陣列導向矢量在智能天線自適應算法中的應用

惠鵬飛,夏 穎,陶佰睿,苗鳳娟

（齊齊哈爾大學通信與電子工程學院,黑龍江齊齊哈爾 161006）

陣列導向矢量在智能天線自適應算法中的應用

惠鵬飛,夏 穎,陶佰睿,苗鳳娟

（齊齊哈爾大學通信與電子工程學院,黑龍江齊齊哈爾 161006）

分析了智能天線自適應算法的基本原理,針對常用算法運算量大和測向精度有限等問題,在接收機的輸出端引入陣列導向矢量信號,利用方向性因子和協方差矩陣的特殊性質,通過多次迭代運算得出區間內的信干噪比曲線。通過對八元直線型智能天線陣列的HFSS仿真實驗表明,兩組信干噪比曲線峰值均對應期望信號方向,峰值信干噪比大于30 dB,算法抗干擾性能良好。八元陣列天線的最大增益約為18 dB,通帶內駐波比小于1.5,反射系數小于-25 dB,天線系統波束搜索性能良好,而且可以實現遠距離傳輸。

智能天線;自適應算法;陣列導向矢量;波束搜索

1 引 言

智能天線技術是TD-SCDMA系統的核心技術之一,基站采用智能天線系統,可以在不顯著增加系統復雜度的情況下,利用數字技術實現波束形成。智能天線除了可以大幅提高系統容量和頻譜利用率之外,另外一個優勢就是良好的抗干擾性能[1]。影響智能天線系統抗干擾能力的因素有許多,自適應算法的抗干擾性能對整個天線系統的抗干擾能力有著決定性的影響。對于采用智能天線的TD-SCDMA網絡基站,人們期望天線系統具有高的信干噪比（SINR）和較強的波束搜索能力,以實現對環境噪聲的有效抑制及對移動臺進行有效的定位和捕獲。

本文在對原有智能天線波束搜索算法的研究基礎上,分析了制約智能天線自適應算法抗干擾能力的因素,通過引入陣列導向矢量信號,利用陣列導向矢量及其協方差矩陣的特殊性質,得出了改進后的自適應算法,有效簡化了信號來波方向估計過程,提高了天線系統的波束搜索能力和抗干擾能力,利用HFSS和MATLAB驗證了該算法的可行性。

2 陣列天線波束基本原理

智能陣列天線在結構上已經采用了模塊化設計,大體分為天線陣列、模/數或者數/模轉換、自適應處理器和波束成形網絡4部分組成。圖1是智能天線系統框圖,信號x（t）經天線接收,然后與權矢量w相乘,以調整各通道接收信號的相位和幅度,最后對加權信號后的信號求和,得到陣列輸出y（t）,其中信號x（t）和權矢量w是復數[2]。

圖1 智能天線系統原理框圖Fig.1 Block diagram of smart antenna system

3 波束搜索算法的改進設計

3.1 波束搜索算法存在的問題

目前常用的超分辨DOA估計方法是MUSIC算法,屬于特征結構子空間算法,是比較典型的智能天線算法。MUSIC算法是以幾何觀點考查信號參數估計的問題,假設有K個信號入射到陣列上,則M元陣列接收到的輸人數據向量可以表示為K個入射波形與噪聲的線性組合[5],即:

式中,Sk（t）=[s1（t）,s2（t）,s3（t）,…,sk（t）]是入射信號向量;n（t）=[n1（t）,n2（t）,n3（t）,…,nk（t）]是噪聲向量。綜合上述分析可知,只有事先知道信號來波的方向矢量,才能得出最優權值矢量Ud,在TD-SCDMA等3G基站天線工程領域是通過測向的方法獲得接收信號的方向矢量,一般的測向算法通常運算量較大,測向精度也受到諸多因素的限制。在許多場合,測向誤差又是不可避免的,測向算法的復雜性和測向誤差之間形成了一對矛盾,測向誤差如果超過門限值,將導致智能天線陣列無法正常工作,這是許多學者著力研究的問題。

3.2 陣列導向矢量的引入

導向矢量是陣列天線的所有陣元對具有單位能量窄帶信源的響應。由于陣列響應在不同方向上是不同的,導向矢量與信源的方向是相互關聯的,這種關聯的獨特性依賴于陣列的幾何結構。對于同一性陣元陣列,導向矢量的每一元素具有單位幅度。它的第i個元素的相位與第i個陣元感應的信號與參考陣元感應的信號間的相位差相同。

導向矢量的協方差矩陣為

圖2 引入陣列導向矢量的智能天線陣列Fig.2 Smart antenna arrays with introduction of array steering vector

結合上面的分析,將導向矢量信號引入智能天線陣列系統,對上述自適應算法稍作改進,構造如圖2所示的智能天線陣列。具體實現方法是,在接收機輸出端的信噪比檢測和自適應處理器之間引入陣列導向矢量信號 V,方向性因子Xv（t）和陣列導向矢量 V的關系如式（9）:

4 算法的驗證及分析

4.1 抗干擾性能驗證

SINR曲線是衡量智能天線陣列抗干擾能力的最主要指標。為了驗證文中所提出算法的抗干擾性能,我們對智能陣列天線進行了電磁仿真實驗,程序運行環境為MATLAB和HFSS,在HFSS環境下構建的八元直線型智能天線如圖3所示。

圖3 直線型智能天線HFSS模型Fig.3HFSS model of linear smart antenna

在驗證系統的抗干擾過程中,可以利用語音端點檢測方法和誤碼率檢測方法,誤碼率檢測法適用于數字接收機系統。這里我們假定系統是常見的模擬語音系統,利用語音端點檢測的方法檢測信干噪比是否達到峰值。為了得出智能天線陣系統輸出端的SINR參數曲線,這里設定到達接收天線的期望信號為連續信號,其角頻率為 ωd,入射信號和天線陣列側射方向的夾角為 θd。陣元之間相距為半波長（相對于頻率 ωd）。迭代步長盡量小,有利于提高運算精度,這里選擇step=0.5°。

為了充分驗證算法的抗干擾性能,我們在如下兩種初始條件下得出兩組SINR輸出曲線,仿真運算環境為MATLAB。

（1）試驗一

初始條件:天線陣列為直線陣列,單元天線為印刷陣子天線結構,期望信號入射角度為-15°,干擾信號入射角度為85°,干擾功率與期望信號功率之比為40 dB,假定噪聲為窄帶隨機過程,經過仿真計算所得的SINR結果如圖4所示。

圖4 試驗一結果信干噪比曲線Fig.4 SINR curves of test 1

（2）試驗二

初始條件:天線陣列為直線陣列,單元天線為印刷陣子天線結構,期望信號入射角度為25°,干擾信號入射角度為75°,干擾功率與期望信號功率之比為60 dB。仍然假定噪聲為窄帶的隨機過程,經過仿真計算所得的SINR結果如圖5所示。

圖5 試驗二結果信干噪比曲線Fig.5 SINR curves of test 2

通過仿真曲線可以看出,兩組信干噪比曲線圖均出現一個很尖銳的最大峰值,雖然峰值出現的位置不同,但該峰值均對應來波信號方向（期望信號方向）,這說明該智能天線系統能夠搜索到來波方向,改進后的自適應算法是可行的。當在輸出端SINR值達到最大值時迭代計算結束,此時,自適應陣的方向圖主瓣（主波束）就對準了期望信號來波方向。最大值波峰非常尖銳（一般高出其它值50～60 dB）,天線的方向性良好。

4.2 波束搜索性能驗證

在TD-SCDMA系統的SDMA（空分多址）技術中,要求天線陣列方向圖的主瓣自適應對準MS（移動臺）,控制系統一般采用具有高速數據運算能力的DSP芯片實現。為了驗證智能天線對移動臺的波束搜索能力,即天線系統對MS的捕獲能力,利用HFSS建立了基于上述自適應算法的天線物理模型,定義了天線體的材料參數,設置了電磁場邊界條件和激勵源,利用HFSS提供的宏定義優化天線的尺寸,天線單元采用印刷陣子的結構,通過微帶網絡進行互聯。通過數據后處理工作得到方向圖、近遠場增益方向圖、S參數、VSWR等特性曲線,分別如圖6～9所示。

圖6 全向電場方向圖Fig.6 Omnidirectional electric field pattern

圖7 全向增益方向圖Fig.7 Omnidirectional gain pattern

圖8 S參數曲線Fig.8 S parameter curve

圖9 電壓駐波比曲線Fig.9 VSWR curve

對于陣列天線系統的波束搜索能力,我們可以通過分析天線系統的全向方向圖、主瓣寬度、方向性等參數來判斷。通過上述仿真曲線可以看出,天線工作在S頻段,主瓣方向上電場強度E的最大值可達62 V,最大增益約為18 dB,可以實現遠距離覆蓋。主瓣寬度非常窄,方向性非常強,配合DSP控制器,可以對移動臺等目標進行有效探測和追蹤,實現空分多址,通帶內駐波比V SWR<1.5,反射系數S11<-25 dB,可以滿足實際天線工程需要。

5 結束語

本文將陣列導向矢量信號引入智能天線接收機的反饋系統,得出了改進后的智能天線自適應算法。根據導向矢量信號和期望信號的方向矢量之間的固有關系以及最大SINR準則,通過內積和迭代的方法得出區間內的信干噪比值。利用MATLAB和HFSS驗證了算法的性能,仿真實驗結果表明,改進后的自適應算法具有良好的抗干擾性能和波束搜索能力。本文的研究結果表明,將陣列導向矢量信號引入智能天線系統的接收機,可以明顯簡化來波方向估計過程,天線系統的綜合性能得到了提高,滿足TDSCDMA移動網絡對基站智能天線的性能要求。

[1] 劉英超.TD-SCDMA系統智能天線自適應算法研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2009.

