1、摘要智能天線是近年來移動通信領域中的研究熱點之一，應用智能天線技術可以很好地解決頻率資源匱乏問題，可以有效地提高移動通信系統容量和效勞質量。開展智能天線技術以及其中的一些關鍵技術研究對于智能天線在移動通信中的應用有著重要的理論和實際意義。但當天線接收信號存在主瓣干擾時，利用自適應波束形成技術抑制干擾會暴露出兩個缺陷：一是副瓣電平增高；二是主波束變形且峰值偏移。當存在主瓣干擾且有期望信號混入情況下，用常規自適應波束形成方法進行自適應干擾對消，不但會引起主瓣變形，而且期望信號也會被抑制，從而影響對消性能。本文提出一種新的阻塞矩陣方法，對接收數據進行預處理，消除它們對計算數據協方差陣的影響，再用其它

2、方法確定自適應權值。理論分析和計算機仿真說明，用阻塞矩陣方法可以獲得較大的性能提升。關鍵詞智能天線；主瓣干擾；自適應波束形成；陣列信號處理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 目錄摘要Abstract第1章 緒論1背景介紹1主要概念2智能天線技術的應用需求31.4國內外研究現狀41.4.1國外研究現狀41.4.2國內研究現狀51.5智能天線的開展前景61.6本章小結7第2章 智能天線8概述8智能天線的分類8智能

7、天線的根本原理與結構9智能天線的根本原理9智能天線系統的根本結構102.4 自適應波束形成算法12第3章 基于阻塞矩陣的主瓣干擾抑制算法14常規的自適應波束形成算法14基于等距線陣的統計模型153.3主瓣干擾對算法的影響163.4基于阻塞矩陣的主瓣干擾抑制173.4.1阻塞矩陣預處理173.4.2波束形成183.5仿真實驗及結果分析19結論22參考文獻23致謝25第一章 緒論背景介紹移動通信作為未來個人通信的主要手段，在全球通信業務中占據越來越重要的地位。隨著移動通信用戶數的迅速增長以及人們對通話質量要求的不斷提高，要求移動通信網在大容量下仍保持較高的效勞質量。而與此要求相對，目前移動通信中主

8、要存在兩大問題：第一，隨著移動用戶的增多，頻譜資源日益匱乏；第二，由于信道傳輸條件較惡劣，所需信號在到達天線接收端前會經歷衰減、衰落和時延擴展，另外還有來自其他用戶的干擾，極大地限制了系統通信質量的提高。這兩大問題是移動通信技術開展中的主要矛盾，也是推動移動通信技術開展的原動力。必須采取有效方法對系統進行擴容并提高效勞質量。為了解決系統容量問題，第二代數字蜂窩系統中主要采用時分多址TDMA和碼分多址CDMA兩種多址方式;為了提高系統通信質量，在第二代系統中廣泛采用了調制、信道編碼、均衡TDMA系統、RAKE接收CDMA系統等時、頻域信號處理技術以及分集天線、扇形天線等簡單空間處理技術。這些解決

9、方法在發揮各自成效的同時，有著共同的缺乏，即無法對空域資源進行有效利用。智能天線技術正是在這樣的背景下被引入到移動通信中來的。理論研究和實測數據均說明：有用信號、其延時樣本和干擾信號往往具有不同的到達角DOA和空間信號結構，利用這種空域信息我們可以獲得附加的信號處理自由度，從而能提高系統容量，并且能夠更有效地對抗衰落和抑制干擾。應用于無線通信系統基站的智能天線技術正是充分利用了信號的空域信息，它能有效地擴充系統的容量，大幅度提高系統的通信質量。智能天線技術己經被公認為第三代移動通信系統的一項關鍵技術，并越來越受到人們的關注。在提交國際電聯ITU所有的3GRTT標準中，幾乎都附有一條：如果有可能

10、，本建議將采用智能天線技術：在國際電聯2000年3月份的會議上，更是提出要重視在CDMA系統中使用智能天線技術，并在2000年8月份的會議上正式討論了在CDMA系統中使用智能天線的問題。可以預見，智能天線技術將在未來的移動通信體制中占據非常重要的地位。目前，對智能天線技術的研究尚未到達實用化階段，這主要是因為移動通信中電磁波傳播環境復雜且用戶是移動的，智能天線的自適應過程往往很難動態地捕獲并跟蹤用戶信號。1.2 主要概念智能天線又稱為自適應天線陣列，英文名為Smart Antenna或intelligent Antenna。智能天線技術的核心是陣列信號處理，早期應用集中于雷達和聲納信號處理領域

11、，七十年代后期被引入到軍事通信中，而應用于民用蜂窩移動通信那么是近十幾年的事情。一般而言，智能天線是專指用于移動通信中的自適應天線陣列這里的移動通信系統主要指數字蜂窩移動通信系統，它利用數字信號處理技術產生空間定向波束，使天線的主波束跟蹤所需用戶信號到達方向，旁瓣或零陷對準不希望的干擾信號到達方向，到達充分別離和有效利用用戶信號并刪除或抑制干擾信號的目的。在移動通信的基站中使用具有全向收發功能的智能天線，可以為每個用戶提供一個窄的定向波束，使信號在有限的方向區域內發送和接收，這樣就可以充分利用信號發射功率，降低信號全向發射帶來的電磁干擾與相互干擾。智能天線是提高無線電數據通信，包括蜂窩通信、個

