舰载智能天线及其波达方向估计的研究

§2.1
智能天线原理
智能天线的基本思想是：通过一定结构的天线阵列，充分利用现代信号处理 技术来获得期望信源的信息，从而将天线阵的方向图指向该信源，并且在干扰方 向上形成零点来抑制干扰，使输出的信号干扰噪声比（SINR）达到最大。 智能天线使用一列低增益天线阵元，连接在合并网络上。图 2-1 给出了一个 任意的天线元阵列。这里，φ 是入射到阵列上的平面波的方位角，θ 是仰角。水平 面用 θ = π / 2 表示。
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舰载智能天线及其波达方向估计的研究
§1.2
智能Fra Baidu bibliotek线的研究现状
波达方向（DOA）估计是智能天线理论研究的一个重要内容。基于傅立叶分析 的波束扫描法是 DOA 估计中的经典方法，但其分辨率受到瑞利准则的约束[1]。增大 阵列孔径可以提高分辨率，但是阵列孔径的增大受各种实际因素的限制。1969 年 J.Capon 提出一种最小方差法，这种方法基于空域最优滤波的思想，考虑了空域噪 声和干扰的分布，因而改善了经典波束扫描法（延迟－相加法）的信号分辨能力。 V.F.pisarrenko 在 1973 年提出了基于线谱模型的谐波分析法， 首次把特征分解的 技术应用到正弦频率估计中来。对现代超分辨波达方向估计最具影响力的还是 R.O.Schmidt 在八十年代提出的 MUSIC 算法。MUSIC 算法把线性空间的概念引入到 波达方向的估计中，将线性空间分为由信号导向矢量张成的信号子空间以及与其 正交的补空间——噪声子空间。然后，对估计得来的阵列协方差矩阵进行特征分 解得到信号子空间的估计，用参数化导向矢量向噪声子空间投影来搜索信号方向。 后来，Roy 等人提出的 ESPRIT 方法[2]又为特征结构法的研究翻开了新的一页，该 方法利用信号子空间的旋转不变特性来估计信号参数，避免了 MUSIC 算法因需要 “谱峰”搜索而带来的大量计算，同时在一定程度上降低了算法对硬件的要求。 另外，基于特征结构的谱估计方法还有最小范数法[4](Min-Norm)，Root-MUSIC 法[5] 以及加权子空间拟合法[6](WSF)等。 MUSIC 方法和 ESPRIT 方法同属于子空间类方法，但这类子空间方法都要求接 收信号协方差矩阵的特征分解，随着阵元数和快拍数的增加，运算量急剧增加。 1994 年 Alain Marsal 提出了传播算子方法[3]，其也是一种子空间方法，但在运算 量上很有优势。它是对观测空间的一种线性运算，避免了高维协方差矩阵的特征 分解， 从而降低了运算量， 可惜性能损失比较严重。 文[48]将传播算子法和 ESPRIT 算法结合，给出了一种快速的空间二维参数估计方法，该算法无需任何搜索，估 计由闭式直接给出，但研究发现该方法也存在一定的性能损失。 从理论研究到工程实现，需要做大量的工作。国外已经在这方面做出了很多 工作[10][11][12]。他们已经实现了多种智能天线实验系统，获得了一些有实际意义的 数据和成果。近年来，随着天线单元小型化和自适应算法不断发展，智能天线的 小型化也取得了进步，文献[13][14]介绍了应用于小型移动终端的智能天线。国 内的一些大学和企业也正在实现自己的智能天线实验平台。西安电子科技大学对 智能天线的上下行信号处理技术进行了大量的探讨，并且成功的构建了非实时处 理的智能天线实验平台[15]，录取了一批重要数据。美国的 ArrayComm 公司和中国 邮电电信科学研究院信威公司也研制出应用于无线本地环路(WLL)的智能天线系 统。
第一章
绪 论
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§1.3
本论文的主要内容安排如下：
论文的主要内容
第二章比较系统地介绍了智能天线技术，包括它的工作原理和主要优点,分析 和比较了波束切换系统、自适应天线系统以及宽带自适应系统的工作模式。给出 了直线阵列、圆周阵列和面阵等的阵列天线模型。 第三章介绍了无线信道的向量冲击响应和几种常用的智能天线空－时信道模 型。对海上移动通信的电波传播环境进行了分析，研究了莱斯衰落信道以及莱斯 因子，并且以 BPSK 信号为例对不同信道的传输性能进行了仿真。 第四章研究了基于子空间技术的 DOA 估计算法－MUSIC 算法和 ESPRIT 算法， 结合不同的天线阵列模型对算法的性能进行了仿真。针对舰载智能天线的实际需 要，介绍了一种采用传播算子方法的二维波达方向估计方法，并对其进行了仿真 和分析。 第五章分析了设计舰载智能天线系统时应该考虑的一些问题，并给出了莱斯 衰落信道模拟器的结构以及莱斯衰落噪声的仿真，为舰载智能天线的进一步研究 做准备。
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导师签名：
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第一章
绪 论
1
第一章
§1.1
绪 论
论文产生的背景与意义
