本科生論文智能天線在移動(dòng)通信中的應(yīng)用

1、<p><b>　　本科生畢業(yè)論文</b></p><p>　　智能天線在移動(dòng)通信中的應(yīng)用</p><p>　　院 系 電氣信息工程學(xué)院 </p><p>　　專(zhuān) 業(yè) 物理學(xué) </p><p>　　班 級(jí) 08 物

2、理學(xué)本科1班 </p><p>　　學(xué) 號(hào) 0601080103 </p><p>　　學(xué) 生 姓 名 宋艷菊 </p><p>　　聯(lián) 系 方 式 　　 15137461446 </p><p>　　指 導(dǎo) 教 師 馮團(tuán)輝 職 稱(chēng) 副教

3、授 </p><p><b>　　2012年5月</b></p><p><b>　　獨(dú) 創(chuàng) 性 聲 明</b></p><p>　　本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)論文是本人在指導(dǎo)老師指導(dǎo)下取得的研究成果。除了文中特別加以注釋和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的研究成果。與本研究成果相關(guān)的所有人所做出的任何貢獻(xiàn)均

4、已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。</p><p>　　簽名： 　</p><p>　　年　　 月　 日</p><p><b>　　授 權(quán) 聲 明</b></p><p>　　本人完全了解許昌學(xué)院有關(guān)保留、使用本科生畢業(yè)論文的規(guī)定，即：有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交畢業(yè)論文的復(fù)

5、印件和磁盤(pán)，允許畢業(yè)論文被查閱和借閱。本人授權(quán)許昌學(xué)院可以將畢業(yè)論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編論文。</p><p>　　本人論文中有原創(chuàng)性數(shù)據(jù)需要保密的部分為： </p><p>　　簽名： </p><p><b>　　年　　月　　日</b>

6、</p><p>　　指導(dǎo)教師簽名： </p><p><b>　　年　　 月　　日</b></p><p>　　智能天線在移動(dòng)通信中的應(yīng)用</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　天線作為移動(dòng)通信的最主要元素，是輻射和接收電磁波的

7、部件。天線性能的優(yōu)劣，對(duì)移動(dòng)通信的總體性能起著非常重要的作用。由于用戶需求的增加，移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)天線的要求越來(lái)越高。本文首先介紹天線的電磁波理論及天線的一些重要參數(shù)；然后詳細(xì)闡述智能天線系統(tǒng)，它是由一個(gè)天線陣列、一組波束形成的網(wǎng)絡(luò)以及算法組成的；最后介紹智能天線在處理移動(dòng)通信問(wèn)題的優(yōu)勢(shì)，和傳統(tǒng)天線的天線相比，它具有信號(hào)間彼此無(wú)干擾、減少外界干擾和噪聲的影響、提高信號(hào)的覆蓋率等特點(diǎn)。智能天線技術(shù)無(wú)疑將為未來(lái)的移動(dòng)通信提供最優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。&l

8、t;/p><p>　　關(guān)鍵詞：智能天線；移動(dòng)通信；天線陣列；波束形成網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　The Application of the smart Antenna in mobile Communication</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　As a key element o

9、f the mobile communication, the antenna is radiation and receives electromagnetic wave components. The performance of the antenna to the overall performance of mobile communication plays a very important role. Due to the

10、 needs of the user increases, the mobile communication system to the requirements of the antenna has improved. This paper first introduces the theory of electromagnetic wave antenna and some important parameters .then t

11、describes the smart antenna system. it is </p><p>　　Key words: the smart antenna; the mobile communication; Antenna array; Beam form a network </p><p><b>　　目 錄</b></p><p

12、><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 國(guó)內(nèi)外對(duì)智能天線的研究1</p><p>　　1.2 移動(dòng)通信及其面臨的問(wèn)題1</p><p>　　2 天線的電磁波理論2</p><p>　　2.1 電磁波輻射2</p><p>　　2.2 時(shí)變場(chǎng)的滯后位2<

13、/p><p>　　2.3 電偶極子的近區(qū)場(chǎng)和遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)4</p><p>　　3 天線的電參數(shù)4</p><p>　　3.1 天線方向圖4</p><p>　　3.2 天線方向系數(shù)6</p><p>　　3.3 天線增益6</p><p>　　3.4 天線的噪聲溫度7</p>

14、<p><b>　　4 智能天線7</b></p><p>　　4.1 智能天線原理7</p><p>　　4.2 智能天線系統(tǒng)8</p><p>　　4.3 智能天線在實(shí)際中的應(yīng)用及不足12</p><p><b>　　總結(jié)13</b></p><p>

15、<b>　　參考文獻(xiàn)14</b></p><p><b>　　致 謝15</b></p><p>　　智能天線在移動(dòng)通信中的應(yīng)用</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　現(xiàn)代信息技術(shù)的諸多領(lǐng)域幾乎全部涉及到電磁場(chǎng)和電磁波理論。天線就是一種能按規(guī)定