12、人通信和第三代寬帶CDMA等系統容量的最正確選擇，它超越了任何由信道復用和各種調制技術所到達的水平。CDMACode Division Multiple Access是碼分多址的英文縮寫，它是在數字技術的分支擴頻通信技術上開展起來的一種嶄新而成熟的無線通信技術。CDMA技術的原理是基于擴頻技術，即將需傳送的具有一定信號帶寬信息數據，用一個帶寬遠大于信號帶寬的高速偽隨機碼進行調制，使原數據信號的帶寬被擴展，再經載波調制并發送出去。接收端使用完全相同的偽隨機碼，與接收的帶寬信號作相關處理，把寬帶信號換成原信息數據的窄帶信號即解擴，以實現信息通信。SDMASpace Division Multipl

13、e Access是空分多址的英文縮寫，移動通信中應用智能天線技術就產生了這種新的信道增容方式。它不同于傳統的頻分多址FDMA、時分多址TDMA或碼分多址CDMA，這種多址方式是利用用戶空間位置的不同來區分不同用戶，也就是說，在相同時隙、相同頻率或相同地址碼的情況下，仍然可以根據信號不同的空間傳播路徑而區分不同的信號。空分多址可以與其他多址方式完全兼容，從而可實現組合的多址方式，例如空分碼分多址SD-CDMA、空分時分多址SD-TDMA等，這樣可以成倍地增長系統容量。碼間干擾Inter-Symbol Interference，簡稱ISI是數字通信系統中除噪聲干擾之外最主要的千擾，它與高斯分布的加

14、性噪聲干擾不同，是一種乘性干擾。信道的衰減和時延失真等都可能引起ISI，實際上，只要傳輸信道的頻帶是有限的就不可防止地帶來一定的ISI。以一定速度傳送的波形受到非理想信道的影響表現為各碼元波形持續時間拖長，從而使相鄰碼元波形產生重疊，從而引起判決錯誤，當這種線性失真嚴重時，碼間干擾顯得尤為突出。同信道干擾Common Channel Interference，簡稱CCI，又叫同頻干擾，它是指使用相同頻率的信道之間的干擾。在蜂窩移動通信中，同信道干擾主要指使用相同頻率的小區間的干擾。多址干擾 Multiple Access Interference，簡稱MAI，是在碼分多址蜂窩移動通信中出現的一

15、種干擾。由于在同一個小區內同時通信的用戶是多個，多個用戶均占同一時隙、同一頻率，所不同的是選取的地址碼不一樣，而實際選用的地址碼間的互相關函數不可能全為零，這樣多個用戶同時通信時必然會產生多址干擾。天線增益，取定向天線主射方向上的某一點，在該點場強保持不變的情況下，此時用無方向性天線發射時天線所需的輸入功率與采用定向天線時所需的輸入功率之比稱為天線增益，常用“G表示，天線增益可以用來描述天線往某一方向發射的能力。天線方向圖是智能天線中一個重要概念，它是指以天線為中心，在相同的距離上，天線輻射或接收的電磁波強度隨方位角或仰角變化的分布圖，亦稱天線波瓣圖或輻射方向圖。在天線方向圖中，如果令空間方向

16、最大值等于1，就叫做歸一化方向圖。天線方向圖可以通過計算得出，也可以通過實際測量得出。利用微機可以得到方向圖的三維模型。為了方便，常采用通過天線最大輻射方向的兩個相互垂直的平面方向圖。平面方向圖多用直角坐標系或極坐標系表示。常用的平面方向圖有：1水平平面方向圖。它是當仰角和距離為常數時，場強或功率方位角變化的圖形。2鉛垂平面方向圖。它是當方位角和距離為常數時，場強或功率隨仰角變化的圖形。1.3智能天線技術的應用需求移動通信系統中引入智能天線技術后，可以為更多的用戶提供種類更多、性能更優的效勞。下面主要從兩個角度來闡述智能天線技術的應用需求。首先，從移動通信網絡運營商的角度來看：在網絡的建設初期

17、，增加新基站是一種有效的擴容手段，而對于一個成熟的網絡來說，它就顯得不夠經濟而且收效不大。在那些容量需求非常大的地方，傳統的小區分裂方法漸漸變得不可行，而在基站引入智能天線技術代替普通天線后，可以擴大系統覆蓋區域，提高小區內頻譜復用率，這樣就可以在不新建或盡量少建基站的根底上增加系統容量，即用較少的基站就可實現較大區域的覆蓋，從而降低了運營商的投資本錢和運營本錢；同時在基站引入智能天線技術可以有效地改善通信鏈路的性能，這使得運營商可以更輕松地提供各種新業務如各種數據業務；另外系統容量的增加使得在相同的處理增益下可以同時容納更多的激活用戶，這大大地提高了系統的效率。其次，從移動用戶的角度來看：由

18、于智能天線通過空域或空時域等聯合處理，可以提高信干噪比、減少時延擴展和減輕衰落，進而提高了鏈路的性能，這樣用戶可以得到更加完美的通話質量；智能天線采用窄波束跟蹤用戶，可以提高用戶方向的天線增益，這意味著移動臺可以以較低功率工作，這樣可以延長 電池的通話時間和待機時間，并且可以大大減輕電磁輻射，從而降低電磁輻射對人體的危害。總之，由于智能天線技術對移動通信系統所帶來的優勢是目前任何其它技術所難以替代的，所以無論是移動網絡運營商還是最終受益的移動用戶對它的需求都十分迫切。可以肯定，智能天線技術在移動通信的開展中將扮演越來越重要的角色。外研究現狀國外研究現狀移動通信在經歷了第一代模擬通信系統、第二代

