《智能天线》PPT课件.ppt

3.8 3.8 智能天线智能天线 学习目标• • 理解智能天理解智能天线线的原理的原理• • 理解智能天理解智能天线线的接收准的接收准则则• • 理解智能天理解智能天线线中常用的自适中常用的自适应应算算• • 理解智能天理解智能天线线的作用的作用3.8 3.8 智能天线智能天线 智能天智能天线线的原理的原理智能天智能天线线的接收准的接收准则则智能天智能天线线中常用的自适中常用的自适应应算算智能天智能天线线的作用的作用 利用智能天利用智能天线线，借助有用信号和干，借助有用信号和干扰扰信号在入射角度信号在入射角度上的差异，上的差异，选择选择恰当的合并恰当的合并权值权值，形成正确的天，形成正确的天线线接收模接收模式，即将主瓣式，即将主瓣对对准有用信号，低增益副瓣准有用信号，低增益副瓣对对准主要的干准主要的干扰扰信号，从而可更有效的抑制干信号，从而可更有效的抑制干扰扰，更大比例的降低，更大比例的降低频频率复率复用因子，和同用因子，和同时时支持更多用支持更多用户户 从某种角度可将智能天从某种角度可将智能天线线看作是更灵活、主瓣更窄的看作是更灵活、主瓣更窄的扇形天扇形天线线。

另外，智能天另外，智能天线线可以通可以通过过形成多波束来形成多波束来获获得得额额外信道，而不需要分配外信道，而不需要分配额额外外频谱频谱，从根本上增加了，从根本上增加了频谱频谱效效率智能天率智能天线线的又一个好的又一个好处处是可减小多径效是可减小多径效应应 智能天线的原理智能天线的原理 智能天智能天线线之所以称其之所以称其为为智能天智能天线线，，““智能智能””不是在于不是在于天天线线，而在于信号，而在于信号处处理在最简单简单的情况下，天的情况下，天线线信号的信号的合并是采用合并是采用权值权值矢量矢量进进行行线线性合并，如性合并，如图图3-353-35所示所示. . 作作为为不同天不同天线输线输出信号的合并器智能天出信号的合并器智能天线线定定义强调义强调的是利用从不同空的是利用从不同空间间位置得到的信号，或者也可以位置得到的信号，或者也可以说说智能智能天天线线利用了信道的方向性具有多天利用了信道的方向性具有多天线线的接收机能区分不的接收机能区分不同到达方向的多径分量同到达方向的多径分量输出信号y(i))(1ir)(irrN)(2ir权重自适应+XXX)(1iw)(2iw)(iwrN...图3-35 智能天线结构 对对一个等一个等间间距的元直距的元直线阵线阵 ，如果，如果阵阵元元间间距距为为 ，信号波，信号波长为长为 ，信号，信号 从相从相对阵轴对阵轴法法线夹线夹角角为为 的的方向入射，如方向入射，如图图3-373-37所示，所示，则则t t时时刻刻 个个阵阵元信号的向元信号的向量和是量和是 （式3-17）（式3-18）式中，天天线阵线阵的方向的方向图仅图仅由下式确定由下式确定 （式（式3-193-19））归一化方向图以分贝表示为 （式3-20） 若保持若保持间间距不距不变变，增加无方向性的，增加无方向性的阵阵元数，由上式可元数，由上式可推得当推得当阵阵元数增加元数增加时时，方向，方向图图主瓣的主瓣的宽宽度将减小，并且零度将减小，并且零点和旁瓣增加。

