图，即有主瓣、副辩等，但相比而言，智能天线通常有较窄的主瓣，较灵活的主，副瓣大小、位置关系和较大的天线增益。它和固定天线的最大区别是：不同的权值对应着不同的方向图，可以通过改变权值来调节天线方向图，即天线模式。理想的智能天线就是要使天线方向图的主瓣对准目标用户方向，零瓣对准干扰信号方向。智能天线的方向图是随着权值的改变而动态变化的，智能天线正是通过自适应调整权

37、值的来抑制干扰、提高信噪比，进而提高移动通信系统性能。智能天线系统的根本结构通常智能天线系统由3局部组成：实现信号空间采样的天线阵、对各阵元输出进行加权合并的波束成型网络、更新合并权值的控制局部，其根本结构如下列图2-2所示。图2-2典型的智能天线系统结构示意图天线阵列局部根据天线阵元之间的几何关系，阵列形状大致可划分为：线阵、面阵、圆阵等，甚至还可以组成三角阵、不规那么阵和随机阵。天线阵的配置方式对智能天线性能有着直接的影响。在移动通信应用中天线阵多采用均匀线阵或均匀圆阵。因为直线阵已被证明更适合于市区移动通信环境。天线阵元数一般取4到16。因为一方面天线阵元数越多，系统增益也就越高；但另一

38、方面阵元数的增加会使射频通道相应增加，会导致基站本钱上升过大，所以智能天线的天线数不能过大。阵元间距一般为半个波长，因为如果阵元间距过大，接收信号的彼此相关程度会降低：间距过小，会在天线的方向图上形成不必要的栅瓣有较大甚至和主瓣高度相同的旁瓣。波束成型网络局部主要完成数模转换和天线方向图的自适应调整。每个天线阵阵元上都有ADC和DAC，将接收到的模拟信号转换为数字信号，将待发射的数字信号转换为模拟信号，完成模拟信号和数字信号的相互转换。所有收发数字信号都通过一组高速数字总线和基带数字信号处理器连接。天线方向图的调整是根据控制局部得到的权值调节天线输出来实现的。控制局部即算法局部是智能天线系统的

39、核心局部，其功能是依据信号环境、按某种性能度量准那么和自适应算法，选择或计算权值。智能天线系统是由上面三局部组成的一个自适应控制系统，它根据一定的自适应算法自动调准天线阵方向图，使它在干扰方向形成零陷或低陷，在信号到达方向形成主瓣，从而到达加强有用信号，拟制干扰信号的目的。智能天线系统的根本工作流程可以简单概括如下：1系统将首先对来自所有天线中的信号进行快照或取样，然后将它们转换成数字形式，并存储在内存中。2处理器将立即分析样本，对无线环境进行评估，确认有用用户所在的位置。3处理器对天线信号的组合方式进行计算，力争最正确地恢复用户的信号。4系统将进行模拟计算，使天线阵列可以有选择地向空间发送信

40、号。5在上述处理的根底上，系统就能够在每条空间信道上发送和接收信号，从而使这些信道成为双向信道。以上介绍了智能天线的根本结构、原理以及工作流程，在工程实际中智能天线的工作原理更复杂，并且每一局部的实现和结构往往根据所应用的系统不同而略有不同。2.4 自适应波束形成算法在智能天线技术中，需要根据不同的用户确定不同的权值以实现对用户地跟踪。这些确定权值的算法统称为智能自适应算法，它是智能天线技术的核心。自适应算法决定着天线阵的暂态响应速率和实现电路的复杂程度。因此，自适应算法的研究一直是人们关注的焦点。自适应波束形成技术经过了几十年的开展，已经逐渐走向成熟，已有的自适应波束形成算法大致可分为三大类

