下载文档原格式
图6-2 不同几何形状的天线阵列
2.平面波传播
空时信号可以表示为),,,(t z y x s ，
这其中x ，y 和z 分别代表三维空间坐标系的三个变代表时间。
根据电磁场领域的麦克思维方程，自由空间中信号源的电场E r
满足下式：
012222
=∂∂⋅−∇t
E c E r r （6.1.1）
是光速。
对上式求解得到
图6-7 TD-SCDMA 系统下行信号传输模型
北京邮电大学无线信号处理与网络实验室(WSPN) 作者：彭木根 （pmg@）
版权所有，翻印必究
图6-10 孔径扩展示意图
)()(t s t r = )exp()()(x d jk t s t x r
−= )exp()()(y d jk t s t y r
−=
图6-11 EVESPA估计结果（4个线阵，6个信号)
个阵元组成，其中4个阵元组成均匀线阵。
有三组相干信号（， [800, 1000]和[1200, 1400], 对应的幅度分别为[1, 0.7-0.4i] [ 0.4+0.5i, -0.6+0.4i]。
噪声为高斯噪声，信噪比SNR＝15。
10。
TD-SCDMA智能天线系统介绍及其测试本文简要介绍了智能天线的原理、智能天线阵的物理特性和波束赋形、智能天线算法的实现。
最后对TD-SCDMA智能天线的现场测试进行了分析，指出了测试时应注意的事项。
1、智能天线的原理智能天线通常被定义为一种安装于移动无线接入系统基站侧的天线阵列，通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元，获取基站和移动台之间各个链路的方向特性。
其原理是将无线电信号导向具体的方向，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向（direcTIon of arrival，DOA），旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到高效利用移动用户信号并消除或抑制干扰信号的目的。
同时，智能天线技术利用各个移动用户间信号空间特征的差异，通过阵列天线技术在同一信道上接收和发射多个移动用户信号而不发生相互干扰，使无线电频谱的利用和信号的传输更为有效。
在TD-SCDMA系统中智能天线基本思想是：天线以多个高增益窄波束动态地跟踪多个期望用户，接收模式下，来自窄波束之外的信号被抑制，发射模式下，能使期望用户接收的信号功率最大，同时使窄波束照射范围以外的非期望用户受到的干扰最小。
智能天线是利用用户空间位置的不同来区分用户，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来区分。
TD-SCDMA由于上下行无线链路使用同一载频，无线传播特性近似相同，能够很好地支持智能天线技术，智能天线的使用增加了TD-SCDMA无线接口的容量。
TD-SCDMA智能天线主要实现2种波束：广播波束和业务波束。
广播波束是在广播时隙形成，实现对整个小区的广播，所以要求波束宽度很宽，尽量做到小区无缝隙覆盖。
业务波束是在建立具体的通话链路后形成，也就是形成跟踪波束，它会针对每一个用户形成一个很窄的波束，这些波束会紧紧地跟踪用户。
由于波束很窄，能量比较集中。
在相同功率情况下，智能天线能将有用信号强度增加，同时减小对其他方向用户的干扰，由于智能天线能很好地集中信号，所以发射机可以适当地减小发射功率。
TD-SCDMA智能天线技术恶劣的无线信道、快速增长的用户容量和有限的频谱资源造就了智能天线技术的飞速发展。
智能天线采用空分多址（SDMA）技术，利用信号在传输方向上的差别，将同频率或同时隙、同码道的信号区分开来，最大限度地利用有限的信道资源。
与无方向性天线相比较，智能天线上、下行链路的增益大大提高，降低了发射功率电平，提高了信噪比，有效地克服了信道传输衰落的影响。
同时，由于天线主波瓣直接指向用户，减小了与本小区内其它用户之间，以及与相邻小区用户之间的干扰，而且也减少了移动通信信道的多径效应。
1.基本原理天线的方向图表示的是天线增益与空间角度的关系，对于全向天线来说，它的方向图是一个圆。
目前，基站大部分使用的是全向天线或者扇区天线，这些天线具有固定的天线方向图形式。
如图1所示，在使用扇区天线的系统中，对于在同一扇区中的终端，基站使用相同的方向图特性进行通信，这时系统依靠频率、时间和码字的不同来避免相互间的干扰。
天线方向图的增益特性能够根据信号情况实时进行自适应变化的天线称为智能天线。
