陣列導(dǎo)向矢量在智能天線自適應(yīng)算法中的應(yīng)用

惠鵬飛,夏 穎,陶佰睿,苗鳳娟

（齊齊哈爾大學(xué)通信與電子工程學(xué)院,黑龍江齊齊哈爾 161006）

陣列導(dǎo)向矢量在智能天線自適應(yīng)算法中的應(yīng)用

惠鵬飛,夏 穎,陶佰睿,苗鳳娟

（齊齊哈爾大學(xué)通信與電子工程學(xué)院,黑龍江齊齊哈爾 161006）

分析了智能天線自適應(yīng)算法的基本原理,針對(duì)常用算法運(yùn)算量大和測(cè)向精度有限等問(wèn)題,在接收機(jī)的輸出端引入陣列導(dǎo)向矢量信號(hào),利用方向性因子和協(xié)方差矩陣的特殊性質(zhì),通過(guò)多次迭代運(yùn)算得出區(qū)間內(nèi)的信干噪比曲線。通過(guò)對(duì)八元直線型智能天線陣列的HFSS仿真實(shí)驗(yàn)表明,兩組信干噪比曲線峰值均對(duì)應(yīng)期望信號(hào)方向,峰值信干噪比大于30 dB,算法抗干擾性能良好。八元陣列天線的最大增益約為18 dB,通帶內(nèi)駐波比小于1.5,反射系數(shù)小于-25 dB,天線系統(tǒng)波束搜索性能良好,而且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。

智能天線;自適應(yīng)算法;陣列導(dǎo)向矢量;波束搜索

1 引 言

智能天線技術(shù)是TD-SCDMA系統(tǒng)的核心技術(shù)之一,基站采用智能天線系統(tǒng),可以在不顯著增加系統(tǒng)復(fù)雜度的情況下,利用數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)波束形成。智能天線除了可以大幅提高系統(tǒng)容量和頻譜利用率之外,另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是良好的抗干擾性能[1]。影響智能天線系統(tǒng)抗干擾能力的因素有許多,自適應(yīng)算法的抗干擾性能對(duì)整個(gè)天線系統(tǒng)的抗干擾能力有著決定性的影響。對(duì)于采用智能天線的TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)基站,人們期望天線系統(tǒng)具有高的信干噪比（SINR）和較強(qiáng)的波束搜索能力,以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境噪聲的有效抑制及對(duì)移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行有效的定位和捕獲。

本文在對(duì)原有智能天線波束搜索算法的研究基礎(chǔ)上,分析了制約智能天線自適應(yīng)算法抗干擾能力的因素,通過(guò)引入陣列導(dǎo)向矢量信號(hào),利用陣列導(dǎo)向矢量及其協(xié)方差矩陣的特殊性質(zhì),得出了改進(jìn)后的自適應(yīng)算法,有效簡(jiǎn)化了信號(hào)來(lái)波方向估計(jì)過(guò)程,提高了天線系統(tǒng)的波束搜索能力和抗干擾能力,利用HFSS和MATLAB驗(yàn)證了該算法的可行性。

2 陣列天線波束基本原理

智能陣列天線在結(jié)構(gòu)上已經(jīng)采用了模塊化設(shè)計(jì),大體分為天線陣列、模/數(shù)或者數(shù)/模轉(zhuǎn)換、自適應(yīng)處理器和波束成形網(wǎng)絡(luò)4部分組成。圖1是智能天線系統(tǒng)框圖,信號(hào)x（t）經(jīng)天線接收,然后與權(quán)矢量w相乘,以調(diào)整各通道接收信號(hào)的相位和幅度,最后對(duì)加權(quán)信號(hào)后的信號(hào)求和,得到陣列輸出y（t）,其中信號(hào)x（t）和權(quán)矢量w是復(fù)數(shù)[2]。

圖1 智能天線系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Block diagram of smart antenna system

3 波束搜索算法的改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.1 波束搜索算法存在的問(wèn)題

目前常用的超分辨DOA估計(jì)方法是MUSIC算法,屬于特征結(jié)構(gòu)子空間算法,是比較典型的智能天線算法。MUSIC算法是以幾何觀點(diǎn)考查信號(hào)參數(shù)估計(jì)的問(wèn)題,假設(shè)有K個(gè)信號(hào)入射到陣列上,則M元陣列接收到的輸人數(shù)據(jù)向量可以表示為K個(gè)入射波形與噪聲的線性組合[5],即:

式中,Sk（t）=[s1（t）,s2（t）,s3（t）,…,sk（t）]是入射信號(hào)向量;n（t）=[n1（t）,n2（t）,n3（t）,…,nk（t）]是噪聲向量。綜合上述分析可知,只有事先知道信號(hào)來(lái)波的方向矢量,才能得出最優(yōu)權(quán)值矢量Ud,在TD-SCDMA等3G基站天線工程領(lǐng)域是通過(guò)測(cè)向的方法獲得接收信號(hào)的方向矢量,一般的測(cè)向算法通常運(yùn)算量較大,測(cè)向精度也受到諸多因素的限制。在許多場(chǎng)合,測(cè)向誤差又是不可避免的,測(cè)向算法的復(fù)雜性和測(cè)向誤差之間形成了一對(duì)矛盾,測(cè)向誤差如果超過(guò)門限值,將導(dǎo)致智能天線陣列無(wú)法正常工作,這是許多學(xué)者著力研究的問(wèn)題。

3.2 陣列導(dǎo)向矢量的引入

導(dǎo)向矢量是陣列天線的所有陣元對(duì)具有單位能量窄帶信源的響應(yīng)。由于陣列響應(yīng)在不同方向上是不同的,導(dǎo)向矢量與信源的方向是相互關(guān)聯(lián)的,這種關(guān)聯(lián)的獨(dú)特性依賴于陣列的幾何結(jié)構(gòu)。對(duì)于同一性陣元陣列,導(dǎo)向矢量的每一元素具有單位幅度。它的第i個(gè)元素的相位與第i個(gè)陣元感應(yīng)的信號(hào)與參考陣元感應(yīng)的信號(hào)間的相位差相同。

導(dǎo)向矢量的協(xié)方差矩陣為

圖2 引入陣列導(dǎo)向矢量的智能天線陣列Fig.2 Smart antenna arrays with introduction of array steering vector

結(jié)合上面的分析,將導(dǎo)向矢量信號(hào)引入智能天線陣列系統(tǒng),對(duì)上述自適應(yīng)算法稍作改進(jìn),構(gòu)造如圖2所示的智能天線陣列。具體實(shí)現(xiàn)方法是,在接收機(jī)輸出端的信噪比檢測(cè)和自適應(yīng)處理器之間引入陣列導(dǎo)向矢量信號(hào) V,方向性因子X(jué)v（t）和陣列導(dǎo)向矢量 V的關(guān)系如式（9）:

4 算法的驗(yàn)證及分析

4.1 抗干擾性能驗(yàn)證

SINR曲線是衡量智能天線陣列抗干擾能力的最主要指標(biāo)。為了驗(yàn)證文中所提出算法的抗干擾性能,我們對(duì)智能陣列天線進(jìn)行了電磁仿真實(shí)驗(yàn),程序運(yùn)行環(huán)境為MATLAB和HFSS,在HFSS環(huán)境下構(gòu)建的八元直線型智能天線如圖3所示。

圖3 直線型智能天線HFSS模型Fig.3HFSS model of linear smart antenna

在驗(yàn)證系統(tǒng)的抗干擾過(guò)程中,可以利用語(yǔ)音端點(diǎn)檢測(cè)方法和誤碼率檢測(cè)方法,誤碼率檢測(cè)法適用于數(shù)字接收機(jī)系統(tǒng)。這里我們假定系統(tǒng)是常見(jiàn)的模擬語(yǔ)音系統(tǒng),利用語(yǔ)音端點(diǎn)檢測(cè)的方法檢測(cè)信干噪比是否達(dá)到峰值。為了得出智能天線陣系統(tǒng)輸出端的SINR參數(shù)曲線,這里設(shè)定到達(dá)接收天線的期望信號(hào)為連續(xù)信號(hào),其角頻率為 ωd,入射信號(hào)和天線陣列側(cè)射方向的夾角為 θd。陣元之間相距為半波長(zhǎng)（相對(duì)于頻率 ωd）。迭代步長(zhǎng)盡量小,有利于提高運(yùn)算精度,這里選擇step=0.5°。

