基于MATLAB的智能天線和仿真

.../摘要隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展,與日俱增的移動(dòng)用戶數(shù)量和日趨豐富的移動(dòng)增值服務(wù),使無線通信的業(yè)務(wù)量迅速增加,無限電波有限的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了通信業(yè)務(wù)需求的增長(zhǎng)。另一方面,由于移動(dòng)通信系統(tǒng)中的同頻干擾和多址干擾的影響嚴(yán)重,更影響了無線電波帶寬的利用率。并且無線環(huán)境的多變性和復(fù)雜性,使信號(hào)在無線傳輸過程中產(chǎn)生多徑衰落和損耗。這些因素嚴(yán)重地限制了移動(dòng)通信系統(tǒng)的容量和性能。因此為了適應(yīng)通信技術(shù)的發(fā)展,迫切需要新技術(shù)的出現(xiàn)來解決這些問題。這樣智能天線技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生。智能天線是近年來移動(dòng)通信領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)之一,應(yīng)用智能天線技術(shù)可以很好地解決頻率資源匱乏問題,可以有效地提高移動(dòng)通信系統(tǒng)容量和服務(wù)質(zhì)量。開展智能天線技術(shù)以及其中的一些關(guān)鍵技術(shù)研究對(duì)于智能天線在移動(dòng)通信中的應(yīng)用有著重要的理論和實(shí)際意義。論文的研究工作是在MATLAB軟件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的。首先介紹了智能天線技術(shù)的背景；其次介紹了智能天線的原理和相關(guān)概念,并對(duì)智能天線實(shí)現(xiàn)中的若干問題,包括:實(shí)現(xiàn)方式、性能度量準(zhǔn)則、智能自適應(yīng)算法等進(jìn)行了分析和總結(jié)。著重探討了基于MATLAB的智能天線的波達(dá)方向以及波束形成,闡述了music和capon兩種求來波方向估計(jì)的方法,并對(duì)這兩種算法進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真和算法性能分析;關(guān)鍵字:智能天線；移動(dòng)通信；自適應(yīng)算法；來波方向；MUSIC算法AbstractWithdevelopmentofmobilecommunicationtechnology,mobileusersandcommunication,incrementserviceareincreasing,thismakewirelessservicesincreasesothatbandwidthofwirelesswaveisunfitfordevelopmentofcommunication,Ontheotherhand,muchseriousCo-ChannelInterruptionandtheMultipleAddressinterruptioneffectutilizerateofwirelesswave’sbandwidth,sothetransportedsignalsaredeclinedandweardown,Allthishasstrongbadeffectonthecapacityandperformanceofquestionandbefitforthedevelopmentofcommunication,sosmartantennaariseSmartAntenna,whichisconsideredtobeasolutiontotheproblemoflackingfrequency,becomesahotspotintheMobileCommunicationarea．Withthistechnology,CapacityofMobileCommunicationsystemcanbeincreasedeffectivelyandthequalityofservicecanbeimprovedatthesametime.TostudySmartAntennaanditskeytechnologiesisimportantbothintheoryandinpractice。AlloftheresearchworkofthispaperisbasedontheMATLABsoftwareenvironment．First,inthispaper,wemakeanintroductionontheappearancebackgroundoftheSmartAntennatechnologyanditsrelativetheoryandconcept．Inaddition,someproblemsaboutitsrealizationsuchasmodesofitsrealization,rulesofitsperformance,adaptivealgorithmsareanalyzed.FocusedonthesmartantennabasedonMATLABtheDOAandbeamforming,andcapononthemusicfortwotowavethedirectionoftheestimatedmethod.Inordertodecreasecalculating-timeandcomplexityofthealgorithm,aruleofmaximumreceivedsignalispresented;Nextseveralproblemsaboutrealizationofthealgorithmarediscussed。KeyWords:SmartAntenna；MobileCommunication；AdaptivealgorithmDirectionOfArrival；Cyclic-MUSICarithmetic目錄第一章緒論61.1課題背景61.2主要概念71.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀81.3.1國(guó)外研究現(xiàn)狀81.3.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀101.4本文研究的意義101.5本論文研究的主要內(nèi)容及章節(jié)安排11第二章智能天線112.1概述112.2移動(dòng)通信環(huán)境與智能天線的信號(hào)模型122.2.1移動(dòng)通信環(huán)境122.2.2移動(dòng)通信中的空間信道模型132.3智能天線的基本原理及結(jié)構(gòu)142.3.1智能天線的基本原理142.3.2智能天線系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)162.4智能天線的主要功能及應(yīng)用18第三章基于MATLAB的波達(dá)方向研究以及波束形成193.1MATLAB概述193.1.1MATLAB語言簡(jiǎn)介193.1.2MATLAB語言特點(diǎn)203.2天線陣的波達(dá)方向估計(jì)的MATLAB仿真223.2.1原理22波達(dá)方向估計(jì)的方法233.3天線陣波束形成的MATLAB仿真27第四章總結(jié)30參考文獻(xiàn)32致謝33第一章緒論1.1課題背景移動(dòng)通信作為未來個(gè)人通信的主要手段,在全球通信業(yè)務(wù)中占據(jù)越來越重要的地位。隨著移動(dòng)通信用戶數(shù)的迅速增長(zhǎng)以及人們對(duì)通話質(zhì)量要求的不斷提高,要求移動(dòng)通信網(wǎng)在大容量下仍保持較高的服務(wù)質(zhì)量。