自適應天線-第一章分解教學文稿

1、自適應天線-第一章分解天線陣：經(jīng)合理設計天線陣：經(jīng)合理設計,提供適當?shù)姆群拖辔患詈筇峁┻m當?shù)姆群拖辔患詈?天線陣可天線陣可設計為功能強大、理論上說可具有任意形狀的方向圖。例如相設計為功能強大、理論上說可具有任意形狀的方向圖。例如相控陣波束掃描控陣波束掃描,低副瓣低副瓣/超低副瓣，多波束，賦形波束，方向圖零超低副瓣，多波束，賦形波束，方向圖零點控制，全向波束等；點控制，全向波束等；但是但是在實際應用環(huán)境中，僅僅實現(xiàn)預先給定的方向圖仍然不在實際應用環(huán)境中，僅僅實現(xiàn)預先給定的方向圖仍然不夠，因為在許多實際系統(tǒng)中，所需要的天線陣方向圖確切形狀夠，因為在許多實際系統(tǒng)中，所需要的天線陣方向圖確切形

2、狀往往無法事先預測。譬如：往往無法事先預測。譬如：雷達系統(tǒng)：敵方干擾源方向和噪聲對需要信號的干擾雷達系統(tǒng)：敵方干擾源方向和噪聲對需要信號的干擾.通信系統(tǒng)：需要信號的來波方向的判定；通信系統(tǒng)：需要信號的來波方向的判定；于是人們很自然地想到：能否設計出一種對于環(huán)境變化自動于是人們很自然地想到：能否設計出一種對于環(huán)境變化自動適應的天線陣呢？適應的天線陣呢？答案就是自適應天線答案就是自適應天線( (陣陣) )一、自適應天線的起源與發(fā)展一、自適應天線的起源與發(fā)展自適應天線的發(fā)展可以追溯到二十世紀五十年代自適應天線的發(fā)展可以追溯到二十世紀五十年代。1956年年，Altman和和Sichak提出使用鎖相環(huán)技

3、術來組合從不同接收天線接收提出使用鎖相環(huán)技術來組合從不同接收天線接收到的信號的方法。到的信號的方法。基本原理基本原理：在將各陣元信號相加來產(chǎn)生陣列輸出之前：在將各陣元信號相加來產(chǎn)生陣列輸出之前,調(diào)準各調(diào)準各陣元信號相對于參考信號的相位。陣元信號相對于參考信號的相位。圖圖1.1 鎖相環(huán)鎖相環(huán)陣列陣列利用鎖相環(huán)利用鎖相環(huán), ,自動調(diào)整自動調(diào)整s1(t)和和r(t)相位直至相同；對于所有陣元相位直至相同；對于所有陣元均選用同一參考信號均選用同一參考信號r(t)；故故s1(t)和和s2(t)均同相均同相, , 同相信號再相加同相信號再相加就可得出最大的輸出信號功率就可得出最大的輸出信號功率。鎖相環(huán)陣的

4、方向圖是由來波信號的方向控制的。它可以自動形鎖相環(huán)陣的方向圖是由來波信號的方向控制的。它可以自動形成一個跟蹤信號的波束。成一個跟蹤信號的波束。 鎖相環(huán)陣甚至可用于抑制噪音，能在輸出端產(chǎn)生最大可能的信鎖相環(huán)陣甚至可用于抑制噪音，能在輸出端產(chǎn)生最大可能的信噪比（噪比（D.E. Svoboda, IEEE TAP,1964D.E. Svoboda, IEEE TAP,1964）。 鎖相環(huán)陣的缺點：鎖相環(huán)陣的缺點：易受干擾易受干擾.因為只能跟蹤一個信號。若有幾個信號，則陣就容易分辨不因為只能跟蹤一個信號。若有幾個信號，則陣就容易分辨不清。若到達的干擾信號比需要信號強時清。若到達的干擾信號比需要信號強時

5、,干擾信號就很容易被天線干擾信號就很容易被天線的波束所截獲。的波束所截獲。由于鎖相環(huán)陣易受干擾信號影響，人們開始探索一些新的自由于鎖相環(huán)陣易受干擾信號影響，人們開始探索一些新的自適應天線陣。適應天線陣。二十世紀六十年代早期，兩個研究小組獨立地提出了自適應二十世紀六十年代早期，兩個研究小組獨立地提出了自適應干擾置零的概念干擾置零的概念.小組一小組一: GE的的P.W.Howells, 旁瓣抵消器旁瓣抵消器 (US Patent, Aug. 1965);小組二小組二: GE的的S.P.Applebaum, 最大化最大化SNR (Technical Report, Aug. 1966);1967年，

