[信息與通信]智能天線冉光福ppt課件

1、自適應(yīng)濾波、智能天線及硬件實現(xiàn)自適應(yīng)濾波、智能天線及硬件實現(xiàn)主要內(nèi)容 一、自適應(yīng)濾波簡介 二、智能天線介紹 三、智能天線的硬件構(gòu)造及實現(xiàn)一、自適應(yīng)濾波簡介一、自適應(yīng)濾波簡介 1、自適應(yīng)濾波原理背景、自適應(yīng)濾波原理背景 自適應(yīng)濾波是近40年開展起來的信號處理理論的一個新分支，它是研究一類構(gòu)造可變或可以調(diào)整的系統(tǒng)，它可以通過自身與外界環(huán)境的接觸來改善自身對信號處理的性能。在輸入過程的統(tǒng)計特性未知時，或是輸入過程的統(tǒng)計特性變化時，它可以調(diào)整自己的參數(shù)，以滿足某種最正確準(zhǔn)那么的要求。隨著人們在該領(lǐng)域研究的不斷深化，自適應(yīng)信號處理的理論和技術(shù)日趨完善，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。其原理圖如下： 2.算法原理

2、算法原理1自適應(yīng)濾波器構(gòu)造自適應(yīng)濾波器構(gòu)造 自適應(yīng)濾波器可以使用許多不同構(gòu)造來實現(xiàn)。構(gòu)造的選取會影響到處理的計算復(fù)雜度，還會對到達(dá)期望性能標(biāo)準(zhǔn)所需的迭代次數(shù)產(chǎn)生影響。從根本上講，主要有兩類自適應(yīng)濾波器構(gòu)造根據(jù)沖激響應(yīng)劃分，即有限長沖激響應(yīng)FIR濾波器和無限長沖激響應(yīng)IIR濾波器。FIR濾波器通常利用非遞歸構(gòu)造來實現(xiàn)，應(yīng)用最廣泛的為橫向濾波器，又稱為抽頭延遲線，利用正規(guī)直接形式實現(xiàn)全零點傳輸函數(shù)，而不采用反響環(huán)節(jié)，輸出信號yk是濾波系數(shù)的線性組合；而IIR濾波器那么利用遞歸構(gòu)造來實現(xiàn)，采用得最多的構(gòu)造是標(biāo)準(zhǔn)直接形式構(gòu)造。2自適應(yīng)算法介紹自適應(yīng)算法介紹 所謂算法就是為了使某個預(yù)先確定的準(zhǔn)那么到達(dá)最

3、小化，而自適應(yīng)地調(diào)整濾波器系數(shù)的方法，通過定義搜索方法或者最小化算法、目的函數(shù)即代價函數(shù)和誤差信號的特性來確定。在自適應(yīng)過程中，自適應(yīng)算法試圖使目的函數(shù)F最小化，從而使得輸出信號yk與期望信號dk近似相等，從而濾波器中的參數(shù)收斂到一定值。 使函數(shù)F最小化的方法有：牛頓方法、擬牛頓方法、最陡下降法等。)()()1(keFgkk|)(|)(2keEkeFkiikekkeF02|)(|11)(kiikekeF022| )(|)(2| )(|)(kekeF其中運用最廣為最陡下降法，這一類方法沿著與目的函數(shù)梯度向量相反的方向，搜索目的函數(shù)的極小值點，其更新方程為：在自適應(yīng)算法中最廣泛采用的目的函數(shù)形式有

4、：均方誤差MSE：最小二乘LS：加權(quán)最小二乘WLS：瞬時平方值ISV：以及一些含有約束條件的目的函數(shù)最小化算法和目的函數(shù)會影響到自適應(yīng)過程的收斂速度，定義一個自適應(yīng)算法的重要步驟是對誤差信號的選擇，因為它會對整個收斂過程的多個方面產(chǎn)生直接影響。3維納濾波器維納濾波器自適應(yīng)濾波器最直接的實現(xiàn)就是直接形式FIR構(gòu)造，如下圖，其輸出為：)()()()()(0kXkWikxkkyNiTi假設(shè)使用MSE準(zhǔn)那么，目的函數(shù)可以寫為：)()()(22kykdEkeE)()()()()()()(2)(2kWkXkXkWEkXkWkdEkdETTTRWWPWkdETT2)(2與濾波器抽頭加權(quán)系數(shù)相關(guān)的MSE函數(shù)的