而與此要求相對(duì),目前移動(dòng)通信中主要存在兩大問題：第一,隨著移動(dòng)用戶的增多,頻譜資源日益匾乏；第二,由于信道傳輸條件較惡劣,所需信號(hào)在到達(dá)天線接收端前會(huì)經(jīng)歷衰減、衰落和時(shí)延擴(kuò)展,另外還有來自其他用戶的干擾,極大地限制了系統(tǒng)通信質(zhì)量的提高。這兩大問題是移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展的主要矛盾,也是推動(dòng)移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展的原動(dòng)力。必須采取有效方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容并提高服務(wù)質(zhì)量。為了解決系統(tǒng)容量問題,第二代數(shù)字蜂窩系統(tǒng)中主要采用時(shí)分多址<TDMA>和碼分多址<CDMA>兩種多址方式;為了提高系統(tǒng)通信質(zhì)量,在第二代系統(tǒng)中廣泛采用了調(diào)制、信道編碼、均衡<TDMA系統(tǒng)>、RAKE接收<CDMA系統(tǒng)>等時(shí)、頻域信號(hào)處理技術(shù)以及分集天線、扇形天線等簡(jiǎn)單空間處理技術(shù)。這些解決方法在發(fā)揮各自功效的同時(shí),有著共同的不足,即無法對(duì)空域資源進(jìn)行有效利用。智能天線技術(shù)正是在這樣的背景下被引入到移動(dòng)通信中來的。理論研究和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均表明:有用信號(hào)、其延時(shí)樣本和干擾信號(hào)往往具有不同的到達(dá)角<DOA>和空間信號(hào)結(jié)構(gòu),利用這種空域信息我們可以獲得附加的信號(hào)處理自由度,從而能提高系統(tǒng)容量,并且能夠更有效地對(duì)抗衰落和抑制干擾。應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)基站的智能天線技術(shù)正是充分利用了信號(hào)的空域信息,它能有效地?cái)U(kuò)充系統(tǒng)的容量,大幅度提高系統(tǒng)的通信質(zhì)量。智能天線技術(shù)己經(jīng)被公認(rèn)為第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),并越來越受到人們的關(guān)注。在提交國(guó)際電聯(lián)ITU所有的3GRTT標(biāo)準(zhǔn)中,幾乎都附有一條:如果有可能,本建議將采用智能天線技術(shù):在國(guó)際電聯(lián)20XX3月份的會(huì)議上,更是提出要重視在CDMA系統(tǒng)中使用智能天線技術(shù),并在20XX8月份的會(huì)議上正式討論了在CDMA系統(tǒng)中使用智能天線的問題。可以預(yù)見,智能天線技術(shù)將在未來的移動(dòng)通信體制中占據(jù)非常重要的地位。1.2主要概念智能天線又稱為自適應(yīng)天線陣列,英文名為SmartAntenna或IntelligentAntenna。智能大線技術(shù)的核心是陣列信號(hào)處理,早期應(yīng)用集中于雷達(dá)和聲納信號(hào)處理領(lǐng)域,七十年代后期被引入到軍事通信中,而應(yīng)用于民用蜂窩移動(dòng)通信則是近十兒年的事情。一般而言,智能天線是專指用于移動(dòng)通信中的自適應(yīng)天線陣列<這里的移動(dòng)通信系統(tǒng)主要指數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)>,它利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)產(chǎn)生空間定向波束,使天線的主波束跟蹤所需用戶信號(hào)到達(dá)方向,旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)不希望的干擾信號(hào)到達(dá)方向,達(dá)到充分分離和有效利用用戶信號(hào)并刪除或抑制干擾信號(hào)的目的。在移動(dòng)通信的基站中使用具有全向收發(fā)功能的智能天線,可以為每個(gè)用戶提供一個(gè)窄的定向波束,使信號(hào)在有限的方向區(qū)域內(nèi)發(fā)送和接收,這樣就可以充分利用信號(hào)發(fā)射功率,降低信號(hào)全向發(fā)射帶來的電磁干擾與相互干擾。智能天線是提高無線電數(shù)據(jù)通信,包括蜂窩通信、個(gè)人通信和第三代寬帶CDMA等系統(tǒng)容量的最佳選擇,它超越了任何由信道復(fù)用和各種調(diào)制技術(shù)所達(dá)到的水平。CDMA<CodeDivisionMultipleAccess>是碼分多址的英文縮寫,它是在數(shù)字技術(shù)的分支—擴(kuò)頻通信技術(shù)上發(fā)展起來的一種嶄新而成熟的無線通信技術(shù)。CDMA技術(shù)的原理是基于擴(kuò)頻技術(shù),即將需傳送的具有一定信號(hào)帶寬信息數(shù)據(jù),用一個(gè)帶寬遠(yuǎn)大于信號(hào)帶寬的高速偽隨機(jī)碼進(jìn)行調(diào)制,使原數(shù)據(jù)信號(hào)的帶寬被擴(kuò)展,再經(jīng)載波調(diào)制并發(fā)送出去。接收端使用完全相同的偽隨機(jī)碼,與接收的帶寬信號(hào)作相關(guān)處理,把寬帶信號(hào)換成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號(hào)即解擴(kuò),以實(shí)現(xiàn)信息通信。SDMA<SpaceDivisionMultipleAccess>是空分多址的英文縮寫,移動(dòng)通信中應(yīng)用智能天線技術(shù)就產(chǎn)生了這種新的信道增容方式。它不同于傳統(tǒng)的頻分多址<FDMA>,時(shí)分多址<TDMA>或碼分多址<CDMA>,這種多址方式是利用用戶空間位置的不同來區(qū)分不同用戶,也就是說,在相同時(shí)隙、相同頻率或相同地址碼的情況下,仍然可以根據(jù)信號(hào)不同的空間傳播路徑而區(qū)分不同的信號(hào)。空分多址可以與其他多址方式完全兼容,從而可實(shí)現(xiàn)組合的多址方式,例如空分—碼分多址<SD-CDMA>、空分—時(shí)分多址<SD-TDMA>等,這樣可以成倍地增長(zhǎng)系統(tǒng)容量。碼間干擾<ISIInter-SymbolInterference>是數(shù)字通信系統(tǒng)中除噪聲干擾之外最主要的干擾,它與高斯分布的加性噪聲干擾不同,是一種乘性干擾。信道的衰減和時(shí)延失真等都可能引起ISI,實(shí)際上,只要傳輸信道的頻帶是有限的就不可避免地帶來一定的ISI.以一定速度傳送的波形受到非理想信道的影響表現(xiàn)為各碼元波形持續(xù)時(shí)間拖長(zhǎng),從而使相鄰碼元波形產(chǎn)生重疊,從而引起判決錯(cuò)誤,當(dāng)這種線性失真嚴(yán)重時(shí),碼間干擾顯得尤為突出。同信道干擾<CCICommonChannelInterference>,又叫同頻干擾,它是指使用相同頻率的信道之間的干擾。在蜂窩移動(dòng)通信中,同信道干擾主要指使用相同頻率的小區(qū)間的干擾。多址干擾<MAIMultipleAccessInterference>,是在碼分多址蜂窩移動(dòng)通信中出現(xiàn)的一種干擾。由于在同一個(gè)小區(qū)內(nèi)同時(shí)通信的用戶是多個(gè),多個(gè)用戶均占同一時(shí)隙、同一頻率,所不同的是選取的地址碼不一樣,而實(shí)際選用的地址碼間的互相關(guān)函數(shù)不可能全為零,這樣多個(gè)用戶同時(shí)通信時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生多址干擾。