19、蜂窩數字通信系統和窄帶CDMA系統，正向第三代移動通信系統開展。目前正處于確立第三代移動通信技術標準之時，國外如歐美等興旺國家非常重視智能天線技術在未來移動通信方案中的地位與作用，己經開展了大量的理論分析和研究，同時也建立了一些技術試驗平臺。1歐洲歐洲通信委員會CEC在RACEResearch into Advanced Communication in Europe方案中實施了智能天線技術第一階段研究，由德國、英國、丹麥和西班牙合作完成。該工程組在DECT基站根底上構造智能天線試驗模型，于1995年初開始現場試驗。天線由8個陣元組成，射頻工作頻率為GHz，陣元間距可調，陣元分布分別有直線形、

20、圓環形和平面形三種。模型用數字波束形成方法實現智能天線，采用ERA技術的專用集成電路芯片DBFI108完成波束形成，系統評估了識別信號到達方向的多用戶信號識別分類算法MUSIC，采用的自適應算法有歸一化最小均方算法NLMS和遞歸最小平方算法。實驗驗證了智能天線的功能，在2個用戶4個空間信道包括上行和下行鏈路情況下，試驗系統比特過失率BER優于。現場測試結果說明，圓形和平面形天線適用于室內通信環境，而市區環境那么采用簡單的直線陣更適宜。2美國美國對于智能天線技術的研究水平處于世界領先地位，并且許多電信設備生產商紛紛推出了自己的產品。最具代表性的是愛瑞通信公司，它是一家擁有成熟的自適應智能天線技術

21、的全球知名通信技術公司，在這一領域擁有多項專利技術，居世界領先水平。愛瑞通信公司擁有豐富的自適應智能天線的產品線，其中IntelliCell技術在通信系統中的應用能有效地改善信號質量和頻譜利用率，使系統容量和覆蓋范圍增大，提高數據傳輸速率，從而獲得最正確的語音質量。ItelliCell處理器通過自適應處理算法，形成可以加權參數，在幅度，相位和信號空間到達角等多個指標上進行每秒調整數百次的調整，從而完成上行處理和下行波束形成。該技術己經在全球超過萬個基站系統上得到應用，為450萬名無線用戶提供高質量的無線寬帶效勞。這一技術支持第三代移動通3G各種空中接口標準，在容量、數據傳輸速率、覆蓋范圍及效勞

22、質量上都比傳統移動通信系統具有明顯的優勢。據稱，IntrlliCell可以使運營商的基站數量減少50%，由此可以減少大量的設備本錢和營運本錢。3加拿大加拿大McMaster大學開發了四元陣列天線，并進行了恒模CMA Constant Module Algorithm算法的研究。國內研究現狀國內對于智能天線的研究起步較晚，但也取得了一些成績。如北京信威公司研制了應用于無線本地環路WLL的智能天線系統，信威公司的智能天線采用8陣元環形自適應陣列，工作于17851805MHz，采用時分雙工方式，收發間隔10ms，接收機靈敏度最大可提高9dB。但該系統只能工作于無線本地環路中，并對用戶位置、移動速率有

23、一定的要求。另外值得一提的是，1998年中國郵電電信科學技術研究院代表我國電信主管部門向國際電聯提交的TD-SCDMA建議和現在成為國際第三代移動通信標準之一的CDMA TDD技術低碼片速率選項，就是第一次提出以智能天線為核心技術的CDMA通信系統，在國內外獲得了廣泛的認可和支持，并以制定了相關標準。在國內一些大學和研究結構，如清華大學、西安交大、中國科技大學、西安電子科技大學、北方交通大學、北京郵電大學、電信科學技術研究院等相繼開展了智能天線的理論研究。一些大的電信設備生產企業如大唐電信、華為、中興科技等也投入了很多的人力物力進行研發；國家“八六三、國家自然科學基金、博士點基金等也相應支持有

24、關單位進行理論與技術平臺的研究。由于各方面的原因，目前我國對于智能天線技術仍然處于理論研究與技術跟蹤階段。3G普遍采用基于CDMA的多址接入技術，依靠碼字之間的正交性來區分不同的用戶，因此接收端各個信號之間的不完全同步、擾碼不完全正交、TDD系統中的時隙偏差等問題都可能在系統內用戶之間形成一定程度的干擾。同時，在理論分析的根底上，大量的仿真和現場試驗結果也證明了：在3G HYPERLINK :/ enet /enews/ t _blank 通信系統中，網內干擾將超過系統固有的熱噪聲，成為制約系統性能的主要因素。在干擾和容量這一對矛盾的根底上形成的容量與覆蓋、容量與性能、覆蓋與性能等互換性問題已

25、經得到共識，成為3G HYPERLINK :/ enet /networks/ t _blank 網絡規劃和運營的主要特點。在業務特性上，3G以高速的數據業務、視頻 和能力得到增強的增值業務作為其對2G系統形成效勞優勢的主要手段，這必然使得3G具有大得多的網絡流量。但是與2G系統一樣，它的容量同樣受到空中頻譜資源的限制。我們注意到，理論上在相同條件下，CDMA并不比FDMA或者是TDMA具有更大的頻譜利用率。因此，為了能夠真正表達3G系統在業務能力上的優勢，必須使用新技術使頻譜利用率得到質的提高，智能天線技術正是目前被認為是能夠實現這一目標的最有效的方法之一。它通過增加系統SDMA空分多址的能

