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1、精品名师归纳总结基于软件无线电的智能天线技术讨论摘要:针对无线通信领域中存在的多种通信体系共存,各种标准竞争猛烈等问题提出基于软件无线电的智能天线技术。简述了目前软件无线电的讨论状况及无线电的关键技术之一智能天线 ,采纳软件无线电和智能天线融合的方法讨论,较好的解决了体系共存和频带资源使用问题。基于软件无线电技术的智能天线采纳开放式结构，系统可重构，通过同时对信号在时间和空间上进行采样和处理，可以更充分的开发信号中包蕴的有用信息。关键词 :软件无线电。智能天线1. 引言智能天线是一种用于个人移动通信，能够依据所处的电磁环境智能的调剂自身参数，从而使通信系统保持正确性能的阵列天线，它通过调剂各阵
2、元信号的加权幅度和相位来转变阵列的方向图外形，从而对干扰信号进行抑制，提高所需信号的信噪比，改善整个通信系统的性能。2. 智能天线的基本特点2.1 智能天线与通常的自适应天线的不同点1） 第一，两者的应用目的不同。自适应天线阵是采纳迭代自适应算法，应用于军事抗干扰通信的阵列天线，主要用于雷达系统的目标跟踪和干扰抵消。而进展智能天线的初衷是通过抑制干扰和抗击衰落来增加移动系统的容量，提高频谱利用率，进而实现SDMA 。2） 常规自适应天线阵一般接收到的干扰信号具有很强的功率电平，并且干扰源数目与天线阵列单元数相当。而在无线通信系统中，由于多用户通信以及多径传播环境，使得到达天线阵列的干扰数目远大
3、于天线阵列单元数，同时其功率电平一般都小于直射信号。3） 自适应天线只是从干扰中捕捉一个源的期望信号，而智能天线是多用户系统，需要从同一信道中提取出各个用户的信号，不仅包括智能化接收，仍包括多用户多波束智能化发射。考虑到用户的移动将带来信道的时变性，因此智能天线实现起来更复杂，技术要求更高。2.2. 智能天线应用于移动通信具有以下优势 :1） 可以大大削减电波传播中的多径衰落。由于无线通信系统的性能很大程度上取决于衰落的深度和速度，因此，降低信号在传播中的变化可以提高通信系统的性能。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结2） 可以大大提高系统容量。采纳智能天线可以提高信号干扰比SlR
4、，而系统容量取决于SIR， SIR的提高意味着容量的增加。3） 可以延长移动台电池的使用寿命。天线波束赋形的结果等效于提高天线的增益，因此移动台的发射功率也可以相应降低。4） 采纳智能天线较全向天线具有更大的掩盖区。智能天线可以提高天线的增益，这等效于同时提高了天线阵列的接收灵敏度或增加了基站发射机的等效全向辐射功率EIRP。在同等条件下，天线方向增益增加 9dB等效于增加通信距离 50%按4次方律衰落运算 。5） 可以放松对功率掌握的要求。 CDMA 系统是一自干扰系统，它必需通过功率掌握来克服远近效应和抑制系统的干扰。而在实际系统中，信号的实时衰落特性是未知的，信号不仅经受阴影衰落，仍要经
5、受瑞利衰落，因此，系统必需严格进行功率掌握，采纳智能天线可以放松这一要求。3. 智能天线的功能结构与主要技术智能天线利用用户空间位置差异，通过上行空域滤波和下行挑选性发送来提高系统容量。主要途径有 :1利用智能天线的波束形成和自适应测向跟踪才能，实时的势成窄的主波束对准期望信 号，在其它方向尽量压低付瓣增益，从而降低同信道干扰CCI以及因多径引起的衰落和码间串扰 ISI 来提高接收信号的信干噪比、提高系统容量。2 把 智 能 天 线 等 效 为 空 域 滤 波 器 ， 实 现 空 分 多 址 传 输SDMA 。在SDMA 中，各用户可以共享同一常规信道 频道、时隙、码道 ，但各用户信号是经受了
6、不 同的空间路径到达基站阵列的，即具有不同的“空间信道 ”，因此能使通信容量得到成倍提高。3.1 智能天线的系统实现框图。智能天线的关键技术包括智能化接收和智能化发射两个方面。系统实现框图如图3-1所示。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图3-1智能天线的系统实现框图3.2 智能化接收智能化接收的讨论可以分为两种类型，一类是空域处理，主要关怀阵列输出，不涉及详细的接收机技术。另一类属于空时二维信号处理，即将接收机时域处理与空域处理相结合进行讨论。在智能天线系统中，由于各用户占用同一信道，信道共享带来的 CCI和多径信道带来的 ISI将会使到达基站的用户信号发生畸变，因此必需采纳一
