智能天線的發(fā)展及在TD-SCDMA中的應(yīng)用

1、智能天線的發(fā)展及在TD-SCDMA中的應(yīng)用    摘要智能天線是在自適應(yīng)濾波和陣列信號(hào)處理技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是通信系統(tǒng)中能通過(guò)調(diào)整接收或發(fā)射特性來(lái)增強(qiáng)天線性能的1種天線。我國(guó)提交的第3代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)TD-SCDMA系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之1就是智能天線技術(shù)，文章詳細(xì)介紹了智能天線的歷史及其發(fā)展，深入分析了智能天線在 TD-SCDMA中的運(yùn)用，最后對(duì)智能天線的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。    1、智能天線的提出 智能天線是在自適應(yīng)濾波和陣列信號(hào)處理技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是通信系統(tǒng)中能通過(guò)調(diào)整接收或發(fā)射特性來(lái)增強(qiáng)天線性能的1

2、種天線。它利用信號(hào)傳輸?shù)目臻g特性，從空間位置及入射角度上區(qū)分所需信號(hào)與干擾信號(hào)，從而控制天線陣的方向圖，達(dá)到增強(qiáng)所需信號(hào)、抑制干擾信號(hào)的目的；同時(shí)它還能根據(jù)所需信號(hào)和干擾信號(hào)位置及入射角度的變化，自動(dòng)調(diào)整天線陣的方向圖，實(shí)現(xiàn)智能跟蹤環(huán)境變化和用戶移動(dòng)的目的，達(dá)到最佳收發(fā)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)“空間濾波”的效果。采用智能天線的目的主要有以下3點(diǎn)：a）通過(guò)提供最佳增益來(lái)增強(qiáng)接收信號(hào)。b）通過(guò)控制天線0點(diǎn)來(lái)抑制干擾。c）利用空間信息增大信道容量。 最早的智能天線是出現(xiàn)在20世紀(jì)50年代的旁瓣對(duì)消天線，這種天線包含1個(gè)用于接收有用信號(hào)的高增益天線和1個(gè)或幾個(gè)用于抑制旁瓣的低增益、寬波束天線。將幾個(gè)這樣的環(huán)路組

3、合成陣列天線，就構(gòu)成自適應(yīng)天線。隨著陣列信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，與智能天線有關(guān)的術(shù)語(yǔ)也越來(lái)越多，如智能天線（intelligent antenna）、相控陣（phased arrays）、空分多址（SDMA）、空間處理（spatial processing）、數(shù)字波束形成（digital beam forming）、自適應(yīng)天線系統(tǒng)（adaptive antenna system）等，反映了智能天線系統(tǒng)技術(shù)的多個(gè)不同的方面。但總的來(lái)說(shuō)，智能天線主要包含兩類：開(kāi)關(guān)波束系統(tǒng)和自適應(yīng)陣列系統(tǒng)。兩者中，只有自適應(yīng)陣列系統(tǒng)能夠在為有用信號(hào)提供最佳增益的同時(shí)，識(shí)別、跟蹤和最小化干擾信號(hào)。 2、智能天線的發(fā)展現(xiàn)狀

4、 早期智能天線的研究主要集中在軍事領(lǐng)域，尤其是雷達(dá)領(lǐng)域，目的是在復(fù)雜的電磁環(huán)境中有效地識(shí)別和跟蹤目標(biāo)。隨后，智能天線在信道擴(kuò)容和提高通信質(zhì)量等方面具備的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)吸引了眾多的專家學(xué)者，日本、歐洲和美國(guó)的許多研究機(jī)構(gòu)都相繼開(kāi)展了針對(duì)智能天線的眾多研究計(jì)劃，這也為智能天線的迅速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 2.1日本的智能天線發(fā)展 日本最早開(kāi)始智能天線的研究是在20世紀(jì)70年代。到1987年，研究人員已經(jīng)指出基于最小均方誤差（MMSE）準(zhǔn)則的自適應(yīng)天線能夠減小多徑衰落，因而可以用于高速移動(dòng)通信應(yīng)用中。自此，日本學(xué)者展開(kāi)了大量的針對(duì)移動(dòng)通信環(huán)境的智能天線研究，包括自適應(yīng)處理算法、數(shù)字波束形成方案、WCDMA 中的

5、多址干擾抑制方法，以及基站和移動(dòng)終端上分別適用的智能天線類型等。其中，較早的有日本郵政電信部通信研究實(shí)驗(yàn)室的智能天線系統(tǒng)和NTT- DoCoMo公司研制的用于3G的UMTS W-CDMA體制的智能天線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。前者工作于1.5 GHz，針對(duì)TDMA方式采用GMSK調(diào)制，數(shù)碼率可達(dá)256 kbps。系統(tǒng)利用4陣元天線進(jìn)行多徑時(shí)延對(duì)消以消除多徑衰落，權(quán)值更新采用恒模（CMA）算法在東京進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明：自適應(yīng)天線技術(shù)在無(wú)線高速數(shù)據(jù)傳輸和存在選擇衰落的情況下仍能很好地對(duì)消多徑時(shí)延信號(hào)。后者則采用2D-RAKE接收機(jī)結(jié)合MMSE自適應(yīng)波束形成算法進(jìn)行處理。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有3個(gè)小區(qū)基站用以評(píng)估切換和其他的網(wǎng)絡(luò)功