26、力，能夠有效地緩解3G系統中容量與網內干擾之間的矛盾，很大程度地提高系統對空中無線頻譜資源的利用能力。 我國提出的TD-SCDMA標準，由于其空中接口采用TDD的雙工方式，通信的上下行信道使用相同的頻率，因此以很短的時隙間隔相互交錯的上下行信道之間具有較強的相關性，這樣比擬容易根據上行信道的接收情況對下行信道的發送特性進行準確的調整，因此TD-SCDMA成為3G標準中最方便于使用智能天線的一個技術，并且已經進行了標準化，將智能天線作為其主要的關鍵技術之一。另外，對于3G中使用FDD方式的WCDMA和CDMA2000，由于上下行信道使用不同的頻率，并且具有較大的頻差在我國的3G頻率劃分中，主要工

27、作頻段上下行的頻差為190MHz，因此上下行信道之間的相關性較弱，加上城區中復雜的無線傳播環境，所以想要利用上行信道的接收 HYPERLINK :/ enet /enews/ t _blank 信息得到下行鏈路理想的發送方案是比擬困難的，對算法的復雜度也有更高的要求。但是由于對系統性能改善方面的重要作用，所以關于FDD系統中智能天線的使用也在不斷研究和嘗試中。在英國進行的T HYPERLINK :/product.enet /price/plist70_1826.shtml t _blank SUNAMI 工程，在DCS1800系統的根底上，通過使用8副各 HYPERLINK :/produc

28、t.enet /price/plist100_85732.shtml t _blank 自由8個元素構成的天線陣列對智能天線在宏蜂窩和微蜂窩網絡中的性能情況進行了現場試驗，對各種自適應算法進行了比擬，并且發布了如下的一些試驗結果： 1在宏蜂窩的網絡結構中，當信號到達方向相差10度以上的時候，通過使用智能天線，系統獲得了到達30dB的載干比增益，覆蓋范圍增加了54%； 2在宏蜂窩的網絡結構中，通過使用8元素的智能天線，系統容量增加了300%； 3微蜂窩的網絡結構下智能天線的性能增益不如宏蜂窩的情況，但大局部自適應算法也能夠取得相當的性能增益。需要對微蜂窩的情況進行更深入的研究。 在此之后的SUN

29、BEAM工程把在DCS1800系統上的試驗結果進行了擴展，對智能天線在3G WCDMA中的應用進行了研究；與此同時，在美國、日本和韓國等地方也報告了關于智能天線性能的相關試驗和研究結果。1.6 本章小結由于智能天線有著非常誘人的應用前景，許多國家都投入了大量的人力物力對該技術進行研究，并取得了一些成就。概括地講，目前研究主要解決了以下兩方面的問題：1研究論證了智能天線在不同移動通信系統中應用的可行性和有效性，建立了一些技術試驗平臺，并且在一定的條件下從目前情況來看，智能天線正逐步應用在固定無線接入系統中，即用戶固定無線傳播環境不斷變化的情況實現了智能天線技術，驗證了智能天線在提高移動通信系統性

30、能中表現出的強大優勢。2研究了智能天線根本結構以及功能模塊，并提出了一些智能天線的性能度量準那么和自適應波束形成的算法。由于智能天線是移動通信中一項新技術，目前該技術尚處于開展的初級階段，還有很多問題仍未解決，其中智能天線的跟蹤速度問題顯得尤為突出。智能天線是依照一定的性能度量準那么，采用一定的自適應算法來調節陣元加權值，從而實現對用戶的捕獲和跟蹤，智能自適應算法是智能天線技術的核心和關鍵。目前各種自適應算法普遍存在計算量大、速度慢的問題，無法實時地捕獲和跟蹤移動用戶，這成為限制智能天線應用的主要問題。第二章 智能天線概述簡單的說，智能天線就是能夠利用多個天線陣元的組合進行信號處理，自動調整發

31、射和接收方向圖，以針對不同的信號環境到達性能最優的天線。就是天線方向圖的增益特性能夠根據信號情況實時進行自適應變化，即智能天線利用數字信號處理技術，產生空間定向波束，使天線主波束對準用戶信號到達方向，旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，到達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。智能天線的分類智能天線根據采用的天線方向圖的形狀，可分為兩類：多波束智能天線和自適應智能天線。 由于體積和技術等原因，這兩類智能天線目前都僅限于在基站系統中的應用。1. 多波束智能天線多波束智能天線主要采用的是波束轉換技術，因此，也稱為波束轉換天線。它是在把用戶區進行分區扇區的根底上，使天線的每個波束固定指向不

32、同的分區，使用多個并行波束就能覆蓋整個用戶區，從而形成了形狀根本不變的天線方向圖。當用戶在小區中移動時，根據測量各個波束的信號強度來跟蹤移動用戶，并能在移動用戶移動時適當地轉換波束，使接收信號最強，同時較好地抑制了干擾，提高了效勞質量。2. 自適應智能天線自適應智能天線是一種安裝在基站現場的雙向既可接收又可發送天線。它基于自適應天線原理，采用現代自適應空間數字處理技術，通過選擇適宜的自適應算法，利用天線陣的波束賦形技術動態地形成多個獨立的高增益窄波束，使天線主波束對準用戶信號到達方向，同時旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，以增強有用信號、減少甚至抵消干擾信號，提高接收信號的載干比，同時增加系統的