7、些自适应算法、利用信道估量和均衡技术将各用户精确分别和复原。完成智能化接收的方法主要分为盲算法和非盲算法。非盲算法使用训练序列或导引信号，占用了肯定的信息资源，所以，目前盲算法倍受重视。在盲算法中，波束形成以及多用户分别是一种全盲的辨识过程，整个上行信道等效为一个“多重单输入多输出系统 ”MSIMO 系统 ，唯独可以利用的是信号的时域信息和先验特点，这些特点包括:a. 恒模特性在移动通信中，很多传输波形具有恒定的包络。1980年Godard提出了一种无需借助训练序列的自适应恒模算法，其基本思想是 :恒模信号在经受多径衰落或受到干扰时会产生幅度扰动，因此可定义一种 “恒模准就 ”掌握权矢量迭代，
8、使自适应滤波器的输出复原成恒模信号。特点:是所依靠的先验学问只是信号的恒模特性，不需要额外的参考信号自身生成参考信号，对阵列模型误差不敏锐。缺陷:是当存在多径时有可能收敛到局部最优点，即意味着捕捉了非期望信号或挑选了信噪比差的路径。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结b. 循环平稳特性统计特性随时间变化的随机过程统称为非平稳过程。非平稳过程中有一个重要的子类:它们的非平稳性表现为循环平稳特性。通信中的信号由于经过人工调制均具有循环平稳特性，即使对于基带数字码流，当对其进行时间或空间过采样后也会表现出循环平稳性。与平稳信号不同，循环平稳信号的二阶统计量包含有相位信息，因此可以进行信道
9、辨识而无需借助复杂的高阶统计量 如累积量 方法。另外，在阵列信号处理中可以利用循环平稳信号的谱相关性使算法具有较强的信号挑选才能、过载才能、抗干扰才能和对各种带宽信号的适应才能。此外，为了给智能下行供应依据，以便在下行传输时形成物理波束，在上行时仍需要估量出一些反映用户空间位置的参量，如 DOA 、空域特点 SS等。高辨论阵列处理技术近年在无线通信和智能天线讨论中经常被用来猎取空间信号的参数主要是 DOA 和SS，基于这些参数可以按最优化准就设计出阵元加权矩阵，从阵元输出中滤出各用户信号，同时实现下行多波束形成。与智能天线有关的高辨论阵列处理方法可分为两大类:子空间方法 如MUSIC 、ESP
10、RIT等和基于参数估量准就的方法 如最大似然方法等 。3.3智能化发射智能化发射又叫下行挑选性发送，即利用用户的空间差异，保证每个用户只接收到基站发给它自己的下行信号而不受同一信道中基站发给其它用户信号的干扰。下行链路采纳智能天线的最大优点是：把基站盲目的、广播式的传播变为定向的信号传递。采纳智能天线后，一方面可能简化 基站的设备，例如 :过去基站要发射 10OW的功率就需要 10Ow的功放，当采纳十单元的天线阵列后，每单元只需 IW 的功放来鼓励。另一方面，定向传播将极大的削减基站对其他用户的人为的干扰，净化了电磁环境，提高了系统容量。3.4 当前实现智能化发射主要方法 :1） 基于反馈的方
11、法。其主要思想是，基站通过下行信道周期性的向各移动台发射训练信号，依据移动台通过上行链路反馈的信号，可以估量正确的下行链路加权矢量。该方法的最大缺点是既铺张上行信道又铺张下行信道的带宽，实际上属于传统训练序列信道辨识方法。2） 基于上行链路估量的方法。该方法是利用一些特点参量如DOA ，空域特点 相对于上下链路的不变性，通过对各用户上行信号的盲估量确定下行链路的波束形成方案。当上下可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结链路同频 如时分双工 时，依据互易原理，可以认为上下行链路的信道响应相同，上行链路的信道估量可以直接用于下行链路。然而，对现行通信标准，上下行的载波的频率不同移动通信系
