基于MATLAB的智能天线和仿真

.../摘要随着移动通信技术的发展,与日俱增的移动用户数量和日趋丰富的移动增值服务,使无线通信的业务量迅速增加,无限电波有限的带宽远远满足不了通信业务需求的增长。另一方面,由于移动通信系统中的同频干扰和多址干扰的影响严重,更影响了无线电波带宽的利用率。并且无线环境的多变性和复杂性,使信号在无线传输过程中产生多径衰落和损耗。这些因素严重地限制了移动通信系统的容量和性能。因此为了适应通信技术的发展,迫切需要新技术的出现来解决这些问题。这样智能天线技术就应运而生。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服务质量。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。论文的研究工作是在MATLAB软件平台上实现的。首先介绍了智能天线技术的背景；其次介绍了智能天线的原理和相关概念,并对智能天线实现中的若干问题,包括:实现方式、性能度量准则、智能自适应算法等进行了分析和总结。着重探讨了基于MATLAB的智能天线的波达方向以及波束形成,阐述了music和capon两种求来波方向估计的方法,并对这两种算法进行了计算机仿真和算法性能分析;关键字:智能天线；移动通信；自适应算法；来波方向；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目录第一章绪论61.1课题背景61.2主要概念71.3国内外研究现状81.3.1国外研究现状81.3.2国内研究现状101.4本文研究的意义101.5本论文研究的主要内容及章节安排11第二章智能天线112.1概述112.2移动通信环境与智能天线的信号模型122.2.1移动通信环境122.2.2移动通信中的空间信道模型132.3智能天线的基本原理及结构142.3.1智能天线的基本原理142.3.2智能天线系统的基本结构162.4智能天线的主要功能及应用18第三章基于MATLAB的波达方向研究以及波束形成193.1MATLAB概述193.1.1MATLAB语言简介193.1.2MATLAB语言特点203.2天线阵的波达方向估计的MATLAB仿真223.2.1原理22波达方向估计的方法233.3天线阵波束形成的MATLAB仿真27第四章总结30参考文献32致谢33第一章绪论1.1课题背景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服务质量。而与此要求相对,目前移动通信中主要存在两大问题：第一,随着移动用户的增多,频谱资源日益匾乏；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发展的主要矛盾,也是推动移动通信技术发展的原动力。必须采取有效方法对系统进行扩容并提高服务质量。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。这些解决方法在发挥各自功效的同时,有着共同的不足,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表明: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,本建议将采用智能天线技术:在国际电联20XX3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20XX8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。1.2主要概念智能天线又称为自适应天线阵列,英文名为SmartAntenna或IntelligentAntenna。智能大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,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则是近十儿年的事情。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,达到充分分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、个人通信和第三代宽带CDMA等系统容量的最佳选择,它超越了任何由信道复用和各种调制技术所达到的水平。CDMA<CodeDivisionMultipleAccess>是码分多址的英文缩写,它是在数字技术的分支—扩频通信技术上发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。