41、：基于参考信号的波束形成，基于来波波达方向DOA的波束形成，基于信号结构特性的盲波束形成。1基于参考信号的波束形成。这类算法需要发射端向接收端发射训练序列或导频信号来产生接收端参考信号。2G-GSM系统可以用专用码训练序列，3G-UMTS系统用户可以使用专用导频。其对应自适应波束形成可以采用最小均方LMS，Least Mean Squares算法，递归最小二乘RLS算法，直接矩阵求逆DMI等算法。这类算法不需要确定信号的DOA，有较强的健壮Robust性，一般不需要较正，可以结合最正确多径从而降低衰落影响。这种方式一般需要精确同步，并要求高的更新率；时延扩展小时性能很好；对于频分双工体制，不能

42、从上行接收信息确定下行波束权矢量。2基于来波方向的波束形成。这类算法需要DOA估计技术的支持，不需要参考信号的信息。算法一般包括DOA估计和基于DOA的波束调整两局部。基于来波方向的波束形成技术中，DOA估计非常重要，目前已有多种DOA估计算法，如多重信号分类MUSIC，Multiple Signal Classification和借助旋转不变技术估计信号参数ESPRIT，Estimation Signal Parameters via Rotational In variance Techniques算法。此类算法先估计出方向向量，再利用线性约束最小方差LCMV准那么形成权值。为提高精度，还

43、可以利用特征空间算法得到更佳的权值。但此类算法有一个共同的特点，每个入射波前的方向先被估计，同时产生一个波束形成器恢复来自该方向上的信号。这类算法一般要求天线阵列流形是确知的，而实际系统的流形误差是不可防止的，故阵列必须是校正过的。此类算法的另一优点是非常适合于频分双工系统。3盲波束形成算法。盲波束形成算法的目的与非盲算法类似，都是为了确定一组权矢量而使接收信号的质量最好。但盲波束形成算法不需要训练序列，它利用时间、空间、码字结构、或阵列流形来实现同样的功能。这种盲波束形成技术的主要优点是：波束形成器与信道的空间性质或阵列的校正无关。总之，只要期望信号具有与噪声和干扰不同的特性，就可以设法估计

44、出期望信号的阵列方向向量。然后用它作为导向向量进行自适应波束形成。通常信号的典型统计性质有非高斯性和循环平稳性等，典型确实定性性质那么包括恒模性、有限符号集特性等。利用这类性质构成了一类新的波束形成算法即盲波束形成算法。典型的盲波束形成算法有恒模CMA算法等。第三章 基于阻塞矩阵的主瓣干扰抑制算法近年来，无线通信中使用智能天线提高系统容量和减少干扰已是一个重要课题。智能天线的自适应波束形成可以提高无线链路中的信干噪比，减少信道阻塞，增加总的系统容量。通过加权形成的波束以近似零增益波瓣对准多径信号和强干扰信号源，同时以高增益波瓣对准期望信号源，可以减小干扰，降低用户发射功率，使多个移动用户共享同

45、一个信道与基站进行通信。由于这些阵列中的加权形成波束的操作可以在基带中完成，因此现在已可以用DSP来实现。一般的自适应波束形成技术存在主瓣干扰时，会出现副瓣电平增高及主波束变形的现象。本章采用了基于阻塞矩阵预处理BMB的自适应波束保形方法，方法分两步：首先对主瓣干扰进行方位估计，利用所得方位结果对接收的信号作预处理，再进行自适应波束形成。以下的分析基于这样一个假设：主瓣内存在一个干扰，而对副瓣内的干扰数目没有限制。3.1常规的自适应波束形成算法考虑等间距排列的 M元窄带线性阵列，阵列单元间距，为工作波长，并假设各通道噪声为相互独立的零均值高斯白噪声，且与信号不相关，方差为，那么阵列接收的干扰噪