5、梯度向量為：RWPgw22 令梯度向量等于0，并假設(shè)R是非奇異矩陣，那么使目的函數(shù)最小的最優(yōu)抽頭加權(quán)系數(shù)可以通過下式計算：PRwopt1假設(shè)直接對目的函數(shù)求關(guān)于加權(quán)系數(shù)的梯度有：)()(2)()(2)(2kxkeEwkekeEwkeEgw假如系數(shù)集合等于其最優(yōu)解，即維納解，那么梯度向量等于零，這意味著：0)()(kxkeE即維納濾波理論里面的正交原理另外一種使濾波器的輸出到達(dá)最大信噪比的，稱為匹配濾波器，可以相應(yīng)地求解最正確傳遞函數(shù))(optH總結(jié)：滿足維納解的離散時間橫向濾波器稱為維納濾波器，它在最小均方誤差即MSE準(zhǔn)那么下是最優(yōu)的，實際上是一種無約束優(yōu)化最優(yōu)濾波問題的解。3.應(yīng)用應(yīng)用1系統(tǒng)

6、辨識系統(tǒng)辨識2信道平衡信道平衡3信號增強(qiáng)信號增強(qiáng)4信號預(yù)測信號預(yù)測其中兩噪聲信號彼此相關(guān)二、智能天線二、智能天線1、概述、概述現(xiàn)代波束調(diào)向天線陣稱為智能天線，其根據(jù)某些最優(yōu)準(zhǔn)那么形成方向圖或稱波束圖?！爸悄芤辉~意味著采用信號處理技術(shù)，以便根據(jù)某些條件形成波束方向圖。智能本質(zhì)上意指對天線性能進(jìn)展計算機(jī)控制，有望進(jìn)步雷達(dá)系統(tǒng)性能及無線挪動通信系統(tǒng)容量，并通過SDMA技術(shù)來改善無線通信。智能天線方向圖受控于某些準(zhǔn)那么的算法，這些準(zhǔn)那么可使信干比SIR最大、方差最小、均方誤差最小等，其目的是將波束調(diào)向到感興趣方向、讓干擾信號產(chǎn)生零陷或跟蹤挪動發(fā)射機(jī)等，采用數(shù)字信號處理技術(shù)來形成天線方向圖，稱為數(shù)字波束

7、形成DBF，采用自適應(yīng)算法時，該過程稱為自適應(yīng)波束形成，其僅由算法構(gòu)成，且該算法根據(jù)電磁環(huán)境的改變來動態(tài)優(yōu)化天線陣方向圖。相對于傳統(tǒng)單天線系統(tǒng)，智能天線有很多的優(yōu)點：1、智能天線可以增加小區(qū)覆蓋間隔 。2、智能天線可以保證小區(qū)內(nèi)的有效覆蓋。3、智能天線可以利用多徑固有的分集效應(yīng)改善鏈路質(zhì)量，減小信號的延遲擴(kuò)展,進(jìn)而進(jìn)步數(shù)據(jù)的傳輸速率。4、智能天線可以進(jìn)步載干比CIR，減小中斷概率、改善BER。5、智能天線利用空分多址可以進(jìn)步頻譜利用效率，進(jìn)步系統(tǒng)的容量。6、智能天線可以實現(xiàn)手機(jī)定位。2、智能天線的構(gòu)造及工作原理、智能天線的構(gòu)造及工作原理1、方向圖乘積定理、方向圖乘積定理任何一個天線的輻射都具有

