軟件無線電中的智能天線技術(shù)

軟件無線電起源于軍事通信，為了保證不同無線電臺之間的互通性，使各軍兵種實現(xiàn)高效，高可靠的協(xié)同通信，軍方開始了最早的軟件無線電臺的研制。隨著技術(shù)的不斷進步，軟件無線電逐漸被民間商用移動通信領(lǐng)域所重視。軟件無線電的核心思想是：將A/D盡可能靠近天線，用軟件完成盡可能多的無線電功能。它的最終目的就是要使通信系統(tǒng)盡可能多的擺脫硬件結(jié)構(gòu)的束縛，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對通用和穩(wěn)定的情況下，用軟件實現(xiàn)各種功能，使得系統(tǒng)的改進和升級非常方便且代價較小，并且可以實現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的互聯(lián)和兼容。智能天線是軟件無線電不可替代的硬件出入口，也是其關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著現(xiàn)代高速并行數(shù)字信號處理器的發(fā)展，智能天線的實現(xiàn)成為可能，從而也使軟件無線電的應(yīng)用成為現(xiàn)實。

一、智能天線及其發(fā)展

智能天線技術(shù)在20世紀60年代就已經(jīng)出現(xiàn)，其研究對象是雷達天線陣，目的是提高雷達的系統(tǒng)性能和電子對抗能力。近年來，隨著微計算器和數(shù)字信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展，DSP芯片的處理能力日益提高，且價格也逐漸能夠為現(xiàn)代通信系統(tǒng)接受。另外，移動通信頻譜資源日益緊張，如何消除多址干擾（MAI）、共信道干擾（CCI）以及多徑衰落的影響成為提高移動通信系統(tǒng)性能時要考慮的主要因素。而智能天線利用現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)，選擇合適的自適應(yīng)算法，動態(tài)形成空間定向波束，使天線陣列方向圖主瓣對準用戶信號到達方向，旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，從而達到充分利用移動用戶信號并抵消或最大程度的抑制干擾信號的目的。軟件無線電的核心是使用高速的數(shù)字信號處理器完成中頻采樣之后的所有數(shù)字運算，由于DSP的可編程性，導(dǎo)致了軟件無線電靈活的個性化配置。因此，固定的天線陣列與數(shù)字信號處理器的結(jié)合，就構(gòu)成了可以動態(tài)配置天線特性的智能天線。智能天線不同于常規(guī)的扇區(qū)天線和天線分集方法，它可以為每個用戶提供一個很窄的定向波束，使信號在有限的方向區(qū)域發(fā)送和接收，充分利用了信號發(fā)射功率，降低了信號全向發(fā)射帶來的電磁污染與相互干擾。智能天線引入了空分多址（SDMA）的概念，即在相同時隙，相同頻率或相同地址碼的情況下，仍然可以根據(jù)信號的不同傳播路徑來區(qū)分。SDMA是一種新的信道增容方式，與其它多址方式(FDMA,TDMA,CDMA)完全兼容，因此可以實現(xiàn)組合的多址方式。

二、智能天線的原理與功能

智能天線也叫自適應(yīng)天線，由多個天線單元組成，每一個天線后接一個復(fù)數(shù)加權(quán)器，最后用相加器進行合并輸出。這種結(jié)構(gòu)的智能天線只能完成空域處理，同時具有空域、時域處理能力的智能天線在結(jié)構(gòu)上相對復(fù)雜些，每個天線后接的是一個延時抽頭加權(quán)網(wǎng)絡(luò)（結(jié)構(gòu)上與時域FIR均衡器相同）。自適應(yīng)或智能的主要含義是指這些加權(quán)系數(shù)可以根據(jù)一定的自適應(yīng)算法進行自適應(yīng)更新調(diào)整。

假設(shè)天線滿足窄帶傳輸條件，即入射信號在天線各單元的響應(yīng)輸出只有相位差，且入射信號為平面波（即只有一個入射方向），則這些相位差由載波波長、入射角度、天線位置分布唯一確定。給定一組加權(quán)值，一定的入射信號強度，不同入射角度的信號由于在天線間的相位差不同，合并器后的輸出信號強度也會不同。理想情況下，我們可以做到將天線方向圖主瓣對準有用信號，而把副瓣或零陷對準干擾。但實際的無線通信環(huán)境很復(fù)雜，干擾信號很多，存在多徑效應(yīng)，有限的自由度限制（由天線陣元數(shù)決定），有用信號和干擾信號在入射方向上只有很小的夾角等因素都使得實際情況達不到理想的要求。但是追求最大的信噪比仍然是我們的最終目標(biāo)。

三、智能天線的系統(tǒng)組成

智能天線的布陣方式一般有直線陣、圓陣和平面陣，陣元間距1/2波長（若陣元間距過大會使接收信號彼此相關(guān)程度降低，太小則會在方向圖形成不必要的柵瓣，故一般取半波長）。智能天線采用數(shù)字信號處理技術(shù)判斷用戶信號到達方向（即DOA估計），并在此方向形成天線主波束，它根據(jù)用戶信號的不同空間傳輸方向提供不同的信道，等同于有線傳輸時的線纜，從而可以有效的抑制干擾。

