基于LMS算法的自適應波束形成的性能研究.pdf

1、自適應波束形成是智能天線的核心技術，其主要思想是利用自適應算法調整陣列權向量使天線主瓣指向有用信號，干擾方向對準零陷，盡可能地提高陣列輸出所需信號的強度，同時減小干擾信號的強度，從而提高陣列輸出的信噪比。自適應波束形成中用以調整權值的算法就是自適應波束形成算法。自適應波束形成算法是自適應天線陣列系統(tǒng)的核心，是決定系統(tǒng)性能的最重要因素，也是自適應天線陣列研究的重點和關鍵。
　　 針對不斷變化的復雜移動通信環(huán)境，收斂速度較快、計算復

2、雜度低和有穩(wěn)定魯棒性的自適應算法一直都是研究人員追求的目標。圍繞這一問題，本文主要研究了自適應波束形成系統(tǒng)中的自適應算法，論文的研究工作有以下四個方面：
　　 首先，總結了智能天線的發(fā)展過程和應用現(xiàn)狀，以及智能天線中涉及到的關鍵技術，分析了智能天線和自適應波束形成的基本原理，并建立了智能天線中傳輸信號的基本模型。同時綜合了現(xiàn)有的自適應波束形成算法的種類及發(fā)展現(xiàn)狀，討論了三類基本的自適應波束形成準則，并對每一類準則進行了詳細的分析

3、和研究，并進行了性能對比。研究了自適應波束形成中常用的三類算法：LMS算法、RLS算法、SMI算法，通過仿真驗證進行了性能對比；針對特征值擴展度對LMS算法收斂性能的影響和不同收斂因子對于失調量的影響的問題展開討論；最后重點研究了LMS算法下的系統(tǒng)因素對于自適應波束形成性能的影響，包括收斂因子、陣列的系統(tǒng)參數(shù)、陣列接收信號特征等。
　　 其次，研究了LMS類族下比較重要的幾類LMS算法，包括NLMS、變換域LMS算法、變步長LM

4、S算法，并且重點討論了研究較熱的變步長LMS類算法。根據權向量迭代公式中變步長因子的不同迭代方式，將變步長類的LMS算法創(chuàng)新性的分為三類：第一類是通過對前一時刻的步長來修改當前時刻的步長；第二類是利用誤差向量或者輸入信號的平方歸一化形式的某種函數(shù)關系來調整步長值的變化；第三類是通過非線性函數(shù)來調整步長，同時對各類算法中的改進型算法進行了討論以及對應的收斂性的仿真驗證和比較。
　　 再者，提出了一種改進的變步長算法VSSDCTLM

5、S算法。針對已有的傳統(tǒng)變換域DCT-LMS算法和變步長算法VSS算法進行分析，針對傳統(tǒng)的變換域和變步長存在的收斂速度慢和對于相關信號較為敏感的問題提出改進型算法。新改進的算法較之傳統(tǒng)的變換域DCT-LMS算法在初始收斂階段有著更快的收斂速度，且趨于穩(wěn)定時也能以較小的收斂因子進行迭代，從而保持較小的穩(wěn)態(tài)誤差；較之傳統(tǒng)的變步長VSSLMS算法有著對相關輸入信號更強的抗干擾性。而且新提出的算法在系統(tǒng)發(fā)生突變的情況下也能表現(xiàn)出優(yōu)異的跟蹤能力，在

6、信號產生突變的情況下也能已較快的速度進行重新收斂。針對新算法的特性都一一進行了仿真驗證，并將新算法運用于自適應波束形成技術中。
　　 最后，實現(xiàn)了基于LMS算法的自適應波束形成器的FPGA功能仿真。采用模塊化設計的方法，在保證運算精度的前提下，配合有效的數(shù)據截位，實現(xiàn)了LMS自適應波束形成器的功能仿真。該方案運算速度快、資源耗費小且易于硬件仿真實現(xiàn)。仿真結果證明，該設計方案有效的實現(xiàn)了算法的收斂性，權向量收斂曲線與理論分析的一致