智能天线系统

智能天线系统设计及其自适应算法的研究

随着移动通信系统的不断发展，系统的用户数量迅速增加，智能天线技术可以通过空分复用的方式扩大系统容量，满足系统用户数量的增加，使系统的性能得到提高。智能天线系统是一个集成了许多部件和子系统的复杂系统，其主要作用是减少干扰的影响和多径延时。在智能天线系统中，尽管天线阵列的特性于分重要，会影响移动接收机对无线信号的接收，从而影响输出信号质量，最终对整个系统性能造成影响。但是一个完整的智能天线系统除了天线阵列外，通常还要包括微波/RF子系统、数字接收子系统和计算机处理子系统等。此外，根据智能天线技术的起源和发展过程，对智能天线的设计分为传统方法和现代方法。

本文首先概述了智能天线系统的基本原理、结构组成以及系统设计时较常用的方法和设计中应该注意的问题等。然后，从射频通道电路设计和自适应算法这两个智能天线系统的重要部分入手对系统进行了深入研究。在射频通道电路设计中，在简单介绍射频通道各部分基本设计方法的基础上，在1000MHz频段上对智能天线系统的射频接收通道进行了设计，包括前端的低噪声放大器、混频器、振荡器和锁相环等。

另一方面，本文还对智能天线系统的自适应算法进行了研究。在分析研究智能天线传统自适应算法和全相位算法的基础上，针对智能天线系统的结构特点，将全相位算法与传统的自适应算法相结合提出了全相位自适应滤波算法和全相位智能天线算法。这两种算法都充分利用了个相位算法的优点，在一定程度上降低了系统运算的复杂性，在其他条件都相同的情况下提高了系统处理信号的速度。通过仿真对比，可以看到新算法在一定程度提高了系统的信号选择能力和方向选择性。

一、 基本智能天线系统设计概述

根据系统所要达到的目标，智能天线系统通常完成以下二个主要任务:

(1)通过天线阵列获取所需的信息或信号。

(2)将天线阵列获取到的信号转化成对处理有利的数据格式。通常使用数字技术来实现这个功能，这样原始的模拟信号就必须通过模数转换器(ADc)转换成数字信号。

(3)改善天线单元接收信n'J质量，并能对信n'J进行合成优化，从Ifu改善接收信号性能，减少干扰，这就是自适应处理器的任务。

通过传统的以微波为基础的方法和以数字信号处理(DSP)为基础的技术都可以实现智能天线系统的算法。此外，智能天线系统还可以设计成窄带和宽带两种工作方式。由于有关智能天线系统的讨论大多数都假设信号为窄带信号，这样时间延时可以用载频信号的相移来表示，只要简单地改变天线阵列上每个单元的幅度和相位就可以将天线阵列的主波束对准系统来波信号方向，将天线阵列波瓣的零点对准干扰信号的方}句，从而可以大大简化系统设计。本文也主要针对窄带系统进行研究和设计。

在传统的军用雷达系统中，大型智能天线系统是以微波技术为基础的系统，它利用计算机来控制数字移相器和衰减器以实现希一望的自适应零点和主波束方向。为了获得不同的相移量和衰减量，移相器和衰减器中采用了一些开关二极管。当开关二极管接通不同的天线单元时，通道中插入损耗就不同。除此之外，由于受到成本等因素的影响，在改变幅度和相位时存在着较大的离散阶跃量，这样就使自适应的加权处理存在误差，天线的性能无法达到最优。传统的阵列天线最大的弱点是:它以模拟信号为基础，具有固定的结构形式，因此要达到数字接收机所具有的处理速度、抗干扰性强等性能比较困难。

1.以传统的微波技术为基础进行设计，存在以下主要缺点:系统容易受到各种类型误差的影响，如离散的移相器和衰减器产生的量化误差等。由于经费成本等因素，在移相器和衰减器中通常采用较大的步进增量，因此天线阵列的波束指向不可能于分精确，零点也达不到所希望的方向，结果使天线的增益损失，对干扰的抑制效率会相对减弱。对于不同的干扰情况，要将数量不等的二极管切换到不同的传播路径中，会产生不等的增益损失。在遇到不同的干扰情况时系统的性能会出现不一致的情况。在配置系统结构时有一个固定的格式，系统的硬件环境一旦建立，就不容易重新配置系统以适应干扰情况的变化。对于多通道接收机来说，要获得多波束功能就必须花费大量的经费。