SDMA<SpaceDivisionMultipleAccess>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<ISIInter-SymbolInterference>是数字通信系统中除噪声干扰之外最主要的干扰,它与高斯分布的加性噪声干扰不同,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避免地带来一定的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<CCICommonChannelInterference>,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<MAIMultipleAccessInterference>,是在码分多址蜂窝移动通信中出现的一种干扰。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。1.3国内外研究现状1.3.1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发展。目前正处于确立第三代移动通信技术标准之时,国外如欧美等发达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在计划中实施了智能天线技术第一阶段研究,称之为TSUNAMI<TheTechnologyinSmartantennasforUniversalAdvancedMobileInfrastructure>,德国、英国、丹麦和西班牙合作完成。该项目组在DECT基站基础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1.89GHz,阵元间距可调,阵元分布分别有直线形、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技术有限公司的专用集成电路芯片DBF1108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,试验系统比特差错率<BER>优于。现场测试结果表明,圆形和平面形天线适用于室内通信环境,而市区环境则采用简单的直线阵更合适。日本ATR光电通信研究所研制了基于波束空间处理方式的多波束智能天线。天线阵元布局为间距半波长的16阵元平面方阵,工作频率为1.545GHz.阵元接收信号先经过模数变换,然后进行快速傅里叶变换处理,形成正交波束后,分别采用恒模算法或最大比值合并<MRC>算法。数字信号处理部分由10片现场可编程门阵列完成,整块电路板大小为23.3*34.0<CM>。野外移动试验确认了采用恒模算法的多波束智能天线的功能。根据用户所处环境不同,影响系统性能的主要因素<如噪声、同信道干扰或符号间干扰也不同,利用软件方法在不同环境应用不同算法。比如当噪声是主要因素时使用多波束最大比值合并算法;当同信道干扰是主要因素时则使用多波束恒模算法:而要抵消符号间干扰时采用最小均方算法和最大似然连续估计算法<MLSE>,以此提供算法分集。3.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<ArrayComm>,它是一家拥有成熟的自适应智能天线技术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,从而获得最佳的语音质量。IntelliCell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_L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7.5万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<WirelessBandwidth>服务。这一技术支持第三代移动通<3G>各种空中接口标准<IMT2000WCDMA,CDMA2000,TD-SCDMA>,在容量、数据传输速率、覆盖范围及服务质量上都比传统移动通信系统具有明显的优势。据称,IntelliCell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成本和营运成本。另外,XX大学奥斯丁SDMA小组建立了一套智能天线试验环境,并着手理论研究以及与实际系统相结合的研究。4.加拿大加拿大McMaster大学开发了四元I-4列天线,并进行了恒模<CMAConstantModuleAlgorithm>算法的研究。1.3.2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<WLI>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1785-1805MHz,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、移动速率有一定的要求。