12、统中一般相差 45MHZ 所以上下行链路的信道特点差异很大，只能利用上下行链路之间某些几何参数的不变性来形成下行波束，即认为下行链路具有相同的传播路径。因此，可以基于对上行信号的 DOA 估量构造下行发送的加权矢量，然后针对各用户的下行路径同时形成波束。4. 基于软件无线电技术的智能天线软件无线电核心思想是在尽可能靠近天线的的方使用A/D 和D/A 转换器，在通用的硬件平台上，尽最大的可能通过软件来定义无线电的功能。智能天线作为通信中接收和发射电磁波的空间信号处理器件，客观上要求它必需与软件无线电的进展进行技术上的兼容。要求A/ D，D/A 尽量靠近前端，用数字信号处理的方法进行波束合成。美国
13、1995年在DAMPS 系统中首次将软件无线电技术应用于智能天线系统，用软件完成算法更新。所以说，智能天线系统是软件无线电技术的一个胜利的应用实例。随着DSP处理速度的提高，智能天线技术与软件无线电技术的融合具有必定性，而且基于软件无线电基站的智能天线系统己经得到试验验证和广泛的讨论。基于软件无线电技术的智能天线的基本思想:核心是使用高速的数字信号处理器完成中频采样之后的全部数字运算，其具有智能的、可编程的数字信号处理核心可以对固定阵列天线接收下来的信号进行加权、优化组合，实现数字波束形成。其敏捷的个性化配置可以引入软件模块、算法库、空时二维信号处理等技术，构成了可以动态配置的智能天线。4.1
14、 基于软件无线电技术的智能天线结构可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 4-1 软件无线电系统的智能天线功能框图基于软件无线电系统的智能天线功能框图如图4-1 所示。在这个图中，天线部分是由M 个全向天线阵元组成的天线阵。每一个天线阵元有它自己的下变频和宽带A/D 采样，接收信号通过下变频器将射频信号搬移到中频，再通过A/D 采样送入软件处理部分。在软件处理部分，第一要对信号进行参数估量，包括信号个数、信号到达角DOA 、信号到达时间 TOA 、极化形式、功率、带宽等，如有必要仍要对信号环境进行识别。依据这些参数的估量，然后进行算法的挑选，挑选正确算法对信号进行信道分别，并进行波
15、束形 成。4.2 基于软件无线电技术的智能天线的优点1）软件无线电技术智能天线系统采纳模块结构供应了条件，可以将天线阵的功能单元分为模块结构，各模块间通过标准的接口进行消息的传递，而不必知道其内部是如何实现的，所以每个模块都可以独立的进行开发，而不影响其它模块的功能，从而实现自适应天线阵的开放式结构，保证该天线阵在技术上的不断升级。2） 由于使用了软件无线电技术的基站和终端设备都采纳高速数字信号处理器和高速 A/ D变换器，全部基带信号处理和变换都用软件来完成，也能有效保证智能天线的实现。在抑制中干扰方面，难以有一种普遍适用的正确算法，软件无线电中的智能天线可以聚集多种算法于同一系统，能做到通
16、过转变软件来实现算法的更换。3） 基于软件无线电结构的智能天线系统可以引入算法库的思想。依据现实体会以及理论结果，将不同信号形式、通信环境对应的正确算法组成算法库。并且该算法库可以动态刷新，在算法库中将不同信号形式对应的高辨论率估量方法及自适应波束形成、自适应调零算法建立一种表对应关系。并在系统中预设一种信号参数估运算法，由该算法估量信号参数的初步结果，由该结果查表查找正确的波束形成、调零算法及信号估运算法。如在算法库中没有对应的算法，就依据某种原就依次试用各算法，并依据天线输出的性能指标测试结果找出正确算法，同时刷新算法数据库，使得该天线阵具有学习功能。4.3 基于软件无线电技术的智能天线的
17、实现方案a. 基于软件无线电的软扩容智能天线系统软扩容智能天线通常使用在码分多址 CDMA 系统中。在 CDMA 系统中，系统所具有的码分信道数远大于系统实际能够支持的用户数，所以 CDMA 系统的容量完全由系统的信噪比打算。智能天线可以提高系统的信噪比，所以对于给定的信噪比门限值，采纳智能天线的系统可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可以利用空余的码分信道容纳更多的用户，达到扩容的目的。在CDMA 系统中，全部的用户共用同一个物理信道，每个用户使用不同的伪噪声序列进行区分，具有不同的 “码道”。理论上，有取之不尽的码资源，但由于各个码序列之间不行能完全正交，所以存在码间干扰，又称
