电波与天线论文

1、电波与天线论文电波与天线论文院系：电气信息工程学院 专业：电子信息工程09-1 姓名：刘超学号：540901030119智能天线随着社会信息交流需求的急剧增加、个人移动通信的迅速普及，频谱已成 为越来越宝贵的资源。智能天线采用空分复用（SDMA），利用在信号传播方向上 的差别，将同频率、同时隙的信号区分开来。它可 以成倍地扩展通信容量，并 和其他复用技术相结合，最大限度地利用有限的频谱资源。另外在移动通信中， 由于复杂的地形、建筑物结构对电波传播的影响，大量用户间的相互影响，产 生时延扩散、瑞利衰落、多径、共信道干扰等，使通信质量受到严重影响。采 用智能天线 可以有效的解决这个问题。智能天线也

2、叫自适应阵列天线它由天线 阵、波束形成网络.波 未形成算法三部分组成。它通过满足某种准则的算法 去调节各阵元信号的加权幅度和相位。从而调节天线阵列的方向图形状。达到 增强所需信号抑制干扰信号的目的。智能天线技术适宜于TDD方式的CDMA 系统能够在较大程度上抑制多用户干扰提高系统容量。但是由于存在多径效应， 每个天线均需一个Rake接收机，从而使基带处理单元复杂度明显提高。起源 发展智能天线通常包括多波束智能天线和自适应阵智能天线。智能天线最初广 泛应用于雷达、声纳及军事通信领域，由于价格等因素一直未能普及到其它通 信领域。近年来，现代数字信号处理技术发展迅速，数字信号处理芯片处理能 力不断提

3、高，芯片价格已经可以为现代通信系统所接受。同时，利用数字技术 智能天线阵在基带形成天线波束成为可能，以此代替模拟电路形成天线波束的 方法，提高了天线系统的可靠性与灵活程度，智能天线技术因此开始在移动通信中得到应用。另一方面 移动通信用户数增加迅速，人们对移动通话质量的要求也不断提高，这要求蜂 窝小区在大容量下仍有高的话音质量。使用智能天线可以在不显著增加系统复 杂度的情况下满足服务质量和扩充容量的需要。不同于常规的扇区天线和天线 分集方法，通 过在基站使用全向收发智能天线，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发送和接收，充分利用了信号发射功率， 降低了信号全向发射带来的

4、电磁污染与相互干扰。不同于传统的时分多址（TDMA）、频分多址（FDMA）或码分多址（CDMA）方式，智能天线引入了第 四维多址方式一一空分多址（SDMA ）方式。在相同时隙、相同频率或相同地址 码的情况下，用户仍可以根据信号不同的空间传播路径而区分。智能天线相当 于空时滤波器，在多个指向不同用户的并行天 线波束的控制下，可以显著降低 用户信号彼此间的干扰。具体而 言，智能天线将在以下方面提高未来移动通信 系统的性能：（1）扩大系统的覆盖区域；（2）增加系统容量；（3）提高频 谱利用率（4）降低基站发射功率，节省系统成本，减少信号间干扰与电磁环境 污染。工作原理天线的方向图表示的是空间角度与天

5、线增益的关系，对于全向 天线来说，它的方向图是一个圆；对于阵列天线，可以通过调 整阵列中各个元 素的加权参数来形成更具方向性的天线方向图，形成主瓣方向具有较大增益， 而其它副瓣方向增益较小的形式。智能天线正是一种能够根据通信的情况，实 时地调整阵列天线各 元素的参数，形成自适应的方向图的设备。这种方向图通 常以最大限度地放大有用信号、抑制干扰信号为目的，例如将大增益的主瓣对准 有用信号，而在其它方向的干扰信号上使用小增益的副瓣。智能天线包括射频 天线阵列部分和信号处理部分，其中信号处理部分根据得到的关于通信情况的 信息，实时地控制天线阵列的接收和发送特性。这些信息可能是接收到的无线 信号的情况

6、；在使用闭环反馈的形式时，也可能是通信对端关于发送信号接收 情况的反馈信息。把具有相同极化特性、各向同性及增益相同的 天线阵元，按 一定的方式排列，构成天线阵列。构成阵列的阵元 可按任意方式排列，通常是 按直线等距、圆周等距或平面等距排列，其间距通常取工作波长的一半，并且 取向相同。智能天线系 统由天线阵列部分、阵列形状、模数转换等几部分组成。 智能天线可以按通信的需要在有用信号的方向提高增益,在干扰源的方向降 低增益.因此，智能天线系统的应用可以带来如下好处：提高系统容量、减小衰 减、抗干扰能力较强、实现移动台定位、增强网络管理能力等。技术分类智 能天线是一个天线阵列，它由N个天线单元组成。