33、容量和頻譜效率。從空分多址技術角度來說，它是利用信號在傳輸方向上的差異，將同頻率或同時隙、同碼道的信號區分開來，從而最大限度地利用有限的信道資源，增加系統的容量和提高頻譜效率。從雙向天線的角度來講，智能天線包括兩個重要組成局部：一是對來自移動臺發射的多徑電波方向進行到達角估計，并進行空間濾波，抑制其他移動臺的干擾。二是對基站發送信號進行波束形成，使基站發送信號能夠沿著移動臺電波的到達方向發送回移動臺，從而降低發射功率，減少對其他移動臺的干擾。智能天線的根本原理與結構智能天線也叫自適應天線，由多個天線單元組成，每一個天線后接一個復數加權器，最后用相加器進行合并輸出。這種結構的智能天線只能完成空域

34、處理。同時具有空域、時域處理能力的智能天線在結構上相對較復雜，每個天線后接的是一個延時抽頭加權網絡結構上與時域有限沖擊響應均衡器相同。自適應或智能的主要含義是指這些加權系數可以根據一定的自適應算法進行自適應更新調整。智能天線的根本原理智能天線的根本原理就是根據一定的接收準那么自動地調節天線陣元的幅度和相位加權值，以實現最優接收和發射。從空間響應來看，智能天線是一個空間濾波器，它在信號入射方向上增益最大，在干擾信號入射方向上形成零陷或低陷。下面以直線陣為例，說明智能天線的根本原理。假設滿足天線傳輸窄帶條件，即某一入射信號在各天線單元的響應輸出只有相位差異而沒有幅度變化，這些相位差異由入射信號到達

35、各天線所走路線的長度差來決定。假設入射信號為平面波，那么這些相位差由載波波長、入射角度、天線位置分布唯一確定。給定一組加權值，一定的入射信號強度，不同入射角度的信號由于在天線間的相位差不同，合并后的輸出信號強度也會不同。智能天線的工作原理可用下列圖說明： 圖2-1 智能天線根本原理圖對于N元天線陣列，設信號自方向入射，陣元間距為d，接收信號功率為P，以第1個天線單元為參考，那么第i個天線單元的相位延遲為，其中，為電磁波波長。天線陣列接收信號可以用下面的矢量表示 2-1式中Va為天線陣在方向上的響應矢量。設，分別表示有用信號、干擾信號的天線陣響應矢量，分別為有用信號和干擾信號矢量，M為干擾信號個

36、數，Nt為噪聲矢量。那么經過加權的天線陣輸出Xt可表示為下式 2-2智能天線的目的就是確定最正確權值矢量W，己到達提取有用信號，抑制干擾信號濾除噪聲信號的目的。智能天線的方向圖根據權值的變化而變化，它不同于全向天線，而更接近定向天線的方向圖，即有主瓣、副辯等，但相比而言，智能天線通常有較窄的主瓣，較靈活的主，副瓣大小、位置關系和較大的天線增益。它和固定天線的最大區別是：不同的權值對應著不同的方向圖，可以通過改變權值來調節天線方向圖，即天線模式。理想的智能天線就是要使天線方向圖的主瓣對準目標用戶方向，零瓣對準干擾信號方向。智能天線的方向圖是隨著權值的改變而動態變化的，智能天線正是通過自適應調整權

37、值的來抑制干擾、提高信噪比，進而提高移動通信系統性能。智能天線系統的根本結構通常智能天線系統由3局部組成：實現信號空間采樣的天線陣、對各陣元輸出進行加權合并的波束成型網絡、更新合并權值的控制局部，其根本結構如下列圖2-2所示。圖2-2典型的智能天線系統結構示意圖天線陣列局部根據天線陣元之間的幾何關系，陣列形狀大致可劃分為：線陣、面陣、圓陣等，甚至還可以組成三角陣、不規那么陣和隨機陣。天線陣的配置方式對智能天線性能有著直接的影響。在移動通信應用中天線陣多采用均勻線陣或均勻圓陣。因為直線陣已被證明更適合于市區移動通信環境。天線陣元數一般取4到16。因為一方面天線陣元數越多，系統增益也就越高；但另一

38、方面陣元數的增加會使射頻通道相應增加，會導致基站本錢上升過大，所以智能天線的天線數不能過大。陣元間距一般為半個波長，因為如果陣元間距過大，接收信號的彼此相關程度會降低：間距過小，會在天線的方向圖上形成不必要的柵瓣有較大甚至和主瓣高度相同的旁瓣。波束成型網絡局部主要完成數模轉換和天線方向圖的自適應調整。每個天線陣陣元上都有ADC和DAC，將接收到的模擬信號轉換為數字信號，將待發射的數字信號轉換為模擬信號，完成模擬信號和數字信號的相互轉換。所有收發數字信號都通過一組高速數字總線和基帶數字信號處理器連接。天線方向圖的調整是根據控制局部得到的權值調節天線輸出來實現的。控制局部即算法局部是智能天線系統的

39、核心局部，其功能是依據信號環境、按某種性能度量準那么和自適應算法，選擇或計算權值。智能天線系統是由上面三局部組成的一個自適應控制系統，它根據一定的自適應算法自動調準天線陣方向圖，使它在干擾方向形成零陷或低陷，在信號到達方向形成主瓣，從而到達加強有用信號，擬制干擾信號的目的。智能天線系統的根本工作流程可以簡單概括如下：1系統將首先對來自所有天線中的信號進行快照或取樣，然后將它們轉換成數字形式，并存儲在內存中。2處理器將立即分析樣本，對無線環境進行評估，確認有用用戶所在的位置。3處理器對天線信號的組合方式進行計算，力爭最正確地恢復用戶的信號。4系統將進行模擬計算，使天線陣列可以有選擇地向空間發送信