在国内一些大学和研究结构,如清华大学、XX交大、中国科技大学、XX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关单位进行理论与技术平台的研究。1.4本文研究的意义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能中表现出的强大优势。2.研究了智能天线基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则和自适应波束形成的算法.智能天线应用于3G系统时,同时也带来了相应的新问题,如：智能天线的校准、智能天线和其它抗干扰技术的结合、波束赋形的速度问题、设备复杂性的考虑、帧结构及有关物理技术等。波束形成是智能天线的关键技术之一,本论文主要研究智能天线的波束形成技术。1.5本论文研究的主要内容及章节安排本论文主要研究智能天线波束形成技术,包括基本思想、技术原理,研究智能天线波束形成的MATLAB仿真技术,包括天线阵波达方向估计MATLAB仿真,以及天线阵波束形成的MATLAB仿真。本论文的章节安排如下：智能天线的研究现状以及本课题研究的意义；智能天线的原理以及结构和功能；利用MATLAB仿真工具,重点对天线阵波达方向估计以及天线阵的波束形成进行仿真。第二章智能天线2.1概述应用于具有复杂电磁波传播环境的移动通信系统中的智能天线是一种具有上行接收和下行发射双向功能的天线系统,它能够有效提高天线系统的可靠性与灵活性,增加通信系统容量和改善通信质量。本章将对这一技术展开研究,前半部分介绍智能天线系统原理及应用,内容包括智能天线的应用环境、信道模型、工作原理、结构、应用;后半部分主要探讨智能天线技术实现中的若干问题,内容包括智能天线的实现方式、性能度量准则等。2.2移动通信环境与智能天线的信号模型移动通信系统都有着复杂的电磁波传播环境,从某种意义上说,智能天线的工作原理可以理解为根据用户信号的不同空间传播方向调节用户信道参数,从而减少干扰对系统的影响。因此,了解移动通信的环境以及复杂移动通信环境所引起的干扰,建立可以有效而精确地预测无线系统的信道模型,对于智能天线技术的研究和实现有着十分重要的意义。2.2.1移动通信环境随着无线电技术的发展和广泛应用,空间传输的电磁波变得越来越复杂。应用智能天线技术就是为了有效消除电波传输的不利影响。影响移动通信中信号传输的主要因素有:通信信道的特点、电磁波传播方式、传输损耗及传输效应,下面分别予以介绍。1.移动通信信道的主要特点1>传播的开放性,即一切无线信道都是基于电磁波在空间传播来实现信息传输的。2>接收地理环境的复杂性与多样性,有城市中心繁华区近郊小城镇农村及远郊区。3>通信用户的随机移动性,有慢速步行的通信和高速车载不间断的通信。电磁波是无线信号传输的介质,移动通信下的电磁波传播方式有:1>直射波:它是指视距覆盖区无遮挡的传播,直射波信号最强。2>多径反射波：指不同建筑物或其它物反射后到达接收点的传播信号。3>绕射波：从较大的山丘或建筑物绕射后到达接收点的传播信号,其强度与放射波相当。4>散射波：由于空气中离子受激后二次反射后引起的漫反射后到达接收点的传播信号,其信号强度最弱。电磁波在传输过程中是有损的,移动通信电磁波传输可能会有下面三种不同的损耗:1>路径传播损耗：又称为衰耗,它是指电波在空间传播所产生的损耗,它反映了传播在宏观大范围的空间距离上的接收信号电平平均值的变化趋势。2>慢衰落损耗：它是由于电磁波在传播路径上受到建筑物及山丘等的阻挡所产生的阴影效应而产生的损耗。它反应了中等范围内数百波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗,一般遵从对数正态分布,其变化率较慢故又称为慢衰落。3>快衰落损耗：它主要是由于多径传播而产生的衰落,它反应微观小范围内数十波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗,一般遵从瑞利分布或莱斯分布,其变化率比慢衰落快,故称为快衰落。电磁波在传输过程中有不同的传播路径,且存在传输损耗;另一方面移动通信用户分布较为分散,用户与移动台的相对位置是变化的。因此,在移动通信中存在三种不同效应:1>阴影效应：由于大型建筑物和其他物体的阻挡而形成在传播接收区域上的半盲区。2>远近效应：由于接收用户的随机移动性,移动用户与基站间的距离也是随机地变化,若各移动用户发射功率一样,那么到达基站的信号强弱不同,离基站近信号强,离基站远信号弱。通信系统的非线性则进一步加重,出现前者更前,弱者更弱和以强压弱的现象,通常称这类现象为远近效应。3>多普勒效应：它是由于接收的移动用户高速运动而引起传播频率的扩散而引起的,其扩散程度与用户运动的速度成正比。智能天线技术正是应用在这样一个复杂的环境中,在智能天线的算法设计和系统实现中我们必须充分考虑上面这些因素的影响。2.2.2移动通信中的空间信道模型移动通信的电磁波传播环境复杂,那么究竟信号传输会经历那些过程,受到那些因素的影响呢?