8、一定的方向性，即在間隔 r一樣的情況下，輻射場的相對值隨空間方向的變化而變化。輻射方向圖是指天線的輻射特性與空間方向之間的函數(shù)圖形。接下來簡單介紹陣列天線的方向圖，以最簡單的二元直線陣為例兩個電偶極子A、B 垂直排列在y 軸上，其間距d = / 2，設(shè)兩偶極子上電流幅度一樣，相位一樣。那么P 點場強(qiáng)可表示為：其中一部分是單陣元的方向函數(shù)，它與單元天線的構(gòu)造及架設(shè)方位有關(guān)。另一部分只與陣列的排列方式有關(guān)，與單元天線無關(guān)。因此相似陣元組成的多元陣列，其方向函數(shù)或方向圖等于單元天線的方向函數(shù)與陣列因子的乘積，稱為方向圖乘積定理。根據(jù)方向圖乘積定理，采用一樣的陣元構(gòu)成天線陣，只要改變陣列的排列方式、陣

9、元數(shù)目、饋電電流大小或相位，就可以獲得不同的方向圖。2、陣列信號數(shù)學(xué)模型、陣列信號數(shù)學(xué)模型相鄰陣元波接收信號的波程差為：sindd 那么各陣元收到的信號為：)()()(11tnetstxtj)()()(22tnetstxtj)()()()1(tnetstxMMtjMcdsin各陣元接收到的信號經(jīng)下變頻到基帶，再經(jīng)A/D 變換后進(jìn)展數(shù)字處理。為了簡化問題，只考慮采樣后的復(fù)基帶信號時有：)()()(sin2)1(nnensnxidijiMi, 2 , 1M個陣元收到的信號用矢量表示：)()()()(nnansnx式中：TdMjdjasin2)1(exp,.sin2exp,1)(稱為陣列對信號源的導(dǎo)

10、引矢量或操縱矢量，其不但取決于入射波到來方向，而且于陣列的位置和幾何形狀有關(guān)。假設(shè)有L 個平面波分別以入射角 入射到陣列上，那么相應(yīng)的陣輸入的復(fù)基帶信號矢量為：),.2 , 1(Lll)()()(nnnAsnx各陣元接收到的信號經(jīng)過復(fù)加權(quán)合并后作為輸出。設(shè)權(quán)向量為：TMwww,.1那么陣列輸出為：xwxwnyHMiii1*)(幅度方向圖可表示為：| )(| )(|)(awnyFH為了將波束指向法線方向，取Tw 1,.1 此時波束圖為：|)/sinsin()/sinsin(|)(1)1(MmmjddMeF以一個8陣元均勻線性陣舉例，波長取陣元間距d的一半，瞄準(zhǔn)方向為0度仿真有改變陣元間距，以作比

11、較增大陣元數(shù)4dM=163、陣列天線波束形成、陣列天線波束形成波束形成就是從所獲得的陣列信息中重構(gòu)源信號。自適應(yīng)波束形成可以自動優(yōu)化陣列的方向圖，即通過調(diào)整陣元的控制權(quán)值，以滿足索期望的目的函數(shù)。經(jīng)典的波束形成需要期望信源的方向信息，而盲波束形成那么試圖在沒有方向信息的情況下信源的恢復(fù)。個人理解這其實是參加了空域濾波的一種自適應(yīng)濾波原理的推廣?？梢詮淖赃m應(yīng)天線的原理構(gòu)造圖中看出，自適應(yīng)的智能算法和波束形成技術(shù)是自適應(yīng)天線中的核心技術(shù)。波束形成的常用準(zhǔn)那么最大信號噪聲比準(zhǔn)那么MSNR使期望信號分量功率與噪聲分量功率之比為最大。但是必須知道噪聲的統(tǒng)計量和期望信號的波達(dá)方向。最大信干噪比準(zhǔn)那么MSI