6、年，Shor發(fā)表了關于自適應陣的論文發(fā)表了關于自適應陣的論文shor陣陣;1967年，年，B.Widrow發(fā)表了稱為發(fā)表了稱為LMS(最小均方最小均方)自適應陣的論自適應陣的論文文;上述貢獻開創(chuàng)了自適應陣領域研究領域；上述貢獻開創(chuàng)了自適應陣領域研究領域；隨后的發(fā)展大約經(jīng)歷了三個階段隨后的發(fā)展大約經(jīng)歷了三個階段:第一階段第一階段: (大約十年大約十年)主要集中在自適應波束控制上主要集中在自適應波束控制上,如返向波束、自適應相控天線等；如返向波束、自適應相控天線等；第二階段第二階段: 主要集中在零點控制上；如自適應濾波器、主要集中在零點控制上；如自適應濾波器、自適應調(diào)零、自適應旁瓣對消、自適應雜波

7、抑制等等；自適應調(diào)零、自適應旁瓣對消、自適應雜波抑制等等；第三階段第三階段: 主要集中在空間譜估計上，如最大似然估主要集中在空間譜估計上，如最大似然估計、最大熵譜估計、特征空間估計等等計、最大熵譜估計、特征空間估計等等;隨著電子計算機、大規(guī)模集成電路和數(shù)字信號處理技隨著電子計算機、大規(guī)模集成電路和數(shù)字信號處理技術的發(fā)展，采用數(shù)字處理方法來形成相控陣雷達接收波術的發(fā)展，采用數(shù)字處理方法來形成相控陣雷達接收波束變?yōu)榭赡?；相應地，與自適應陣結(jié)合形成了數(shù)字波束束變?yōu)榭赡?；相應地，與自適應陣結(jié)合形成了數(shù)字波束形成器形成器(DBF);自適應天線在無線通信領域與各種通信形式如自適應天線在無線通信領域與各種通

8、信形式如TDMA、CDMA等相結(jié)合形成了智能天線等相結(jié)合形成了智能天線; MIMO；自適應天線在各種不同的應用領域有許多大體等價自適應天線在各種不同的應用領域有許多大體等價的名稱：空域自適應濾波器、數(shù)字波束形成的名稱：空域自適應濾波器、數(shù)字波束形成(DBF)、自、自適應陣列、智能天線等。適應陣列、智能天線等。二、自適應天線的共性二、自適應天線的共性對每個陣元的信號同時進行對每個陣元的信號同時進行增益增益(Ai)和相位和相位( i)調(diào)整調(diào)整;自適應問題自適應問題優(yōu)化問題優(yōu)化問題( (關于增益和相位的變量優(yōu)化關于增益和相位的變量優(yōu)化) );性能指標性能指標優(yōu)化優(yōu)化目標目標,如如Max(SINR);

9、(注注:SINRSignal to Interference plus Noise Ratio; 信號與信號與干擾加噪聲比干擾加噪聲比)圖圖1.2 普通的自適應陣普通的自適應陣各種性能指標的選?。喝Q于具體應用。各種性能指標的選?。喝Q于具體應用。數(shù)字通信系統(tǒng)：誤碼率最小；數(shù)字通信系統(tǒng)：誤碼率最??；雷達系統(tǒng)：在給定的虛警概率下發(fā)現(xiàn)信號的概率最大；雷達系統(tǒng)：在給定的虛警概率下發(fā)現(xiàn)信號的概率最大；實際應用中，上述理想的性能指標很難直接在陣列輸出端用實際應用中，上述理想的性能指標很難直接在陣列輸出端用于性能估計。于性能估計。 常用以下兩種更為實用的優(yōu)化準則常用以下兩種更為實用的優(yōu)化準則:最小均方誤差

10、準則最小均方誤差準則 (即陣列實際輸出與理想輸出之差的均方即陣列實際輸出與理想輸出之差的均方值最小值最小)；輸出端輸出端SINR最大準則；最大準則；根據(jù)這兩種方法可以得到陣列方向圖的反饋控制的有用形式根據(jù)這兩種方法可以得到陣列方向圖的反饋控制的有用形式,而且有以下規(guī)律而且有以下規(guī)律:SINR增大，誤碼率降低；增大，誤碼率降低；SINR增大，雷達檢測概率增加。增大，雷達檢測概率增加。與常規(guī)天線陣相比較的相同點：自適應陣與常規(guī)天線陣一樣都與常規(guī)天線陣相比較的相同點：自適應陣與常規(guī)天線陣一樣都是單個天線單元在空間的中的排列，都需要通過控制各陣元的幅度是單個天線單元在空間的中的排列，都需要通過控制各陣