7、每个天线单元有M套加权 器，可以形成M个不同方向的波束，用户数M可以大于天线单元数N。根据 采用的天线方向图形状，可以分为 两类：自适应方向图智能天线它采用自适 应算法，其方向图与变形虫相似，没有固定的形 状，随着信号及干扰而变化。 它的优点是算法较为简单，可以得到最大的信号干扰比。但是它的动态响应速 度相对较慢。另外，由于波束的零点对频率和空间位置的变化较为敏感，在频 分双工系统中上下行的响应不同，因此它不适应于频分双工而比较适应时分双工 系统。自适应天线阵着眼于信号环境的分析与权集实时优化上。智能天线在空 间选择有用信号，抑制干扰信号，有时我们称 为空间滤波器。虽然这主要是靠 天线的方向特

8、性，但它是从信号干扰比的处理增益来分析的，它带来的好处是 避开了天线方向图分析与综合的数学困难，同时建立了信号环境与处理结果的 直接 联系。自适应天线阵的重要特征是应用信号处理的理论和方法、自动控制 的技术，解决天线权集优化问题。固定形状方向图智能天线固定形状方向图智 能天线在工作时，天线方向图形状基本不 变。它通过测向确定用户信号的到达 方向（DOA），然后根据信号的DOA选取合适的阵元加权，将方向图的主瓣指向 用户方向，从而提高用户的信噪比。固定形状波束智能天线对于处于非主瓣区 域的干扰，是通过控制低的旁瓣电平来确保抑制的。与自适应智能 天线相比， 固定形状波束智能天线无需迭代、响应速度快

9、，而且鲁棒性好，但它对天线单 元与信道的要求较高。采用软件无线电实现智能天线智能天线需根据通信系统 的传输特性和环境，选用不同的算 法来调整波束，甚至改变系统的资源管理状 态，为提高其运用弹 性和灵活度，采用软件无线电（SDR）实现智能天线已成 为主流趋势。软件无线电采用开放式架构，以硬件作为其通用的基本平台，通 过软件完成功能性的重组，以满足不同环境、多模式、多功能的通信要求，同 时具备可适应性信号处理、组件可程序化的能力。在此概念下，利用软件控制 方式改变硬件特性的通信设备，均可 视为软件无线电系统。软件无线电系统的 发展方式类似于软件开发，系统中各个硬件组件模块可视为功能不同的对象（ob

10、ject），根据呼叫的不同启动相应的执行程序，因此可直接通过下载程序代码的方 式来置换对象，即可显现在同一硬件平台上，可适应性 的调整应用架构，借以 提高系统的运用弹性和扩充能力，提供高效率、高弹性、高适应性的处理能力。 因为不对硬件组态进行任 何改变，所以系统具有易维护、易应用的操作环境。鉴 于未来无线通信系统的体制繁多，为使智能天线能配合系统进行平滑的技术演 进，进而能更弹性地运用于多模系统中，软 件无线电将是未来智能天线研制的 重要系统架构。软件无线电系统由不同的硬件模块所构成，其中包括可组态 通 信系统模块、基频处理单元（含DSP及FPGA模块）、数字宽频收发单元（含 模拟/数字转换器

11、（ADC）数字/模拟转换器、（DAC）、）实时操作系统 及智能天线单元等。运用软件无线电系统架构发展 智能天线的最大挑战在于各 种算法的建立。技术应用（在3G中的应用）在WCDMA和CDMA2000中 的应用。第3代系统被设计为一个可以提供相当高速的数据业务的系统。但是, 它们还会像第2代系统那样受到空中信道质量的限制。标准化组织已经认识到 智能天线在改善这个矛盾方面所起的作用,并且在3G标准中制订了相关的 条款。如WCDMA和CDMA2000都允许在上行和下行链路为每个移动用户分 配专门的导频信道,但是将要求使用智能天线系 统。 对于 WCDMA和 CDMA2000系统而言，智能天线虽然是推

12、荐配置，但是当今的一些WCDMA和 CDMA2000的基站产品已经开始支 持智能天线了。在TD- SCDMA系统中的应 用。TDSCDMA（时分同步的码分多址）智能天线的高效率是基于上行链路和下行 链路的无线路径的对称性（无线环境和传输条件相同）而获得的。此外，智能天 线可减少小区间干扰，也可减少小区内干扰。智能天线的这些特性可显著提高移 动通信系统的频谱效率。TD- SCDMA系统的智能天线是由8个天线单元的同 心阵列组成的，直径为25cm。同全方向天线 相比，它可获得较高的增益。其 原理是使一组天线和对应的收发信机按照一定的方式排列和激励，利用波的十 涉原理可以产生强 方向性的辐射方向图，使用DSP（数字信号处理器）使主瓣 自适应地指向移动台方向，就可达到提高信号的载干比，降低发射功率等目的。 智能天线的上述性能允许更为密集的频率复用，使频谱效率得以显著地提高。 由于每个用户在小区内的位置都是不同的。这一方面要求天 线具有多向性，另 一方面则要求在每一独立的方向上，系统都可以跟踪个别的用户。通过DSP控 制用户的方向测量使上述要求可 以实现。每用户的跟踪通过到达角进行测量。 在TD