46、声信号可表示为 3-1式中个干扰信号的复包络； 通道噪声；个干扰信号的方向矢量，其中 第个干扰信号的入射角度，并有。干扰噪声协方差矩阵为 3-2式中干扰协方差矩阵，根据线性约束最小方差准那么，求得最正确自适应权为 3-3式中常数；维静态波束导向矢量。所求得的最正确自适应权能保证在信号进入的前提下，在干扰方向上形成零陷，从而有效地抑制掉干扰。 但是当存在主瓣干扰时 ，自适应波束形成技术将在主瓣形成一个深的零陷，显然这将导致主波束变形 ，且峰值偏移、副瓣电平增高。为方便起见，仍以平面空间的等距线阵为例。设阵元数为，阵元间距为，共有个信源，其中。设波达方向为，并以第1个阵元为基准点，各信源在基准点的

47、复包络分别为。那么在第个阵元上第次快拍的采样值为 3-4式3-4中表示第个阵元上加性高斯白噪声的第次快拍。将各个阵元上第次快拍的采样写成向量形式 3-5其中 3-6 3-7 3-8 3-9阵列可以获取许屡次快拍的观测数据，为了充分利用这些数据以提高检测可靠性和参数估计的精度，可采用累计的方法，但用数据直接累计是不行的，因为随变化，且其初相通常为均匀分布，一阶统计量均值为零。但它的二阶统计量由于可以消去的随机初相，所以能反映出信号向量的特征。阵列向量的二阶统计量用其外积的统计平均值表示，称之为阵列协方差矩阵，定义为 3-10将式3-4代入式3-10，考虑到与是统计独立的，于是可得 3-11式3-

48、11中，是信源局部的协方差矩阵。由于各个阵元的噪声强度相等且彼此互不相关，故其协方差矩阵为。容易验证，阵列协方差矩阵满足。这说明，阵列协方差矩阵属于Hermite矩阵，它的特征值为正值。令特征值为，那么协方差矩阵的特征值分解可以写成 3-12式3-12中，是由特征向量组成的酉矩阵，是由特征值构成的对角矩阵。比拟式3-12和式3-11可知，假设将的个特征值从大到小依次排列，那么前个与信号有关，其数值大于，即，第开始的特征值完全取决与噪声，其数值等于，即。因此，可以将的个特征向量分成两个局部：一局部是和对应的特征向量，它们张成的空间称为信号子空间；另一局部是和最小特征值对应的特征向量，它们张成的空

49、间称为噪声子空间。由 3-13可知各方向向量方向矩阵的各列均位于信号子空间里，它们与噪声子空间正交。3.3主瓣干扰对算法的影响天线在实际的应用中，由于大量密集而强大的干扰，使得带宽的选择受到限制，很难找到较宽的且干净的频带。要么降低带宽，要么在满足带宽的前提下抑制干扰。因此带宽的选择要兼顾距离分辨力和干扰的影响，较为理想的方法是在满足带宽的要求下抑制干扰。有源干扰的抑制方法，无非是根据信号和干扰在空域、频域和时域的差异，在不同的域中进行别离抑制。利用空间两路相减获得干扰信号，再进行时域自适应干扰对消的方法抑制副瓣干扰，可以取得较好的效果，但对于从主瓣进入的干扰该方法无能为力。由于主瓣干扰在空域

50、上和有用信号没有区别，故只能考虑在频域和时域上加以区分。常规的方法是对主瓣内的有源射频干扰进行频率躲避，或者根据干扰信号的极化滤波处理，发射信号的频率躲避必然会限制带宽的利用率。为此，有些学者提出了频谱不连续的思想：考虑到窄带干扰占据信号带宽的一局部，用凹口滤波器零陷被干扰污染的频段，得到间断的频谱，各带宽之和满足总带宽的要求，其缺点是零陷干扰的同时将有用信号也滤除掉了，脉压后的相对旁瓣大幅度抬高，且对凹口滤波器的设计提出较高的要求。自适应波束形成技术抑制干扰应用的根本思想是：在保证信号进入的前提下，使天线方向图在对准干扰的方向自适应形成零陷，从而抑制掉干扰。我们知道，当干扰从副瓣进入时，自适