点和旁瓣增加 如果天如果天线阵阵线阵阵元数少，那么元数少，那么对对干干扰扰信号信号进进行抑制的零行抑制的零点形成明点形成明显显减少，减少，这样这样就减小了在所希望的方向上作用区就减小了在所希望的方向上作用区的灵敏度克服的灵敏度克服这这种情况的方法之一是使用大型天种情况的方法之一是使用大型天线阵线阵，，提高自适提高自适应应零点控制的能力当然随零点控制的能力当然随阵阵元数的增加，元数的增加，费费用用和复和复杂杂性也随之增加因此在性也随之增加因此在阵阵的分辨能力、旁瓣的分辨能力、旁瓣电电平以平以及及对对具体方向上的作用区内所要求的具体方向上的作用区内所要求的阵阵元数之元数之间间，，应该进应该进行行综综合考合考虑虑 3.8.2 3.8.2 智能天线的接收准则智能天线的接收准则 在波束形成中，在波束形成中，权权向量通向量通过过代价函数的最代价函数的最优优化来确定，化来确定，代价函数的不同，分代价函数的不同，分别对应别对应着不同的方法，着不同的方法，这这些方法都是些方法都是通通过过求合适的求合适的权权向量来最向量来最优优化代价函数。

自适化代价函数自适应应波束形成波束形成技技术经过术经过了几十年的了几十年的发发展，已有展，已有许许多文献多文献专专著著专门专门来介来介绍绍波束形成的基本原理和准波束形成的基本原理和准则则常用的基本准常用的基本准则则包括：最小包括：最小均方均方误误差准差准则则、最大信噪比准、最大信噪比准则则和最小方差准和最小方差准则则等 最小均方最小均方误误差准差准则则旨在使估旨在使估计误计误差的均方差的均方值值最小化，最小化，是是应应用最广泛的一种最佳准用最广泛的一种最佳准则则定义义参考信号参考信号为为，，则阵则阵列列输输出与参考信号的均方出与参考信号的均方误误差差为为 （式（式3-213-21）） 为为使的均方使的均方值值最小，代价函数取最小，代价函数取为为 （式（式3-223-22）） 展开得展开得 （式（式3-233-23）） （式（式3-243-24））其中，其中， ，，为输为输入信号入信号 的自相关矩的自相关矩阵阵，， 为输为输入信号入信号 和参考信号和参考信号 的互相关的互相关矩矩阵阵。

 取最小取最小值值的最佳的最佳权权 ，可由令其，可由令其对对 的梯度的梯度为为零求得零求得 （式（式3-253-25））得到最小均方得到最小均方误误差准差准则则下的最下的最优优全向量全向量 （式（式3-263-26））此解是一种最此解是一种最优维纳优维纳解 另外两种基本准另外两种基本准则为则为最大信噪比准最大信噪比准则则和最小二乘准和最小二乘准则则其中最大信噪比准其中最大信噪比准则则旨在使有用信号功率和干旨在使有用信号功率和干扰扰噪声功率噪声功率之比最大，常用于通信系之比最大，常用于通信系统统中，以中，以实现实现系系统误码统误码率的要求。

率的要求它的代价函数它的代价函数为为 （式（式3-273-27）） 据此代价函数求出最据此代价函数求出最优权优权向量 最小二乘准最小二乘准则则旨在使如下的加旨在使如下的加权权平方平方误误差累差累计计代价函代价函数最小，由此得出代价函数数最小，由此得出代价函数为为：： （式（式3-283-28））同理求出最同理求出最优权优权向量 虽虽然然这这三种准三种准则则从表面上看相差很大，但可以从表面上看相差很大，但可以证证明它明它们们的的联联系非常系非常紧紧密，最密，最优权优权向量都是向量都是维纳维纳解的特例。

因此，解的特例因此，选选择择哪一种准哪一种准则则并不具有决定意并不具有决定意义义，而，而选择选择哪一种算法哪一种算法进进行波行波束方向束方向图图的的调调整却非常重要的整却非常重要的智能天线中常用的自适应算法智能天线中常用的自适应算法 通通过过算法可以自算法可以自动动地地调调整天整天线线增益的增益的权值权值以便以便实现实现所所需要的空需要的空间滤间滤波和波和频频率率滤滤波通常对对算法的基本要求是收算法的基本要求是收敛敛快、快、稳稳定性好、定性好、计计算量不能太大、硬件算量不能太大、硬件实现实现容易目前容易目前己己经经提出的算法有很多，根据提出的算法有很多，根据计计算算权权矢量所必需的参考信矢量所必需的参考信号信息形式大体可分号信息形式大体可分为为三种：三种：时间时间参考方式、盲参考方式、盲处处理方式理方式和空和空间间参考方式参考方式 （（1 1）基于）基于时间时间参考方式的算法参考方式的算法 基于基于时间时间参考方式的算法根据最小均方参考方式的算法根据最小均方误误差准差准则则，利，利用用导导引信号来恢复信号引信号来恢复信号。