LIU Ying-chao.The Study of Smart Antenna Adaptive Algorithm for TD-SCDMA system[D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2009.（in Chinese）

[2] 吳宏瑞,惠曉威,姜侖.移動通信中智能天線技術的研究[J].通信技術,2009,42（5）:265-268.

WU Hong-rui,HUI Xiao-wei,JIANG Lun.The Study of Smart Antenna Technology for Mobile Communication[J].Communications Technology,2009,42（5）:265-268.（in Chinese）

[3] 李斌,黃張裕.自適應抗干擾GPS智能天線的算法和仿真[J].測繪通報,2009（10）:9-11.

LI Bin,HUANG Zhang-yu.GPS smart antenna adaptive anti-jamm ing algorithm and simulation[J].Bulletin of Measurement and Mapping,2009（10）:9-11.（in Chinese）

[4] 何忠勇,周圍.基于遺傳算法的智能天線研究[J].西安郵電學院學報,2009,14（1）:29-33.

HE Zhong-yong,ZHOU Wei.The Study of Smart Antenna Based on Genetic Algorithm[J].Journal of Xi′an Institute of Posts and T elecommunications,2009,14（1）:29-33.（in Chinese）

[5] Kim W,Hansen J H L.Feature compensation in the cepstral domain employing model combination[J].Speech Communication,2009,51（2）:83-96.

Application of Array Steering Vector in Adaptive Algorithm for Smart Antenna

HUI Peng-fei,XIA Ying,TAO Bai-rui,MIAO Feng-juan
（School of Communication and Electronic Engineering,Qiqihar University,Qiqihar 161006,China）

Basic principle of adaptive algorithm for smart antenna is analysed.In allusion to the large computing burden and limited measurement precision of the common algorithm,the array steering vector signals are introduced through the receiver output.Using the special nature of the direction factor and the covariance matrix,the curve of interval SINR is obtained by repeated iteration.HFSS simulation experiments of 8-element array show both two peak valuesof the SINR curves are corresponding to the direction of the desired signals.And the SINRof peak values are greater than 30 dB.The algorithm has good anti-jamming ability.Maximum gain of the 8-element array isabout 18 dB.The passband VSWR is less than 1.5.The reflection coefficient is less than-25 dB.The antenna beam search performance is good and it can realize the long-distance transmission.

smart antenna;adaptive algorithm;array steering vector;beam search

Heilongjiang Provincial Education Department Project（No.10541262）;Qiqihar Scientific and Technology Bureau Project（No.GYGG-09011-2）

TN821

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2010.11.022

1001-893X（2010）11-0104-06

2010-07-28;

2010-09-17

黑龍江省教育廳資助項目（10541262）;齊齊哈爾市科技局資助項目（GYGG-09011-2）

惠鵬飛（1980-）,男,遼寧凌源人,分別于2003年、2007年獲遼寧工業大學工學學士和碩士學位,現為講師,主要研究方向為雷達極化信息處理技術、微波無源器件及電路設計等;

HUI Peng-fei was born in Lingyuan,Liaoning Province,in 1980.He

the B.S.degree and the M.S.degree from Liaoning Industry University in 2003 and 2007,respectively.He is now a lecturer.His research interests include polarization radar information processing,microwave passive components and circuit design.

Email:weibo505@yahoo.cn

夏 穎（1973-）,女,黑龍江齊齊哈爾人,于1996年獲齊齊哈爾大學工學學士學位,2007年獲天津大學碩士學位,現為副教授,主要研究方向為現代移動多媒體通信技術;

XIA Ying was born in Qiqihar,Heilongjiang Province,in1973.She received the B.S.degree and the M.S.degree from Qiqihar University and Tian jin University in 1996 and 2007,respectively.She is now an associate professor.Her research direction is modern mobile multimedia communications technology.

陶佰睿（1972-）,男,黑龍江齊齊哈爾人,2010年于華東師范大學獲博士學位,現為副教授,主要研究方向為新型納米材料及燃料電池技術;

TAO Bai-rui was born in Qiqihar,Heilongjiang Province,in 1972.He received the Ph.D.degree from East China Normal University in 2010.He is now an associate p rofessor.His research direction is new nano-materials and fuel cell technology.

苗鳳娟（1982-）,女,黑龍江齊齊哈爾人,2010年于華東師范大學獲博士學位,現為講師,主要研究方向為現代光電傳感器技術。

MIAO Feng-juan was born in Qiqihar,Heilongjiang Province,in 1982.She received the Ph.D.degree from East China Normal University in 2010.She is now a lecturer.Her research direction is modern optical sensor technology.