16、方向有效地輻射電磁波的裝置。移動(dòng)通信無(wú)疑是與人們的生活關(guān)系最密切的領(lǐng)域之一，而天線是移動(dòng)通信中最關(guān)鍵的部分。隨著移動(dòng)用戶和移動(dòng)業(yè)務(wù)需求量的增加，如用戶需求從簡(jiǎn)單的語(yǔ)言通信發(fā)展到短信息、網(wǎng)頁(yè)瀏覽甚至視屏和在線游戲等，這些業(yè)務(wù)對(duì)傳輸量要求越來(lái)越高，通信信道的不足和干擾問(wèn)題則是移動(dòng)通信所面臨的嚴(yán)重問(wèn)題。智能天線技術(shù)給移動(dòng)通信帶來(lái)了福音，它最初應(yīng)用于軍事、雷達(dá)等方面，它是一種具有波束形成能力的天線陣列，能夠產(chǎn)生空間的定向波束，這樣可以使天線的主

17、波束即主瓣對(duì)準(zhǔn)期望用戶信號(hào)到達(dá)方向，同時(shí)也能使旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)的方向，以此使智能天線具有充分利用移動(dòng)用戶信號(hào)，而且能夠有效的抑制或刪除干擾信號(hào)的性能。</p><p>　　1.1 國(guó)內(nèi)外對(duì)智能天線的研究</p><p>　　20世紀(jì)90年代由于CDMA成為第三代移動(dòng)通信的主流技術(shù)，在移動(dòng)通信中引入了“智能天線”技術(shù)，學(xué)術(shù)上稱(chēng)為波束賦形技術(shù)。由于多波束天線技術(shù)應(yīng)用范圍廣泛，目前智能

18、天線已經(jīng)成為移動(dòng)通信領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，許多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)都開(kāi)展智能天線方面的研究開(kāi)發(fā)，如美國(guó)斯坦福大學(xué)、瑞典皇家工學(xué)院以及索愛(ài)、諾基亞公司等。</p><p>　　因?yàn)橹悄芴炀€中的自適應(yīng)數(shù)字多波束形成技術(shù)能夠適用于移動(dòng)通信CDMA系統(tǒng)，所以歐州委員的信息社會(huì)技術(shù)計(jì)劃和ACTC計(jì)劃對(duì)智能天線技術(shù)都有支持。隨著無(wú)線電技術(shù)的迅速發(fā)展和提高以及信息處理技術(shù)的互相聯(lián)合，使得多波束自適應(yīng)算法的改進(jìn)將是今后的研究課題，也是其

19、核心技術(shù)。</p><p>　　國(guó)內(nèi)有關(guān)研究所也積極從事這方面的研究。大唐電信信威公司研究開(kāi)發(fā)的TD-SCDMA系統(tǒng)將智能天線應(yīng)用于時(shí)分雙工(TDD)方式的WLL系統(tǒng)中，是國(guó)際上第一個(gè)使用智能天線系統(tǒng)的公司。[1]</p><p>　　1.2 移動(dòng)通信及其面臨的問(wèn)題</p><p>　　移動(dòng)通信是指通信雙方至少有一方在移動(dòng)中或是臨時(shí)停在某一個(gè)非預(yù)定的位置上進(jìn)行信息的

20、傳輸和交換，包括移動(dòng)體和移動(dòng)體之間、移動(dòng)體和非移動(dòng)體之間的通信。按照移動(dòng)通信的設(shè)備分類(lèi)，包括蜂窩狀移動(dòng)電話、公用無(wú)繩電話、移動(dòng)通信衛(wèi)星、移動(dòng)數(shù)據(jù)通信、無(wú)線局域網(wǎng)、藍(lán)牙傳遞信息等。</p><p>　　通信技術(shù)的發(fā)展極大地影響著人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步，高效、便捷、精準(zhǔn)的通信技術(shù)對(duì)于加快運(yùn)行的效率以及方便人們的生活意義重大，移動(dòng)通信市場(chǎng)的高速增長(zhǎng)有力地推動(dòng)了移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)也對(duì)通信技術(shù)提出了更高的要求。一方面要通信盲

21、區(qū)不斷的縮減 ，電磁波的傳播過(guò)程中由于多方面的原因如地形復(fù)雜造成了通信中信道的衰落，如路徑損耗、陰影衰落等是通信質(zhì)量受到嚴(yán)重的影響。另一方面也要求通信質(zhì)量以及通信涵蓋范圍有大幅上升，移動(dòng)通信可以利用的頻譜資源非常有限，但是移動(dòng)通信業(yè)務(wù)量的需求卻與日俱增,越來(lái)越多的新型通信技術(shù)開(kāi)始規(guī)?；貞?yīng)用到移動(dòng)通信之中。傳統(tǒng)的天線-蜂窩系統(tǒng)的性能和容量已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代通信的需求，其主要原因是由于信號(hào)的干擾所造成的，而最通常的干擾有同信道干擾和相鄰信道

22、干擾，如在同一小區(qū)內(nèi)用戶數(shù)的中增加意味著每一個(gè)移動(dòng)用戶的同信道干擾的增加和 信干比的下降。</p><p>　　在這方面智能天線能夠有效的解決這一問(wèn)題，研究智能天線的性能和智能天線系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成為我們的當(dāng)務(wù)之急，同時(shí)智能天線也是一種隨著時(shí)間發(fā)展不斷加入新技術(shù)的不斷跟新的技術(shù)。</p><p>　　2 天線的電磁波理論</p><p><b>　　2.1 電磁