6、能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，就平均誤碼率（BER）而言，智能天線比空間分集有明顯改善。 此外，日本ATR光電通信研究所也研制了基于波束空間處理方式的多波束智能天線。天線陣元布局為間距半波長(zhǎng)的16陣元平面方陣，射頻工作頻率是 1.545GHz。陣元組件接收信號(hào)在經(jīng)過(guò)低噪聲放大、下變頻和模數(shù)變換后，進(jìn)行快速傅氏變換（FFT）處理，形成正交波束后分別采用恒模（CMA）算法或最大比值合并分集（MRC）算法。野外移動(dòng)試驗(yàn)確認(rèn)了采用恒模算法的多波束天線功能。理論分析及實(shí)驗(yàn)證明使用最大比值合并算法可以提高多波束天線在波束交叉部分的增益。在此基礎(chǔ)上，ATR的研究人員提出了基于智能天線的軟件天線概念：根據(jù)用戶所處環(huán)境不同

7、，影響系統(tǒng)性能的主要因素（如噪聲、同信道干擾或符號(hào)間干擾）也不同，利用軟件方法實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境應(yīng)用不同算法。比如當(dāng)噪聲是主要因素時(shí)，則使用多波束MRC算法，而當(dāng)同信道干擾是主要因素時(shí)則使用多波束 CMA算法，以此提供算法分集，利用FPGA實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)天線配景，完成智能處理。 隨后，ATR研究所又針對(duì)移動(dòng)通信中移動(dòng)終端上適用的智能天線形式進(jìn)行了大量探討，最終提出了單端口電激勵(lì)的ESPAR天線。該天線巧妙地利用了各陣元之間的耦合，在天線處實(shí)現(xiàn)了空間濾波。 2.4 軟開(kāi)關(guān)技術(shù) 高頻化以后，為了提高開(kāi)關(guān)電源的效率，必須開(kāi)發(fā)和應(yīng)用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。它是過(guò)去幾10年國(guó)際電源界的1個(gè)研究熱點(diǎn)。 PWM開(kāi)關(guān)電源按硬開(kāi)關(guān)模式

8、工作（開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓下降上升和電流上升下降波形有交疊），因而開(kāi)關(guān)損耗大。高頻化雖可以縮小體積重量，但開(kāi)關(guān)損耗卻更大了。為此，必須研究開(kāi)關(guān)電壓電流波形不交疊的技術(shù)，即所謂0電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）0電流開(kāi)關(guān)（ZCS）技術(shù)，或稱軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，小功率軟開(kāi)關(guān)電源效率可提高到800%85%。上世紀(jì)70年代諧振開(kāi)關(guān)電源奠定了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)。隨后新的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如準(zhǔn)諧振（上世紀(jì)80年代中）全橋移相ZVS -PWM，恒頻ZVS-PWMZCS-PWM（上世紀(jì)80年代末）ZVS-PWM有源嵌位；ZVT-PWMZCT-PWM（上世紀(jì)90年代初）全橋移相ZV-ZCS-PWM（上世紀(jì)90年代中）等。我國(guó)已將最新軟開(kāi)關(guān)

9、技術(shù)應(yīng)用于6kW通信電源中，效率達(dá)93。 2.5 同步整流技術(shù) 對(duì)于低電壓、大電流輸出的軟開(kāi)關(guān)變換器，進(jìn)1步提高其效率的措施是設(shè)法降低開(kāi)關(guān)的通態(tài)損耗。例如同步整流（SR）技術(shù)，即以功率MOS管反接作為整流用開(kāi)關(guān)2極管，代替蕭特基2極管（SBD），可降低管壓降，從而提高電路效率。 2.6 功率因數(shù)校正（PFC）變換器 由于ACDC變換電路的輸入端有整流器件和濾波電容，在正 弦電壓輸入時(shí)，單相整流電源供電的電子設(shè)備，電網(wǎng)側(cè)（交流輸入端）功率因數(shù)僅為0.6-0.65。采用功率因數(shù)校正（PFC）變換器，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可提高到0.950.99，輸入電流THD<10。既治理了對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，又提高了

10、電源的整體效率。這1技術(shù)稱為有源功率因數(shù)校正（APFC），單相APFC國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)較早，技術(shù)已較成熟；3相APFC的拓?fù)漕愋秃涂刂撇呗噪m然已經(jīng)有很多種，但還有待繼續(xù)研究發(fā)展。 高功率因數(shù)ACDC開(kāi)關(guān)電源，由兩級(jí)拓?fù)浣M成，對(duì)于小功率ACDC開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，采用兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總體效率低、成本高。如果對(duì)輸入端功率因數(shù)要求不特別高時(shí)，將PFC變換器和后級(jí)DCDC變換器組合成1個(gè)拓?fù)?，?gòu)成單級(jí)高功率因數(shù)ACDC開(kāi)關(guān)電源，只用1個(gè)主開(kāi)關(guān)管，可使功率因數(shù)校正到0.8 以上，并使輸出直流電壓可調(diào)，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)稱為單管單級(jí)PFC變換器。 2.7 全數(shù)字化控制 電源的控制已經(jīng)由模擬控制，模數(shù)混合控制，進(jìn)入到全數(shù)字控制階