為了充分驗(yàn)證算法的抗干擾性能,我們?cè)谌缦聝煞N初始條件下得出兩組SINR輸出曲線,仿真運(yùn)算環(huán)境為MATLAB。

（1）試驗(yàn)一

初始條件:天線陣列為直線陣列,單元天線為印刷陣子天線結(jié)構(gòu),期望信號(hào)入射角度為-15°,干擾信號(hào)入射角度為85°,干擾功率與期望信號(hào)功率之比為40 dB,假定噪聲為窄帶隨機(jī)過(guò)程,經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算所得的SINR結(jié)果如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)一結(jié)果信干噪比曲線Fig.4 SINR curves of test 1

（2）試驗(yàn)二

初始條件:天線陣列為直線陣列,單元天線為印刷陣子天線結(jié)構(gòu),期望信號(hào)入射角度為25°,干擾信號(hào)入射角度為75°,干擾功率與期望信號(hào)功率之比為60 dB。仍然假定噪聲為窄帶的隨機(jī)過(guò)程,經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算所得的SINR結(jié)果如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)二結(jié)果信干噪比曲線Fig.5 SINR curves of test 2

通過(guò)仿真曲線可以看出,兩組信干噪比曲線圖均出現(xiàn)一個(gè)很尖銳的最大峰值,雖然峰值出現(xiàn)的位置不同,但該峰值均對(duì)應(yīng)來(lái)波信號(hào)方向（期望信號(hào)方向）,這說(shuō)明該智能天線系統(tǒng)能夠搜索到來(lái)波方向,改進(jìn)后的自適應(yīng)算法是可行的。當(dāng)在輸出端SINR值達(dá)到最大值時(shí)迭代計(jì)算結(jié)束,此時(shí),自適應(yīng)陣的方向圖主瓣（主波束）就對(duì)準(zhǔn)了期望信號(hào)來(lái)波方向。最大值波峰非常尖銳（一般高出其它值50～60 dB）,天線的方向性良好。

4.2 波束搜索性能驗(yàn)證

在TD-SCDMA系統(tǒng)的SDMA（空分多址）技術(shù)中,要求天線陣列方向圖的主瓣自適應(yīng)對(duì)準(zhǔn)MS（移動(dòng)臺(tái)）,控制系統(tǒng)一般采用具有高速數(shù)據(jù)運(yùn)算能力的DSP芯片實(shí)現(xiàn)。為了驗(yàn)證智能天線對(duì)移動(dòng)臺(tái)的波束搜索能力,即天線系統(tǒng)對(duì)MS的捕獲能力,利用HFSS建立了基于上述自適應(yīng)算法的天線物理模型,定義了天線體的材料參數(shù),設(shè)置了電磁場(chǎng)邊界條件和激勵(lì)源,利用HFSS提供的宏定義優(yōu)化天線的尺寸,天線單元采用印刷陣子的結(jié)構(gòu),通過(guò)微帶網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)。通過(guò)數(shù)據(jù)后處理工作得到方向圖、近遠(yuǎn)場(chǎng)增益方向圖、S參數(shù)、VSWR等特性曲線,分別如圖6～9所示。

圖6 全向電場(chǎng)方向圖Fig.6 Omnidirectional electric field pattern

圖7 全向增益方向圖Fig.7 Omnidirectional gain pattern

圖8 S參數(shù)曲線Fig.8 S parameter curve

圖9 電壓駐波比曲線Fig.9 VSWR curve

對(duì)于陣列天線系統(tǒng)的波束搜索能力,我們可以通過(guò)分析天線系統(tǒng)的全向方向圖、主瓣寬度、方向性等參數(shù)來(lái)判斷。通過(guò)上述仿真曲線可以看出,天線工作在S頻段,主瓣方向上電場(chǎng)強(qiáng)度E的最大值可達(dá)62 V,最大增益約為18 dB,可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離覆蓋。主瓣寬度非常窄,方向性非常強(qiáng),配合DSP控制器,可以對(duì)移動(dòng)臺(tái)等目標(biāo)進(jìn)行有效探測(cè)和追蹤,實(shí)現(xiàn)空分多址,通帶內(nèi)駐波比V SWR<1.5,反射系數(shù)S11<-25 dB,可以滿足實(shí)際天線工程需要。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文將陣列導(dǎo)向矢量信號(hào)引入智能天線接收機(jī)的反饋系統(tǒng),得出了改進(jìn)后的智能天線自適應(yīng)算法。根據(jù)導(dǎo)向矢量信號(hào)和期望信號(hào)的方向矢量之間的固有關(guān)系以及最大SINR準(zhǔn)則,通過(guò)內(nèi)積和迭代的方法得出區(qū)間內(nèi)的信干噪比值。利用MATLAB和HFSS驗(yàn)證了算法的性能,仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,改進(jìn)后的自適應(yīng)算法具有良好的抗干擾性能和波束搜索能力。本文的研究結(jié)果表明,將陣列導(dǎo)向矢量信號(hào)引入智能天線系統(tǒng)的接收機(jī),可以明顯簡(jiǎn)化來(lái)波方向估計(jì)過(guò)程,天線系統(tǒng)的綜合性能得到了提高,滿足TDSCDMA移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)基站智能天線的性能要求。