23、波輻射</b></p><p>　　電磁波輻射是一種攜帶能量的電磁波向遠(yuǎn)處傳播出去而不再返回波源的現(xiàn)象。當(dāng)振蕩源的頻率提高到時(shí)變電磁場(chǎng)的波長(zhǎng)和天線的尺寸可以比擬的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生顯著地輻射。電磁波輻射系統(tǒng)最簡(jiǎn)單的形式電偶極子和磁偶極子。電偶極子是長(zhǎng)度非常短的直流電流元，它遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，以至于可以認(rèn)為其上各點(diǎn)的電流是等幅等相的。由于電偶極子是一端孤立的電流元，隨著電流的流動(dòng)性在其兩端必然出現(xiàn)等值異性的電荷，

24、一端為+q，另一端則為-q，其電荷量的大小及正負(fù)都隨時(shí)間變化，而實(shí)際的天線看作是無(wú)數(shù)的這種電偶極子的連接。</p><p>　　如果求出了電偶極子所產(chǎn)生的電場(chǎng)、磁場(chǎng)，同時(shí)又知道了某天線上的電流分布規(guī)律，就可以根據(jù)場(chǎng)的疊加原理，利用積分的方法，求出天線所產(chǎn)生的場(chǎng)。</p><p>　　2.2 時(shí)變場(chǎng)的滯后位</p><p>　　動(dòng)態(tài)場(chǎng)中引入的標(biāo)量位和矢量位是滯后位，即

25、它們的值是由此時(shí)刻以前的源決定的，滯后的時(shí)間是電磁波傳播從源點(diǎn)到場(chǎng)點(diǎn)所需的時(shí)間。利用滯后位可計(jì)算電流元的輻射場(chǎng)，由此可作出它的方向圖并計(jì)算其輻射功率，輻射電阻，方向向系數(shù)及增益等參量。下面給出滯后位給出簡(jiǎn)單的推導(dǎo)。</p><p>　　點(diǎn)電荷在周?chē)a(chǎn)生的場(chǎng)就有球?qū)ΨQ(chēng)性，標(biāo)量電位只與徑向r有關(guān)，滿足的方程為</p><p><b>　?。?-1）</b></p&g

26、t;<p><b>　　設(shè),則上式變?yōu)?lt;/b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　則此式為一維波動(dòng)方程，其通解為</p><p><b>　　（2-3）</b></p><p>　　于是是瞬時(shí)值表達(dá)式為</p>&l

27、t;p>　　（其中 、為待定系數(shù)） （2-4）</p><p><b>　　假設(shè)僅是的函數(shù)，則</b></p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　位于坐標(biāo)原點(diǎn)的靜止電荷產(chǎn)生的標(biāo)量電位為</p><p><b>　?。?-6）</b></p

28、><p>　　由于靜態(tài)場(chǎng)是時(shí)變場(chǎng)的特殊情況，則時(shí)變場(chǎng)的標(biāo)量位應(yīng)為</p><p><b>　　（2-7）</b></p><p>　　則體積內(nèi)部分布電荷產(chǎn)生的標(biāo)量位為</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　上式表明在點(diǎn)處時(shí)刻的標(biāo)量電位不是由時(shí)刻體積內(nèi)

29、的電荷密度決定，而是由時(shí)刻的電荷密度決定，觀察點(diǎn)的位場(chǎng)變化滯后于源的變化，滯后的時(shí)間是源的變動(dòng)以速度傳播距離到觀察點(diǎn)所需要的時(shí)間。[1]</p><p>　　2.3 電偶極子的近區(qū)場(chǎng)和遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)</p><p><b>　　2.3.1 近區(qū)場(chǎng)</b></p><p>　　近區(qū)場(chǎng)是指從源點(diǎn)到場(chǎng)點(diǎn)的距離r遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，即，。其電場(chǎng)、磁場(chǎng)的表示式為<

30、;/p><p><b>　?。?-9）</b></p><p><b>　　（2-10）</b></p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　近場(chǎng)區(qū)明顯的特點(diǎn)是電場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度有的時(shí)間相位差。即、與相差一個(gè)因子。這就意味著以及由所形成的功率密度的平均值等

31、于零。近區(qū)場(chǎng)形成的坡印廷矢量的平均值等于零，即近區(qū)場(chǎng)只存在能量的交換而無(wú)能量的傳播，亦為感應(yīng)場(chǎng)。</p><p><b>　　2.3.2 遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)</b></p><p>　　遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)指源點(diǎn)到場(chǎng)點(diǎn)的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)，即，。其電場(chǎng)、磁場(chǎng)的表示式為</p><p><b>　?。?-12）</b></p><p

32、><b>　　（2-13）</b></p><p>　　遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)明顯的特點(diǎn)是電場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的時(shí)間相位相同。它們形成了功率密度，即遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)形成向傳播的能量，亦遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)又稱(chēng)為輻射場(chǎng)。</p><p><b>　　3 天線的電參數(shù)</b></p><p>　　天線的作用是發(fā)射或接收電磁波。為了評(píng)價(jià)一副天線技術(shù)性能的優(yōu)劣，必須

33、規(guī)定一些能表征其性能的參數(shù)。根據(jù)互易原理，同一副天線用作發(fā)射和接收時(shí)，其特性參數(shù)是相同的，只是具體含義有所不同。則下面只選擇其中的一項(xiàng)來(lái)定義各參數(shù)。[2]</p><p><b>　　3.1 天線方向圖</b></p><p>　　有關(guān)天線的很多特性如輻射場(chǎng)的振幅、相位、極化等都是與方向有關(guān)的，天線的方向性主要是指場(chǎng)振幅隨方向的變化。方向性函數(shù)是描述天線輻射場(chǎng)的大小與