40、號。5在上述處理的根底上，系統就能夠在每條空間信道上發送和接收信號，從而使這些信道成為雙向信道。以上介紹了智能天線的根本結構、原理以及工作流程，在工程實際中智能天線的工作原理更復雜，并且每一局部的實現和結構往往根據所應用的系統不同而略有不同。2.4 自適應波束形成算法在智能天線技術中，需要根據不同的用戶確定不同的權值以實現對用戶地跟蹤。這些確定權值的算法統稱為智能自適應算法，它是智能天線技術的核心。自適應算法決定著天線陣的暫態響應速率和實現電路的復雜程度。因此，自適應算法的研究一直是人們關注的焦點。自適應波束形成技術經過了幾十年的開展，已經逐漸走向成熟，已有的自適應波束形成算法大致可分為三大類

41、：基于參考信號的波束形成，基于來波波達方向DOA的波束形成，基于信號結構特性的盲波束形成。1基于參考信號的波束形成。這類算法需要發射端向接收端發射訓練序列或導頻信號來產生接收端參考信號。2G-GSM系統可以用專用碼訓練序列，3G-UMTS系統用戶可以使用專用導頻。其對應自適應波束形成可以采用最小均方LMS，Least Mean Squares算法，遞歸最小二乘RLS算法，直接矩陣求逆DMI等算法。這類算法不需要確定信號的DOA，有較強的健壯Robust性，一般不需要較正，可以結合最正確多徑從而降低衰落影響。這種方式一般需要精確同步，并要求高的更新率；時延擴展小時性能很好；對于頻分雙工體制，不能

42、從上行接收信息確定下行波束權矢量。2基于來波方向的波束形成。這類算法需要DOA估計技術的支持，不需要參考信號的信息。算法一般包括DOA估計和基于DOA的波束調整兩局部。基于來波方向的波束形成技術中，DOA估計非常重要，目前已有多種DOA估計算法，如多重信號分類MUSIC，Multiple Signal Classification和借助旋轉不變技術估計信號參數ESPRIT，Estimation Signal Parameters via Rotational In variance Techniques算法。此類算法先估計出方向向量，再利用線性約束最小方差LCMV準那么形成權值。為提高精度，還

43、可以利用特征空間算法得到更佳的權值。但此類算法有一個共同的特點，每個入射波前的方向先被估計，同時產生一個波束形成器恢復來自該方向上的信號。這類算法一般要求天線陣列流形是確知的，而實際系統的流形誤差是不可防止的，故陣列必須是校正過的。此類算法的另一優點是非常適合于頻分雙工系統。3盲波束形成算法。盲波束形成算法的目的與非盲算法類似，都是為了確定一組權矢量而使接收信號的質量最好。但盲波束形成算法不需要訓練序列，它利用時間、空間、碼字結構、或陣列流形來實現同樣的功能。這種盲波束形成技術的主要優點是：波束形成器與信道的空間性質或陣列的校正無關。總之，只要期望信號具有與噪聲和干擾不同的特性，就可以設法估計

44、出期望信號的陣列方向向量。然后用它作為導向向量進行自適應波束形成。通常信號的典型統計性質有非高斯性和循環平穩性等，典型確實定性性質那么包括恒模性、有限符號集特性等。利用這類性質構成了一類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 基于阻塞矩陣的主瓣干擾抑制算法近年來，無線通信中使用智能天線提高系統容量和減少干擾已是一個重要課題。智能天線的自適應波束形成可以提高無線鏈路中的信干噪比，減少信道阻塞，增加總的系統容量。通過加權形成的波束以近似零增益波瓣對準多徑信號和強干擾信號源，同時以高增益波瓣對準期望信號源，可以減小干擾，降低用戶發射功率，使多個移動用戶共享同

45、一個信道與基站進行通信。由于這些陣列中的加權形成波束的操作可以在基帶中完成，因此現在已可以用DSP來實現。一般的自適應波束形成技術存在主瓣干擾時，會出現副瓣電平增高及主波束變形的現象。本章采用了基于阻塞矩陣預處理BMB的自適應波束保形方法，方法分兩步：首先對主瓣干擾進行方位估計，利用所得方位結果對接收的信號作預處理，再進行自適應波束形成。以下的分析基于這樣一個假設：主瓣內存在一個干擾，而對副瓣內的干擾數目沒有限制。3.1常規的自適應波束形成算法考慮等間距排列的 M元窄帶線性陣列，陣列單元間距，為工作波長，并假設各通道噪聲為相互獨立的零均值高斯白噪聲，且與信號不相關，方差為，那么陣列接收的干擾噪

46、聲信號可表示為 3-1式中個干擾信號的復包絡； 通道噪聲；個干擾信號的方向矢量，其中 第個干擾信號的入射角度，并有。干擾噪聲協方差矩陣為 3-2式中干擾協方差矩陣，根據線性約束最小方差準那么，求得最正確自適應權為 3-3式中常數；維靜態波束導向矢量。所求得的最正確自適應權能保證在信號進入的前提下，在干擾方向上形成零陷，從而有效地抑制掉干擾。 但是當存在主瓣干擾時 ，自適應波束形成技術將在主瓣形成一個深的零陷，顯然這將導致主波束變形 ，且峰值偏移、副瓣電平增高。為方便起見，仍以平面空間的等距線陣為例。設陣元數為，陣元間距為，共有個信源，其中。設波達方向為，并以第1個陣元為基準點，各信源在基準點的