12、NR使期望信號分量功率與干擾分量功率及噪聲分量功率之和的比為最大。最小均方誤差準(zhǔn)那么MMSE在非雷達(dá)應(yīng)用中，陣列協(xié)方差矩陣中通常都含有期望信號，基于此種情況提出的準(zhǔn)那么。使陣列輸出與某期望響應(yīng)的均方誤差為最小，這種準(zhǔn)那么不需要知道期望信號的波達(dá)方向。最大似然比準(zhǔn)那么MLH在對有用信號完全先驗無知的情況，這時參考信號無法設(shè)置，因此，在干擾噪聲背景下，首先要獲得對有用信號的最大似然估計。線性約束最小方差準(zhǔn)那么LCMV對有用信號形式和來向完全，在某種約束條件下使陣列輸出的方差最小。三種統(tǒng)計最正確波束形成方法的性能比較 仿真分析，采用八單元均勻圓形天線陣，LCMV準(zhǔn)那么，約束條件為信號1為感興趣信號，

13、其他信號需要抑制，根據(jù)波達(dá)方向及約束條件求解方程組得到最正確權(quán)值，設(shè)信號1從2pi/3，信號2從pi/3，信號3從3pi/2，信號4從5.8pi/6方向入射，用capon法估計DOA，然后進(jìn)展波束形成，快拍數(shù)1900從圖中可以看出，在2pi/3處的感興趣SOI信號方向增益為1，其他的SONI信號方向增益為0，到達(dá)了要求。對于上述的系統(tǒng)，假如信號的到達(dá)角不隨時間而改變，或者信道特征不改變，那么最優(yōu)天線陣的權(quán)值就不需要調(diào)整，稱為固定權(quán)值的波束形成。然而，假如期望信號的到達(dá)角隨時間而改變，就必須制訂一個工作的最優(yōu)方案，以便繼續(xù)重新計算最優(yōu)天線陣權(quán)值，接收機(jī)的信號處理算法必須可以連續(xù)適應(yīng)不斷變化的電磁

14、環(huán)境，自適應(yīng)算法使固定波束形成方法向前邁出一步，允許計算不斷更新的權(quán)值，其必須滿足詳細(xì)的優(yōu)化準(zhǔn)那么，比方最小均方LMS算法、采樣矩陣求逆SMI、遞歸最小二乘RLS、恒模算法CMA、共軛梯度算法和波形互異算法等。下面簡要介紹一種常用的也是最根本的非盲算法：最小均方算法LMS最小均方算法時一種基于梯度的算法，假定有一個構(gòu)建好的二次性能曲面，當(dāng)性能曲面是天線陣權(quán)值的二次函數(shù)時，性能 呈橢圓形的拋物面形狀，其有一個最小值，求最小值最常用的即最陡下降法，通過求均方誤差MSE可構(gòu)建性能曲面。之前推導(dǎo)出最優(yōu)維納解為：)(wJPRwopt1假如可以得到矩陣R和P的較好的估計，那么利用最陡下降法搜索其維納解：)

15、()() 1(kgkwkww)()()(2)(kwkRkpkw)()()(*kdkxkpHkxkxkR)()()(將其代入，有：)()(2)() 1(*kxkekwkwLMS算法小結(jié)：參數(shù)：M=抽頭數(shù)即濾波器長度 為步長參數(shù) 初始化：假如知道抽頭權(quán)向量的先驗知識，那么用它來選擇適當(dāng)初始值，否那么令初始值為0數(shù)據(jù)更新：)(10 xxRtr)()()(nxnwnyH)()()(nyndne)()(2)() 1(*nenxnwnwLMS算法的終止不是維納解，由LMS算法得到的抽頭權(quán)向量圍繞誤差性能曲面極小點隨機(jī)挪動，當(dāng)步長因子較小時，這種運動是布朗運動的一種形式LMS算法的仿真利用基于MMSE準(zhǔn)那么