18、为多址干扰。而且，由于每个用户发射的信号又经过多次反射后进入接收机，即每一个用户有 N个多径信号被接收，有多径干扰。基于软件无线电的软扩容智能天线系统。每一个阵元接收的信号经过信道的分别，分别得到多个信道的信号。换句话说，每一个信道的信号现在都有多个阵元接收的信号，这样就可以利用波束形成算法对接收信号进行处理，每一个信道使用一个波束形成模块。每个码道用户对应一套权值，依据设定的接送准就和智能算法，自适应调整波束形成算法中的权矢量，使天线阵产生的定向波束指向移动用户，削减了多址干扰的影响。假如对每一接收天线加上如干抽头延时线，然后送入智能处理器，就可以对多径信号进行正确接收，削减多径干扰的影响，
19、可以得到一个正确的接收信号。从而使基站的接收信号的信噪比得到很大程度的提高，降低了系统的误码率。b. 基于软件无线电的硬扩容智能天线系统硬扩容智能天线主要用于 FDMA ， TDMA 系统。与 CDMA 系统不同， FDMA 、TDMA 系统的信道数和能支持的用户数完全相同，所以在这类系统中智能天线必需利用其空域滤波的才能，使空间角度不同的多个用户能够使用同一传统信道FDMA 信道、 TDMA 信道。硬容量扩容实际是一个传统信道再分为如干个空分信道，实现SDMA ，从而成倍的提高系统容量。图4-2 基于软件无线的硬扩容智能天线的框图图4-可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结2为基于
20、软件无线的硬扩容智能天线的实现方案。它的特殊之处在于将简洁的波束形成算法改为波束形成与信道安排算法，它充分利用了智能天线可以调剂权矢量，任意放置方向图主瓣方向和零点位置的特点，可以在同一个常规信道频道、时隙、码道 调剂方向图主瓣分别对准K个方向，这样就可以在同一个常规信道中同时接收K个用户的信号，使得各用户信号经受了不同的空间路径到达天线阵列，即具有不同的“空间信道 ”，实现了空分址SDMA 。从图中可以看出， “信道11”至“信道 IK ”代表在信道 1中扩充的 K个信道，这 K个信道分别由信道安排算法形成不同方向的主瓣来构成，假如在信道1中同时有 K个用户在通话，而每个用户在基站的不同方向
21、上，在这种情形下，波束形成与信道安排算法可以将一个波束指向用户 1的方向，而在其它方向上设置零点，构成了用户1在“空间信道 11”上通话:同样“空间信道 12”在用户 2的方向上设置主波束，可以负责基站与用户2之间的通话。因此，在同 一常规信道上同时产生了 K个“空间信道 ”，即一个具有 L个常规物理信道的系统可以为最多 K L个用户服务，使得通信信道得到“倍增”。4.4 软件无线电基站的智能天线系统抱负的软件无线电基站的系统中，调制与解调、均衡、协议等都是以软件在 DSP中实现， “抱负”的环行器具有宽带特性，且与天线以及放大器之间完全匹配，所以防止了使用通常具有固定频率的收发共用器，这样的
22、基站可以进行多波段甚至多模式的无线通信。框图如图4-3所示。图4-3抱负的软件无线电基站的系统框图抱负的软件无线电结构应使 A/D 转换器尽量靠近射频器，由于现有硬件水平的限制，加入下变频器后可以使系统采样率降低，在现有技术条件下可以达到有用化的目的，如下图4-4所示。该图为一单波段接收器，采纳正交下变频器直接将射频变为基带信号，实现零中频，用软件实现数字滤波，不需要在中频用硬件进行滤波，具有更好的信道挑选特性，而且节约了费用。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图4-4 单波段接收器的系统框图软件无线电基站的智能天线由天线阵、射频接收模块、数字下变频和智能处理器几个部分组成。经天
23、线阵元接收到的射频信号通过低噪声放大、下变频成中频信号，然后经A/D 变换将其转变为数字信号，再进行数字下变频，输出基带IQ信号，最终送入智能处理器，在系统的掌握下对 IQ信号进行加权处理、达到数字波束形成的目的。4.5 一个详细的智能天线试验系统 设频率为 2GHz：4.5.1 射频接收模块射频接收模块通过下变频把 2GHz的射频信号变换到中频 70MHz ，射频前端接收到达的信号，完成从射频到中频的频谱搬移，信号的正交分解及带通滤波，框图如图4-5所示。图4-5 射频接收模块的系统框图下变频前，第一将天线收到的射频信号进行低噪声放大，一般在50dB左右，噪声掌握在ldB以内。为了达到良好匹