47、復包絡分別為。那么在第個陣元上第次快拍的采樣值為 3-4式3-4中表示第個陣元上加性高斯白噪聲的第次快拍。將各個陣元上第次快拍的采樣寫成向量形式 3-5其中 3-6 3-7 3-8 3-9陣列可以獲取許屢次快拍的觀測數據，為了充分利用這些數據以提高檢測可靠性和參數估計的精度，可采用累計的方法，但用數據直接累計是不行的，因為隨變化，且其初相通常為均勻分布，一階統計量均值為零。但它的二階統計量由于可以消去的隨機初相，所以能反映出信號向量的特征。陣列向量的二階統計量用其外積的統計平均值表示，稱之為陣列協方差矩陣，定義為 3-10將式3-4代入式3-10，考慮到與是統計獨立的，于是可得 3-11式3-

48、11中，是信源局部的協方差矩陣。由于各個陣元的噪聲強度相等且彼此互不相關，故其協方差矩陣為。容易驗證，陣列協方差矩陣滿足。這說明，陣列協方差矩陣屬于Hermite矩陣，它的特征值為正值。令特征值為，那么協方差矩陣的特征值分解可以寫成 3-12式3-12中，是由特征向量組成的酉矩陣，是由特征值構成的對角矩陣。比擬式3-12和式3-11可知，假設將的個特征值從大到小依次排列，那么前個與信號有關，其數值大于，即，第開始的特征值完全取決與噪聲，其數值等于，即。因此，可以將的個特征向量分成兩個局部：一局部是和對應的特征向量，它們張成的空間稱為信號子空間；另一局部是和最小特征值對應的特征向量，它們張成的空

49、間稱為噪聲子空間。由 3-13可知各方向向量方向矩陣的各列均位于信號子空間里，它們與噪聲子空間正交。3.3主瓣干擾對算法的影響天線在實際的應用中，由于大量密集而強大的干擾，使得帶寬的選擇受到限制，很難找到較寬的且干凈的頻帶。要么降低帶寬，要么在滿足帶寬的前提下抑制干擾。因此帶寬的選擇要兼顧距離分辨力和干擾的影響，較為理想的方法是在滿足帶寬的要求下抑制干擾。有源干擾的抑制方法，無非是根據信號和干擾在空域、頻域和時域的差異，在不同的域中進行別離抑制。利用空間兩路相減獲得干擾信號，再進行時域自適應干擾對消的方法抑制副瓣干擾，可以取得較好的效果，但對于從主瓣進入的干擾該方法無能為力。由于主瓣干擾在空域

50、上和有用信號沒有區別，故只能考慮在頻域和時域上加以區分。常規的方法是對主瓣內的有源射頻干擾進行頻率躲避，或者根據干擾信號的極化濾波處理，發射信號的頻率躲避必然會限制帶寬的利用率。為此，有些學者提出了頻譜不連續的思想：考慮到窄帶干擾占據信號帶寬的一局部，用凹口濾波器零陷被干擾污染的頻段，得到間斷的頻譜，各帶寬之和滿足總帶寬的要求，其缺點是零陷干擾的同時將有用信號也濾除掉了，脈壓后的相對旁瓣大幅度抬高，且對凹口濾波器的設計提出較高的要求。自適應波束形成技術抑制干擾應用的根本思想是：在保證信號進入的前提下，使天線方向圖在對準干擾的方向自適應形成零陷，從而抑制掉干擾。我們知道，當干擾從副瓣進入時，自適

51、應波束形成技術有著優良的性能，關于這方面的研究有大量的文獻報道。然而在現代復雜電磁環境下，干擾很可能從主瓣進入，當存在主瓣干擾時，自適應波束形成技術便暴露出兩個嚴重的缺陷23：一是副瓣電平增高 ，這將導致虛警概率的急劇上升；二是主波束變形且峰值偏移，從而影響了測角的精度。這兩點嚴重地限制了自適應波束形成技術在主瓣干擾條件下的應用。究其原因，是由于自適應波束形成為抑制主瓣干擾，必須在主瓣內形成零陷所致。 基于這點，由于在對接收信號作預處理中，就對消了主瓣干擾，因此接下來的自適應波束形成就不會在主瓣內形成零陷，從而不會導致主波束變形及副瓣電平增高的現象。下面我們將詳細分析該方法。3.4基于阻塞矩陣

52、的主瓣干擾抑制.1阻塞矩陣預處理首先利用空間譜估計方法對主瓣干擾進行方位估計，由于干擾強度遠遠大于目標信號及噪聲的強度，并且主瓣內只存在一個干擾，因此空間譜估計法選用較為簡單的最小方差法即可，而不必選用復雜的空間譜估計法如MUSIC法等。最小方差法估計主瓣干擾方位的表達式為 3-14由于我們只對主瓣干擾定位，故上式的角度搜索范圍只需在主波束內進行，從而大大減少了運算量。得到主瓣干擾的方位信息后，再對接收信號進行主瓣干擾相消預處理，設處理后的信號為Y ，那么有 3-15式中為維的預處理變換矩陣 3-16其中，為主瓣干擾的方位角，相應的復包絡為，實質上是一個信號阻塞矩陣26，它利用相鄰天線單元進行

53、相消處理來抑制主瓣干擾，設3-17預處理變換前，第個天線單元的接收信號為 3-18其中，經過預處理變換后， 根據式3-16，得到變換后的信號為 ，3-19其中， ，。比擬式3-18和式3-19，可以看出預處理變換改變了信號的復包絡，但不改變信號的波達方向，并且對于主瓣干擾，其復包絡，因此，預處理變換有效地抑制了主瓣干擾，并且不會影響后續自適應波束形成處理對其它副瓣干擾的零陷形成。.2波束形成對接收信號進行預處理變換后，第二步就是進行一般的自適應波束形成，變換后的信號協方差矩陣為 3-20從上式可看出，中的噪聲項不再代表一個白噪聲的協方差矩陣， 因此需進一步進行白化處理 3-21實際進行上式的白