下面我们将研究移动通信中的空间信道模型。无线移动通信的空间信道,指将信号分配单元输出端到信号组合单元输入端之间的部分合并,简称信道。智能天线技术直接建立在信道参量的基础上,无线移动信道的建模与估计是智能天线技术的基础,无论是算法描述还是算法的性能分析以及仿真都必须依赖这一基石。而且,根据无线传播理论和对各种通信环境的实际测量建立合理的无线移动信道模型,可以降低智能天线自适应算法的对实时测量的要求。经典的模型仅考虑接收信号的功率水平分布和多普勒频移,而现代空间信道模型建立在衰落和多普勒扩展的基础上,结合了时延扩展、到达方向和自适应天线阵的几何特性。2.3智能天线的基本原理及结构2.3.1智能天线的基本原理简单说,智能天线的基本原理就是根据一定的接收准则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,说明智能天线的基本原理。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各天线所走路线的长度差来决定。若入射信号为平面波<只有一个入射方向>,则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图说明:yWmW1W0平面波前WmW1W0αXXWn………Wn阵元0阵元1阵元m阵元n求和求和接受器接受器图2-1智能天线基本原理图对于N元天线阵列,设信号自α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,则第i个天线单元的相位延迟为Φ=β<i-1>dcos<α>,其中β=2π/λ为电磁波波长。智能天线的目的就是确定最佳权值矢量W,己达到提取有用信号,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<omni->天线<理想时为一直线>,而更接近定向<directional>天线的方向图,即有主瓣<mainlobe>.副瓣<sidelobe>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<无线术语,天线的一项重要指标,是最强大力向的增益与各力向平均增益之比>。它和固定天线的最大区别是：不同的权值对应着不同的力向图,可以通过改变权值来调节天线方向图,即天线模式<antennaPattern>。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,如下图所示:图2-2理想智能天线工作的方向图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值的来抑制干扰、提高信噪比,进而提高移动通信系统性能。2.3.2智能天线系统的基本结构通常智能天线系统由3部分组成: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部分,其基本结构如图2-3所示。天线阵列部分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、不规则阵和随机阵。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。因为直线阵己被证明更适合于市区移动通信环境,本文的讨论都是以直线阵为例。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；但另一方面阵元数的增加会使射频通道相应增加,会导致基站成本上升过大,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>。图2-3典型的智能天线系统结构示意图波束成型网络部分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UAC,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部分得到的权值调节天线输出来实现的。控制部分<即算法部分>是智能天线系统的核心部分,其功能是依据信号环境、按某种性能度量准则和自适应算法,选择或计算权值。智能天线系统是由上面三部分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,从而达到加强有用信号,拟制干扰信号的目的。智能天线系统的基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,力争最佳地恢复用户的信号。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号。