天線增益——取定向天線主射方向上的某一點(diǎn),在該點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)保持不變的情況下,此時(shí)用無方向性天線發(fā)射時(shí)天線所需的輸入功率與采用定向天線時(shí)所需的輸入功率之比稱為天線增益,常用"G"表示,天線增益可以用來描述天線往某一方向發(fā)射的能力。1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1國(guó)外研究現(xiàn)狀移動(dòng)通信在經(jīng)歷了第一代模擬通信系統(tǒng)、第二代蜂窩數(shù)字通信系統(tǒng)和窄帶CDMA系統(tǒng),正向第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展。目前正處于確立第三代移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之時(shí),國(guó)外如歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家非常重視智能天線技術(shù)在未來移動(dòng)通信方案中的地位與作用,己經(jīng)開展了大量的理論分析和研究,同時(shí)也建立了一些技術(shù)試驗(yàn)平臺(tái)。1.歐洲歐洲通信委員會(huì)在計(jì)劃中實(shí)施了智能天線技術(shù)第一階段研究,稱之為TSUNAMI<TheTechnologyinSmartantennasforUniversalAdvancedMobileInfrastructure>,德國(guó)、英國(guó)、丹麥和西班牙合作完成。該項(xiàng)目組在DECT基站基礎(chǔ)上構(gòu)造智能天線試驗(yàn)?zāi)Ｐ?于1995年初開始現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。天線由8個(gè)陣元組成,射頻工作頻率為1.89GHz,陣元間距可調(diào),陣元分布分別有直線形、圓環(huán)形和平面形三種。模型用數(shù)字波束形成方法實(shí)現(xiàn)智能天線,采用ERA技術(shù)有限公司的專用集成電路芯片DBF1108完成波束形成,系統(tǒng)評(píng)估了識(shí)別信號(hào)到達(dá)方向的多用戶信號(hào)識(shí)別分類算法<MUSIC>,采用的自適應(yīng)算法有歸一化最小均方算法<NLMS>和遞歸最小平方算法。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了智能天線的功能,在2個(gè)用戶4個(gè)空間信道<包括上行和下行鏈路>情況下,試驗(yàn)系統(tǒng)比特差錯(cuò)率<BER>優(yōu)于。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明,圓形和平面形天線適用于室內(nèi)通信環(huán)境,而市區(qū)環(huán)境則采用簡(jiǎn)單的直線陣更合適。日本ATR光電通信研究所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,工作頻率為1.545GHz.陣元接收信號(hào)先經(jīng)過模數(shù)變換,然后進(jìn)行快速傅里葉變換處理,形成正交波束后,分別采用恒模算法或最大比值合并<MRC>算法。數(shù)字信號(hào)處理部分由10片現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列完成,整塊電路板大小為23.3*34.0<CM>。野外移動(dòng)試驗(yàn)確認(rèn)了采用恒模算法的多波束智能天線的功能。根據(jù)用戶所處環(huán)境不同,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,利用軟件方法在不同環(huán)境應(yīng)用不同算法。比如當(dāng)噪聲是主要因素時(shí)使用多波束最大比值合并算法;當(dāng)同信道干擾是主要因素時(shí)則使用多波束恒模算法:而要抵消符號(hào)間干擾時(shí)采用最小均方算法和最大似然連續(xù)估計(jì)算法<MLSE>,以此提供算法分集。3.美國(guó)美國(guó)對(duì)于智能天線技術(shù)的研究水平處于世界領(lǐng)先地位,并且許多電信設(shè)備生產(chǎn)商紛紛推出了自己的產(chǎn)品。最具代表性的是愛瑞通信公司<ArrayComm>,它是一家擁有成熟的自適應(yīng)智能天線技術(shù)的全球知名通信技術(shù)公司,在這一領(lǐng)域擁有多項(xiàng)專利技術(shù),居世界領(lǐng)先水平。愛瑞通信公司擁有豐富的自適應(yīng)智能天線的產(chǎn)品線,其中IntelliCell技術(shù)在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用能有效地改善信號(hào)質(zhì)量和頻譜利用率,使系統(tǒng)容量和覆蓋范圍增大,提高數(shù)據(jù)傳輸速率,從而獲得最佳的語音質(zhì)量。IntelliCell處理器通過自適應(yīng)處理算法,形成可以加權(quán)參數(shù),在幅度,相位和信號(hào)空間到達(dá)角等多個(gè)指標(biāo)_L進(jìn)行每秒調(diào)整數(shù)百次的調(diào)整,從而完成上行處理和下行波束形成。該技術(shù)己經(jīng)在全球超過7.5萬個(gè)基站系統(tǒng)上得到應(yīng)用,為450萬名無線用戶提供高質(zhì)量的無線寬帶<WirelessBandwidth>服務(wù)。這一技術(shù)支持第三代移動(dòng)通<3G>各種空中接口標(biāo)準(zhǔn)<IMT2000WCDMA,CDMA2000,TD-SCDMA>,在容量、數(shù)據(jù)傳輸速率、覆蓋范圍及服務(wù)質(zhì)量上都比傳統(tǒng)移動(dòng)通信系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。據(jù)稱,IntelliCell可以使運(yùn)營(yíng)商的基站數(shù)量減少50%,由此可以減少大量的設(shè)備成本和營(yíng)運(yùn)成本。另外,XX大學(xué)奧斯丁SDMA小組建立了一套智能天線試驗(yàn)環(huán)境,并著手理論研究以及與實(shí)際系統(tǒng)相結(jié)合的研究。4.加拿大加拿大McMaster大學(xué)開發(fā)了四元I-4列天線,并進(jìn)行了恒模<CMAConstantModuleAlgorithm>算法的研究。1.3.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)對(duì)于智能天線的研究起步較晚,但也取得了一些成績(jī)。如北京信威公司研制了應(yīng)用于無線本地環(huán)路<WLI>的智能天線系統(tǒng),信威公司的智能天線采用8陣元環(huán)形自適應(yīng)陣列,工作于1785-1805MHz,采用時(shí)分雙工方式,收發(fā)間隔10ms,接收機(jī)靈敏度最大可提高9dB。但該系統(tǒng)只能工作于無線本地環(huán)路中,并對(duì)用戶位置、移動(dòng)速率有一定的要求。