数字波束形成与智能天线_1

南京理工大学电光学院通信工程系Nanjing University of Science and Technology Department of Communication Engineering数字波束形成与智能天线盛卫星南京理工大学电光学院通信工程系Nanjing University of Science and Technology Department of Communication Engineering数字波束形成与智能天线第一章引言DBF and Smart Antennas Nanjing University of Science & Technology Sheng Wei Xing 2004.03.03引言1.1 数字波束形成与智能天线发展的简史 1.2 移动通信中与雷达中的智能天线的异同DBF and Smart Antennas Nanjing University of Science & Technology Sheng Wei Xing 2004.03.031.1 数字波束形成与智能天线发展的简史数字波束形成与智能天线的概念来源于军事上雷达和声纳所采用的自适应阵列天线，目的是为了自适应地控制天线波束的主瓣使其对准目标，控制天线波束的零陷，使其对准干扰源，从而可以在强干扰环境下有效地发现和探测目标。

自适应天线阵列的概念自1959年由Van Atta 提出以来，到目前已经经历了四十多年的发展历程，大体上可划分为四个阶段：第一个十年的研究集中在自适应波束控制上（六十年代）。

如：自适应相控阵列天线，自适应波束控制天线等z 50年代，美国出于卫星通信增强信号的需要，开始研究最初意义上的自适应天线。

z1964年5月，IEEE Trans. on AP 第一次出版自适应天线专辑，总结了主波束自适应控制阶段的发展。

1.1 数字波束形成与智能天线发展的简史第三个十年的研究主要集中在空间谱估计上（八十年代）。

如：最大似然谱估计，最大熵谱估计，特征空间正交谱估计等z1986年3月，IEEE Trans. on AP 第三次出版自适应天线专辑，总结了DOA 估计的空间谱估计阶段的发展。

z在八十年代，自适应天线阵从理论研究进入了广泛应用阶段，但主要限于雷达和声纳领域。

第二个十年研究集中在自适应零陷控制上（七十年代）。

如：自适应滤波，自适应调零与旁瓣对消，自适应杂波控制等。

z1976年9月，IEEE Trans. on AP 第二次出版自适应天线专辑，总结了零向自适应控制阶段的发展。

1.1 数字波束形成与智能天线发展的简史最近十年的研究主要集中在：z1. 结合移动通信的智能天线的实现技术上（九十年代至今）时隙、频率资源复用，码分多址导致同频干扰，成为制约通信容量的重要因素。

现在的移动通信系统中采用的天线是全向天线，主要是为了确保与各个方向的用户都能通信。

智能天线能根据信号的来波方向，自适应地调整天线方向图，形成一个窄的主波束对准用户，其它方向副瓣很低。

这样可以增强用户信号，抑制干扰，提高信干比，增加通信系统容量。

同时还可以降低发射功率，提高通信覆盖范围。

同时多波束时，又称SDMA , 空分多址，大大增加通信系统容量。

移动通信得到了迅猛的发展，一方面，用户数量急剧增加，另一方面，移动业务主要由原来窄带的话音业务，向宽带的多媒体业务扩展。

导致无线频谱资源日趋紧张，现在应用的多址方式包括：TDMA(时隙上错开)FDMA （载波频率上错开）, CDMA （码分多址）。

DBF and Smart Antennas Nanjing University of Science & Technology Sheng Wei Xing 2004.03.031.1 数字波束形成与智能天线发展的简史z 90年代初陆续有人提出将自适应阵列天线技术应用于移动通信。

z90年代初开始世界各大通信公司纷纷介入智能天线研究。

美国Array Comm 公司率先推出智能天线系统应用于无线本地环路（WLL ），Array Comm 的产品采用可变阵元设置，有四元和十二元环形自适应阵列可供不同的环境选用。

该系统采用时分双工（TDD ）方式，在日本用于PHS 基站进行了现场实验，结果表明该技术可以使系统容量提高4倍。

美国Metawave 公司已有针对GSM 和IS95的智能天线产品。

在日本，ATR 光电通信研究所研制基于加预处理的自适应波束形成处理方式的智能天线。

采用16个阵元平面方阵方式，阵元间距为半波长；射频工作频率为1.545GHz ；阵元接收信号在A ／D 变换后先进行快速傅氏变换预处理，形成正交波束后，分别采用CMA 算法或最大比值合并分集算法；天线数字信号处理部分由10片FPGA 芯片完成。

野外移动试验确认了采用CMA 算法的多波束天线功能；理论分析和试验证明，使用最大比值合并算法（MRC ），可以提高多波束天线在波束交叉部分的增益，上述方案在所形成的波束内，选用最大电平信号接收，不再用判别用户信号到达方向及反馈控制等跟踪设备。

DBF and Smart Antennas Nanjing University of Science & Technology Sheng Wei Xing 2004.03.031.1 数字波束形成与智能天线发展的简史欧洲通信委员会在RACE （Research into Advanced Communication in Europe ）计划中开展了TSUNAMI （The Technology in Smart antennas for Universal Advanced Mobile Infrastructure ）子计划，它由德国、英国、丹麦和西班牙合作完成。

