基于核函数的波束形成技术研究

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1、西南交通大学硕士研究生学位论文第3页到的信号，首先经过下变频等处理后，再进行A／D变换，送入自适应信号处理器中与一组值进行加权处理(即乘以某一个系数，这个系数通常是复数，即调节幅度又调节相位)，合成一路后，经过滤波即可得到输出信号，另一路可用来生成误差信号，用于控制自适应信号处理的实现。自适应信号处理在某个选定准则下，使用合适的自适应算法可控制权值的更新。智能的主要含义是指这些加权系数可以适当改变、自适应调整。智能天线的波束实现是对阵元接收信号加权处理形成天线波束，使主波束对准用户信号方向，而在干扰信

2、号方向形成天线方向图零陷或较低的功率方向图增益，达到抑制干扰的目的。当然这只是理想情况，实际的无线通信环境是很复杂的，干扰信号很多，存在多径传输，天线阵元数不是很多(有限的自由度)，有用信号与干扰信号在入射方向差异不是很大等使得不能达到理想的将主瓣对准有用信号的入射方向，但追求最大信干噪比SINR是最终目标。概括地说，智能天线具有以下优点：1)提高频谱利用率。采用智能天线技术代替普通天线，提高小区内频谱复用率，可在不新建或少建基站的基础上增加系统容量，降低运营商成本。2)迅速解决稠密市区容量瓶颈。未来

3、的智能天线应能允许任一无线信道与任一波束配对，这样就可按需分配信道，保证呼叫阻塞严重的地区获得较多信道资源，等效于增加了此类地区的无线网络容量。3)抑制干扰信号。智能天线对来自各个方向的波束进行空间滤波。它通过对各天线元的激励进行调整，优化天线阵列方向图，将零点对准干扰方向，大大提高阵列的输出信干噪比，改善了系统容量，提高了系统可靠性。4)抗衰落。高频无线通信的主要问题是信号的衰落，普通全向天线或定向天线都会因衰落使信号失真较大。如果采用智能天线控制接收方向，自适应地构成波束的方向性，可以使得延迟波方

4、向的增益最小，降低信号衰落的影响。5)实现移动台定位。采用智能天线的基站可以获得接收信号的空间特征矩阵，由此获得信号的功率估值和到达方向。通过此方法，用两个基站就可将用户终端定位到一个较小区域。西南交通大学硕士研究生学位论文第4页1．2．2波束形成技术原理波束形成技术是智能天线技术的核心内容之一。波束形成系统的功能，一方面是为了获得足够大的信噪比，另一方面也是为了得到高精度的目标分辨率。在本论文中将考察一个具有M个阵元的天线阵列，这些阵元等距离排成一条直线阵列，阵元间距为d，步长为旯，设信源位于远场，

5、即信号到达各阵元的波为平面波。如图所示：⋯．、下1’●-，-’●●●●-Xo(t)xI(f)x20)图l-2均匀直线阵均匀直线阵的方向向量可以表示为aw(0)=【1，8一删5们，．-．，P一∥‘州’d咖口】7’‰一lO)=[1，一／等dsiIl口，⋯，e一，j孑(M-I)dsinoe】r(1—1)=[1，一，．．．，e。A】7(一)若有P个信源，波达方向角分别为幺“=1，．．．，尸)，则方向矩阵为A=[a(q)，．．．，a(郇)】1⋯1-j荨d$e懒⋯e每蜱⋯，L●．：净删岫啦冉删vsi噼e^⋯eA则

6、接收的M×1维输入信号矢量x(f)可表示为：x(t)=As(t)4-n(t)(卜2)(1-3)西南交通大学硕士研究生学位论文第5页n(f)是M×1维噪声矢量，表示方差为叮：的加性白噪声。则输出信号为：M一1y(f)=wⅣx(f)=∑w：：lx。。(f)m---O其中权向量W=[Wo，Wl，．．．，WM—I】。幅度波束图为：F(O)=lWⅣa(O)使波束指向Oo的权为(1-4)(1-5)w(Oo)=a(Oo)=【l，e一7‰，⋯，e一7‘Ⅳ一1’吼】7’(1—6)式子中缈。：孚sinOo相应的幅度波束图

7、则为：MF(目)=1wⅣa(目)J-l∑P砌。1№训‘Isin[(Mm／／A)(sin00—sinp)矿lsin[(蒯／2)(sin00—sin秒)】I(1—7)即波束会在0=Oo时取得最大增益，并且通过改变酿可改变波束的指向。波束形成的目的就是让x(f)通过波束形成器，经过某种波束形成算法的处理后，在波束形成器输出端得到期望信号，而消除干扰和噪声。波束形成器使方向图的主瓣对准期望信号的入射方向，而使零点对准干扰方向，这样就可以提取感兴趣的信号了。波束方向图1．3如图所示。西南交通大学硕士研究生学位论

8、文第6页图1．3智能天线波束形成图1．3国内外研究现状当前世界各国为了占据在3G及4G时代的主导地位，投入了大量精力致力于无线移动通信关键技术的研究，采用基于阵列信号处理技术的智能天线技术也在其中占据着关键地位。智能天线目前还处于研究阶段，是一门综合性很强的技术。本文讨论的重点将放在波束形成算法上。非盲线性波束形成算法最基本的有最小均方(LMS)算法、递归最小二乘(RLS)算法等【2儿31。RLS算法收敛较LMS快一个数量级，并且对阵列信号协方差矩阵的特