在國(guó)內(nèi)一些大學(xué)和研究結(jié)構(gòu),如清華大學(xué)、XX交大、中國(guó)科技大學(xué)、XX電子科技大學(xué)、北方交通大學(xué)、北京郵電大學(xué)、電信科學(xué)技術(shù)研究院等相繼開展了智能天線的理論研究一些大的電信設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)如大唐電信、華為、中興科技等也投入了很多的人力物力進(jìn)行研發(fā);國(guó)家"八六三"、國(guó)家自然科學(xué)基金、博士點(diǎn)基金等也相應(yīng)支持有關(guān)單位進(jìn)行理論與技術(shù)平臺(tái)的研究。1.4本文研究的意義智能天線有著非常誘人的應(yīng)用前景,許多國(guó)家都投入了大量的人力物力對(duì)該技術(shù)進(jìn)行研究,并取得了一些成就。概括地講,目前研究主要解決了以下兩方面的問題:1.研究論證了智能天線在不同移動(dòng)通信系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性和有效性,建立了一些技術(shù)試驗(yàn)平臺(tái),并且在一定的條件下〔從目前情況來看,智能天線正逐步應(yīng)用在固定無線接入系統(tǒng)中,即用戶固定無線傳播環(huán)境不斷變化的情況實(shí)現(xiàn)了智能天線技術(shù),驗(yàn)證了智能天線在提高移動(dòng)通信系統(tǒng)性能中表現(xiàn)出的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。2.研究了智能天線基本結(jié)構(gòu)以及功能模塊,并提出了一些智能天線的性能度量準(zhǔn)則和自適應(yīng)波束形成的算法.智能天線應(yīng)用于3G系統(tǒng)時(shí),同時(shí)也帶來了相應(yīng)的新問題,如：智能天線的校準(zhǔn)、智能天線和其它抗干擾技術(shù)的結(jié)合、波束賦形的速度問題、設(shè)備復(fù)雜性的考慮、幀結(jié)構(gòu)及有關(guān)物理技術(shù)等。波束形成是智能天線的關(guān)鍵技術(shù)之一,本論文主要研究智能天線的波束形成技術(shù)。1.5本論文研究的主要內(nèi)容及章節(jié)安排本論文主要研究智能天線波束形成技術(shù),包括基本思想、技術(shù)原理,研究智能天線波束形成的MATLAB仿真技術(shù),包括天線陣波達(dá)方向估計(jì)MATLAB仿真,以及天線陣波束形成的MATLAB仿真。本論文的章節(jié)安排如下：智能天線的研究現(xiàn)狀以及本課題研究的意義；智能天線的原理以及結(jié)構(gòu)和功能；利用MATLAB仿真工具,重點(diǎn)對(duì)天線陣波達(dá)方向估計(jì)以及天線陣的波束形成進(jìn)行仿真。第二章智能天線2.1概述應(yīng)用于具有復(fù)雜電磁波傳播環(huán)境的移動(dòng)通信系統(tǒng)中的智能天線是一種具有上行接收和下行發(fā)射雙向功能的天線系統(tǒng),它能夠有效提高天線系統(tǒng)的可靠性與靈活性,增加通信系統(tǒng)容量和改善通信質(zhì)量。本章將對(duì)這一技術(shù)展開研究,前半部分介紹智能天線系統(tǒng)原理及應(yīng)用,內(nèi)容包括智能天線的應(yīng)用環(huán)境、信道模型、工作原理、結(jié)構(gòu)、應(yīng)用;后半部分主要探討智能天線技術(shù)實(shí)現(xiàn)中的若干問題,內(nèi)容包括智能天線的實(shí)現(xiàn)方式、性能度量準(zhǔn)則等。2.2移動(dòng)通信環(huán)境與智能天線的信號(hào)模型移動(dòng)通信系統(tǒng)都有著復(fù)雜的電磁波傳播環(huán)境,從某種意義上說,智能天線的工作原理可以理解為根據(jù)用戶信號(hào)的不同空間傳播方向調(diào)節(jié)用戶信道參數(shù),從而減少干擾對(duì)系統(tǒng)的影響。因此,了解移動(dòng)通信的環(huán)境以及復(fù)雜移動(dòng)通信環(huán)境所引起的干擾,建立可以有效而精確地預(yù)測(cè)無線系統(tǒng)的信道模型,對(duì)于智能天線技術(shù)的研究和實(shí)現(xiàn)有著十分重要的意義。2.2.1移動(dòng)通信環(huán)境隨著無線電技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用,空間傳輸?shù)碾姶挪ㄗ兊迷絹碓綇?fù)雜。應(yīng)用智能天線技術(shù)就是為了有效消除電波傳輸?shù)牟焕绊?。影響移?dòng)通信中信號(hào)傳輸?shù)闹饕蛩赜?通信信道的特點(diǎn)、電磁波傳播方式、傳輸損耗及傳輸效應(yīng),下面分別予以介紹。1.移動(dòng)通信信道的主要特點(diǎn)1>傳播的開放性,即一切無線信道都是基于電磁波在空間傳播來實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)摹?>接收地理環(huán)境的復(fù)雜性與多樣性,有城市中心繁華區(qū)近郊小城鎮(zhèn)農(nóng)村及遠(yuǎn)郊區(qū)。3>通信用戶的隨機(jī)移動(dòng)性,有慢速步行的通信和高速車載不間斷的通信。電磁波是無線信號(hào)傳輸?shù)慕橘|(zhì),移動(dòng)通信下的電磁波傳播方式有:1>直射波:它是指視距覆蓋區(qū)無遮擋的傳播,直射波信號(hào)最強(qiáng)。2>多徑反射波：指不同建筑物或其它物反射后到達(dá)接收點(diǎn)的傳播信號(hào)。3>繞射波：從較大的山丘或建筑物繞射后到達(dá)接收點(diǎn)的傳播信號(hào),其強(qiáng)度與放射波相當(dāng)。4>散射波：由于空氣中離子受激后二次反射后引起的漫反射后到達(dá)接收點(diǎn)的傳播信號(hào),其信號(hào)強(qiáng)度最弱。電磁波在傳輸過程中是有損的,移動(dòng)通信電磁波傳輸可能會(huì)有下面三種不同的損耗:1>路徑傳播損耗：又稱為衰耗,它是指電波在空間傳播所產(chǎn)生的損耗,它反映了傳播在宏觀大范圍的空間距離上的接收信號(hào)電平平均值的變化趨勢(shì)。2>慢衰落損耗：它是由于電磁波在傳播路徑上受到建筑物及山丘等的阻擋所產(chǎn)生的陰影效應(yīng)而產(chǎn)生的損耗。它反應(yīng)了中等范圍內(nèi)數(shù)百波長(zhǎng)量級(jí)接收電平的均值變化而產(chǎn)生的損耗,一般遵從對(duì)數(shù)正態(tài)分布,其變化率較慢故又稱為慢衰落。3>快衰落損耗：它主要是由于多徑傳播而產(chǎn)生的衰落,它反應(yīng)微觀小范圍內(nèi)數(shù)十波長(zhǎng)量級(jí)接收電平的均值變化而產(chǎn)生的損耗,一般遵從瑞利分布或萊斯分布,其變化率比慢衰落快,故稱為快衰落。電磁波在傳輸過程中有不同的傳播路徑,且存在傳輸損耗;另一方面移動(dòng)通信用戶分布較為分散,用戶與移動(dòng)臺(tái)的相對(duì)位置是變化的。因此,在移動(dòng)通信中存在三種不同效應(yīng):1>陰影效應(yīng)：由于大型建筑物和其他物體的阻擋而形成在傳播接收區(qū)域上的半盲區(qū)。2>遠(yuǎn)近效應(yīng)：由于接收用戶的隨機(jī)移動(dòng)性,移動(dòng)用戶與基站間的距離也是隨機(jī)地變化,若各移動(dòng)用戶發(fā)射功率一樣,那么到達(dá)基站的信號(hào)強(qiáng)弱不同,離基站近信號(hào)強(qiáng),離基站遠(yuǎn)信號(hào)弱。通信系統(tǒng)的非線性則進(jìn)一步加重,出現(xiàn)前者更前,弱者更弱和以強(qiáng)壓弱的現(xiàn)象,通常稱這類現(xiàn)象為遠(yuǎn)近效應(yīng)。3>多普勒效應(yīng)：它是由于接收的移動(dòng)用戶高速運(yùn)動(dòng)而引起傳播頻率的擴(kuò)散而引起的,其擴(kuò)散程度與用戶運(yùn)動(dòng)的速度成正比。