智能天線技術(shù)及其應用

在無線電通信領(lǐng)域，智能天線有誘人的前景。智能天線的優(yōu)越性在于自身可以分析到達無線陣列的信號，靈活、優(yōu)化地使用波束，減少干擾和被干擾的機會，提高頻率的利用率，改善系統(tǒng)性能。這就是自適應天線陣列的智能化，它體現(xiàn)了自適應、自優(yōu)化和自選擇的概念，對當前移動通信系統(tǒng)的完善起到重大的推動作用。智能天線雖然從理論上講可以達到最優(yōu)，但要實現(xiàn)理想的智能天線，還有許多問題需要研究解決。智能天線研究值得關(guān)注的有以下內(nèi)容：智能天線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，用于移動臺的智能天線技術(shù)，智能天線在實現(xiàn)中的硬件技術(shù)，智能天線的測試平臺及軟件無線電技術(shù)研究等方面。

最初的智能天線技術(shù)主要用于雷達、聲吶、軍事抗干擾通信，用來完成空間濾波和定位等。近年來，隨著移動通信的發(fā)展及對移動通信電波傳播、組網(wǎng)技術(shù)、天線理論等方面的研究逐漸深入，現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)發(fā)展迅速，數(shù)字信號處理芯片處理能力不斷提高，利用數(shù)字技術(shù)在基帶形成天線波束成為可能，提高了天線系統(tǒng)的可靠性與靈活程度。智能天線技術(shù)因此用于具有復雜電波傳播環(huán)境的移動通信。此外，隨著移動通信用戶數(shù)的迅速增長和人們對通話質(zhì)量要求的不斷提高，要求移動通信網(wǎng)在大容量下仍具有較高的話音質(zhì)量。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，智能天線可將無線電的信號導向具體的方向，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對準用戶信號到達方向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用戶信號并刪除或抑制干擾信號的目的。同時，利用各個移動用戶間信號空間特征的差異，通過陣列天線技術(shù)在同一信道上接收和發(fā)射多個移動用戶信號而不發(fā)生相互干擾，使無線電頻譜的利用和信號的傳輸更為有效。在不增加系統(tǒng)復雜度的情況下，使用智能天線可滿足服務質(zhì)量和網(wǎng)絡擴容的需要。實際上它使通信資源不再局限于時間域（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。

智能天線技術(shù)

智能天線技術(shù)有兩個主要分支。波束轉(zhuǎn)換技術(shù)（switched beam technology）和自適應空間數(shù)字處理技術(shù)（adaptive spatial digital processing technology），或簡稱波束轉(zhuǎn)換天線和自適應天線陣。天線以多個高增益的動態(tài)窄波束分別跟蹤多個期望信號，來自窄波束以外的信號被抑制，但智能天線的波束跟蹤并不意味著一定要將高增益的窄波束指向期望用戶的物理方向，事實上，在隨機多徑信道上，移動用戶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，用戶的物理方向并不一定是理想的波束方向。智能天線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(zhuǎn)換天線

波束轉(zhuǎn)換天線包括有限數(shù)目的、固定的、預定義的方向圖，通過陣列天線技術(shù)在同一信道中利用多個波束同時給多個用戶發(fā)送不同的信號，它從幾個預定義的、固定波束中選擇其一，檢測信號強度，當移動臺越過扇區(qū)時，從一個波束切換到另一個波束。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(zhuǎn)換天線共享同一信道的各移動用戶只接收到發(fā)給自己的信號而不發(fā)生串話，要求基站天線陣產(chǎn)生多個波束來分別照射不同的用戶，在每個波束中發(fā)送的信息不同而且要互不干擾。

每個波束的方向是固定的，并且其寬度隨著天線陣元數(shù)而變化。對于移動用戶，基站選擇不同的對應波束，使接收的信號強度最大，但用戶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，接收效果最差。因此，與自適應天線陣比較，波束轉(zhuǎn)換天線不能實現(xiàn)最佳的信號接收。由于扇形失真，波束轉(zhuǎn)換天線增益在方位角上不均勻分布。波束轉(zhuǎn)換天線有結(jié)構(gòu)簡單和不需要判斷用戶信號方向（DOA）的優(yōu)勢。主要用于模擬通信系統(tǒng)。

2.自適應天線陣

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

T0是相鄰的抽頭之間的延遲，Wn．m是n天線第m個抽頭因子。每個天線后接一個延時抽頭加權(quán)網(wǎng)，可自適應地調(diào)整加權(quán)系數(shù)。這樣一來就同時具有時域和空域處理能力。

自適應天線陣是一個由天線陣和實時自適應信號接收處理器所組成的一個閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，它用反饋控制方法自動調(diào)準天線陣的方向圖，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。

由自適應天線陣接收到的信號被加權(quán)及合并，取得最佳的信噪比系數(shù)。采用個陣元自適應天線，在理論上，自適應天線陣的價值是能產(chǎn)生（－1）倍天線放大，可帶來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，移動臺的發(fā)射功率可減小10lg。這不但表明可以延長移動臺電池壽命或可采用體積更小的電池，也意味著基站可以和信號微弱的用戶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，每個陣元通道的發(fā)射功率大大降低，進而可使用低功率器件。

采用自適應抽頭時延線天線陣對信號接收、均衡和測試很有幫助。對每個接收天線加上若干抽頭時延線，然后送入智能處理器，則可以對多徑信號進行最佳接收，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(tǒng)的誤碼率。

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

智能天線算法

智能天線系統(tǒng)的核心是智能算法，智能算法決定瞬時響應速率和電路實現(xiàn)的復雜程度，因此重要的是選擇較好算法實現(xiàn)波束的智能控制。通過算法自動調(diào)整加權(quán)值得到所需空間和頻率濾波器的作用。目前已提出很多著名算法，概括地講有非盲算法和盲算法兩大類。非盲算法是指需借助參考信號（導頻序列或?qū)ьl信道）的算法，此時，接收端知道發(fā)送的是什么，進行算法處理時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(quán)值，要么直接按一定的準則確定或逐漸調(diào)整權(quán)值，以使智能天線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行上述處理，但需注意的是應確保判決信號與實際傳送的信號間有較小差錯。