由于终端在尺寸和成本上的限制，目前对于智能天线的研究主要集中在基站侧。
以下讨论只针对智能天线在基站上的应用。
智能天线具有根据信号情况实时变化的方向图特性。
系统能够以更小的刻度区别用户位置的不同，并通过调整天线阵元中各个元素的加权参数来形成针对性的空间定向波束（图2），使天线的主瓣方向对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，从而达到最大化有用信号、抑制干扰信号的目的。
智能天线技术在频率、时间和码字的基础上，提高了系统从空间上区别用户的能力，很大程度的提高了系统的容量以及其它相关功能（如覆盖范围、用户定位等）。
智能天线包括射频天线阵列和基带信号处理两部分，其基本结构如下图所示。
天线阵列部分负责接收空中的射频信号；基带信号处理部分对接收到的信号进行分析和处理，识别用户信号到达方向，并在此方向形成天线主波束。
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决定。
智能天线技术及其在TD-SCDMA中的应用摘要智能天线也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。
智能天线被公认为是未来移动通信的一种发展趋势。
本文主要从以下几个大的方面讲述：（1）智能天线的简介；（2）工作原理；（3）智能天线的优势；（4）智能天线与若干空域处理技术的比较；（5）智能天线技术的一些问题和研究动向；（6）移动通信采用智能天线的好处；（7）智能天线在TD-SCDMA中的应用；关键词智能天线；空域处理技术；移动通信；TD-SCDMA；TD-SCDMA智能天线目录1 智能天线的简介 (1)1.1基本概念 (1)1.2智能天线的分类 (1)1.2.1按实现形式智能天线分类 (1)1.2.2根据采用的天线方向图形状分类 (2)2 工作原理 (3)3 智能天线的优势 (4)4 智能天线与若干空域处理技术的比较 (5)4.1智能天线与自适应天线的比较 (5)4.2智能天线与空间分集技术的比较 (5)4.3智能天线与小区扇区化的比较 (6)5 智能天线技术的一些问题和研究动向 (6)5.1智能天线技术存在的问题 (6)5.2智能天线技术的研究动向 (6)6 移动通信采用智能天线的好处 (7)7 智能天线在TD-SCDMA中的应用 (9)7.1 TD-SCDMA中采用智能天线技术 (9)7.2 TD-SCDMA智能天线的工作原理 (10)7.3 TD-SCDMA智能天线技术的实现 (11)7.4 TD-SCDMA智能天线技术的优势 (11)7.5 TD-SCDMA智能天线的发展趋势 (12)8 结论 (14)1 智能天线的简介1.1 基本概念智能天线也叫自适应阵列天线它由天线阵（如图1-1所示）、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。
图1-1 智能天线阵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。
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。
1.2 智能天线的分类1.2.1 按实现形式智能天线分类(1)自适应调零智能天线它是以自适应天线技术为基础，采用自适应算法形成方向图，根据天线的输入、输出特性，按一定的算法自动地调节天线阵元的幅度和相位加权，在干扰方向上形成零陷，从而大幅度降低干扰电平，提高系统的信噪比。
从空间响应看，其自适应天线阵列是一个空间滤波器。
凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器。
在近代电信装备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛；在所有的电子部件中，使用最多，技术最复杂要算滤波器了。
滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。
天线的物理位置不作改变，由信号检测与处理系统判断出干扰与信号的来向，自适应地改变天线的方向图，并将零陷方向对准干扰，主瓣对准要接收的信号。
但自适应智能天线对处于主瓣区域内干扰的抑制能力是很有限的。
(2)等旁瓣针状波束智能天线它也是以自适应天线技术为基础，它的天线方向图是等旁瓣方向图，方向图的加权值是预先计算好的。
系统工作时，首先通过测向确定信号的到达方向(D OA)，选取合适的加权，然后将等旁瓣方向图的主瓣指向目标方向。