34、方向之間關(guān)系的函數(shù)，為了便于作圖和比較不同天線的方向性，往往采用歸一化方向圖。</p><p>　　將天線置于球坐標(biāo)系中，由于天線的定向輻射（接收）作用，它在距離r的球面上各點(diǎn)的輻射（接收）強(qiáng)度是不相同的，即是角坐標(biāo)的函數(shù)，可寫(xiě)為，其中A為比例系數(shù)。</p><p><b>　　將其歸一化得</b></p><p><b>　?。?-

35、1）</b></p><p>　　其中為方向性函數(shù)的最大值。[3]</p><p>　　根據(jù)方向性函數(shù)所描繪出的圖形稱(chēng)為天線的方向圖；表示輻射（或接收）場(chǎng)強(qiáng)振幅方向特性的稱(chēng)為場(chǎng)強(qiáng)振幅方向圖；表示輻射（或接收）功率方向特性的稱(chēng)為相位方向圖，表示極化特性的稱(chēng)為極化方向圖。</p><p>　　工程上為了方便表示，常采用E平面和H平面這兩個(gè)相互正交主平面上的剖

36、面圖來(lái)描述天線的方向性，亦可采用直角坐標(biāo)或極坐標(biāo)。</p><p><b>　　圖3-1天線方向圖</b></p><p>　　3.1.1 主瓣寬度</p><p>　　主瓣寬度是強(qiáng)方向性天線最重要的參數(shù)之一，一般是指半功率主瓣寬度（3dB寬度）。即方向圖主瓣上兩個(gè)半功率電平點(diǎn)之間的夾角(即場(chǎng)強(qiáng)從最大值降到倍處之間的夾角)。如圖3-1所示，主瓣

37、寬度越小說(shuō)明天線輻射能量越集中（或接收能力越強(qiáng)），定向作用或方向性越強(qiáng)。</p><p>　　3.1.2 旁瓣電平</p><p>　　沒(méi)有一種天線能夠把所有的能量都輻射在一個(gè)期望的方向上，一些能量不可避免地向其他方向上輻射。如圖3-1所示，這些能量電平低于主瓣，即天線方向圖主瓣兩旁的小波瓣叫做旁瓣，也叫副瓣。旁瓣電平也是天線最主要的指標(biāo)之一，旁瓣不僅損失能量降低系統(tǒng)效率，還是干擾源之一。

38、所以通信系統(tǒng)為了獲得良好的性能需要對(duì)旁瓣的峰值加以限制。通常用分貝表示為</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　因?yàn)楦卑攴较蛲ǔＪ遣恍枰椛洌ɑ蚪邮眨┠芰康姆较?，因此天線的副瓣電平越低，表示天線在不需要的方向上輻射的能量越弱，或可以說(shuō)這些方向上對(duì)雜散來(lái)波的抑制能力越強(qiáng)。</p><p>　　如圖3-1所示的天線的方

39、向圖，智能天線系統(tǒng)的主要目的是使用戶期望的信號(hào)盡最大可能到達(dá)主瓣上，并使主瓣寬度盡量小，使干擾的信號(hào)盡量到達(dá)副瓣上。</p><p>　　3.2 天線方向系數(shù)</p><p>　　對(duì)于發(fā)射天線來(lái)說(shuō)，方向性系數(shù)是表征天線輻射能量在空間分布的集中程度的量，其定義式為</p><p><b>　　(3-3)</b></p><p&

40、gt;　　其中為輻射強(qiáng)度，為平均輻射強(qiáng)度。</p><p>　　對(duì)于接收天線來(lái)說(shuō)，方向性系數(shù)表征天線從空間接收電磁能量的能力，其定義式為</p><p><b>　　(3-4)</b></p><p>　　其中為天線在某方向接收時(shí)向負(fù)載輸出的功率，為點(diǎn)源天線在該方向向負(fù)載輸出的功率。</p><p><b>　

41、　3.3 天線增益</b></p><p>　　天線增益是表征天線輻射能量集束程度和能量轉(zhuǎn)換效率的參量,且天線增益與很多參數(shù)有關(guān)，如輸入天線的功率、觀察點(diǎn)方向和輻射場(chǎng)的極化都會(huì)影響天線的增益。</p><p>　　一般情況下，在方向上的天線的全極化增益表示為</p><p><b>　　(3-5)</b></p>&l

42、t;p>　　在實(shí)際應(yīng)用中，一般采用峰值增益的定義，即以為自變量，的最大值稱(chēng)為峰值增益。則全極化的峰值增益為</p><p><b>　　(3-6)</b></p><p>　　3.4 天線的噪聲溫度</p><p>　　天線在接收和處理有用信號(hào)時(shí)，不可避免地接收的某些干擾信號(hào)。天線周?chē)橘|(zhì)，都會(huì)產(chǎn)生熱輻射。熱輻射波被天線接收輸入接收機(jī)，成

43、為熱起伏噪聲干擾，成為天線噪聲。</p><p>　　對(duì)于一個(gè)高分辨的天線，影響它發(fā)現(xiàn)較弱信號(hào)的主要因素是天線噪聲。將終端的噪聲功率記為，則和天線的噪聲溫度之間的關(guān)系為</p><p><b>　　(3-7)</b></p><p>　　其中為玻耳茲曼常數(shù)，為接收系統(tǒng)的帶寬。[3]</p><p>　　當(dāng)天線用做接收天線