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Application of Array Steering Vector in Adaptive Algorithm for Smart Antenna

HUI Peng-fei,XIA Ying,TAO Bai-rui,MIAO Feng-juan
（School of Communication and Electronic Engineering,Qiqihar University,Qiqihar 161006,China）

Basic principle of adaptive algorithm for smart antenna is analysed.In allusion to the large computing burden and limited measurement precision of the common algorithm,the array steering vector signals are introduced through the receiver output.Using the special nature of the direction factor and the covariance matrix,the curve of interval SINR is obtained by repeated iteration.HFSS simulation experiments of 8-element array show both two peak valuesof the SINR curves are corresponding to the direction of the desired signals.And the SINRof peak values are greater than 30 dB.The algorithm has good anti-jamming ability.Maximum gain of the 8-element array isabout 18 dB.The passband VSWR is less than 1.5.The reflection coefficient is less than-25 dB.The antenna beam search performance is good and it can realize the long-distance transmission.

smart antenna;adaptive algorithm;array steering vector;beam search

Heilongjiang Provincial Education Department Project（No.10541262）;Qiqihar Scientific and Technology Bureau Project（No.GYGG-09011-2）

TN821

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2010.11.022

1001-893X（2010）11-0104-06

2010-07-28;

2010-09-17

黑龍江省教育廳資助項(xiàng)目（10541262）;齊齊哈爾市科技局資助項(xiàng)目（GYGG-09011-2）

惠鵬飛（1980-）,男,遼寧凌源人,分別于2003年、2007年獲遼寧工業(yè)大學(xué)工學(xué)學(xué)士和碩士學(xué)位,現(xiàn)為講師,主要研究方向?yàn)槔走_(dá)極化信息處理技術(shù)、微波無(wú)源器件及電路設(shè)計(jì)等;

HUI Peng-fei was born in Lingyuan,Liaoning Province,in 1980.He

the B.S.degree and the M.S.degree from Liaoning Industry University in 2003 and 2007,respectively.He is now a lecturer.His research interests include polarization radar information processing,microwave passive components and circuit design.

Email:weibo505@yahoo.cn

夏 穎（1973-）,女,黑龍江齊齊哈爾人,于1996年獲齊齊哈爾大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位,2007年獲天津大學(xué)碩士學(xué)位,現(xiàn)為副教授,主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代移動(dòng)多媒體通信技術(shù);

XIA Ying was born in Qiqihar,Heilongjiang Province,in1973.She received the B.S.degree and the M.S.degree from Qiqihar University and Tian jin University in 1996 and 2007,respectively.She is now an associate professor.Her research direction is modern mobile multimedia communications technology.

陶佰睿（1972-）,男,黑龍江齊齊哈爾人,2010年于華東師范大學(xué)獲博士學(xué)位,現(xiàn)為副教授,主要研究方向?yàn)樾滦图{米材料及燃料電池技術(shù);

TAO Bai-rui was born in Qiqihar,Heilongjiang Province,in 1972.He received the Ph.D.degree from East China Normal University in 2010.He is now an associate p rofessor.His research direction is new nano-materials and fuel cell technology.

苗鳳娟（1982-）,女,黑龍江齊齊哈爾人,2010年于華東師范大學(xué)獲博士學(xué)位,現(xiàn)為講師,主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代光電傳感器技術(shù)。

MIAO Feng-juan was born in Qiqihar,Heilongjiang Province,in 1982.She received the Ph.D.degree from East China Normal University in 2010.She is now a lecturer.Her research direction is modern optical sensor technology.