[信息与通信]智能天线 冉光福

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1、重庆邮电大学姓名冉光福导师周围专业电子与通信工程自适应滤波、智能天线及硬件实现主要内容一、自适应滤波简介二、智能天线介绍三、智能天线的硬件结构及实现一、自适应滤波简介1、自适应滤波原理背景自适应滤波是近40年发展起来的信号处理理论的一个新分支，它是研究一类结构可变或可以调整的系统，它可以通过自身与外界环境的接触来改善自身对信号处理的性能。在输入过程的统计特性未知时，或是输入过程的统计特性变化时，它能够调整自己的参数，以满足某种最佳准则的要求。随着人们在该领域研究的不断深入，自适应信号处理的理论和技术日趋完善，其应

2、用领域也越来越广泛。其原理图如下：2.算法原理（1）自适应滤波器结构自适应滤波器可以使用许多不同结构来实现。结构的选取会影响到处理的计算复杂度，还会对达到期望性能标准所需的迭代次数产生影响。从根本上讲，主要有两类自适应滤波器结构（根据冲激响应划分），即有限长冲激响应（FIR）滤波器和无限长冲激响应（IIR）滤波器。FIR滤波器通常利用非递归结构来实现，应用最广泛的为横向滤波器，又称为抽头延迟线，利用正规直接形式实现全零点传输函数，而不采用反馈环节，输出信号y(k)是滤波系数的线性组合；而IIR滤波器则利用递归结构

3、来实现，采用得最多的结构是标准直接形式结构。（2）自适应算法介绍所谓算法就是为了使某个预先确定的准则达到最小化，而自适应地调整滤波器系数的方法，通过定义搜索方法（或者最小化算法）、目标函数（即代价函数）和误差信号的特性来确定。在自适应过程中，自适应算法试图使目标函数F最小化，从而使得输出信号y(k)与期望信号d(k)近似相等，从而滤波器中的参数收敛到一定值。使函数F最小化的方法有：牛顿方法、拟牛顿方法、最陡下降法等。其中运用最广为最陡下降法，这一类方法沿着与目标函数梯度向量相反的方向，搜索目标函数的极小值点，其更

4、新方程为：在自适应算法中最广泛采用的目标函数形式有：均方误差（MSE）：最小二乘（LS）：加权最小二乘（WLS）：瞬时平方值（ISV）：以及一些含有约束条件的目标函数最小化算法和目标函数会影响到自适应过程的收敛速度，定义一个自适应算法的重要步骤是对误差信号的选择，因为它会对整个收敛过程的多个方面产生直接影响。（3）维纳滤波器自适应滤波器最直接的实现就是直接形式FIR结构，如图所示，其输出为：若使用MSE准则，目标函数可以写为：与滤波器抽头加权系数相关的MSE函数的梯度向量为：令梯度向量等于0，并假设R是非奇异矩阵

5、，则使目标函数最小的最优抽头加权系数可以通过下式计算：若直接对目标函数求关于加权系数的梯度有：如果系数集合等于其最优解，即维纳解，则梯度向量等于零，这意味着：即维纳滤波理论里面的正交原理另外一种使滤波器的输出达到最大信噪比的，称为匹配滤波器，可以相应地求解最佳传递函数总结：满足维纳解的离散时间横向滤波器称为维纳滤波器，它在最小均方误差即MSE准则下是最优的，实际上是一种无约束优化最优滤波问题的解。3.应用（1）系统辨识（2）信道均衡（3）信号增强（4）信号预测其中两噪声信号彼此相关二、智能天线1、概述现代波束调向

6、天线阵称为智能天线，其根据某些最优准则形成方向图（或称波束图）。“智能”一词意味着采用信号处理技术，以便根据某些条件形成波束方向图。智能本质上意指对天线性能进行计算机控制，有望提高雷达系统性能及无线移动通信系统容量，并通过SDMA技术来改善无线通信。智能天线方向图受控于某些准则的算法，这些准则可使信干比（SIR）最大、方差最小、均方误差最小等，其目的是将波束调向到感兴趣方向、让干扰信号产生零陷或跟踪移动发射机等，采用数字信号处理技术来形成天线方向图，称为数字波束形成（DBF），采用自适应算法时，该过程称为自适应波

7、束形成，其仅由算法构成，且该算法根据电磁环境的改变来动态优化天线阵方向图。相对于传统单天线系统，智能天线有很多的优点：1、智能天线可以增加小区覆盖距离。2、智能天线可以保证小区内的有效覆盖。3、智能天线可以利用多径固有的分集效应改善链路质量，减小信号的延迟扩展,进而提高数据的传输速率。4、智能天线可以提高载干比（CIR），减小中断概率、改善BER。5、智能天线利用空分多址可以提高频谱利用效率，提高系统的容量。6、智能天线可以实现手机定位。2、智能天线的结构及工作原理（1）、方向图乘积定理任何一个天线的辐射都具有一

8、定的方向性，即在距离r相同的情况下，辐射场的相对值随空间方向的变化而变化。辐射方向图是指天线的辐射特性与空间方向之间的函数图形。接下来简单介绍阵列天线的方向图，以最简单的二元直线阵为例两个电偶极子A、B垂直排列在y轴上，其间距d=λ/2，设两偶极子上电流幅度相同，相位相同。则P点场强可表示为：其中一部分是单阵元的方向函数，它与单元天线的结构及架设方位有关。另一部分只与阵列