51、应波束形成技术有着优良的性能，关于这方面的研究有大量的文献报道。然而在现代复杂电磁环境下，干扰很可能从主瓣进入，当存在主瓣干扰时，自适应波束形成技术便暴露出两个严重的缺陷23：一是副瓣电平增高 ，这将导致虚警概率的急剧上升；二是主波束变形且峰值偏移，从而影响了测角的精度。这两点严重地限制了自适应波束形成技术在主瓣干扰条件下的应用。究其原因，是由于自适应波束形成为抑制主瓣干扰，必须在主瓣内形成零陷所致。 基于这点，由于在对接收信号作预处理中，就对消了主瓣干扰，因此接下来的自适应波束形成就不会在主瓣内形成零陷，从而不会导致主波束变形及副瓣电平增高的现象。下面我们将详细分析该方法。3.4基于阻塞矩阵

52、的主瓣干扰抑制.1阻塞矩阵预处理首先利用空间谱估计方法对主瓣干扰进行方位估计，由于干扰强度远远大于目标信号及噪声的强度，并且主瓣内只存在一个干扰，因此空间谱估计法选用较为简单的最小方差法即可，而不必选用复杂的空间谱估计法如MUSIC法等。最小方差法估计主瓣干扰方位的表达式为 3-14由于我们只对主瓣干扰定位，故上式的角度搜索范围只需在主波束内进行，从而大大减少了运算量。得到主瓣干扰的方位信息后，再对接收信号进行主瓣干扰相消预处理，设处理后的信号为Y ，那么有 3-15式中为维的预处理变换矩阵 3-16其中，为主瓣干扰的方位角，相应的复包络为，实质上是一个信号阻塞矩阵26，它利用相邻天线单元进行

53、相消处理来抑制主瓣干扰，设3-17预处理变换前，第个天线单元的接收信号为 3-18其中，经过预处理变换后， 根据式3-16，得到变换后的信号为 ，3-19其中， ，。比拟式3-18和式3-19，可以看出预处理变换改变了信号的复包络，但不改变信号的波达方向，并且对于主瓣干扰，其复包络，因此，预处理变换有效地抑制了主瓣干扰，并且不会影响后续自适应波束形成处理对其它副瓣干扰的零陷形成。.2波束形成对接收信号进行预处理变换后，第二步就是进行一般的自适应波束形成，变换后的信号协方差矩阵为 3-20从上式可看出，中的噪声项不再代表一个白噪声的协方差矩阵， 因此需进一步进行白化处理 3-21实际进行上式的白

54、化处理时需要估计，这时，需对作特征分解，求出个最小特征值，取它们的平均值即为估计值；L为一适当的对角加载量，以弥补 的估计误差，从而进一步降低旁瓣，一般取即可。最后，可求得自适应权为 3-22上述的BMB波束保形方法能在抑制主、副瓣干扰的同时，有效地解决波束畸变的问题。但是该方法需要较准确地估计主瓣干扰的方位，当方位估计存在误差时，由于不能有效地对消主瓣干扰，性能将要下降。综上所述，当采样数据中包含目标信号且同时有一个主瓣干扰情况下阻塞方法处理原理见图 3-1。图3-1 阻塞方法抑制干扰原理图3.5仿真实验及结果分析通过计算机仿真来考查阻塞矩阵方法抑制干扰的性能，以及当阻塞方向与主瓣干扰方向有