智能天線技術(shù)正是應(yīng)用在這樣一個(gè)復(fù)雜的環(huán)境中,在智能天線的算法設(shè)計(jì)和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中我們必須充分考慮上面這些因素的影響。2.2.2移動(dòng)通信中的空間信道模型移動(dòng)通信的電磁波傳播環(huán)境復(fù)雜,那么究竟信號(hào)傳輸會(huì)經(jīng)歷那些過程,受到那些因素的影響呢?下面我們將研究移動(dòng)通信中的空間信道模型。無線移動(dòng)通信的空間信道,指將信號(hào)分配單元輸出端到信號(hào)組合單元輸入端之間的部分合并,簡(jiǎn)稱信道。智能天線技術(shù)直接建立在信道參量的基礎(chǔ)上,無線移動(dòng)信道的建模與估計(jì)是智能天線技術(shù)的基礎(chǔ),無論是算法描述還是算法的性能分析以及仿真都必須依賴這一基石。而且,根據(jù)無線傳播理論和對(duì)各種通信環(huán)境的實(shí)際測(cè)量建立合理的無線移動(dòng)信道模型,可以降低智能天線自適應(yīng)算法的對(duì)實(shí)時(shí)測(cè)量的要求。經(jīng)典的模型僅考慮接收信號(hào)的功率水平分布和多普勒頻移,而現(xiàn)代空間信道模型建立在衰落和多普勒擴(kuò)展的基礎(chǔ)上,結(jié)合了時(shí)延擴(kuò)展、到達(dá)方向和自適應(yīng)天線陣的幾何特性。2.3智能天線的基本原理及結(jié)構(gòu)2.3.1智能天線的基本原理簡(jiǎn)單說,智能天線的基本原理就是根據(jù)一定的接收準(zhǔn)則自動(dòng)地調(diào)節(jié)天線陣元的幅度和相位加權(quán)值,以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)接收和發(fā)射。從空間響應(yīng)來看,智能天線是一個(gè)空間濾波器,它在信號(hào)入射方向上增益最大,在干擾信號(hào)入射方向上形成零陷或低陷。下面以直線陣為例,說明智能天線的基本原理。假設(shè)滿足天線傳輸窄帶條件,即某一入射信號(hào)在各天線單元的響應(yīng)輸出只有相位差異而沒有幅度變化,這些相位差異由入射信號(hào)到達(dá)各天線所走路線的長(zhǎng)度差來決定。若入射信號(hào)為平面波<只有一個(gè)入射方向>,則這些相位差由載波波長(zhǎng)、入射角度、天線位置分布唯一確定。給定一組加權(quán)值,一定的入射信號(hào)強(qiáng)度,不同入射角度的信號(hào)由于在天線間的相位差不同,合并后的輸出信號(hào)強(qiáng)度也會(huì)不同。智能天線的工作原理可用下圖說明:yWmW1W0平面波前WmW1W0αXXWn………Wn陣元0陣元1陣元m陣元n求和求和接受器接受器圖2-1智能天線基本原理圖對(duì)于N元天線陣列,設(shè)信號(hào)自α方向入射,陣元間距為d,接收信號(hào)功率為P,以第1個(gè)天線單元為參考,則第i個(gè)天線單元的相位延遲為Φ=β<i-1>dcos<α>,其中β=2π/λ為電磁波波長(zhǎng)。智能天線的目的就是確定最佳權(quán)值矢量W,己達(dá)到提取有用信號(hào),抑制干擾信號(hào)濾除噪聲信號(hào)的目的。智能天線的方向圖根據(jù)權(quán)值的變化而變化,它不同于全向<omni->天線<理想時(shí)為一直線>,而更接近定向<directional>天線的方向圖,即有主瓣<mainlobe>.副瓣<sidelobe>等,但相比而言,智能天線通常有較窄的主瓣,較靈活的主,副瓣大小、位置關(guān)系和較大的天線增益<無線術(shù)語,天線的一項(xiàng)重要指標(biāo),是最強(qiáng)大力向的增益與各力向平均增益之比>。它和固定天線的最大區(qū)別是：不同的權(quán)值對(duì)應(yīng)著不同的力向圖,可以通過改變權(quán)值來調(diào)節(jié)天線方向圖,即天線模式<antennaPattern>。理想的智能天線就是要使天線方向圖的主瓣對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)用戶方向,零瓣對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)方向,如下圖所示:圖2-2理想智能天線工作的方向圖智能天線的方向圖是隨著權(quán)值的改變而動(dòng)態(tài)變化的,智能天線正是通過自適應(yīng)調(diào)整權(quán)值的來抑制干擾、提高信噪比,進(jìn)而提高移動(dòng)通信系統(tǒng)性能。2.3.2智能天線系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)通常智能天線系統(tǒng)由3部分組成:實(shí)現(xiàn)信號(hào)空間采樣的天線陣;對(duì)各陣元輸出進(jìn)行加權(quán)合并的波束成型網(wǎng)絡(luò):更新合并權(quán)值的控制部分,其基本結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。天線陣列部分根據(jù)天線陣元之間的幾何關(guān)系,陣列形狀大致可劃分為:線陣、面陣、圓陣等,甚至還可以組成三角陣、不規(guī)則陣和隨機(jī)陣。天線陣的配置方式對(duì)智能天線性能有著直接的影響。在移動(dòng)通信應(yīng)用中天線陣多采用均勻線陣或均勻圓陣。因?yàn)橹本€陣己被證明更適合于市區(qū)移動(dòng)通信環(huán)境,本文的討論都是以直線陣為例。天線陣元數(shù)一般取4到16.因?yàn)橐环矫嫣炀€陣元數(shù)越多,系統(tǒng)增益也就越高；但另一方面陣元數(shù)的增加會(huì)使射頻通道相應(yīng)增加,會(huì)導(dǎo)致基站成本上升過大,所以智能天線的天線數(shù)不能過大。陣元間距一般為半個(gè)波長(zhǎng),因?yàn)槿绻囋g距過大,接收信號(hào)的彼此相關(guān)程度會(huì)降低;間距過小,會(huì)在天線的方向圖上形成不必要的柵瓣<有較大甚至和主瓣高度相同的旁瓣>。圖2-3典型的智能天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖波束成型網(wǎng)絡(luò)部分主要完成數(shù)模轉(zhuǎn)換和天線方向圖的自適應(yīng)調(diào)整。每個(gè)天線陣陣元上都有ADC和UAC,將接收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),將待發(fā)射的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào),完成模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換。所有收發(fā)數(shù)字信號(hào)都通過一組高速數(shù)字總線和基帶數(shù)字信號(hào)處理器連接。天線方向圖的調(diào)整是根據(jù)控制部分得到的權(quán)值調(diào)節(jié)天線輸出來實(shí)現(xiàn)的?？刂撇糠?lt;即算法部分>是智能天線系統(tǒng)的核心部分,其功能是依據(jù)信號(hào)環(huán)境、按某種性能度量準(zhǔn)則和自適應(yīng)算法,選擇或計(jì)算權(quán)值。智能天線系統(tǒng)是由上面三部分組成的一個(gè)自適應(yīng)控制系統(tǒng),它根據(jù)一定的自適應(yīng)算法自動(dòng)調(diào)準(zhǔn)天線陣方向圖,使它在干擾方向形成零陷或低陷,在信號(hào)到達(dá)方向形成主瓣,從而達(dá)到加強(qiáng)有用信號(hào),擬制干擾信號(hào)的目的。