54、化處理時需要估計，這時，需對作特征分解，求出個最小特征值，取它們的平均值即為估計值；L為一適當的對角加載量，以彌補 的估計誤差，從而進一步降低旁瓣，一般取即可。最后，可求得自適應權為 3-22上述的BMB波束保形方法能在抑制主、副瓣干擾的同時，有效地解決波束畸變的問題。但是該方法需要較準確地估計主瓣干擾的方位，當方位估計存在誤差時，由于不能有效地對消主瓣干擾，性能將要下降。綜上所述，當采樣數據中包含目標信號且同時有一個主瓣干擾情況下阻塞方法處理原理見圖 3-1。圖3-1 阻塞方法抑制干擾原理圖3.5仿真實驗及結果分析通過計算機仿真來考查阻塞矩陣方法抑制干擾的性能，以及當阻塞方向與主瓣干擾方向有

55、偏差時對抑制干擾性能的影響。仿真1：等距均勻線陣，陣元數為8，陣元間距，目標信號在方向，信噪比為20dB，三個互不相關的干擾信號分別從、和入射到陣列上，干噪比均為40dB ，其中方位的干擾處于主波束內。仿真時取快拍數為200。如圖3-2所示。圖3-2 陣元數為8干擾為3波束的方向圖由圖3-2可以看出，用阻塞矩陣方法得到的方向圖，在信號方向及主瓣內干擾方向都沒有形成零點，因此主波束沒有畸變。而用常規的數據矩陣求逆法得到的自適應方向圖除了在干擾方向形成零點，在信號及主瓣內干擾方向也形成了零點，方向圖變形嚴重，而且副瓣電平比阻塞矩陣方法得到的副瓣要得多。增加干擾數，進行第2個仿真。仿真 2：等距均勻

56、線陣，陣元數為8，陣元間距，目標信號在方向，信噪比為20dB，八個互不相關的干擾信號分別從、和入射到陣列上 ，干噪比均為40dB ，其中方位的干擾處于主波束內。仿真時取快拍數為200。如圖3-3所示。圖3-3 陣元數為8干擾為8波束的方向圖由圖3-3可以看出，當陣元數仍為8，干擾數增加到8的情況下，利用阻塞矩陣方法就不能很好的抑制干擾。智能天線的原理已經被證明，當陣元數為M時，最多可以抑制的干擾數為M-1個。那么為了抑制更多的干擾，可以通過增加陣元數來實現。在相同的信號個數下，將陣元數由8增加到11，進行仿真實驗3。仿真 3：等距均勻線陣，陣元數為11，陣元間距，目標信號在方向，信噪比為20d

57、B，八個互不相關的干擾信號分別從、和入射到陣列上，干噪比均為40dB ，其中方位的干擾處于主波束內。仿真時取快拍數為200。如圖3-4所示。圖3-4 陣元數為11干擾為8波束的方向圖由圖3-3和圖3-4可以看出，當陣元數由8增加到11的時候，對于8個干擾存在的情況，就可以很容易的進行抑制。由此可見，可以通過增加陣元數來抑制較多的干擾。結論智能天線技術是第三代移動通信中的關鍵技術，也是目前通信領域研究的熱點問題之一。智能天線技術的核心和關鍵是自適應算法。本文在深入研究智能天線的原理和實現之后，圍繞著基于來波方向估計自適應算法的應用來展開研究。本文提出的阻塞矩陣法通過對接收信號的預處理，消除了主瓣

58、內干擾和信號在計算數據協方差陣時的影響，因此自適應波束形成不會對信號和主瓣范圍內干擾進行對消，從而不會導致主波束變形及副瓣電平升高。但在信號方向有偏差的情況下對最后性能影響較大，需要精確期望信號及欲阻塞干擾方位角。實際中，可能有固定方位的干擾信號，如建筑物強散射點等，一般可以精確測量，這時用NBM方法能有效地改善干擾對消性能。本文也提出了基于阻塞矩陣預處理的自適應波束保形方法和基于特征投影預處理的自適應波束保形方法，它們都能在抑制主瓣干擾的同時，有效地解決副瓣電平增高及主波束變形的難題。參考文獻王盛利, 張光義. 匹配傅立葉變換的噪聲抑制和濾波J. 電子學報, 2001,29(12):1683

59、1684. 吳云韜, 廖桂生. 空間非平穩噪聲環境下的自適應波束形成J. 系統工程與電子技術, 2003,25 (5):554555.高康強. 智能天線波束形成技術研究D. 西安電子科技大學D, 2002:3240.李曉明, 鄭鏈, 胡占義. 基于SIFT特征的遙感影像自動配準J. 遙感學報, 2006,10(6):885891.利貝蒂. 無線通信中的智能天線:IS-95和第3代CDMA應用. 機械工業出版社, 2002,8:89107.謝顯中. TD-SCDMA 第四代移動通信系統技術與實現M. 北京:電子工業出版社, 2004: 89107.武劍輝, 楊斌, 向敬成. 大時帶積非線性調頻脈壓信號及其性能分析J. 信號處理, 2001,17 (2):139142.楊斌,武劍輝,向敬成,非線性調頻信號時域副瓣抑制濾波器設計J.信號處理,1999,15:3135.吳湘淇. 信號、系統