考慮到軟件無線電系統(tǒng)要求在中頻進行采樣，然后用軟件完成中頻處理。每秒幾十兆的采樣速率要求DSP必須有足夠快的速度完成操作。但是粗略的計算表明，即使采用最快的器件，在DSP上用軟件實現(xiàn)下變頻功能還是不現(xiàn)實的，因為DSP只能完成基帶處理的功能。一個比較實用的方案是采用專業(yè)的可編程邏輯器件來完成高速的濾波和處理，以減輕DSP的壓力。由于實時處理時對處理速度的需求很高，僅靠單DSP系統(tǒng)性能的提高已經(jīng)不能滿足要求。而并行通用浮點DSP將片間并行功能集成在單片DSP內(nèi)部，可以獲得很高的并行處理能力和并行效率，因此在實際系統(tǒng)中都是采用并行DSP陣列來提高處理能力。理論上，N個DSP并行可以提供N倍的處理能力，但在實際系統(tǒng)中必須在算法設(shè)計上付出很大的代價。一個好的算法應(yīng)該能夠盡量并行而且適合多個DSP同時實現(xiàn)，同時還要使得處理器之間的數(shù)據(jù)交換應(yīng)盡可能少和盡可能快。

四、智能天線采用的自適應(yīng)算法和波束形成算法

自適應(yīng)算法是智能天線研究的核心，一般分為非盲算法和盲算法兩類。非盲算法是指需要借助參考信號（導(dǎo)頻序列或?qū)ьl信道）的算法，此時收端知道發(fā)送的是什么，按一定準則確定或逐漸調(diào)整權(quán)值，使智能天線輸出與已知輸入最大相關(guān)，常用的相關(guān)準則有MMSE（最小均方誤差）、LMS（最小均方）和LS（最小二乘）等。盲算法則無需發(fā)端傳送已知的導(dǎo)頻信號，它一般利用調(diào)制信號本身固有的、與具體承載的信息比特?zé)o關(guān)的一些特征，如恒模、子空間、有限符號集、循環(huán)平穩(wěn)等，并調(diào)整權(quán)值以使輸出滿足這種特性，常見的是各種基于梯度的使用不同約束量的算法。非盲算法相對盲算法而言，通常誤差較小，收斂速度也較快，但需浪費一定的系統(tǒng)資源。將二者結(jié)合產(chǎn)生一種半盲算法，即先用非盲算法確定初始權(quán)值，再用盲算法進行跟蹤和調(diào)整，這樣做可綜合二者的優(yōu)點，同時也與實際的通信系統(tǒng)相一致，因為通常導(dǎo)頻符不會時時發(fā)送而是與對應(yīng)的業(yè)務(wù)信道時分復(fù)用的。波束賦形的目標(biāo)是根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)，形成對基帶信號的最佳組合與分配。具體說，波束賦形的主要任務(wù)就是補償無線傳播過程中由空間損耗和多徑效應(yīng)等引起的信號衰落與失真，同時降低用戶間的共信道干擾。軟件無線電系統(tǒng)均采用數(shù)字方法實現(xiàn)波束合成，即數(shù)字波束形成（DBF），從而可以使用軟件設(shè)計完成自適應(yīng)算法更新，在不改變系統(tǒng)硬件配置的前提下增加系統(tǒng)的靈活性，根據(jù)波束形成的不同過程，實現(xiàn)智能天線的方式又分為兩種：陣元空間處理方式和波束空間處理方式。陣元空間處理方式直接對各陣元按接收信號采樣并進行加權(quán)處理后，形成陣列輸出，使天線方向圖主瓣對準用戶信號到達方向，天線陣列各陣元均參與自適應(yīng)調(diào)整；波束空間處理方式實際上包含兩級處理過程，第一級對各陣元信號進行固定加權(quán)求和，形成指向不同方向的波速率，第二級對第一級輸出進行自適應(yīng)加權(quán)調(diào)整并合成，此方案不是對全部陣元都從整體最優(yōu)計算加權(quán)系數(shù)，而是只對部分陣元作自適應(yīng)處理，它的特點是計算量小，收斂快，并且有良好的波束保形性能。

五、結(jié)束語

在軟件無線電系統(tǒng)中應(yīng)用智能天線技術(shù)，將會在以下方面得到性能的提高：（1）提高整個系統(tǒng)的容量；（2）提高頻譜的利用率；（3）提高基站接收機靈敏度，降低基站發(fā)射功率，降低無線基站成本；（4）提高信噪比，改善通信質(zhì)量。

雖然智能天線技術(shù)帶給軟件無線電系統(tǒng)的優(yōu)勢是其它技術(shù)都難以取代的，但是它也產(chǎn)生一些新的問題，如：智能天線的實時自動校準和波束賦形的速度問題，以及由于智能天線的引入帶來的設(shè)備復(fù)雜性問題等。因此，使用智能天線時，必須結(jié)合其它基帶數(shù)字信號處理技術(shù)，如：干擾抵消、聯(lián)合檢測和Rake接收等。智能天線系統(tǒng)未來將向著數(shù)字化、集成化，適合寬帶高速傳輸并能抑制更多個干擾的方向發(fā)展。