5、在上述处理的基础上,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基本结构、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,并且每一部分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智能天线的主要功能及应用上一节介绍了智能天线的原理,移动通信中引入智能天线技术究竟能实现那些功能,它又有那些优势；移动通信系统依据多址方式和实现方法的不同可以分为不同的类别,智能天线在不同的移动通信系统中的应用情况又是怎么样呢?这一节里主要介绍这两个方面的内容。智能天线的功能以及在移动通信中应用的强大优势主要表现在以下几个面:1.抗衰落在陆地移动通信中,电波传播路径由反射、折射及散射的多径波组成,随着移动台移动及环境变化,信号瞬时值及延迟失真的变化非常迅速,且不规则,造成信号衰落。采用全向天线接收所有方向的信号,或采用定向天线接收某个固定方向的信号,都会因衰落使信号失真较大。如果采用智能天线控制接收方向,天线自适应地构成波束的方向性,使得延迟波方向的增益最小,从而可以大大减小信号衰落的影响。智能天线还可用于分集,减少衰落。电波通过不同路径到达接收天线,其方向角各不相同,利用多副指向不同的自适应接收天线,将这些分量隔离开,然后再合成处理,即可实现角度分集。2.抗干扰用高增益、窄波束智能天线阵代替现有FDMA和TDMA基站的天线。与传统天线相比,用12个波束天线阵列组成。全覆盖天线的同频干扰要小得多。将智能天线用于CDMA基站,可减少移动台对基站的干扰,改善系统性能。抗干扰应用的实质是空间域滤波。智能天线波束具有方向性,可区别不同入射角的无线电波,可调整控制天线阵单元的激励"权值",其调整方式与具有时域滤波特性的自适应均衡器类似,可以自适应电波传播环境的变化,优化天线阵列方向图,将其"零点"自动对准干扰方向,大大提高阵列的输出信噪比,提高系统可靠性。3.增加系统容量为了满足移动通信业务的巨大需求,应尽量扩大现有基站容量和覆盖范围。要尽量减少新建网络所需的基站数量,必须通过各种方式提高频谱利用效率。方法之一是采用智能天线技术,用多波束天线代替普通天线。由于天线波束变窄,提高了天线增益及C/I指标,减少了移动通信系统的同频干扰,降低了频率复用系数,提高了频谱利用效率。使用智能天线后,无须增加新的基站就可改善系统覆盖质量,扩大系统容量,增强现有移动通信网络基础设施的性能。未来的智能天线应能允许任一无线信道与任一波束配对,这样就可按需分配信道,保证呼叫阻塞严重的地区获得较多信道资源,等效于增加了此类地区的无线网容量。采用智能天线是解决稠密市区容量难题既经济又高效的方案,可在不影响通话质量的情况下,将基站配置成全向连接,大幅度提高基站容量。4.实现移动台定位目前蜂窝移动通信系统只能确定移动台所处的小区,如果增加定位业务,则可随时确定持机者所处位置,不但给用户和网络管理者提供很大方便,还可开发出更多的新业务。在陆地移动通信中,如果基站采用智能天线阵,一旦收到信号,即对每个天线元所连接收机产生的响应作相应处理,获得该信号的空间特征矢量及矩阵,由此获得信号的功率估值和到达方向,即用户终端的方位。通过此方法,用两个基站就可将用户终端定位到一个较小区域。智能天线技术己经成为移动通信技术中一个最活跃的研究领域,它对移动通信系统所带来的优势是目前任何技术所难以替代的。第三章基于MATLAB的波达方向研究以及波束形成3.1MATLAB概述3.1.1MATLAB语言简介MATLAB是一种交互式的、以矩阵为基础的软件开发环境,它用于科学和工程的计算与可视化。MATLAB的编程功能简单,并且很容易扩展和创造新的命令与函数。应用MATLAB可方便地解决复杂数值计算问题。MATLAB具有强大的Simulink动态仿真环境,可以实现可视化建模和多工作环境间文件互用和数据交换。Simulink支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统,也支持多种采样速率的多速率系统；Simulink为用户提供了用方框图进行建模的图形接口,它与传统的仿真软件包用差分方程和微分方程建模相比,更直观、方便和灵活。用户可以在MATLAB和Simulink两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改。<用于实现通信仿真的通信工具包CommunicationToolbox,>也叫Commlib,通信工具箱是MATLAB语言中的一个科学性工具包,提供通信领域中计算、研究模拟发展、系统设计和分析的功能,可以在MATLAB环境下独立使用,也可以配合Simulink使用效果更好。3.1.2MATLAB语言特点MATLAB是MathWorks公司开发的一种跨平台的,用于矩阵数值计算的简单高效的数学语言,与其它计算机高级语言如C,C++,FortrarhBasic,Pascal等相比,MATLAB语言编程要简洁得多,编程语句更力日接近数学描述,可读性好,其强大的图形功能和可视化数据处理能力也是其它高级语言望尘莫及的。对于具有任何一门高级语言基础的读者来说,学习MATLAB十分容易。