44、時(shí)，天線的品質(zhì)因數(shù)定義為</p><p><b>　　(3-8)</b></p><p><b>　　4 智能天線</b></p><p>　　4.1 智能天線原理</p><p>　　圖4-1智能天線下的信號(hào)工作波束</p><p>　　智能天線，顧名思義它是一種智能化的天

45、線形式，它的智能化體現(xiàn)在自適應(yīng)上，這種自適應(yīng)的天線陣列由多個(gè)天線單元組成，每一個(gè)天線后都接一個(gè)加權(quán)器，而智能的真正含義是指這些加權(quán)系數(shù)可以適當(dāng)?shù)母淖?、自適應(yīng)調(diào)整。</p><p>　　如圖4-1所示為智能天線下的信號(hào)工作波束。智能天線是具有自適應(yīng)能力的天線陣列，利用數(shù)字信號(hào)從而進(jìn)行處理，產(chǎn)生空間定向的波束，使天線的主波束即主瓣對(duì)準(zhǔn)期望用戶的方向，使旁瓣對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向；從而能夠充分利用移動(dòng)用戶信號(hào)，也能夠達(dá)到

46、刪除或抑制干擾信號(hào)的目的。</p><p>　　智能天線可以自動(dòng)的測(cè)量出用戶的方向，從而使主波束即主瓣指向用戶，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)波束跟隨期望用戶的移動(dòng)而移動(dòng)。這樣既可以提高天線的增益，又可以減少信號(hào)發(fā)射的功率，從而能夠大大的提高基站的覆蓋率。所以說(shuō)，智能天線是一種天線和周?chē)膫鞑キh(huán)境與用戶的最佳空間匹配通信。[4]</p><p>　　4.2 智能天線系統(tǒng)</p><p>

47、;　　一個(gè)典型的智能天線接收系統(tǒng)主要包括實(shí)現(xiàn)空間信號(hào)采樣的天線陣、對(duì)各個(gè)陣元進(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。概括的講，智能天線系統(tǒng)由三個(gè)部分組成，即天線陣、波束形成網(wǎng)絡(luò)以及波束形成的算法。</p><p>　　下圖4-2所示為一個(gè)典型的智能天線接收系統(tǒng)。</p><p>　　圖4-2智能天線接收系統(tǒng)</p><p>　　4.2.1 天線陣列<

48、;/p><p>　　智能天線陣列是由多個(gè)天線單元排列成一定形狀的，把具有相同極化特性、各向同性及增益相同的天線陣元，按一定的方式排列構(gòu)成的天線陣列。天線陣列的組陣方式多種多樣，典型的陣列形狀可以分為：線陣、面陣、圓陣等，而在實(shí)際應(yīng)用中，還可以根據(jù)不同的需要組成三角陣、不規(guī)則陣等。直線陣列和平面陣列容易實(shí)現(xiàn)基站的定向覆蓋，而且基站選址更為靈活，直線陣列和平面陣列可以很容易安置于建筑的側(cè)面或桿狀建筑物上。構(gòu)成陣列的陣元可

49、按任意方式排列，各天線陣元間距一般取半個(gè)波長(zhǎng)，并且取向相同；因?yàn)殛囋g距過(guò)大會(huì)是接收信號(hào)彼此相關(guān)程度降低，大小則會(huì)在方向圖上形成不必要的旁瓣。則陣列的組陣方式按用戶需求選用。</p><p>　　由于遠(yuǎn)方傳來(lái)的電磁波（可視為平面波），到達(dá)各個(gè)陣元時(shí)所走的距離不同，從而帶來(lái)不同的相位差。在各個(gè)陣元上形成了與參考點(diǎn)具有不同相位差的信號(hào)。為了能夠調(diào)節(jié)天線方向圖以滿足工作的需要，所以要在每一個(gè)天線陣元的輸出端加上權(quán)因子控

50、制器,因?yàn)橛盟梢哉{(diào)節(jié)每個(gè)陣元輸出信號(hào)的幅度和相位，所以能夠?qū)崿F(xiàn)改天線陣的方向圖的目的。 </p><p>　　智能天線系統(tǒng)的天線陣列可以根據(jù)不同的需要來(lái)同時(shí)識(shí)別或跟蹤來(lái)自四面八方的信號(hào)。天線陣列信號(hào)的組合也能夠把某些特定方向上的信號(hào)加重，但是陣列聚焦的方向與天線陣列的方位無(wú)關(guān)，采用不同的數(shù)據(jù)方法可以對(duì)天線陣列信號(hào)得到各種的加權(quán)和，以此可以把很多個(gè)方向的用戶所期望的信號(hào)同時(shí)提取。[5]

51、 </p><p>　　那么，智能天線陣列就可以使不同的信號(hào)能夠同時(shí)在不同方向上得到運(yùn)用，以此提高了天線系統(tǒng)的容量。</p><p>　　圖4-3智能天線接收信號(hào)的原理</p><p>　　如圖4-3所示 ，智能天線上的每個(gè)天線陣元的輸出端都加上了一個(gè)加權(quán)因子控制器，產(chǎn)生加權(quán)系數(shù)，得到的所有的加權(quán)系數(shù)整合在一起構(gòu)成了陣列加權(quán)矢量。其中加權(quán)矢量由表示,而陣列加權(quán)矢量