智能天線系統(tǒng)的基本工作流程可以簡(jiǎn)單概括如下:1、系統(tǒng)將首先對(duì)來自所有天線中的信號(hào)進(jìn)行快照或取樣,然后將它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式,并存儲(chǔ)在內(nèi)存中。2、處理器將立即分析樣本,對(duì)無線環(huán)境進(jìn)行評(píng)估,確認(rèn)有用用戶所在的位置。3、處理器對(duì)天線信號(hào)的組合方式進(jìn)行計(jì)算,力爭(zhēng)最佳地恢復(fù)用戶的信號(hào)。4、系統(tǒng)將進(jìn)行模擬計(jì)算,使天線陣列可以有選擇地向空間發(fā)送信號(hào)。5、在上述處理的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)就能夠在每條空間信道上發(fā)送和接收信號(hào),從而使這些信道成為雙向信道。以上介紹了智能天線的基本結(jié)構(gòu)、原理以及工作流程,在工程實(shí)際中智能天線的工作原理更復(fù)雜,并且每一部分的實(shí)現(xiàn)和結(jié)構(gòu)往往根據(jù)所應(yīng)用的系統(tǒng)不同而略有不同。2.4智能天線的主要功能及應(yīng)用上一節(jié)介紹了智能天線的原理,移動(dòng)通信中引入智能天線技術(shù)究竟能實(shí)現(xiàn)那些功能,它又有那些優(yōu)勢(shì)；移動(dòng)通信系統(tǒng)依據(jù)多址方式和實(shí)現(xiàn)方法的不同可以分為不同的類別,智能天線在不同的移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用情況又是怎么樣呢?這一節(jié)里主要介紹這兩個(gè)方面的內(nèi)容。智能天線的功能以及在移動(dòng)通信中應(yīng)用的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)面:1.抗衰落在陸地移動(dòng)通信中,電波傳播路徑由反射、折射及散射的多徑波組成,隨著移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)及環(huán)境變化,信號(hào)瞬時(shí)值及延遲失真的變化非常迅速,且不規(guī)則,造成信號(hào)衰落。采用全向天線接收所有方向的信號(hào),或采用定向天線接收某個(gè)固定方向的信號(hào),都會(huì)因衰落使信號(hào)失真較大。如果采用智能天線控制接收方向,天線自適應(yīng)地構(gòu)成波束的方向性,使得延遲波方向的增益最小,從而可以大大減小信號(hào)衰落的影響。智能天線還可用于分集,減少衰落。電波通過不同路徑到達(dá)接收天線,其方向角各不相同,利用多副指向不同的自適應(yīng)接收天線,將這些分量隔離開,然后再合成處理,即可實(shí)現(xiàn)角度分集。2.抗干擾用高增益、窄波束智能天線陣代替現(xiàn)有FDMA和TDMA基站的天線。與傳統(tǒng)天線相比,用12個(gè)波束天線陣列組成。全覆蓋天線的同頻干擾要小得多。將智能天線用于CDMA基站,可減少移動(dòng)臺(tái)對(duì)基站的干擾,改善系統(tǒng)性能?？垢蓴_應(yīng)用的實(shí)質(zhì)是空間域?yàn)V波。智能天線波束具有方向性,可區(qū)別不同入射角的無線電波,可調(diào)整控制天線陣單元的激勵(lì)"權(quán)值",其調(diào)整方式與具有時(shí)域?yàn)V波特性的自適應(yīng)均衡器類似,可以自適應(yīng)電波傳播環(huán)境的變化,優(yōu)化天線陣列方向圖,將其"零點(diǎn)"自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)干擾方向,大大提高陣列的輸出信噪比,提高系統(tǒng)可靠性。3.增加系統(tǒng)容量為了滿足移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的巨大需求,應(yīng)盡量擴(kuò)大現(xiàn)有基站容量和覆蓋范圍。要盡量減少新建網(wǎng)絡(luò)所需的基站數(shù)量,必須通過各種方式提高頻譜利用效率。方法之一是采用智能天線技術(shù),用多波束天線代替普通天線。由于天線波束變窄,提高了天線增益及C/I指標(biāo),減少了移動(dòng)通信系統(tǒng)的同頻干擾,降低了頻率復(fù)用系數(shù),提高了頻譜利用效率。使用智能天線后,無須增加新的基站就可改善系統(tǒng)覆蓋質(zhì)量,擴(kuò)大系統(tǒng)容量,增強(qiáng)現(xiàn)有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的性能。未來的智能天線應(yīng)能允許任一無線信道與任一波束配對(duì),這樣就可按需分配信道,保證呼叫阻塞嚴(yán)重的地區(qū)獲得較多信道資源,等效于增加了此類地區(qū)的無線網(wǎng)容量。采用智能天線是解決稠密市區(qū)容量難題既經(jīng)濟(jì)又高效的方案,可在不影響通話質(zhì)量的情況下,將基站配置成全向連接,大幅度提高基站容量。4.實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)定位目前蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)只能確定移動(dòng)臺(tái)所處的小區(qū),如果增加定位業(yè)務(wù),則可隨時(shí)確定持機(jī)者所處位置,不但給用戶和網(wǎng)絡(luò)管理者提供很大方便,還可開發(fā)出更多的新業(yè)務(wù)。在陸地移動(dòng)通信中,如果基站采用智能天線陣,一旦收到信號(hào),即對(duì)每個(gè)天線元所連接收機(jī)產(chǎn)生的響應(yīng)作相應(yīng)處理,獲得該信號(hào)的空間特征矢量及矩陣,由此獲得信號(hào)的功率估值和到達(dá)方向,即用戶終端的方位。通過此方法,用兩個(gè)基站就可將用戶終端定位到一個(gè)較小區(qū)域。智能天線技術(shù)己經(jīng)成為移動(dòng)通信技術(shù)中一個(gè)最活躍的研究領(lǐng)域,它對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)所帶來的優(yōu)勢(shì)是目前任何技術(shù)所難以替代的。第三章基于MATLAB的波達(dá)方向研究以及波束形成3.1MATLAB概述3.1.1MATLAB語言簡(jiǎn)介MATLAB是一種交互式的、以矩陣為基礎(chǔ)的軟件開發(fā)環(huán)境,它用于科學(xué)和工程的計(jì)算與可視化。MATLAB的編程功能簡(jiǎn)單,并且很容易擴(kuò)展和創(chuàng)造新的命令與函數(shù)。應(yīng)用MATLAB可方便地解決復(fù)雜數(shù)值計(jì)算問題。MATLAB具有強(qiáng)大的Simulink動(dòng)態(tài)仿真環(huán)境,可以實(shí)現(xiàn)可視化建模和多工作環(huán)境間文件互用和數(shù)據(jù)交換。Simulink支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng),也支持多種采樣速率的多速率系統(tǒng)；Simulink為用戶提供了用方框圖進(jìn)行建模的圖形接口,它與傳統(tǒng)的仿真軟件包用差分方程和微分方程建模相比,更直觀、方便和靈活。用戶可以在MATLAB和Simulink兩種環(huán)境下對(duì)自己的模型進(jìn)行仿真、分析和修改。