项目组在DECT 基站基础上建造智能天线的实验模型，并于1995年开始现场实验。

天线由8个阵元组成，阵元分布有直线型、平面型和圆环型三种，阵元间距可调。

射频工作于1.89GHz ，采用了TDD 双工方式。

数字波束形成采用ERA 公司专用的ASIC 芯片DBF1108完成波束形成，并使用TMS320C40的DSP 芯片作为中央控制。

A/D 以后的数字信号处理方式采用了接收信号直接优化权值系数处理和在A ／D 后外加预处理方式的两种不同方式。

优化算法采用了识别信号来波方向的MUSIC 算法和两类不同的自适应算法：NLMS(Normalized Least Mean squares)算法和RLS(Recursive Least Square)算法。

该实验系统验证了智能天线的功能，在两个用户四个空间信道下，实验系统比特误码率BER 优于10－3，实验评测了MUSIC 算法判别用户信号方向的能力。

欧洲通信委员会将在ACTS （Advanced Communication Technologies andServices ）计划中继续进行第二阶段的智能天线技术研究。

研究的内容包括以下几个方面的问题：最优波束形成算法；系统协议研究和系统性能评估；多用户检测与自适应天线的结合；时空信道特性估计；微蜂窝优化与现场实验。

DBF and Smart Antennas Nanjing University of Science & Technology Sheng Wei Xing 2004.03.031.1 数字波束形成与智能天线发展的简史在中国，信息产业部电信科学技术研究院所属的信威公司成功地开发出用于WLL 的TDD 方式S-CDMA 产品，并计划将其改进：推广应用于我国提出的TD －SCDMA 方案中。

深圳华为、中兴新通信目前均有一支队伍进行智能天线方面的研究。

在大学，美国Stanford 大学，德州大学Austin 分校，加拿大McMaster 大学，香港中文大学等都先后建立了智能天线的试验平台。

我们与美国Metawave 通信公司的上海研发中心有一个合作项目就是移动通信中的智能天线方面的。

香港中文大学的智能天线的试验平台研制我们也参与了。

虽然移动通信中的智能天线的技术还有许多问题有待研究，但前景看好。

在提交国际电信联盟ITU 的第三代移动通信系统（3GTT ）的标准建议中，几乎都附有一条：如果可能，本建议将采用智能天线技术。

可见智能天线技术在第三代移动通信以及未来的移动通信体制中占有重要地位。

DBF and Smart Antennas Nanjing University of Science & Technology Sheng Wei Xing 2004.03.031.1 数字波束形成与智能天线发展的简史z2. DBF 在有源相控阵雷达系统中的应用DBF 在雷达中应用时，有如下显著功能：自适应形成方向图零点 独立同时多波束 低副瓣超分辨角度估计技术。

因此，各国都在竞相研制基于DBF 技术的有源相控阵雷达，已装备或在研的有源相控阵雷达有：COBRA(Counter Battery Radar)雷达欧洲先进雷达技术集团总承包，法国汤姆逊公司、德国西门子公司、英国桑•伊美公司、美国马丁•玛丽埃塔公司参加。

1990年2月开始研制，1994年9月样机在德国梅彭成功地进行了实弹射击定位试验，1998年3月开始批量生产，计划生产29部，2002年至2005年交付使用。

收发DBF 天线； AN/TPQ-47炮位侦校雷达Raytheon-Hughes Aircraft 公司研制，1998年开始研制，计划2002年底样机试验结束，2003～2008年间计划生产72套。

收发DBF 天线；国内，14所、38所在“九五”期间研制了一维DBF 试验阵。

我们与206所合作将于“十五”期间研制一个二维的DBF 接收阵。

在雷达系统中，基于DBF 的自适应阵列天线称智能天线。

有时称为有源相控阵天线(Active phased array antenna)引言1.1 数字波束形成与智能天线发展的简史 1.2 移动通信中与雷达中的智能天线的异同1.2 移动通信中与雷达中的智能天线的异同相同之处：z相同的系统构架天线辐射单元、微波收发组件（通道接收机）、A ／D 变换及数字下变频（软件无线电板）、DBF 处理器。

z相同的功能自适应形成波束，主瓣对准用户或目标、副瓣或零陷对准干扰。

z相同的算法及信号处理过程采用自适应算法计算权重⇒对接收数据进行加权处理进行波束的输出。

1.2 移动通信中与雷达中的智能天线的异同不同之处：z自适应算法跟踪的目标或用户的数量不一样雷达：同时跟踪的目标一般不超过10个移动通信：一个小区内一般至少有20个以上的用户。

z天线阵规模不一样雷达：上千个阵元→上千个通道接收机移动通信：小于16个阵元→16个通道接收机z信道特性不一样雷达：直达波→地面对空中目标、空中对地面目标移动通信：大多数在城市的楼宇之间，信道存在多径衰落和时变性，接收环境因用户随机移动产生多变性，从而使得智能天线的实现更为复杂。