11、元的幅度或相位激勵來控制天線陣的性能?；蛳辔患顏砜刂铺炀€陣的性能。 自適應天線自適應天線(陣）可采用任意的陣元方向圖、極化和間距工作；陣）可采用任意的陣元方向圖、極化和間距工作； 對于自適應天線對于自適應天線(陣陣)，傳統(tǒng)的天線性能指標用處不太大，如天，傳統(tǒng)的天線性能指標用處不太大，如天線增益、旁瓣電平、波束寬度等。線增益、旁瓣電平、波束寬度等。傳統(tǒng)的天線常常需要低旁瓣以使得從主瓣之外的進入的輻射最傳統(tǒng)的天線常常需要低旁瓣以使得從主瓣之外的進入的輻射最小小, 而自適應天線只需要在干擾方向產(chǎn)生零點而自適應天線只需要在干擾方向產(chǎn)生零點;自適應陣的方向圖自適應陣的方向圖在某些方向可能有很高的旁瓣，

12、但那些方向沒有干擾信號。在某些方向可能有很高的旁瓣，但那些方向沒有干擾信號。自適應天線更關心的是系統(tǒng)性能，如自適應天線更關心的是系統(tǒng)性能，如SINR最大、均方誤差最最大、均方誤差最小等。小等。三、自適應天線（陣）的特點三、自適應天線（陣）的特點四、四、學習的目的、方法及其要求學習的目的、方法及其要求掌握掌握自適應天線的基本概念、作用；自適應天線的基本概念、作用；掌握掌握自適應天線的理論基礎、典型形式與最佳自適應天線的理論基礎、典型形式與最佳算法；算法；掌握掌握自適應天線的基本性能與限制；自適應天線的基本性能與限制；了解了解自適應天線的研究進展、各應用領域的應自適應天線的研究進展、各應用領域的應

13、用特點；用特點；學習自適應天線需要更多的信號與系統(tǒng)的知識，學習自適應天線需要更多的信號與系統(tǒng)的知識，這一點體現(xiàn)出了學科之間的交叉性。這一點體現(xiàn)出了學科之間的交叉性。五、主要參考書五、主要參考書【1】龔耀寰龔耀寰，自適應濾波自適應濾波，電子工業(yè)出版社，電子工業(yè)出版社，2003.【2】G.V. Tsoulos，Adaptive Antennas for Wireless Communications ，IEEE Press, 2001. 【3】IEEE Transactions on Antennas and Propagation 相關相關文章。文章。設有如右圖所示的二元陣用來接收信號。設有如右

14、圖所示的二元陣用來接收信號。其中入射平面波從其中入射平面波從方向入射，陣元間距為方向入射，陣元間距為d=/2，w1和和w2為加權(quán)因子。為加權(quán)因子。我們該如何求解此二元陣的方向圖函數(shù)并我們該如何求解此二元陣的方向圖函數(shù)并且分析且分析w1和和w2對對該陣列零點的控制作用呢該陣列零點的控制作用呢?例子例子：二元陣：二元陣解答解答: :設設X1=A(t)ej/2X2=A(t)e-j/2其中其中:A(t)是輸入信號幅度因子是輸入信號幅度因子;而而可以得到可以得到:2sin/sind /2/2( ).( ).()12jjYA tw ew eA t F 上上式便是該二元陣的方向圖函數(shù)。下面我們來討論式便是該二元陣的方向圖函數(shù)。下面我們來討論w1和和w2的作的作用用:當當w1=w2時時, F ( )= 2cos( sin /2);當限制當限制w1和和w2的取值為的取值為w1+w2=1時，要使得波束在時，要使得波束在1方向產(chǎn)方向產(chǎn)生零點，則有生零點，則有:12sin()/2sin()/2111210jjw wwewe1sin()12sin()11111jjwewe由此可得下式由此可得下式:sinsin2212()( )jjFFwew e 若我們規(guī)定若我們規(guī)定1為為30度度, 經(jīng)運算可以得出經(jīng)運算可以得出:112122jwjw所以可以得到新的方向圖函數(shù)