智能天線陣列的誤差分析建模與校準(zhǔn)算法

田 怡

（武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢430073）

1 概 述

智能天線是由陣列天線構(gòu)成的。其基本結(jié)構(gòu)由天線陣列、波束形成網(wǎng)絡(luò)、A／D或D／A轉(zhuǎn)換三個部分構(gòu)成。基本原理是采用基帶數(shù)字信號處理的方法，接收時根據(jù)天線接收準(zhǔn)則能自動調(diào)整天線的陣元，使其幅度和相位加權(quán)，從而產(chǎn)生空間定向波束。對于空間響應(yīng)而言，自適應(yīng)天線陣列相當(dāng)于一個空間濾波器，調(diào)整天線主波束即為最大增益點對準(zhǔn)用戶信號的到達(dá)方向，而旁瓣或零陷則對準(zhǔn)干擾信號的到達(dá)方向。這樣，有用的信號能夠得到最大增益，而干擾有效減少，減少了通信系統(tǒng)中多徑效應(yīng)的影響。智能天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能天線模型

2 波束控制理論

波速成形理論已成為廣泛研究的熱點，目前主要是通過自適應(yīng)算法進(jìn)行波束控制，算法準(zhǔn)則主要包括：最小均方誤差準(zhǔn)則（MMSE）、最大信噪比準(zhǔn)則（MSNR）、最小方差準(zhǔn)則（MV）。

3 誤差分析與建模

本文在波束成形理論的基礎(chǔ)上，研究陣列誤差問題。陣列誤差一般可分為時變誤差和非時變誤差。時變誤差形成的原因是陣列硬件構(gòu)成問題，陣元通道的構(gòu)成有放大器、濾波器，它們的幅度和相位特性會隨著溫度變化或者器件的老化現(xiàn)象而發(fā)生變化。非時變誤差則是由于陣元的構(gòu)成問題形成，主要有陣元通道的幅度和相位誤差以及陣元間的互耦，陣元方向圖誤差和陣元位置誤差。時變誤差必須在系統(tǒng)工作時實時在線校正，非時變誤差可以離線校正。

具體校正陣列誤差的方法分為三類。第一類為自校正，這種方法通過非線性優(yōu)化算法，計算量大，通過迭代算法實現(xiàn)波達(dá)方向（DOA）和誤差的同時估計；不利于實現(xiàn)，有可能碰到收斂到局部極小點情況。第二類方法為先測量實際的陣列流型，相對前者，這種方法較為可靠，但由于測量數(shù)據(jù)多，必須有大量的空間存儲器，既要提高DOA精度，又可以使用陣列流型內(nèi)插的方法。由于誤差，實際使用中的陣列流型會喪失特殊的陣列結(jié)構(gòu)特性，這會使得DOA估計受到限制，原因正是這種特殊的陣列結(jié)構(gòu)構(gòu)成的算法造成。第三類方法是通過測量出的誤差建立模型，從而使實際的陣列流型和理想流型之間通過模型的數(shù)學(xué)處理方法恢復(fù)理想情況。

4 天線校準(zhǔn)

除了誤差分析，還采用天線校準(zhǔn)的方法，比如智能天線應(yīng)用于TD－LTE系統(tǒng)中，信令的發(fā)送是通過高層發(fā)送而來的，可先由MAC層通知物理層進(jìn)行天線校準(zhǔn)。天線校準(zhǔn)的目的是補(bǔ)償，發(fā)送天線和接收天線之間存在的相位和幅度差，都通過校準(zhǔn)來補(bǔ)償，在此過程中可以發(fā)現(xiàn)物理通道中哪些地方出現(xiàn)異常。在前文描述的耦合天線陣中，有兩種功能的天線，一個是工作天線，一個是校準(zhǔn)天線。工作天線的作用為發(fā)送和接收接口信號，校準(zhǔn)天線用來校準(zhǔn)天線單元。發(fā)送天線校準(zhǔn)時，校準(zhǔn)天線處于接收狀態(tài)，工作天線處于發(fā)送狀態(tài)；接收天線校準(zhǔn)時，校準(zhǔn)天線處于發(fā)送狀態(tài)，工作天線處于接收狀態(tài)。

對于兩種天線而言，工作方式和基本原理是相同的。區(qū)別在于校準(zhǔn)天線工作時，是以時分方式依次發(fā)送校準(zhǔn)信號，前一路信號發(fā)送完之后，再發(fā)送第二路信號，接收端也是通過校準(zhǔn)通道對信號依次接收，一旦接收到一路信號即開始計算該通道的信道系數(shù)。

在成形時，利用空間信道的強(qiáng)相關(guān)性和波的干涉原理，產(chǎn)生強(qiáng)方向性的輻射方向圖，達(dá)到提高信噪比，增大系統(tǒng)容量的目的，同時能提高覆蓋范圍，但這種方法對精確度有較高的要求。

5 實驗分析

基于以上分析算法，搭建智能天線實驗平臺（如圖2），實驗平臺由天線陣列、射頻前端、數(shù)據(jù)采集卡和PC機(jī)這些部分組成。從結(jié)構(gòu)圖分析，信號經(jīng)天線陣列到射頻前端然后變換到中頻，信號數(shù)字化，最后變?yōu)榈皖l基帶信號，數(shù)據(jù)通過PCI接口傳送到PC機(jī)來處理。

圖2 智能天線實驗平臺框圖

6 結(jié) 論

本文在智能天線實驗平臺上對陣列誤差的校正算法進(jìn)行了實驗驗證。通過與方位無關(guān)的校正矩陣校正之后，各陣元通道的復(fù)增益趨于一致，波達(dá)方向（DOA）估計精度也在誤差允許范圍之內(nèi)。結(jié)果表明，這種陣列誤差校正方法是行之有效的。

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