<用于實(shí)現(xiàn)通信仿真的通信工具包CommunicationToolbox,>也叫Commlib,通信工具箱是MATLAB語言中的一個(gè)科學(xué)性工具包,提供通信領(lǐng)域中計(jì)算、研究模擬發(fā)展、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析的功能,可以在MATLAB環(huán)境下獨(dú)立使用,也可以配合Simulink使用效果更好。3.1.2MATLAB語言特點(diǎn)MATLAB是MathWorks公司開發(fā)的一種跨平臺(tái)的,用于矩陣數(shù)值計(jì)算的簡(jiǎn)單高效的數(shù)學(xué)語言,與其它計(jì)算機(jī)高級(jí)語言如C,C++,FortrarhBasic,Pascal等相比,MATLAB語言編程要簡(jiǎn)潔得多,編程語句更力日接近數(shù)學(xué)描述,可讀性好,其強(qiáng)大的圖形功能和可視化數(shù)據(jù)處理能力也是其它高級(jí)語言望塵莫及的。對(duì)于具有任何一門高級(jí)語言基礎(chǔ)的讀者來說,學(xué)習(xí)MATLAB十分容易。但是,要用好MATLAB卻不是在短時(shí)間就可以達(dá)到的。這并不是因?yàn)镸ATLAB語言復(fù)雜難懂,而是實(shí)際問題的求解往往更多的是需要使用者具備數(shù)學(xué)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)。MATLAB使得人們擺脫了常規(guī)計(jì)算機(jī)編程的繁瑣,讓人們能夠?qū)⒋蟛糠志ν度氲窖芯繂栴}的數(shù)學(xué)建模上,可以說,應(yīng)用MATLAB這一數(shù)學(xué)計(jì)算和系統(tǒng)仿真的強(qiáng)大工具,可以使科學(xué)研究的效率得以成百倍的提高。目前,MATLAB已經(jīng)廣泛用于理工科大學(xué)從高等數(shù)學(xué)到幾乎各門專業(yè)課程之中,成為這些課程進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的有效工具。在科研部門,MATLAB更是極為廣泛地得到應(yīng)用,成為全球科學(xué)家和工程師進(jìn)行學(xué)術(shù)交流首選的共同語言。在國(guó)內(nèi)外許多著名學(xué)術(shù)期刊上登載的論文,大部分的數(shù)值結(jié)果和圖形都是借助MATLAB來完成的。與其它高級(jí)語言相比較,MATLAB具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì):<1>MATLAB是一種跨平臺(tái)的數(shù)學(xué)語言。采用MATLAB編寫的程序可以在目前所有的操作系統(tǒng)上運(yùn)行<只要這些系統(tǒng)上安裝了MATLAB平臺(tái)>。MATLAB程序不依賴于計(jì)算機(jī)類型和操作系統(tǒng)類型。<2>MATLAB是一種超高級(jí)語言。MATLAB平臺(tái)本身是用C語言寫成的,其中匯集了當(dāng)前最新的數(shù)學(xué)算法庫(kù),是許多專業(yè)數(shù)學(xué)家和工程學(xué)者多年的勞動(dòng)結(jié)晶。使用MATLAB意味著站在巨人的肩膀上觀察和處理問題,所以在編程效率,程序的可讀性、可靠性和可移植性上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了常規(guī)的高級(jí)語言。這使得MATLAB成為了進(jìn)行科學(xué)研究和數(shù)值計(jì)算的首選語言。<3>MATLAB語法簡(jiǎn)單,編程風(fēng)格接近數(shù)學(xué)語言描述,是數(shù)學(xué)算法開發(fā)和驗(yàn)證的最佳工具。MATLAB以復(fù)數(shù)矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ),其基本編程單位是矩陣,使得編程簡(jiǎn)單,而功能極為強(qiáng)大。對(duì)于常規(guī)語言中必須使用許多語句才能實(shí)現(xiàn)的功能,如矩陣分解、矩陣求逆、積分、快速傅立葉變換,甚至串口操作、聲音的輸入輸出等,在MATLAB中均用一兩句指令即可實(shí)現(xiàn)。而且,MATLAB中的數(shù)值算法是經(jīng)過千錘百煉的,比用戶自己編程實(shí)現(xiàn)的算法的可信度和可靠性都大為提高。<4>MATLAB計(jì)算精度很高。MATLAB中數(shù)據(jù)是以雙精度存儲(chǔ)的,一個(gè)實(shí)數(shù)采用8字節(jié)存儲(chǔ),而一個(gè)復(fù)數(shù)則采用16字節(jié)存儲(chǔ)。通常矩陣運(yùn)算精度高達(dá)10的15次方以上,完全能夠滿足一般工程和科學(xué)計(jì)算的需要。與其它語言相比,MATLAB對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)存、硬盤空間的要求也是比較高的。<5>MATLAB具有強(qiáng)大的繪圖功能。利用MATLAB的繪圖功能,可以輕易地獲得高質(zhì)量的<印刷級(jí)>曲線圖。具有多種形式來表達(dá)二維、三維圖形,并具有強(qiáng)大的動(dòng)畫功能,可以非常直觀地表現(xiàn)抽象的數(shù)值結(jié)果。這也是MATLAB廣為流行的重要原因之一。<6>MATLAB具有串口操作主聲音輸入輸出等硬件操控能力。隨著版本的提高,這種能力還會(huì)不斷加強(qiáng),使得人們利用計(jì)算機(jī)和實(shí)際硬件相連接的半實(shí)物仿真的夢(mèng)想得以輕易實(shí)現(xiàn)。<7>MATLAB程序可以直接映射為DSP芯片可接受的代碼,大大提高了現(xiàn)代電子通信設(shè)備的研發(fā)效率。<8>MATLAB的程序執(zhí)行效率比其它語言低。MATLAB程序通常是解釋執(zhí)行的,在執(zhí)行效率和速度上低丁共它高級(jí)語言,當(dāng)然如果對(duì)執(zhí)行效率有特別要求,可以采用C語言編制算法,然后通過MATLAB接口在MATLAB中執(zhí)行。事實(shí)上,MATLAB自帶的許多內(nèi)部函數(shù)均是用C語言編寫并編譯的,因此利用MATLAB內(nèi)部函數(shù)的程序部分運(yùn)行速度并不比其它語言中相應(yīng)函數(shù)低。3.2天線陣的波達(dá)方向估計(jì)的MATLAB仿真陣列天線信號(hào)處理作為信號(hào)處理的一個(gè)重要分支,在通信、雷達(dá)、地震勘探、射電天文等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用和迅速發(fā)展。它包括：·信源定位——確定陣列到信源的仰角和方位角,甚至距離?！ば旁捶蛛x——確定各個(gè)信源發(fā)射的信號(hào)波形。各個(gè)信源從不同方向到達(dá)陣列,即使它們?cè)跁r(shí)域和頻域上是疊加的?！ば诺拦烙?jì)——確定信源與陣列之間的傳輸信道的參數(shù)。陣列信號(hào)處理是改善蜂窩和個(gè)人通信服務(wù)系統(tǒng)質(zhì)量、覆蓋范圍和容量的一種強(qiáng)有力的工具。建立在波達(dá)方向估計(jì)、波束形成基礎(chǔ)上的智能天線的應(yīng)用,抑制了干擾信號(hào)。改善了欲接收信號(hào)的信噪比,降低了數(shù)字通信的誤碼率。將接受天線陣列用于公眾網(wǎng)的反向連接時(shí),多個(gè)接受天線能夠收集更多的信號(hào)能量,若天線在空間足夠分離或極化各異,則多個(gè)天線能夠提供很好的分集接收,并抑制多徑傳輸引起的衰落。