移动通信技术及应用智能天线

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1、6.6智能天线6.6.1智能天线的基本概念智能天线是利用信号与干扰的束波方向的不同(即信号与干扰的空间入射角)来区分信号与干扰，实现对干扰的抑制。智能天线是一种自适应空域滤波器。空域滤波是根据信号传输的空间特性，用一定形状的波束来使有用信号或所需信号方向的信号通过，并抑制不需要方向的干扰，从而达到提取信号和抑制干扰的目的，因而也称为波束形成。目前常用的分集技术是空间分集和极化分集，智能天线的多波束则提供的是角度分集。过去由于受技术和价格等因素的制约，智能天线一直未能大量应用于通信领域。一方面，随着数字信号处理技术和超大规模集成电路(特别是高性能数字信号处理芯片)的发展

2、，使得数字技术在取代模拟技术，并在基带形成天线波束成为可能，从而有效地提高了无线通信系统的适应性、可靠性和灵活性，使智能天线开始用于具有复杂电波传播环境的移动通信。另一方面，由于移动通信用户数量增长迅速，对移动通信系统的容量和通信质量提出了新的要求。智能天线技术与常用的扇区天线和天线分集不同，它是通过在基站使用收发智能天线，提供较窄的定向波束，即在有限的空间方向区域发送和接收信号。因此，它能充分利用有用信号的发射功率，从而降低了信号全向发射产生的相互干扰。6.6.2智能天线的基本原理天线的方向性由方向图（或波束图）和波瓣特性参量表示，波瓣宽度越窄、旁瓣电平越低、前后辐

3、射比越大，说明天线辐射能量越集中，方向性越强。对一个天线来说，干扰可能从主瓣进入，也可能从旁瓣进入。如果干扰来自固定方向，我们可以通过设计天线的方向图，使方向图的零点对准干扰方向。但通常干扰方向是变化的，我们希望的是零点能随干扰方向而变化。单个天线的方向图的波瓣很宽，在复杂的无线电传播环境下，不能有效地接收有用信号。为了将方向图的波束压窄，并将波束集中到需要接收的信号方向，可以用若干个天线组成天线阵来实现这一目的。该天线系统能根据无线传播环境自适应调整参数实现最佳处理，具有一定程度的智能（即智能天线），从而与传统的参数固定的天线系统有本质的差别。智能天线由天线阵、方向

4、图形成网络和自适应处理器组成，如图6-31所示。自适应处理器由信号处理器和自适应算法控制器组成，用来调整方向图形成网络中的可变加权数值。天线阵由多个天线单元组成，用来接收无线信道的所需信号。方向图形成网络中的各个加权系数值可以改变天线的方向图。图6-31智能天线基本组成下面我们以如图6-32（a）所示的二元阵来说明智能天线的原理。设信号x(t)以偏离阵法线方向为θ的方向入射到二元阵，阵元间距为d，信号到达阵元2比到达阵元1延迟一个时间τ,c为光速，有（6.6-1）二元阵输出信号为两阵元输出信号之和，有y(t)=w1x(t)+w2x(t-τ)（6.6-2）式中，w1,w

5、2为加权系数。设x(t)是中心频率为f0的窄带信号，对应于中心频率的波长为。时间延迟的相移角为（6.6-3）二元阵输出信号的和为（6.6-4）二元阵的方向图为（6.6-5）(1)对于普通的二元阵，其w1=w2=1，式（6.6-5）可改写为二元阵的归一化方向图为（6.6-6）式中，N为天线阵元数（这里N=2）。图6-32(b)～(d)给出了d/λ0分别为0.5、1.0和1.5时此二元阵的方向图曲线。可见，当d/λ0=0.5时，方向图有一主波束，其3dB波束宽度为60°，零点在θ=±90°方向，如图6-32(b)所示。当d/λ0=1.0时，零点发生在θ=±30°方向，如图

6、6-32(c)所示。当d/λ0=1.5时，主波束宽度进一步变窄，零点更往内移，且在θ=±90°出现两个新零点，如图6-32(d)所示。发生在θ=±30°方向。当d/λ0值进一步增大时，将出现更多的方向图零点和更多的旁瓣波束，主波束宽度则进一步减小。图6-32二元阵及其增益方向图(2)假定限制条件为w1+w2=1，d/λ0=0.5,使方向图A(θ)在θ1或φ1=sinθ1方向产生一个零点。联立解方程：w1+w2=1和w1+w2e-jφ1=0，可得（6.6-7）若要求在θ1=30°处产生一个零点，则不难得到图6-33智能天线原理图若干扰来自30°方向，则干扰将完全被抑制；

7、若干扰方向改变时，可根据自适应算法来调整w1和w2的值，使天线方向图的主瓣对准期望信号，而零点对准干扰信号，就能实现对期望信号的有效提取和对干扰的有效抑制。这就是智能天线的基本原理，如图6-33所示。6.6.3智能天线的工作方式1.切换波束方式切换波束方式又称为多波束(multibeam)方式。在蜂窝移动通信系统中通常将空间分成120°扇区，就是一个三波束的波束切换系统。在智能天线系统中，切换波束更窄，进一步将宏扇区分成几个微扇区。当移动台进入宏扇区时，切换波束系统选择一个收到最强信号的波束用于该用户通信。用户在通信过程中，系统不断地监测信号的强度