在图1中，处理器根据传送到阵列上的输入信号和一个计算得到的自适应加权系数来获得最大的信噪比(SNIR, signal to noise plus interferenceration。这些新的自适应加权系数随后会在相应的阵列单元中被转换成希望的相位和衰减量，从而获得阵列的最终输出。

图1 传统的模拟式智能天线框图

2.以现代数字信号处理器为基础的设计

现代智能天线系统是以数字系统为基础的。来自天线单元的信号在进入DSP模块之前，都进行了数字化处理。因此，现代智能天线系统具有基于DSP系统的灵活性和经济性。随着时间的推移价格会显著地下降;同时随着更先进的DSP问世会使系统功耗和性能得到明显的改善。由于现代智能天线的所有功能几乎是在DSP模块中完成的，因此它很容易与其他采用时域均衡的传统天线相结合，为接收机性能的整体优化提供机会。与传统智能天线系统相比较，现代智能天线系统采用全数字信号处理的方法来实现自适应加权控制，主要优点是可以消除自适应加权误差和传统系统中由于使用微波数字移相器和衰减器引起的插入损耗;此外，DSP智能天线结构具有更多的灵活性;同时DSP阵列还具有自校准的功能，可以消除由于设计和制造导致的动态系统误差。

图2是现代DSP智能天线系统的结构框图，它给出了智能天线系统最为重要的两个信号处理任务。第一个任务是采用适当的算法来分析和处理输入的新数据，计算出为达到给定优化目标所需的加权系数;另一个任务是将来自天线单元的信号数字化并与相应的加权系数相乘，然后将各个分量相加得到最终的阵列输出。前一个任务被称为权值更新功能(WUF, weight-updating function )，它通常比较复杂耗时，其复杂程度取决于系统的结构和所选择的具体算法。后一个任务被称为波束形成功能CBFF, beamforming function )，由于它只涉及到标准的相乘不累加(MAC,multiplication and accumulation)所以相对较简单，可以用数字滤波器来实现。在智能天线系统中，完成了这些任务就可以将波束的零点对准干扰的方向，并将阵列的主波束对准希一望接收的信号方向。对于大多数商用DSP Ifu言，BFF模块的MAC任务每刷新一次或设置DSP接收采样只需要几}s的时间。Ifu在蜂窝移动环境中，大多数情况下系统参数在一个短周期内(几ms)保持相对稳定。这样，就不必对每个信号采样生成一套新的自适应加权系数，因此DSP模块的波束形成部分通常可以重复使用原有的自适应加权值，直到从WUF模块获得新的优化加权系数。在复杂的智

能天线系统中，可以同时使用两个DSP处理器来并行地完成两个主要功能，这样可以实现更高效的数据处理功能。在DSP模块中，通过软件可以很方便地将时域延时均衡器和传统阵列相结合，其中每一个天线单元都具有一个的通道。图3给出了智能天线系统信号传输通道的原理框图。

图2DSP智能天线系统框图

图3智能天线系统信号传输通道的原理框图

智能天线系统与大多数常见的通信系统设备一样，都是由软件和硬件两个部分组成。

软件部分的作用是控制系统硬件的工作，处理硬件部分提供的信号，其主要包括以下几个主要部分。首先，一个系统需要一个主控制软件，这个软件可以检测当前移动系统的工作状况，并能选择最适合的自适应波束形成算法。第二，系统需要监测软件，这个软件可以监测每个数据通道的信号性能，如果某个通道的性能达不到要求，监测软件就会采取措施减小其对整个系统性能的影响。最后，还要有一套特别的软件，用于实现诸如输入——输出同步和提高数据传输效率的直接内存访问(DMA控制等功能。除此之外，各部分软件还要能完成系统校准自动增益控制和极化切换等一些任务。

智能天线系统的硬件主要由下列几个部分组成:天线阵列和相应的馈电网络;包括低噪声放大器和滤波器在内的RF前端;将每个天线单元接收到的信号转换为基带信号的下变频器电路;在模拟部分和DSP模块之间提供接口的数据采集模块(DAM);能处理所有数据通道中原始数据的DSP模块电路。