16、的最小均方誤差算法進(jìn)展加權(quán)向量的更新，波到達(dá)方向為)2/, 3/(),(統(tǒng)計數(shù)據(jù)的誤碼率假設(shè)具有4個天線陣元的直線陣，訓(xùn)練序列長度取1000，步長為0.0001仿真后，得到誤比特率曲線如下圖，可以看出利用智能天線，使得接收端的誤比特率曲線大大改善。三、智能天線的硬件構(gòu)造及實現(xiàn)三、智能天線的硬件構(gòu)造及實現(xiàn)一個8陣元天線的智能天線系統(tǒng)接收機(jī)原理框圖接收信號經(jīng)過8 路射頻前端下變頻,A/ D 變換,變頻及低通濾波整形后,分別并行送入自適應(yīng)數(shù)字信號處理器DSP 進(jìn)展自適應(yīng)權(quán)值計算。 DSP 進(jìn)展自適應(yīng)權(quán)值計算后產(chǎn)生的權(quán)值校正信號通過控制器反響到前端,從而控制自適應(yīng)波束的形成,到達(dá)對干擾調(diào)零的目的。簡化

17、的DBF系統(tǒng)框圖如下：1、中頻采樣數(shù)字波束形成的第一步就是對各天線陣元接收到的信號進(jìn)展數(shù)字化。目前的硬件程度還很難實現(xiàn)直接對天線陣元接收到的射頻信號進(jìn)展數(shù)字化 。通常的做法是使用模擬混頻器將射頻信號下變頻到中頻,進(jìn)展中頻采樣。通訊系統(tǒng)中使用的信號是帶通信號,其帶寬遠(yuǎn)小于載波頻率,采用帶通欠采樣技術(shù),以低于Nyquist 采樣率的采樣速率對中頻信號進(jìn)展采樣。2、數(shù)字下變頻中頻采樣得到的數(shù)字序列仍然含有載頻，需要使用正交解調(diào)的方法在復(fù)數(shù)域?qū)㈩l譜搬移到零頻，最終獲得基帶信號。正交解調(diào)通過數(shù)字正交混頻實現(xiàn)。混頻的結(jié)果不僅包含基帶信號,還包括的高頻鏡像分量,因此混頻后需經(jīng)過數(shù)字低通濾波器濾除高頻分量。數(shù)

18、字下變頻的原理框圖如下圖,其中NCO為數(shù)控振蕩器3、權(quán)值調(diào)整及通道合成權(quán)值調(diào)整是數(shù)字DBF的核心。根據(jù)一定的算法調(diào)整復(fù)數(shù)加權(quán)器,天線陣列在空間上形成一定的波束指向,使該方向上的信號得到增強(qiáng),而其他方向上的干擾和信號被抑制。窄帶波束形成器通常又可稱為空域濾波器 。復(fù)數(shù)權(quán)值 n 在幅度和相位上對通道進(jìn)展調(diào)整。各通道數(shù)字下變頻后的基帶信號與對應(yīng)權(quán)值進(jìn)展復(fù)數(shù)乘法運算,相加起來結(jié)果即為合成的數(shù)字波束信號。智能天線詳細(xì)實現(xiàn)：包括兩部分部分：1、DBF接收前端的設(shè)計一般射頻系統(tǒng)根本設(shè)計流程分為：系統(tǒng)行為級設(shè)計、電路設(shè)計與系統(tǒng)集成；系統(tǒng)設(shè)計階段的工作包括：進(jìn)展需求分析，定義RF系統(tǒng)的指標(biāo)，明確設(shè)計目的；選擇系統(tǒng)構(gòu)造，為各個模塊使用仿真平臺優(yōu)化分配性能指標(biāo)；完成系統(tǒng)級仿真。電路設(shè)計階段的工作包括：器件選型與仿真建模，電路設(shè)計及仿真、模塊制作和測試等。集成階段需要將各功能模塊連接，完成系統(tǒng)功能。2、DBF部分智能天線的數(shù)字處理一般由兩個部分組成：一部分是以數(shù)字信號處理器和自適應(yīng)算法為核心的最優(yōu)或次優(yōu)權(quán)值產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)；另一部分是以動態(tài)自適應(yīng)加權(quán)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的自適應(yīng)波束成形網(wǎng)絡(luò)。智能天線的波束形成算法一般用LMS算法，由于智能天線抽頭眾多，權(quán)值更新模塊的計算復(fù)雜度大，大多用高速的DSP器件來完成；波束形成加權(quán)運算那么常常由FPGA完成。空域濾波的本