52、是一個(gè)與信號(hào)到達(dá)方向有關(guān)的矢量，通過(guò)對(duì)天線陣列的各個(gè)陣元的信號(hào)進(jìn)行加權(quán)，以此來(lái)達(dá)到調(diào)整天線的接收方向圖的目的。這樣則可以知道這個(gè)陣列加權(quán)矢量是整個(gè)移動(dòng)臺(tái)位置的函數(shù)，因此我們可以說(shuō)設(shè)計(jì)和控制、調(diào)整好天線陣列的加權(quán)矢量就是自適應(yīng)天線陣列的核心。</p><p>　　可以得到天線陣元的主瓣最大值指向時(shí),第個(gè)陣元收信電流的相位為:</p><p><b>　　(4-1) </b&

53、gt;</p><p>　　其中, 取，， =</p><p><b>　　則有</b></p><p>　　(4-2) 當(dāng)表示智能天線接收處在與基站為方向的移動(dòng)臺(tái)發(fā)信號(hào)時(shí), 第個(gè)陣元電流的內(nèi)在或固有相位,當(dāng)存在多個(gè)方向的接收信號(hào)時(shí),則有多個(gè)。[6]</p>

54、<p>　　改變外接移相器組中、、…、的值,當(dāng)?shù)闹档扔?時(shí),則可使各路接收信號(hào)載波在M處同相迭加,可定義為期望收信號(hào)載波相位的同相分集接收,此時(shí)能取得智能天線的分集接收增益.智能天線可以通過(guò)調(diào)整權(quán)值來(lái)實(shí)現(xiàn)得到最佳天線方向圖的目的，它對(duì)在特定方向入射的信號(hào)具有高增益，而對(duì)其它方向入射的信號(hào)具有衰減作用。</p><p>　　4.2.2 波束成形網(wǎng)絡(luò) </p><p>　　智能天線

55、能否實(shí)現(xiàn)是由波束形成技術(shù)決定的。波束形成是把天線陣列接收到的信號(hào)換到基帶，接著進(jìn)行與之相對(duì)應(yīng)的空間譜處理，從而得到該信號(hào)的空間特征矢量和矩陣以及信號(hào)的功率估值和波達(dá)方向（DOA）估值。</p><p>　　智能天線主要是利用各陣元接收信號(hào)之間的相關(guān)性與來(lái)波信號(hào)空間特征的關(guān)系進(jìn)行信號(hào)的接收或發(fā)送。因此，其中一個(gè)重要的過(guò)程就是利用各陣元接收信號(hào)獲得來(lái)波方向估計(jì)（DOA），即以此抑制來(lái)波信號(hào)的角度。</p>

56、<p>　　對(duì)于一個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)，信號(hào)到達(dá)不同陣元會(huì)有一個(gè)波程差，這會(huì)使各接收陣元的接收信號(hào)之間存在一個(gè)相位差，可以利用這個(gè)相位差可以求出入射信號(hào)的方位角等參數(shù)。</p><p>　　通過(guò)來(lái)波角度估計(jì)進(jìn)行無(wú)線定位是具有智能天線的移動(dòng)通信系統(tǒng)的特色之一。對(duì)于一般的移動(dòng)通信系統(tǒng)，其無(wú)線定位方案主要是小區(qū)定位，通過(guò)不同基站觀測(cè)時(shí)間差進(jìn)行定位。則這個(gè)方法可以和智能天線方法結(jié)合使用。DOA估計(jì)方法包括簡(jiǎn)答易實(shí)現(xiàn)的

57、Bartlett譜估計(jì)方法，即利用陣列形式響應(yīng)矢量對(duì)來(lái)波功率譜進(jìn)行掃描，也可以用Capon譜，MUSIC譜等。其中Bartlett譜估計(jì)方法交易實(shí)現(xiàn)。我們暫時(shí)考慮二維情況。</p><p>　　是方向的陣列相應(yīng)矢量，是終端的空間協(xié)方差矩陣,是角度估計(jì)的范圍：</p><p><b>　　(4-3)</b></p><p>　　這種方法簡(jiǎn)單有效，

58、計(jì)算量也不大，雖然MUSIC算法是比較高度的算法，但是對(duì)于通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)沒(méi)有太大的必要，移動(dòng)通信系統(tǒng)來(lái)波的空間譜由于多徑信道的影響是復(fù)雜的，DOA估計(jì)只關(guān)注主徑的方向或主要的幾條徑的方向。[7]</p><p>　　對(duì)于具有可估計(jì)不同時(shí)延分量的系統(tǒng)，可以估計(jì)不同時(shí)延分量的DOA。</p><p>　　獲得波達(dá)方向的估計(jì)以后，波束形成是智能天線工作的重要內(nèi)容。則只要知道了空間陣元間的相位差，就

59、可以求出入射信號(hào)的方位角和俯仰角等參數(shù)。波束形成的任務(wù)是希望在接收信號(hào)到來(lái)的方向形成盡量高的增益；最大限度的抑制干擾信號(hào)。</p><p>　　4.2.3 波束形成的算法</p><p>　　波束自適應(yīng)信號(hào)處理是智能天線體現(xiàn)的一個(gè)重要方面，它以自適應(yīng)算法為核心，主要體現(xiàn)在算法控制器上，其功能就是依據(jù)信號(hào)環(huán)境、按某種準(zhǔn)則和算法選擇或計(jì)算陣列加權(quán)矢量，自適應(yīng)算法決定瞬時(shí)響應(yīng)速率和電路實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜

60、程度，因此最重要的是選擇較好的算法來(lái)達(dá)到對(duì)波束的智能控制，目前針對(duì)自適應(yīng)陣列天線所提出的各類(lèi)自適應(yīng)算法很多，按照是否需要利用系統(tǒng)的導(dǎo)頻信息可以將算法分為兩類(lèi)：非盲算法、盲算法。[8]</p><p>　　對(duì)于某一個(gè)自適應(yīng)算法，首先要衡量其各方面的性能。衡量各自適應(yīng)算法的因素有一下幾個(gè)方面：</p><p>　　收斂速度。指在靜態(tài)的環(huán)境下，其算法收斂于最優(yōu)解需要的迭代次數(shù)。</p>

61、;<p>　　跟蹤性能。指在信道發(fā)生變化條件下，自適應(yīng)跟蹤信道的能力。</p><p>　　穩(wěn)健性。當(dāng)輸入病態(tài)的情況下算法能否正常的工作，或者是算法在哪種條件下可以收斂。</p><p>　　計(jì)算復(fù)雜度。這是個(gè)非常實(shí)際的衡量標(biāo)準(zhǔn)，指算法所需要的乘加運(yùn)算數(shù)量，這方面的性能決定了算法的實(shí)現(xiàn)成本和硬件性能要求。</p><p>　　非盲算法和盲算法各自有其優(yōu)

62、劣點(diǎn)，盲算法更多的利用了所需信號(hào)，而非算法比盲算法擁有更好的性能，包括更好的收斂速度、更簡(jiǎn)單的計(jì)算復(fù)雜程度等。但是非盲算法也有其明顯的局限性，即需要發(fā)送一些訓(xùn)練序列，而訓(xùn)練序列占用了寶貴的信道資源，因此研究不需要訓(xùn)練序列的盲算法更具有實(shí)際意義。</p><p>　　我們采用盲算法中最優(yōu)的一種算法，最小二乘法。定義所有的數(shù)據(jù)塊為X=（x(1),x(2)……,x(N）），N為數(shù)據(jù)塊的大小；第次迭代生成的權(quán)值為，其相應(yīng)

63、的輸出序列為，其表達(dá)式如下：</p><p><b>　　(4-5)</b></p><p>　　則第次迭代的生成權(quán)值，即，則其函數(shù)的最小化：</p><p><b>　　(4-6)</b></p><p><b>　　其中為訓(xùn)練序列，</b></p><p

64、>　　對(duì)上式求導(dǎo)數(shù)，并令其為零，可得</p><p><b>　　(4-7)</b></p><p><b>　　其中,</b></p><p>　　則以上式構(gòu)成了最小二乘恒模算法的迭代公式。[9]</p><p>　　從公式中可以得到權(quán)值和訓(xùn)練序列之間相互交替更新的機(jī)理。即每進(jìn)行一次新的迭代

65、，都更新一次數(shù)據(jù)塊，則體現(xiàn)了其收斂速度快的優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　4.3 智能天線在實(shí)際中的應(yīng)用及不足</p><p>　　在移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展中，以自適應(yīng)陣列天線為代表的智能天線已經(jīng)成為最活躍的領(lǐng)域之一，智能天線技術(shù)對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)是目前任何技術(shù)所難以替代的。</p><p>　　目前世界各國(guó)對(duì)此高度重視，并投入大量的人力物力進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)工作，且已

66、經(jīng)有各類(lèi)產(chǎn)品研發(fā)成功并投入使用， 如Array Comm公司把智能天線技術(shù)應(yīng)用于WLL(無(wú)線本地環(huán)路)系統(tǒng)，并采用了可變的陣元配置，其中有12元和4元的環(huán)形狀自適應(yīng)陣列以適用于不同的環(huán)境．其在日本進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明在PHS基站采用該技術(shù)可以使系統(tǒng)的容量增加3倍。[11]</p><p>　　英國(guó)研究人員最新發(fā)明一種智能天線，天線的外形就像一把雨傘，可以改變形狀。它由一塊附在彈性金屬架上的鋁箔及16根起著固定

67、作用的鎳鈦諾組成的。通過(guò)控制通電的情況來(lái)改變天線的形狀，來(lái)達(dá)到接收特定的無(wú)線電信號(hào)的最優(yōu)狀態(tài)。</p><p>　　同時(shí)隨著軟件無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展，智能天線也已經(jīng)可以在軟件無(wú)線電平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在的軟件無(wú)線電設(shè)備質(zhì)量提供了對(duì)智能天線技術(shù)的支持。</p><p>　　現(xiàn)代科技發(fā)展的越來(lái)越快，功能強(qiáng)大的便攜式計(jì)算機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理以及多媒體終端的廣泛應(yīng)用，無(wú)線局域網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生。為了解決頻率資源匱乏，必需