这类这类算法收算法收敛敛速度速度较较快，可以快，可以实实现实时现实时跟踪，非常适合多径丰富且信道特性跟踪，非常适合多径丰富且信道特性变变化化剧剧烈的烈的环环境，缺点是需要系境，缺点是需要系统发统发射射训练训练序列，会占用一定的系序列，会占用一定的系统频统频谱资谱资源下面列源下面列举举几种常用的算法几种常用的算法  最小均方最小均方误误差算法（差算法（LMSLMS一一Least Mean SquareLeast Mean Square）基于）基于最小均方最小均方误误差准差准则则，，应应用了梯度估用了梯度估计计的最陡下降原理，适的最陡下降原理，适用于作用于作环环境中信号的境中信号的统计统计特性平特性平稳稳但未知的情况算法迭但未知的情况算法迭代公式如下：代公式如下： （式（式3-293-29）） （式（式3-303-30）） （式（式3-313-31）） 其中其中 ，，为为迭代步迭代步长长，它决定着算法收，它决定着算法收敛敛的速度，取的速度，取值值必必须满须满足足 才能保才能保证证算法收算法收敛敛。

LMSLMS算法的收算法的收敛敛性性态态取决于相关矩取决于相关矩阵阵凡的特征凡的特征结结构，当其特征构，当其特征值值相差很大相差很大时时，，算法收算法收敛敛速度很慢，同速度很慢，同时时受受输输入信号的功率入信号的功率变变化的影响化的影响但是由于算法但是由于算法简简便易于便易于实现实现，它仍然得到了广泛的，它仍然得到了广泛的应应用 为为了减小收了减小收敛敛速度速度对输对输入信号功率的依入信号功率的依赖赖性，可引入性，可引入归归一化技一化技术术，令式上式，令式上式变为变为 （式（式3-323-32）） （式（式3-333-33））  这时这时的算法称的算法称为归为归一化最小均方一化最小均方误误差算法（差算法（NLMS-NLMS-Normaliezd_LMSNormaliezd_LMS），收），收敛敛条件是条件是 。

NLMS NLMS算法根据算法根据输输入信号的功率入信号的功率调调整迭代步整迭代步长长，收，收敛敛速度要比速度要比LMSLMS算法快，但是它的收算法快，但是它的收敛敛性依然取决于相关矩性依然取决于相关矩阵阵的特征的特征结结构 递归递归最小二乘算法（最小二乘算法（RLS-Recursive Least RLS-Recursive Least SquaresSquares）基于最小二乘准）基于最小二乘准则则，利用从算法初始化后得到，利用从算法初始化后得到的所有的所有阵阵列数据信息，用列数据信息，用递递推方法来完成采推方法来完成采样样相关矩相关矩阵阵的的求逆运算求逆运算RLSRLS算法无需直接算法无需直接进进行矩行矩阵阵求逆运算，因而收求逆运算，因而收敛敛速度快，速度快，对对特征特征值值的散布度不敏感，且能的散布度不敏感，且能实现实现收收敛敛速度速度与与计计算复算复杂杂性之性之间间的折衷一般在大信噪比的情况下，的折衷一般在大信噪比的情况下，RLSRLS算法要比算法要比LMSLMS算法的收算法的收敛敛速度快一个数量速度快一个数量级级 （（2 2）基于盲）基于盲处处理方式的算法理方式的算法 基于盲基于盲处处理方式的算法只利用接收信号本身的特征理方式的算法只利用接收信号本身的特征结结构来恢复信号，构来恢复信号，这这些特征些特征结结构包括恒模性、非高斯性、循构包括恒模性、非高斯性、循环环平平稳稳性、有限性、有限码码集特性等。