但是,要用好MATLAB却不是在短时间就可以达到的。这并不是因为MATLAB语言复杂难懂,而是实际问题的求解往往更多的是需要使用者具备数学知识和专业知识。MATLAB使得人们摆脱了常规计算机编程的繁琐,让人们能够将大部分精力投入到研究问题的数学建模上,可以说,应用MATLAB这一数学计算和系统仿真的强大工具,可以使科学研究的效率得以成百倍的提高。目前,MATLAB已经广泛用于理工科大学从高等数学到几乎各门专业课程之中,成为这些课程进行虚拟实验的有效工具。在科研部门,MATLAB更是极为广泛地得到应用,成为全球科学家和工程师进行学术交流首选的共同语言。在国内外许多著名学术期刊上登载的论文,大部分的数值结果和图形都是借助MATLAB来完成的。与其它高级语言相比较,MATLAB具有独特的优势:<1>MATLAB是一种跨平台的数学语言。采用MATLAB编写的程序可以在目前所有的操作系统上运行<只要这些系统上安装了MATLAB平台>。MATLAB程序不依赖于计算机类型和操作系统类型。<2>MATLAB是一种超高级语言。MATLAB平台本身是用C语言写成的,其中汇集了当前最新的数学算法库,是许多专业数学家和工程学者多年的劳动结晶。使用MATLAB意味着站在巨人的肩膀上观察和处理问题,所以在编程效率,程序的可读性、可靠性和可移植性上远远超过了常规的高级语言。这使得MATLAB成为了进行科学研究和数值计算的首选语言。<3>MATLAB语法简单,编程风格接近数学语言描述,是数学算法开发和验证的最佳工具。MATLAB以复数矩阵运算为基础,其基本编程单位是矩阵,使得编程简单,而功能极为强大。对于常规语言中必须使用许多语句才能实现的功能,如矩阵分解、矩阵求逆、积分、快速傅立叶变换,甚至串口操作、声音的输入输出等,在MATLAB中均用一两句指令即可实现。而且,MATLAB中的数值算法是经过千锤百炼的,比用户自己编程实现的算法的可信度和可靠性都大为提高。<4>MATLAB计算精度很高。MATLAB中数据是以双精度存储的,一个实数采用8字节存储,而一个复数则采用16字节存储。通常矩阵运算精度高达10的15次方以上,完全能够满足一般工程和科学计算的需要。与其它语言相比,MATLAB对计算机内存、硬盘空间的要求也是比较高的。<5>MATLAB具有强大的绘图功能。利用MATLAB的绘图功能,可以轻易地获得高质量的<印刷级>曲线图。具有多种形式来表达二维、三维图形,并具有强大的动画功能,可以非常直观地表现抽象的数值结果。这也是MATLAB广为流行的重要原因之一。<6>MATLAB具有串口操作主声音输入输出等硬件操控能力。随着版本的提高,这种能力还会不断加强,使得人们利用计算机和实际硬件相连接的半实物仿真的梦想得以轻易实现。<7>MATLAB程序可以直接映射为DSP芯片可接受的代码,大大提高了现代电子通信设备的研发效率。<8>MATLAB的程序执行效率比其它语言低。MATLAB程序通常是解释执行的,在执行效率和速度上低丁共它高级语言,当然如果对执行效率有特别要求,可以采用C语言编制算法,然后通过MATLAB接口在MATLAB中执行。事实上,MATLAB自带的许多内部函数均是用C语言编写并编译的,因此利用MATLAB内部函数的程序部分运行速度并不比其它语言中相应函数低。3.2天线阵的波达方向估计的MATLAB仿真阵列天线信号处理作为信号处理的一个重要分支,在通信、雷达、地震勘探、射电天文等领域获得了广泛应用和迅速发展。它包括：·信源定位——确定阵列到信源的仰角和方位角,甚至距离。·信源分离——确定各个信源发射的信号波形。各个信源从不同方向到达阵列,即使它们在时域和频域上是叠加的。·信道估计——确定信源与阵列之间的传输信道的参数。阵列信号处理是改善蜂窝和个人通信服务系统质量、覆盖范围和容量的一种强有力的工具。建立在波达方向估计、波束形成基础上的智能天线的应用,抑制了干扰信号。改善了欲接收信号的信噪比,降低了数字通信的误码率。将接受天线阵列用于公众网的反向连接时,多个接受天线能够收集更多的信号能量,若天线在空间足够分离或极化各异,则多个天线能够提供很好的分集接收,并抑制多径传输引起的衰落。这些好处可以扩大基站的覆盖范围,改善通信质量。3.2.1原理全向天线不仅利用率不高,而且对各种信号不加区别地接收,降低了通信质量。定点元线通信采用定向天线,大幅度地改善了通信质量。面对众多移动用户的公众通信网基站和专用移动通信网,采用天线指向即波束可变的天线<智能天线>,可以使移动通信的通信质量得到很大的改善。为使天线的波束指向可控,甚至形状可控,采用阵列天线是合适的。在距离通信源足够远的空间里,可以将到达的电磁波视为平面波。对于等距离直线阵天线,由于调制在载波上的基带信号码元宽度与波速的乘积远大于天线阵列的尺寸,因此多个天线阵元上的信号的幅度可视为不变,而它们的载波的相位差则取决于其相互位置、尺寸、波长和到达方向。图3-1所示是智能天线的原理框图。天线接收的元线电信号中有许多成分,其中有我们关心的S信号。