68、將依靠智能天線來(lái)提高系統(tǒng)容量和通信質(zhì)量。</p><p>　　智能天線技術(shù)對(duì)CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)的性能提高和成本下降都有很大的作用，但是智能天線應(yīng)用于CDMA系統(tǒng)時(shí)，也同時(shí)帶來(lái)了相應(yīng)的新問(wèn)題。如：智能天線的校準(zhǔn)，波束賦形的速度問(wèn)題，設(shè)備的復(fù)雜性的考慮等。但是自適應(yīng)過(guò)程實(shí)現(xiàn)中影響因素復(fù)雜，因此到目前為止，智能天線技術(shù)還沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上，需要做出進(jìn)一步的努力。[11]</p><p>

69、<b>　　總結(jié) </b></p><p>　　隨著移動(dòng)通信的迅猛發(fā)展，以及通信業(yè)務(wù)從窄帶語(yǔ)音通信向?qū)拵Ц咚贁?shù)據(jù)通信發(fā)展的趨勢(shì)，未來(lái)3G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中也需要考慮天線的問(wèn)題。不能只依靠增加基站，無(wú)論從成本還是性能表現(xiàn)方面都不是最好的選擇。</p><p>　　智能天線技術(shù)近年備受關(guān)注,智能天線的研究也涉及到多個(gè)領(lǐng)域，如天線陣、電波傳輸、數(shù)字信號(hào)處理等。而智能天線技術(shù)的引入，

70、在更高的層次上提高系統(tǒng)對(duì)于無(wú)線頻譜的利用率，成了當(dāng)前研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)之一。</p><p>　　智能天線可以發(fā)射多路信號(hào)，且在大多情況下都假設(shè)信號(hào)為窄帶信號(hào)，可以跟隨用戶移動(dòng)，既可以降低輻射，也可以使移動(dòng)通信終端使用時(shí)間變得更長(zhǎng)。在智能天線的作用下，可以大大的提高了通信的精確性，串頻、串線等現(xiàn)象大幅下降。</p><p>　　同時(shí)智能天線的引入，為無(wú)線定位提供了新的解決途徑，也可以用于求助

71、電話服務(wù)，被盜車(chē)的跟蹤系統(tǒng)、移動(dòng)電子商務(wù)等多方面，應(yīng)用前景廣泛。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]張昕.電磁場(chǎng)與電磁波[M].哈爾濱工程大學(xué)出版社，2008：36-43</p><p>　　[2]劉英.移動(dòng)通信系統(tǒng)中的天線[M].電子工業(yè)出版社，2011：15-27</p><p>

72、;　　[3]劉鳴.智能天線技術(shù)與應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2007：167-171</p><p>　　[4]梁燦彬.電磁學(xué)[M].高等教育出版社，2008：243-249</p><p>　　[5]張寶育.智能天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其自適應(yīng)算法的研究，學(xué)位論文.2005：1-4 </p><p>　　[6]康行建.天線原理與設(shè)計(jì)[M].北京國(guó)防工業(yè)出版社. 1

73、995：309-320 </p><p>　　[7]金粱,殷勤業(yè).時(shí)空DOA矩陣方法[J]．電子學(xué)報(bào)，2000：2-8</p><p>　　[8]吳偉陵.移動(dòng)通信中的關(guān)鍵技術(shù)[M].北京郵電大學(xué)出版社.2000：77-83</p><p>　　[9]沈建鋒,王宗欣.智能天線中新的波束形成方法[J].電子學(xué)報(bào), 2000（3）: 373-376. </p>

74、<p>　　[10]吳立早.智能天線的現(xiàn)狀及其相關(guān)技術(shù)綜述.期刊論文，2005：28-35 </p><p>　　[11]李小強(qiáng),胡健棟.未來(lái)移動(dòng)通信中的智能天線技術(shù)[J].1999：2-8</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　美好而又短暫的大學(xué)時(shí)光轉(zhuǎn)眼間就要結(jié)束了，而我的畢業(yè)論文也將完成告一段落了。

75、在編寫(xiě)論文的過(guò)程中我遇到了許多的困難，老師和同學(xué)們一如既往的幫助和支持讓我受益匪淺。</p><p>　　在這里，我要特別的感謝我的導(dǎo)師馮團(tuán)輝副教授，馮老師在我寫(xiě)作過(guò)程中給予很多的幫助和啟迪，讓我慢慢的保質(zhì)保量的完成我的論文，馮老師兢兢業(yè)業(yè)的工作精神，平易近人的學(xué)者風(fēng)范以及誨人不倦的教導(dǎo)讓我在這段時(shí)間有了很大的進(jìn)步和成長(zhǎng)。</p><p>　　同時(shí)也要感謝我熱心的共同學(xué)習(xí)的同學(xué)們，尤其是楊

76、佳俊同學(xué)，是你們的鼓勵(lì)讓我的大學(xué)生活充滿了激情和活力，特別在論文的寫(xiě)作過(guò)程中，讓我克服了一個(gè)個(gè)困難和疑問(wèn)，最終得以順利完成。</p><p>　　感謝我的家人對(duì)我學(xué)業(yè)的支持和培養(yǎng)，也是你們?cè)诿悦：屠Щ蟮臅r(shí)候給我勇氣和信心，讓我能夠堅(jiān)強(qiáng)的面對(duì)挫折。</p><p>　　感謝許昌學(xué)院對(duì)我的栽培，感謝曾教過(guò)我的所有老師，有你們的支持與鼓勵(lì)，我的大學(xué)生活才如此精彩。</p><