天线阵列：在空中传播的信息既可以是信号源的位置，也可以是信号本身的内容。要提高所需信息的接收质量就必须处理掉来自各个方向的干扰信号。与使用频率滤波来选择某个频段内信号的方法相类似，空域滤波的方法可以选择从某个方向到达的信号。这个功能可以用一个单独的传感器来实现(如雷达)，但这种方法在同一个时间内只能提取和跟踪一个方向上的信号。如果需要同时跟踪、识别来自几个不同方向上的信号，就需要一个传感器阵列(智能天线系统的天线阵列)。 天线阵列信号的组合可以使特定方向上的信号被加重，而阵列聚焦方向与天线阵列的方位无关。对天线阵列信号采用不同的数据处理方法可以得到各种加权和，从而使多个方向上的有用信号可以被同时提取。这样一来，就可以使不同的信号在同一时间内的不同方向上实现空分复用，提高系统的容量。

射频前端电路：天线阵列接收到的信号在下变频到基带进行数字化处理之前，必须通过低噪声放大器(LNA)和滤波电路进行适当的放大，使信号达到变频器所要求的电平，并

目_还要消除影响接收机噪声系数的带外干扰噪声。LNA应该具有较高的增益和较低的噪声系数，从Ifu避免该设备产生的噪声影响到接收机的噪声系数。为了满足这些要求，既要考虑由于器件材料不同引起的影响(如:砷化稼场效应管等器件可以提供较低的噪声系数)，又要考虑实际应用中系统的前后级设备对于接收机整体噪声系数的影响(如:双工器或收/发开关的损耗、混频器等后级部件的影响)。对于射频前端电路的各级滤波器也有较高的要求。除了具有能滤除带外噪声的基本功能之外，滤波器的输入输出都要与相邻的各级电路形成良好的匹配，以确保有用信号功率的有效传输。对于技术要求十分严格的系统，还要根据具体参数指标的要求详细设计各级滤波器的插入损耗、三阶互调截点功率等。

下变频器：由于性能差的下变频器会引入大量的虚假信号从而影响接收机的性能，因此在智能天线系统中下变频器的性能于分重要。下变频器通常可以用一个混频器来实现。在大多数低成本的接收机中，下变频器使用一个简单二极管作混频器。而实际的智能天线系统通常都应采用能够提高整个系统性能的混频电路(如:平衡式混频电路)。在智能天线的设计中，混频器的混频损耗是一项重要的指标，需要仔细的分析。在大多是情况下，本振信号的幅度要远远大于射频和中频(IF)信号的幅度，所以分析中通常可以忽略信号的射频和中频高次分量。通常，简单的二极管混频器的混频损耗大于或等于6dB, 而用有源器件构成的混频器则会提供一定的混频增益。另外一个设计指标是互调失真电平。当射频信号电平较弱时，中频功率随射频输入功率的增加而现线性增加，当射频功率超过某一个电平时，输入/输出曲线会变成非线性增加，结果会产生互调失真。最后，在设计中还要考虑混频器的噪声系数等参数比。

中频及数字处理模块：在下变频器处理之后，射频信号被转换成中频信号，这样有利于对不同信道的信号进行分别处理。在中频频段的信号处理过程中，通常使用数字信号处理技术。在数字信号处理技术中，最重要的就是处理数据所采用的算法。优秀的算法不仅可以有效地恢复信号中有用数据信息，还可以减小处理信号所需要的时间，达到提高系统

的实时性能和提高系统容量的目的。

智能天线系统设计应注意的问题：智能天线系统是一个非常复杂的系统，它的设计和实现包括了从模拟到数字、射频微波到低频等非常广泛的知识领域，每一个部分的设计与实现都可能涉及到许多问题，而每一个问题解决的好与坏都可能会影响整个系统的稳定性、可靠性和实时性等。对智能天线系统进行设计时，由于系统的整体性能与天线阵列所接收到的信号强度关系较大，因此首先要仔细设计天线阵列;其次，由于射频信号的频率较高，在这个频段对信号进行放大、滤波、变频等处理的时，也会出现影响系统性能的各种问题;最后，在数字信号处理模块的设计中要仔细地选择处理算法和实现方案，以保证系统的各项指标的落实。

二、智能天线系统射频通道的设计

智能天线接收机的射频部分主要包括:低噪声放大器、本地振荡器、混频器以及中频锁相环等。在简单介绍ADS仿真软件设计环境和相关理论的基础上，给出了智能天线接收机射频前端电路的设计和仿真试验结果。

