基于LM S算法的智能天線的M A TLAB仿真

汪 睿,曾慶棟

(1.孝感學院物理與電子信息工程學院,湖北孝感432000;2.咸寧職業技術學院電子信息工程系,湖北咸寧437100)

基于LM S算法的智能天線的M A TLAB仿真

汪 睿1,2,曾慶棟1

(1.孝感學院物理與電子信息工程學院,湖北孝感432000;2.咸寧職業技術學院電子信息工程系,湖北咸寧437100)

分析了智能天線的基本原理,結合一種直線陣自適應陣列,在MATLAB軟件下,采用基于LMS算法的波束成形方法,對智能天線進行仿真實現。結果表明,使用基于LMS自適應算法的智能天線技術后,接收端的誤比特率(BER)得到明顯降低。

智能天線;LM S算法;誤比特率(BER);MA TLAB

近年來,隨著移動通信用戶數的迅速增長和人們對信息交流需求的不斷提高,通信頻譜已成為越來越寶貴的資源。對移動通信、電波傳播、組網技術、天線理論、現代數字信號處理等方面研究的逐漸深入,使得利用數字技術在基帶形成天線波束成為可能,于是,智能天線技術產生并得到快速發展,且應用于具有復雜電波傳播環境的移動通信中[1-4]。

智能天線實際上相當于一個空時濾波器,在有多個指向不同用戶的并行天線波束的控制下,可以顯著降低用戶信號彼此間的干擾。具體而言,智能天線在以下幾個方面具有顯著的優越性:(1)擴大系統的覆蓋區域;(2)增加系統容量;(3)提高頻譜利用效率;(4)降低基站發射功率,節省系統成本,減少信號間干擾與電磁環境污染[5-7]。

1 智能天線原理

任何無線電發射和接收設備都要使用到天線,天線是無線通訊設備最基本的組成部分。方向圖是表示與天線距離相等的空間各點的場強與其位置坐標(角向)的關系的圖形,它描繪天線輻射特性隨著空間方向坐標(仰角θ,方位角 ?)的變化關系。根據電磁波在空間相互干涉的原理,把一些基本天線按照一定的規律排列起來形成天線陣列,并賦予合理的加權系數來調整激勵分布,就構成了陣列天線。采用陣列天線可以有效提高天線的方向性。

天線陣列的排列方式可以是線狀的,也可以是面狀的或立體的結構;可以是均勻的,也可以是非均勻的,主要是根據不同的需要,以滿足不同的技術指標的要求。例如,圖1是一種均勻直線型陣列天線的平面圖,由圖1可以看到,M個天線陣元均勻地排列在一直線上,每一個天線單元上都有一個可以調整的加權系數,通過調整加權系數Wm,可以動態地調整整個天線陣的方向圖。

圖1 均勻直線型陣列天線原理圖

智能天線采用這種陣列天線技術,通過自適應濾波算法自動調整陣列的加權因子,從而改變天線波束方向圖的指向,接收希望方向的有用信號,抑制不希望的干擾方向的信號。智能天線的系統結構如圖2所示,由圖2可見,其系統結構主要由天線陣列、模數轉換器、波束成形網絡和自適應處理器四部分組成[8-9],其工作原理是天線陣列將接收到的無線電波信號經過模數轉換器(A/D)轉換成數字信號,到自適應處理器通過自適應算法對接收到的信號進行自適應處理,再將結果反饋到加權系數Wm中,從而調整天線的激勵系數。自適應處理器是智能天線的核心部分,它通過自適應算法自動調整加權系數網絡,自適應地調整天線方向圖接收有用信號,抑制干擾信號。

圖2 智能天線系統結構圖

2 自適應算法

智能天線的數字處理部分一般由兩個主要部分組成[10]:一部分是以數字信號處理器和自適應算法為核心的最優(次優)權值產生網絡;另一部分是以動態自適應加權網絡構成的自適應波束成形網絡。現在我們采用基于LM S(最小均方誤差)的算法[11]來實現。

LMS算法最早是在1960年由 Widrow和Hoff提出的,它主要是基于最小均方誤差準則,使輸出信號與期望信號之間的均方誤差最小。該算法具有簡單有效、計算量小、魯棒性好、易于實現等優點。

在LM S算法中,假設N階 FIR濾波器抽頭系數向量為w,則抽頭估計器最簡單的選擇是使用基于抽頭輸入向量和期望響應R和 P的瞬態估計,分別定義為:

采用最陡下降法,由(1)式和(2)式得到抽頭系數更新遞歸關系為:

濾波器輸出為:

誤差信號為:

則抽頭系數的自適應為:

(6)式中 2μu(n)e＊(n)表示抽頭向量(n)當前估計的調整量。該迭代從某一初始值(0)開始,在每一次抽頭更新中,LM S算法都需要 u(n)、d(n)和(n)最近值的信息,經過多次迭代運算之后,可使目標函數J=E[|e(n)|2]逼近最優。

3 MATLAB軟件仿真

利用MA TLAB軟件對自適應智能天線進行仿真,其中智能天線利用基于MM SE準則的最小均方誤差(LM S)算法進行加權向量的更新。波達方向為(θ,?)=(π/3,π/2),分別計算當陣元數M為4和8時,使用智能天線和不使用智能天線時統計數據的誤碼率(BER),如圖3和圖4所示。

圖3 M=4時智能天線中的誤比特率曲線圖

圖4 M=8時智能天線中的誤比特率曲線圖

4 結論與分析

從圖3和圖4可以看出,使用基于LM S自適應算法的智能天線技術后,接收端的誤比特率(BER)明顯低于未使用智能天線時的誤比特率,通信質量得到很大的改善,并且隨著天線陣中單元個數的增加,接收機的BER性能改善更加明顯。由此可見,當存在干擾甚至強干擾時,使用智能天線技術能夠抑制干擾,降低通信系統誤碼率,保證了信號傳輸的有效性,提高了系統性能。因此,在寬帶無線通信系統中,可以把OFDM(正交頻分復用)技術和智能天線技術結合起來實現高速可靠的數據傳輸。

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Simulation of Smart Antenna Based on LMS Algorithm by MATLAB

Wang Rui1,2,Zeng Qingdong1
(1.School of Physics and Electronic-inform ation Engineering,Xiaogan University,Xiaogan,Hubei 432000,China;2.Department of Electronic Information Engineering,Xianning Vocational-Technical College,Xianning,Hubei 437100,China)

On the basis of the discussion of basic principles of Asmart antenna model of uniform ly spaced linear adaptive array,the simulation and realization for smart antenna have been performed based on LMS algorithm through the MATLAB software.The result show s that the bit error rate(BER)of receiving is significantly reduced by using the smart antenna technology based on LMS algorithm.

smart antenna;LMS algorithm;bit error rate(BER);MATLAB

TN821+.91

A

1671-2544(2010)03-0054-03

2010-04-02

汪 睿(1967— ),男,湖北咸寧人,咸寧職業技術學院電子信息工程系教師。

曾慶棟(1982— ),男,湖北廣水人,孝感學院物理與電子信息工程學院教師,碩士。

(責任編輯:鄒禮平)