天线阵列各个阵元接收的电磁波信号因为阵元排列位置的不同带来相位差。经过特定参数的加权控制器四处理后,进一步改变了各个阵元输出信号的相位和幅度。处理的目标是使得阵元输出的信号和Y中的S成分具有最大输出。用S信号作为基准信号,反馈控制单元的功能就是将输出信号Y与基准信号S的差值<即误差信号ε>,作为调节控制加权控制器ω参数的依据。反馈控制的结果是使ε减小,Y中的S成分加大,也就是说,天线阵列接收方向图指向了S信号方向。图3-2所示是均匀直线阵三维图智能天线的原理框图。图3—1智能天线原理图图3—2均匀直线阵三维图3.2.2波达方向估计的方法1.Capon法Capon法亦称最小方差元畸变响应MVDR<MinimumVarianceDistortiOE-LessReSPOIlse>。天线阵列中的阵元数决定了阵列方向图设计中的自由度数。Capon法将阵列中可控的自由度用来形成期望的波束形状,达到对有用信号进行提升和对无用信号进行抑制的目的,并将其优化问题表达为〔3—1其约束条件为。可以证明上式的解为即可以得到相应的功率为〔3—22.MUSIC法MUSIC法亦称多重信号分类<MultipleSignalClassification>。当入射信号数N小于阵元数M时,矩阵有与进入阵列的信号数目相等的非零特征值及M—N个为零的特征值。=[…]〔是相应的噪声特征矢量因为A与的正交性,分母很小,峰值很大,这样可以得出MUSIC法的空间谱为〔3—3以下是对七单元线形天线阵在四信号输入情况下的编程仿真。设信号1从/4方向入射,信号2从/3方向入射,信号3从/6方向入射,信号4从3/4方向入射。下面是用两种方法求波达方向估计的应用程序。程序3—1%七单元线形天线阵的波达方向估计d=1;%天线阵元的间距lma=2;%信号中心波长q1=1pi/4;q2=pi/3;q3=pi/6;q4=3pi/4;%四个输入信号的方向A1=[exp<-2pijd[0.6]cos<q1>/lma>]’;%求阵因子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矩阵n=1:1900;v1=.015;%四信号的频率v2=.05;v3=.02;v4=.035;d=[1.3cos<v1n>;1sin<v2n>;1sin<v3n>;1sin<v4n>];%输入信号矢量U=Ad;%总的输入信号U1=<U>’;c=cov<UU1>;%总输入信号的协方差矩阵[s,h]=eig<c>;%求协方差矩阵的特征矢量Vn=s<:,[5:7]>;%取出与零特征值对应的特征矢量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>>;%应用MUSIC法估计输出Pcap<n>=inv<<Ala>’ci<Ala>>;%应用Capon法估计输出T<n>=qla<n>;P1=abs<Pmusic>;P2=abs<Pcap>;endfigure<1>%绘出应用MUSIC法估计的波达方向图polar<T,P1>figure<2>%绘出应用MUSIC法估计的波达方向图T1=T180/pi;Semilogy<T1,P1>;gridfigure<3>%绘出应用Capon法估计的波达方向图polar<T,P2>figure<4>%绘出应用Capon法估计的波达方向图T1=T180/pi;semilogy<T1,P2>;grid图3-3～3-6所示是程序运行后显示的结果。图3-3Capon法作出的波达方向估计〔极坐标图3-4Capon法作出的波达方向估计〔直角坐标图3-5MUSIC法作出的波达方向估计〔极坐标图3-6MUSIC法作出的波达方向估计〔直角坐标以上四图的分析中可以得到如下结论：两种方法估计都比较准确。MUSIC法的方向图线的幅度更大。3.3天线阵波束形成的MATLAB仿真本论文以等距离圆阵为例来讨论天线阵的波束形成。图3-7所示是等距离圆线阵的三维图。图3-7等距离圆线阵的三维图我们把天线阵元顺序定为从OB起顺时针排列为0到M-1。若有一平面波以角入射到阵列上,第K号阵元上产生的信号为,它与到达阵元中心的波前的相位差是；与r分别是入射波的波长和阵列圆的半径,亦称阵因子。为了使天线阵的输出满足需要,在每个阵元加上加权因子控制。这样第K号阵元上输出的信号为。若到达天线阵的信号是第N个,天线阵的输出是N个信号在M个阵元上的输出的叠加。用解析式表达如下：〔3—4〔3—5〔3—6式中,是K阵元以OB为基准顺时针画出的角度。〔3—7〔3—8〔3—9为了求得多个信号到达的方向〔波达方向,可以采用上述的Capon、MUSIC两种方法。波束形成可以采用下面的方法：当有多〔N个信号输入时,其中有1个信号是我们关心的,N-1是需要抑制的。方程组〔3—10描述了上述需求的约束条件〔四个信号输入中,第一个信号是我们关心的,其余的信号是需要抑制的。〔3—10根据信号波达方向的知识及约束条件求解方程组〔3—10,可以得到〔3—11代入式〔3—9可以得到阵列输出的方