55、偏差时对抑制干扰性能的影响。仿真1：等距均匀线阵，阵元数为8，阵元间距，目标信号在方向，信噪比为20dB，三个互不相关的干扰信号分别从、和入射到阵列上，干噪比均为40dB ，其中方位的干扰处于主波束内。仿真时取快拍数为200。如图3-2所示。图3-2 阵元数为8干扰为3波束的方向图由图3-2可以看出，用阻塞矩阵方法得到的方向图，在信号方向及主瓣内干扰方向都没有形成零点，因此主波束没有畸变。而用常规的数据矩阵求逆法得到的自适应方向图除了在干扰方向形成零点，在信号及主瓣内干扰方向也形成了零点，方向图变形严重，而且副瓣电平比阻塞矩阵方法得到的副瓣要得多。增加干扰数，进行第2个仿真。仿真 2：等距均匀

56、线阵，阵元数为8，阵元间距，目标信号在方向，信噪比为20dB，八个互不相关的干扰信号分别从、和入射到阵列上 ，干噪比均为40dB ，其中方位的干扰处于主波束内。仿真时取快拍数为200。如图3-3所示。图3-3 阵元数为8干扰为8波束的方向图由图3-3可以看出，当阵元数仍为8，干扰数增加到8的情况下，利用阻塞矩阵方法就不能很好的抑制干扰。智能天线的原理已经被证明，当阵元数为M时，最多可以抑制的干扰数为M-1个。那么为了抑制更多的干扰，可以通过增加阵元数来实现。在相同的信号个数下，将阵元数由8增加到11，进行仿真实验3。仿真 3：等距均匀线阵，阵元数为11，阵元间距，目标信号在方向，信噪比为20d

57、B，八个互不相关的干扰信号分别从、和入射到阵列上，干噪比均为40dB ，其中方位的干扰处于主波束内。仿真时取快拍数为200。如图3-4所示。图3-4 阵元数为11干扰为8波束的方向图由图3-3和图3-4可以看出，当阵元数由8增加到11的时候，对于8个干扰存在的情况，就可以很容易的进行抑制。由此可见，可以通过增加阵元数来抑制较多的干扰。结论智能天线技术是第三代移动通信中的关键技术，也是目前通信领域研究的热点问题之一。智能天线技术的核心和关键是自适应算法。本文在深入研究智能天线的原理和实现之后，围绕着基于来波方向估计自适应算法的应用来展开研究。本文提出的阻塞矩阵法通过对接收信号的预处理，消除了主瓣

58、内干扰和信号在计算数据协方差阵时的影响，因此自适应波束形成不会对信号和主瓣范围内干扰进行对消，从而不会导致主波束变形及副瓣电平升高。但在信号方向有偏差的情况下对最后性能影响较大，需要精确期望信号及欲阻塞干扰方位角。实际中，可能有固定方位的干扰信号，如建筑物强散射点等，一般可以精确测量，这时用NBM方法能有效地改善干扰对消性能。本文也提出了基于阻塞矩阵预处理的自适应波束保形方法和基于特征投影预处理的自适应波束保形方法，它们都能在抑制主瓣干扰的同时，有效地解决副瓣电平增高及主波束变形的难题。参考文献王盛利, 张光义. 匹配傅立叶变换的噪声抑制和滤波J. 电子学报, 2001,29(12):1683

59、1684. 吴云韬, 廖桂生. 空间非平稳噪声环境下的自适应波束形成J. 系统工程与电子技术, 2003,25 (5):554555.高康强. 智能天线波束形成技术研究D. 西安电子科技大学D, 2002:3240.李晓明, 郑链, 胡占义. 基于SIFT特征的遥感影像自动配准J. 遥感学报, 2006,10(6):885891.利贝蒂. 无线通信中的智能天线:IS-95和第3代CDMA应用. 机械工业出版社, 2002,8:89107.谢显中. TD-SCDMA 第四代移动通信系统技术与实现M. 北京:电子工业出版社, 2004: 89107.武剑辉, 杨斌, 向敬成. 大时带积非线性调频脉压信号及其性能分析J. 信号处理, 2001,17 (2):139142.杨斌,武剑辉,向敬成,非线性调频信号时域副瓣抑制滤波器设计J.信号处理,1999,15:3135.吴湘淇. 信号、系统