近年来，移动通信事业飞速发展。伴随着因特网的普及，在满足通信质量的 前提下，越来越多的人希望未来的移动通信能够提供因特网接入业务和宽带多媒 体业务。由于空间频谱资源有限，如何利用有限的频率资源来最大限度地满足人 们对移动通信的要求一直是移动通信系统研究的目标。 贝尔实验室提出的蜂窝组网理论在很大程度上克服了有限频率资源下的信道 容量受限问题，极大地推动了移动通信技术的发展，是移动通信史上的一次革命。 蜂窝移动通信经历了以调频模拟信号传输和频分多址（FDMA）为标志的第一代， 以及以窄带数字信号传输和时分多址（TDMA）及码分多址（CDMA）为主要标志的 第二代移动通信。就在第二代数字无线网络 GSM 和 IS-95 得到广泛应用的同时， 第三代（3G）无线网络的研发工作也在进行。3G 网络能为几乎所有的移动设备增 加宽带数据能力，支持视频、因特网接入以及其他高速数据业务。这就对频谱资 源的合理利用提出了更高的要求。 90 年代初，人们提出了一种利用空间滤波的方法来增加移动通信系统容量的 技术－智能天线系统（Smart Antenna Systems）。其基本思想是采用阵列信号处 理技术提取移动用户的空间方位信息，利用用户位置的不同，采用空域滤波来减 少共信道干扰（Co-Channel Interference），最终实现在同一信道（频段、时隙 或码道）中实现多用户通信而不发生相互干扰。移动通信系统采用智能天线不仅 可以扩大小区的覆盖范围，增加了系统的容量；而且减小了系统的干扰，降低系 统的初装费用。对于 CDMA 系统而言, 所有的 CDMA 用户可能占有同一时间和同一 频率。智能天线可以利用空间的隔离降低对功率控制精度的要求，降低 MAI（多址 干扰）提高系统的稳定性。更为重要的是智能天线可以跟踪移动台的运动，将波 束对准期望信号，而在干扰方向形成零陷，大大提高了信道的传输质量。鉴于上 述技术优势，智能天线技术已被确定为 3G 移动通信系统的关键技术之一。同时， 对智能天线系统的工程化实现也提出了更迫切的要求。 智能天线的优越性能对军事通信也同样具有重要的意义。借鉴 CDMA2000 的通 信体制，如果将智能天线技术移植到目前的舰载无线通信系统中，则可以大大提 高舰艇之间的数据通信能力和电子对抗能力。不需要卫星的参与就可以在舰艇编 队之间形成一个宽带的动态无线通信网络，大大增强了舰艇的战斗力。论文就是 在这样的背景下开展工作的。
Key Words:
Shipborne Smart Antenna Rician Fading
DOA Estimation Propagator Method
创新性声明
本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 日期
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舰载智能天线及其波达方向估计的研究
第二章
智能天线技术基础
智能天线（Smart Antenna or Intelligent Antenna）是将阵列天线与信号 处理技术相结合，形成同时具有空、时处理能力的天线。本章在介绍智能天线原 理的基础上分析了智能天线的优点，并且讨论了智能天线的几种结构。同时，给 出了适合于阵列信号处理的几种阵列天线模型。
Abstract
Abstract
Digital signal processing techniques were used to produce spatial and directional beam in smart antennas. Then the main beam aims at the coming direction of reference user and the null points to the coming direction of interference user. Smart antenna has been confirmed as one of key techniques in the shipborne wideband digital mobile communication systems, and will play an important role in ship’s electronic counter measure (ECM). In this paper, the implementation of the shipborne smart antenna system is discussed in detail. Based on this, the principles of smart antenna and the Rician fading channel of shipborne mobile communication are presented. Most of the array signal models and the subspace-based high resolution algorithms of DOA estimation are mainly introduced. To aim at the shipborne usage, the principle of 2D-DOA estimation by propagator method is analyzed in detail. Some betterment is made, and the new algorithm is tested effectively by computer simulations. Moreover, some practical problems are also discussed.
西安电子科技大学 硕士学位论文 舰载智能天线及其波达方向估计的研究 姓名：姚军 申请学位级别：硕士 专业：电路与系统 指导教师：陈建春 20050101
摘
要
摘
要
智能天线利用数字信号处理技术产生空间定向波束， 使天线主波束对准期望信 号到达方向，而在干扰信号到达的方向形成零陷，达到充分高效利用移动用户信 号并删除或抑制干扰信号的目的。智能天线是实现海上宽带数据移动通信的关键 技术之一，对提高舰艇的电子对抗能力具有重要意义。 本论文主要讨论舰载智能天线系统的实现问题，在此基础上，对智能天线波 达方向(DOA)估计算法进行了研究。文章介绍了智能天线的工作原理和工作方式， 对海上移动通信的莱斯衰落信道进行了分析。详细介绍了智能天线DOA估计系统中 常用的阵列信号模型和超分辨子空间估计方法。针对舰载智能天线二维波达方向 估计的实际需要，给出了一种改进的采用传播算子方法的波达方向估计，仿真显 示该算法是有效的。论文还结合舰载智能天线的实际情况， 对工程实现中的一些问 题进行了讨论。 关键词： 舰载智能天线 DOA 估计 莱斯衰落 传播算子方法