24、配，低噪声放大器的输入和输出口需要接隔离器。隔离器的插 损要求在 O.4dB以下，隔离度在 28dB左右，驻波比要小于 1.3。下变频器将射频信号变换至 70MHz 的中频，可选用双栅 FET混频器，由于该混频器所需本振功率小，信号一本振隔离度高。为了抑制谐波及混频杂波，下变频器的射频输入端口和 中频输出端口都要加滤波网络。4.5.2 数字下变频器由于DSP的速度限制，只能舍弃在中频使用 DSP，代之在基带进行数字信号处理。所以可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结数字下变频器的主要功能是完成中频的 AD 变换，并利用数字技术完成变频功能，输出基带I Q信号，如图 4-6所示。图4-
25、6数字下变频器的系统框图数字下变频器可采纳专用的数字下变频器件，也可以采纳可编程规律器件实现。对数字下变 频的要求是应具有肯定的敏捷性和可编程性，例如可以对本振频率进行调整、实现对采样速 率敏捷转换、定时调整功能及具有可编程的基带滤波器等等。系统掌握器除完成系统的初始 配置、供应解调数据与接口模块相互之间的接口外，由于CUP处理速度的飞速进展，仍可以用来完成一些实时性要求不高的运算。4.5.3 设计方案图 4-7 所示为智能天线设计方案框图，该方案利用8 个天线单元构成的直线阵列接收信号，接收到的信号为载频 2GHz 的 QPSK 信号。将该信号本振信号混频后，经滤波输出70MHZ 的中频信号
26、。70MHz 的中频信号经由数字下变频器后输出基带信号，送入数字波束形成器、由IQ 正交加权模块进行信号的矢量合成， IQ 正交加权模块可独立的对输入的8 路基带信号进行加权叠加，形成等效的空间方向图，从而将具有某一空间到达角的信号选取出来。假如具有多套正交加权模块，可以独立的辨论多个空间到达角不同的信号。智能天线系统中的波束形成器由掌握器进行掌握，可用运算机CPU 完成。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结5 结论图 4-7 智能天线设计方案框图可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结目前,第三代移动通信标准中都把智能天线技
27、术作为其详细实现的后备技术之一,虽然智能天线的应用讨论仍只是停留在试验平台的开发上,真正走向有用的智能天线仍存在很多困 难需要克服。但是可以信任 ,智能天线肯定会随着高效简洁算法的提出,高速数字信号处理芯片的推出 ,逐步从理论讨论走向有用阶段 ,特殊是软件无线电技术的应用 ,将极大的加速智能天线走向有用化的进程。参考文献 :1 Joseph C Liberti Jr ,et al . Smart Antennas For Wireless Communications : Is-95 and Third Generation CDMA ApplicationsM . Prentice Hall
28、 ,19991.2 Ahmed EL Zooghby. Potentials of Smart Antenna in CDMA Systems and U-plinkImprovementsJ . IEEE Antennas and Propagation Magazine ,2001 , 43 5 :17221771.3 Jinho Choi . A Receiver of Simple Structure of Antenna Array CDMA SystemsJ . IEEE Trans on Veh Tec ,1999 ,48 5 :1332213401.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结4 Mitola J . The Software Radio ArchitectureJ . IEEE Communication Magazine ,1995 5 :261.5 杨小牛 ,楼才义 ,徐建良. 软件无线电原理与应用 M . 北京:电子工业出版社 ,20011.6 吴伟陵. 移动通信中的关键技术 M . 北京:北京邮电高校出版社 ,20001.可编辑资料 - - - 欢迎下载