11、段。全數(shù)字控制是發(fā)展趨勢(shì)，已經(jīng)在許多功率變換設(shè)備中得到應(yīng)用。 全數(shù)字控制的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)字信號(hào)與混合模數(shù)信號(hào)相比可以標(biāo)定更小的量，芯片價(jià)格也更低廉；對(duì)電流檢測(cè)誤差可以進(jìn)行精確的數(shù)字校正，電壓檢測(cè)也更精確；可以實(shí)現(xiàn)快速，靈活的控制設(shè)計(jì)。 近兩年來(lái)，高性能全數(shù)字控制芯片已經(jīng)開(kāi)發(fā)，費(fèi)用也已降到比較合理的水平，歐美已有多家公司開(kāi)發(fā)并制造出開(kāi)關(guān)變換器的數(shù)字控制芯片及軟件。 2.8 電磁兼容性 高頻開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容（EMC）問(wèn)題有其特殊性。功率半導(dǎo)體器件在開(kāi)關(guān)過(guò)程中所產(chǎn)生的didt和dvdt，將引起強(qiáng)大的傳導(dǎo)電磁干擾和諧波干擾，以及強(qiáng)電磁場(chǎng)（通常是近場(chǎng)）輻射。不但嚴(yán)重污染周圍電磁環(huán)境，對(duì)附近的電氣設(shè)備造成電磁

12、干擾，還可能危及附近操作人員的安全。同時(shí)，電力電子電路（如開(kāi)關(guān)變換器）內(nèi)部的控制電路也必須能承受開(kāi)關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的EMI及應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)電磁噪聲的干擾。上述特殊性，再加上EMI測(cè)量上的具體困難，在電力電子的電磁兼容領(lǐng)域里，存在著許多交叉學(xué)科的前沿課題有待人們研究。國(guó)內(nèi)外許多大學(xué)均開(kāi)展了電力電子電路的電磁干擾和電磁兼容性問(wèn)題的研究，并取得了不少可喜成果。 2.9 設(shè)計(jì)和測(cè)試技術(shù) 建模、仿真和CAD是1種新的設(shè)計(jì)研究工具。為了仿真電源系統(tǒng)，首先要建立仿真模型，包括電力電子器件、變換器電路、數(shù)字和模擬控制電路以及磁元件和磁場(chǎng)分布模型等，還要考慮開(kāi)關(guān)管的熱模型、可靠性模型和EMC模型。各種模型差別很大，建模的發(fā)

13、展方向是數(shù)字1模擬混合建模、混合層次建模以及將各種模型組成1個(gè)統(tǒng)1的多層次模型等。 電源系統(tǒng)的CAD，包括主電路和控制電路設(shè)計(jì)、器件選擇、參數(shù)最優(yōu)化、磁設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、EMI設(shè)計(jì)和印制電路板設(shè)計(jì)、可靠性預(yù)估、計(jì)算機(jī)輔助綜合和優(yōu)化設(shè)計(jì)等。用基于仿真的專家系統(tǒng)進(jìn)行電源系統(tǒng)的CAD，可使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能最優(yōu)，減少設(shè)計(jì)制造費(fèi)用，并能做可制造性分析，是21世紀(jì)仿真和CAD技術(shù)的發(fā)展方向之1。此外，電源系統(tǒng)的熱測(cè)試、EMI測(cè)試、可靠性測(cè)試等技術(shù)的開(kāi)發(fā)、研究與應(yīng)用也是應(yīng)大力發(fā)展的。 2.10 系統(tǒng)集成技術(shù) 電源設(shè)備的制造特點(diǎn)是非標(biāo)準(zhǔn)件多、勞動(dòng)強(qiáng)度大、設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、成本高、可靠性低等，而用戶要求制造廠生產(chǎn)的電源產(chǎn)品更加實(shí)用、可靠性更高、更輕小、成本更低。這些情況使電源制造廠家承受巨大壓力，迫切需要開(kāi)展集成電源模塊的研究開(kāi)發(fā)，使電源產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、可制造性、規(guī)模生產(chǎn)、降低成本等目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。 實(shí)際上，在電源集成技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程中，已經(jīng)經(jīng)歷了電力半導(dǎo)體器件模塊化，功率與控制電路的集成化，集成無(wú)源元件（包括磁集成技術(shù)）等發(fā)展階段。近年來(lái)的發(fā)展方向是將小功率電源系統(tǒng)集成在1個(gè)芯片上，可以使電源產(chǎn)品更為緊湊，體積更小，也減小了引線長(zhǎng)度，從而減小了寄生參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)1體化，所有元器件連同控制保護(hù)集成在1個(gè)模塊中。 上世紀(jì)90年