集特性等这类这类算法通常也称算法通常也称为为盲波束盲波束形成算法，它形成算法，它们们不需要不需要导导引信号，提高了引信号，提高了频谱频谱的利用率，的利用率，可可应应用于不同的用于不同的传传播播环环境缺点是收境缺点是收敛敛性能差，且在复性能差，且在复杂杂信道中可能不收信道中可能不收敛敛或收或收敛敛到干到干扰扰信号在近年来流行的盲信号在近年来流行的盲算法中，恒模算法无需算法中，恒模算法无需时间时间同步，运算复同步，运算复杂杂度相度相对较对较低，低，实现实现起来比起来比较简单较简单 （（3 3）基于空）基于空间间参考方式的算法参考方式的算法 基于空基于空间间参考方式的算法利用参考方式的算法利用阵阵列响列响应应的先的先验验知知识识，，确定同确定同时处时处在空在空间间某一区域内感某一区域内感兴兴趣信号的空趣信号的空间间位置，然位置，然后根据到达角（后根据到达角（DOA-Direction of ArrivalDOA-Direction of Arrival）信息建立最）信息建立最优优波束形成器波束形成器这类这类算法需要算法需要进进行行DOADOA估估计计和波束形成两和波束形成两个个过过程，因此程，因此计计算量大，而且能算量大，而且能够够估估计计出的出的DOADOA的数目受的数目受限于天限于天线阵线阵元的个数。

基于元的个数基于DOADOA估估计计的方法主要有：多重的方法主要有：多重信号分信号分类类算法、旋算法、旋转转不不变变信号参数估信号参数估计计算法、加算法、加权权子空子空间间拟拟合算法、最小范数算法等其中，多重信号分合算法、最小范数算法等其中，多重信号分类类算法以算法以其良好的性能而得到广泛其良好的性能而得到广泛应应用 多重信号分多重信号分类类算法（算法（MUSIC-Multiple Signal MUSIC-Multiple Signal ClassificationClassification）的原理）的原理为为：若天：若天线阵线阵元数比信号源数多，元数比信号源数多，则则天天线线接收的信号分量一定位于一个低秩的子空接收的信号分量一定位于一个低秩的子空间间，在一，在一定条件下，定条件下，这这个子空个子空间间将唯一确定信号的波达方向，并且将唯一确定信号的波达方向，并且可以利用数可以利用数值稳值稳定的奇异定的奇异值值分解来精确确定波达方向分解来精确确定波达方向 MUSIC MUSIC算法在信号源独立且算法在信号源独立且阵阵元数大于信号源数情况元数大于信号源数情况下，有很高分辨率。

但在下，有很高分辨率但在实际实际中，信号都具有一定相关性，中，信号都具有一定相关性，如果相关性比如果相关性比较强时较强时，，MUSICMUSIC算法就不能把信号分离出来，算法就不能把信号分离出来，估估计误计误差也会很大空差也会很大空间间平滑技平滑技术术是是对对付相干或付相干或强强相关信相关信号的有效方法，可以利用它来改号的有效方法，可以利用它来改进进MUSICMUSIC算法，但算法，但这这是以是以牺牺牲牲阵阵列的有效孔径列的有效孔径为为代价的 3.8.4 3.8.4 智能天线的作用智能天线的作用 智能天智能天线线的作用主要有增大覆盖范的作用主要有增大覆盖范围围、提升容量、改善、提升容量、改善链链路路质质量、减小量、减小时时延色散、提高用延色散、提高用户户定位的估定位的估计计等方面 （（1 1）增大覆盖范）增大覆盖范围围 （（2 2）增大容量）增大容量 （（3 3）改善）改善链链路路质质量量 （（4 4）减小）减小时时延色散延色散 （（5 5）提高用）提高用户户定位的估定位的估计计。