這些好處可以擴(kuò)大基站的覆蓋范圍,改善通信質(zhì)量。3.2.1原理全向天線不僅利用率不高,而且對(duì)各種信號(hào)不加區(qū)別地接收,降低了通信質(zhì)量。定點(diǎn)元線通信采用定向天線,大幅度地改善了通信質(zhì)量。面對(duì)眾多移動(dòng)用戶的公眾通信網(wǎng)基站和專用移動(dòng)通信網(wǎng),采用天線指向即波束可變的天線<智能天線>,可以使移動(dòng)通信的通信質(zhì)量得到很大的改善。為使天線的波束指向可控,甚至形狀可控,采用陣列天線是合適的。在距離通信源足夠遠(yuǎn)的空間里,可以將到達(dá)的電磁波視為平面波。對(duì)于等距離直線陣天線,由于調(diào)制在載波上的基帶信號(hào)碼元寬度與波速的乘積遠(yuǎn)大于天線陣列的尺寸,因此多個(gè)天線陣元上的信號(hào)的幅度可視為不變,而它們的載波的相位差則取決于其相互位置、尺寸、波長(zhǎng)和到達(dá)方向。圖3-1所示是智能天線的原理框圖。天線接收的元線電信號(hào)中有許多成分,其中有我們關(guān)心的S信號(hào)。天線陣列各個(gè)陣元接收的電磁波信號(hào)因?yàn)殛囋帕形恢玫牟煌瑤硐辔徊睢＝?jīng)過特定參數(shù)的加權(quán)控制器四處理后,進(jìn)一步改變了各個(gè)陣元輸出信號(hào)的相位和幅度。處理的目標(biāo)是使得陣元輸出的信號(hào)和Y中的S成分具有最大輸出。用S信號(hào)作為基準(zhǔn)信號(hào),反饋控制單元的功能就是將輸出信號(hào)Y與基準(zhǔn)信號(hào)S的差值<即誤差信號(hào)ε>,作為調(diào)節(jié)控制加權(quán)控制器ω參數(shù)的依據(jù)。反饋控制的結(jié)果是使ε減小,Y中的S成分加大,也就是說,天線陣列接收方向圖指向了S信號(hào)方向。圖3-2所示是均勻直線陣三維圖智能天線的原理框圖。圖3—1智能天線原理圖圖3—2均勻直線陣三維圖3.2.2波達(dá)方向估計(jì)的方法1.Capon法Capon法亦稱最小方差元畸變響應(yīng)MVDR<MinimumVarianceDistortiOE-LessReSPOIlse>。天線陣列中的陣元數(shù)決定了陣列方向圖設(shè)計(jì)中的自由度數(shù)。Capon法將陣列中可控的自由度用來形成期望的波束形狀,達(dá)到對(duì)有用信號(hào)進(jìn)行提升和對(duì)無用信號(hào)進(jìn)行抑制的目的,并將其優(yōu)化問題表達(dá)為〔3—1其約束條件為?？梢宰C明上式的解為即可以得到相應(yīng)的功率為〔3—22.MUSIC法MUSIC法亦稱多重信號(hào)分類<MultipleSignalClassification>。當(dāng)入射信號(hào)數(shù)N小于陣元數(shù)M時(shí),矩陣有與進(jìn)入陣列的信號(hào)數(shù)目相等的非零特征值及M—N個(gè)為零的特征值。=[…]〔是相應(yīng)的噪聲特征矢量因?yàn)锳與的正交性,分母很小,峰值很大,這樣可以得出MUSIC法的空間譜為〔3—3以下是對(duì)七單元線形天線陣在四信號(hào)輸入情況下的編程仿真。設(shè)信號(hào)1從/4方向入射,信號(hào)2從/3方向入射,信號(hào)3從/6方向入射,信號(hào)4從3/4方向入射。下面是用兩種方法求波達(dá)方向估計(jì)的應(yīng)用程序。程序3—1%七單元線形天線陣的波達(dá)方向估計(jì)d=1;%天線陣元的間距l(xiāng)ma=2;%信號(hào)中心波長(zhǎng)q1=1pi/4;q2=pi/3;q3=pi/6;q4=3pi/4;%四個(gè)輸入信號(hào)的方向A1=[exp<-2pijd[0.6]cos<q1>/lma>]’;%求陣因子A2=[exp<-2pijd[0.6]cos<q2>/lma>]’;A3=[exp<-2pijd[0.6]cos<q3>/lma>]’;A4=[exp<-2pijd[0.6]cos<q4>/lma>]’;A=[A1,A2,A3,A4];%得出A矩陣n=1:1900;v1=.015;%四信號(hào)的頻率v2=.05;v3=.02;v4=.035;d=[1.3cos<v1n>;1sin<v2n>;1sin<v3n>;1sin<v4n>];%輸入信號(hào)矢量U=Ad;%總的輸入信號(hào)U1=<U>’;c=cov<UU1>;%總輸入信號(hào)的協(xié)方差矩陣[s,h]=eig<c>;%求協(xié)方差矩陣的特征矢量Vn=s<:,[5:7]>;%取出與零特征值對(duì)應(yīng)的特征矢量ci=inv<c>;qlb=[pi/180:pi/180:pi];forn=1:length<qlb>qla<n>=qlb<n>;Ala=[exp<-2pij1[0.6]cos<qla<n>>/lma>]’;Pmusic<n>=<Ala>’Ala<inv<<Ala>’Vn<Vn>’Ala>>;%應(yīng)用MUSIC法估計(jì)輸出Pcap<n>=inv<<Ala>’ci<Ala>>;%應(yīng)用Capon法估計(jì)輸出T<n>=qla<n>;P1=abs<Pmusic>;P2=abs<Pcap>;endfigure<1>%繪出應(yīng)用MUSIC法估計(jì)的波達(dá)方向圖polar<T,P1>figure<2>%繪出應(yīng)用MUSIC法估計(jì)的波達(dá)方向圖T1=T180/pi;Semilogy<T1,P1>;gridfigure<3>%繪出應(yīng)用Capon法估計(jì)的波達(dá)方向圖polar<T,P2>figure<4>%繪出應(yīng)用Capon法估計(jì)的波達(dá)方向圖T1=T180/pi;semilogy<T1,P2>;grid圖3-3～3-6所示是程序運(yùn)行后顯示的結(jié)果。圖3-3Capon法作出的波達(dá)方向估計(jì)〔極坐標(biāo)圖3-4Capon法作出的波達(dá)方向估計(jì)〔直角坐標(biāo)圖3-5MUSIC法作出的波達(dá)方向估計(jì)〔極坐標(biāo)圖3-6MUSIC法作出的波達(dá)方向估計(jì)〔直角坐標(biāo)以上四圖的分析中可以得到如下結(jié)論：兩種方法估計(jì)都比較準(zhǔn)確。MUSIC法的方向圖線的幅度更大。3.3天線陣波束形成的MATLAB仿真本論文以等距離圓陣為例來討論天線陣的波束形成。圖3-7所示是等距離圓線陣的三維圖。圖3-7等距離圓線陣的三維圖我們把天線陣元順序定為從OB起順時(shí)針排列為0到M-1。若有一平面波以角入射到陣列上,第K號(hào)陣元上產(chǎn)生的信號(hào)為,它與到達(dá)陣元中心的波前的相位差是；與r分別是入射波的波長(zhǎng)和陣列圓的半徑,亦稱陣因子。為了使天線陣的輸出滿足需要,在每個(gè)陣元加上加權(quán)因子控制。這樣第K號(hào)陣元上輸出的信號(hào)為。若到達(dá)天線陣的信號(hào)是第N個(gè),天線陣的輸出是N個(gè)信號(hào)在M個(gè)陣元上的輸出的疊加。用解析式表達(dá)如下：〔3—4〔3—5〔3—6式中,是K陣元以O(shè)B為基準(zhǔn)順時(shí)針畫出的角度?！?—7〔3—8〔3—9為了求得多個(gè)信號(hào)到達(dá)的方向〔波達(dá)方向,可以采用上述的Capon、MUSIC兩種方法。波束形成可以采用下面的方法：當(dāng)有多〔N個(gè)信號(hào)輸入時(shí),其中有1個(gè)信號(hào)是我們關(guān)心的,N-1是需要抑制的。方程組〔3—10描述了上述需求的約束條件〔四個(gè)信號(hào)輸入中,第一個(gè)信號(hào)是我們關(guān)心的,其余的信號(hào)是需要抑制的。〔3—10根據(jù)信號(hào)波達(dá)方向的知識(shí)及約束條件求解方程組〔3—10,可以得到〔3—11代入式〔3—9可以得到陣列輸出的方