ADS软件介绍：射频电路处理的信号频率通常较高，可以达到GHz。在这么高的频段进行电路设计不能采用常规的低频电路设计方法，必须考虑离散参数的影响。设计时需要进行大量的理论计算，这样就使系统的设计工作较为困难。Agilent公司的EEsof/ADS软件是一款功能强大的射频仿真设计软件，它能极大地提高射频电路设训一的准确性和效率，在射频和微波电路设计中得到了广泛的应用。本文使用Agilent公司的EEsof/ADS软件对智能天线接收系统中射频前端中各单元电路进行了设计，获得了较好的仿真效果。

1.低噪声放大器的设计

低噪声放大器(LNA, low-noise amplifier)是射频接收机前端的主要部分，主要有四个特点。首先，它位于接收机的最前端，这就要求它的噪声系数越小越好。为了抑制系统后面各级噪声对系统接收性能的影响，还要求LNA有一定的增益;另一方面，为了使后级的混频器能够正常工作不发生过载，增益又不宜过大。其次，由于LAN接收到的信号很微弱，所以低噪声放大器是小信号线性放大器。由于传输路径的影响，在接收信号的同时可能会伴有强干扰信号混入，使接收信号的幅度不断的变化，因此还要求放大器有足够大的线性范围。第二，低噪声放大器一般通过传输线直接与天线或天线滤波器相连，为了实现功率最大的传输或最小的噪声系数，放大器的输入端必须与天线或天线滤波器实现良好匹配。第四，低噪声放大器还应具有一定的选频功能，以抑制带外和镜像频率干扰。

低功耗：LNA是小信号放大器，它需要一个静态偏置。低功耗的本质是采用低电源电压和低偏置电流。但是，这样做会使晶体管的跨导减小，导致晶体管及放大器一系列指标的变化。通常，可以选用专用的低功耗器件来满足系统低功耗性能的要求。

工作频率：晶体管的工作频率与晶体管的特征频率fT有关。根据双极型晶体管和场效应管的fT公式可知，减小偏置电流可以降低晶体管的特征频率。但是，器件偏置条件的变化又会引起其他参数的变化，因此要综合考虑介与偏置之间的关系来设计系统。

任何一个线性网络的噪声系数可以用下式表示：

对于共射阻态的单管双极型晶体管放大器的噪声系数可以表示为:

增益：低噪声放大器的增益要适中，增益过大会使下级混频器的输入过载而产生非线性失真;增益太小又会影响后面各级对系统噪声的抑制能力。放大器的增益首先与管子的跨导有关，而跨导又直接由工作点的电流决定。其次，放大器的增益还与它的负载有关。通常的低噪声放大器是频带放大器，其选频功能主要由其负载决定。LNA的负载一般有两种形式，一是采用调谐的LC回路作为负载，并将下级混频器的输入电容并入回路电容，做成频带放大器，既可用于选频又可用来提高放大器增益。二是采用集中选频滤波器作为负载，选频功能由滤波器来完成。

输入阻抗匹配

低噪声放大器与信号源的匹配是很重要的。放大器与信号源的匹配有两种方式:一是以获得噪声系数最小为目的的噪声匹配，二是以获得最大传输功率和最小反射损耗为目的的共扼匹配。大多数LNA通常采用后一种匹配方法，这样可以避免由于不匹配引起的LNA向天线的能量反射。

2稳定性判定

放大器电路必须满足的首要条件之一是在工作频段内具有稳定性，这一点对于低噪声放大电路非常重要。如果设计时不加注意就可能使放大电路在某些工作频率和终端条件下具有振荡的趋势，影响系统的性能，将放大器看作一个两端口网络，这个网络由s参数及其外部条件r:和r，确定，要使其稳定就是要求反射系数的模值小于1,即:

在放大器的设计过程中，可以通过稳定性圆来判断所设计的放大器是否处于稳定工作状态，是否有发生振荡的可能性和趋势。

功率增益与等功率增益：

噪声系数与等噪声系数定义为网络输入端口的信噪比(SNR)与网络输出端口的信噪比

(SNR)的比值。由S参数表示的放大器噪声系数为:

由于低噪声放大器的设计过程比较复杂，因此在一些特定的情况下可以忽略晶体管自身反馈的影响(即忽略512)以简化设计工作，这种简化的设计方法被称为单向化设计法。但是在许多实际情况下，采用单向化设计法并不合适，因为忽略会使设计结果出现误差。在一些情况用这种设计方法产生的误差是不能容忍的，这时就需要考虑的影响，采用双共扼匹配设计法。与单向化设计法不同，它需要处理输入、输出端口反射系数的完整方程，这需要考虑更多的因素。

3.低噪声放大器的端口参数(S参数)：尽管放大器AT-41400的典型端口参数已在参考手册中给出，但是由于在电路中加入了电容和电感等器件，因此要对所设计的放大器电路的端口参数重新进行测量，具体的测量结果如图所示。

其中，图(a)以曲线和smith圆的形式分别给出了所设计放大器端口在1 GHz时候的Sla. Sal的幅值和相角;511. Saa的值及其在圆图中的位置。图(b)以列表的形式给出了放大器在不同频率下的S参数。对比AT-41400参考手册中给出的放大器在1 GHz时的端口参数，两者的差别不大，因此在设计的时候可以利用参考手册给出的参数进行设计。

(c) LNA输出匹配网络

锁相环路是通信系统和通信设备中常用的功能模块，其主要特点就是它的振荡器的输出信号可以根据输入信号(参考信号)的频率和相位进行变化。在锁定状态时，输出振荡器的信号与参考信号之间的相位差为零或者为固定的常数。如果输出与参考信号之间存在一定的相位差(非锁定状态)，环路会采用一种控制机制使输出振荡器输出信号的相位发生变化，以减小两个信号之间的相位差，最终使输出信号的相位锁定在参考信号的相位上。常用的锁相环路由鉴相器(Phase Detector, PD、环路滤波器(Loop Filter, LF)。压抓‘振荡器(Voltage-Controlled Oscillator, VCO)二个基本功能模块纲_成，当锁相环用于频率合成器时，环路中还要加入一个N分频器模块。

为了减小系统实现的代价，本系统的设计使用中频锁相环路来实现对不同频率信号的相干解调。这就是说，在射频频段的变频器其本输入信号是频率固定不变的振荡信号，这样可以使振荡器在稳定的状态下工作，避免由于振荡频率变化等因素造成的对振荡输出的不利影响。这样一来，射频信号频率的变化就变成了中频信号的频率变化，再通过中频锁相环得到与信号中频载波一致的信号用于对信号的解调。由于中频信号的频率远远低于射

频输入信号，因此压控振荡器(VCO)的实现要更加容易;另外由于本系统的中频(也是常用的中频)频率为90MHz，在这个频率下锁相环的鉴相部分和环路滤波部分可以用FPGA或者DSP来实现，这样一来在系统实现的时候就可以把这些部分与接收系统的算法以及信号处理等模块相结合，降低系统实现的复杂度和代价，提高系统的可靠性。

三、本文重点研究了移动通信系统中的关键技术一一智能天线系统的设计技术。

首先，在介绍智能天线系统基本概念的基础上，论述了智能天线系统的组成、实现方式和设计中容易出现的问题等;然后分别对系统各组成部分进行了详细的论，并设计了1GHz频段的智能天线接收系统;最后，在简要介绍智能天线系统常用的自适应算法的基础上，把全相位算法引入到智能天线系统中，提出了基于全相位算法的频域滤波算法和用于智能天线系统的全相位算法。利用计算机仿真对所提出的两种新算法进行了分析、验证，结果表明基于全相位算法的频域滤波算法及其改进方案在相同的输入信噪比的情况下，对不同输入信号都有较好的滤波效果，尤其是对BPSK信号的滤波效果明显优于传统的算法;用于智能天线系统的全相位算法，可以有效地减小数据的处理时间，抑制来波方向之外的干扰，可以提高系统的性能和效率。智能天线技术是第二代移动通信系统的关键技术之一，也是未来移动通信的发展方向。本文对系统射频部分的设计方案，为在较高频段上设计实用的电路提供了一定的参考价值。本文提出的两种算法，对提高系统的实时性、有效性有一定的帮助。由于时间精力及本文研究重点等因素所限，本文只对智能天线系统接收端进行了研究和设计。今后随着对系统组成和性能的深入研究，还需要对智能天线系统的发送端进行设计。