这类智能天线对处于非主瓣区域的干扰，可以通过低的等旁瓣电平来确保抑制，但对处于主瓣区域内的干扰，采用此类智能天线将无法抑制，不及自适应智能天线。
但等旁瓣智能天线无需迭代，而且响应速度快。
(3)数字波束形成智能天线它运用数字波束形成(DBF)技术，将其波束形成自适应天线阵与数字信号处理技术相结合。
工作时利用高分辨率的测向算法获得通信基准信号，当基准信号到达波束形成自适应天线阵时，便给信号处理器提供一个方向信息，将各阵元的接收信号转换到基带，由A/D 转换器转换成数字信号，然后根据方向信息对数字信号进行加权处理，在此方向上形成所需的波束。
1.2.2 根据采用的天线方向图形状分类（1）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。
自适应天线自出现以来，已有30多年。
大体上可以分成三个发展阶段：第一个10年主要集中在自适应波束控制上，第二个10年主要集中在自适应零点控制上；第三个10年主要集中在空间谱估计上，诸如最大似然谱估计、最大熵谱估计、特征空间正交谱估计等等。
在大规模集成电路技术发展的促进下，八十年代以后自适应天线逐步进入应用阶段，尤其用在通信对抗。
与此同时，自适应信号处理理论与技术也得到了大力发展与广泛的应用。
（2）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，而且鲁棒性好，但它对天线单元与信道的要求较高。
近年来，一些研究小组针对个人移动通信环境的DOA检测算法进行了相当的理论和实验研究。
Bigler等人的实验表明，在900MHz移动通信频段的DOA的实测值是可以满足固定形状波束智能天线工程需要的，实验中DOA估计值对测量时间、信号功率、信号频率的变化均不敏感，各种情况下测试结果的标准偏差均小于4度。
在多径环境下，空间信道的分析和测量是目前理论和实验研究的热点。
已有多种传播模型和分析方法，并用它对各种不同通信体制、不同信号带宽、不同环境（城巿、农村、商业区、楼内）进行了分析，给出了对应的模型。
在农村、城郊以及许多城区，对于窄波束，其时间色散可以减少。
采用通信信号中的训练序列进行信道估计，可以给出空间信道的响应。
2 工作原理天线的方向图表示的是空间角度与天线增益的关系，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；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, 如图2-1所示。
实际智能天线结构比图复杂, 因为图中表示的是单个用户情况, 假如在一个小区中有K个用户, 则图1中仅天线阵列和模数转换部分可以共用, 其余自适应数字信号处理器与相应的波束形成网络需要每个用户一套, 共K套。
以形成K个自适应波束跟踪K个用户。
被跟踪的用户为期望用户, 剩下的K- 1个用户均为干扰用户。
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。
图2-1智能天线原理图(单个用户)3 智能天线的优势智能天线具有以下几个突出的优点：(1)具有测向和自适应调零功能,能把主波束对准入射信号并适应实时跟踪信号,同时还能把零响点对准干扰信号。
(2)提高输入信号的信干噪比。
显然,采用多天线阵列将截获更多的空间信号,也即是获得阵列增益。
(3)能识别不同入射方向的直射波和反射波,具有较强的抗多径衰落和同信道干扰的能力。
能减小普通均衡技术很难处理的快衰落对系统性能的影响。
(4)增强系统抗频率选择性衰落的能力,因为天线阵列本质上具有空间分集的能力。
(5)可以利用智能天线,实时监测电磁环境和用户情况来提高网络的管理能力。
(6)智能天线自适应调节天线增益,从而较好地解决远近效应问题。
为移动台的进一步简化提供了条件。
越区切换是根据基站接收的移动台功率的电平来判断的。
由于阴影效应和多径衰落的影响常常导致错误的越区转接,从而增加了网络管理的负荷和用户的呼损率。
在相邻小区应用的智能天线技术,可以实时地测量和记录移动台的位置和速度,为越区切换提供更可靠的依据。
4 智能天线与若干空域处理技术的比较4.1智能天线与自适应天线的比较智能天线与自适应天线并没有本质上的区别,只是由于应用场合不同而具有显著的差异。
自适应天线主要应用于雷达系统的干扰抵消,一般地,雷达接收到的干扰信号具有很强的功率电平,并且干扰源数目比天线阵列单元数少或相当。
