基于智能天线波束赋形技术的收发信方案研究

论文摘要

智能天线技术作为目前第三代移动通信系统以及未来的第四代移动通信系统中解决频率资源不足、提高系统容量的关键技术之一,已越来越多地引起人们的关注,成为了国内外的研究热点。智能天线的引入将使通信系统能够根据不同信号的空间方位信息,更好地利用多径能量,减少干扰,实现某一准则下的最佳接收,在很大程度上提高系统的性能。本文首先以阵列天线的基本结构和信号的表示方法为基础,逐步介绍了智能天线系统中的几项关键技术,如波束形成、DOA （ Direction of Arrival）估计等。通过对相应的算法进行仿真分析,给出了它们各自的性能特点。针对传统的DOA估计算法要求所估计的信源数必须小于阵元数的不足,本文以TD-SCDMA系统为例,给出了一种基于CDMA码分多址技术的DOA谱搜索算法。该算法简单、稳定,且所能估计的信源数不受限于阵列天线的阵元数。多波束形成将是智能天线在移动通信环境中的主要应用形式,本文对不同的算法在多波束形成时所产生的效果进行了仿真。结果表明,传统的调相—相加法在接收期望方向信号的同时会受到来自其它方向干扰信号的影响,其影响的程度将取决于空间波束图旁瓣的大小。因此,这种波束形成算法并不能实现理想的空分多址,在实际应用中它必须与其它的多址技术如CDMA相结合,才能达到期望的效果。而基于零点技术的波束形成算法,如最小方差（LMS）等,会自动调节空间波束图的零点,使其指向干扰信号的方向。此时,即使在多波束的环境中,期望方向的信号接收也不会受到其它方向干扰信号的影响。这可以说在一定程度上实现了空分多址的思想,因此在实际应用中也会有更好的效果。最后,本文以CDMA空时信号模型为基础,介绍了2D-RAKE接收机的概念,给出了一种可行的将智能天线和RAKE接收机联合使用的方案。同时,针对普通RAKE接收机在非相干解调时会引入射频损耗因子的问题,本文介绍了多径载波相干解调的概念。使用这种2D-RAKE接收机将能充分利用多径信号的空间和时间特性,最大程度地提高系统性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 智能天线技术的发展背景
• 1.2 智能天线技术的概念及特点
• 1.3 智能天线的优点
• 1.4 智能天线的研究现状
• 1.5 论文安排
• 第二章 阵列天线的基本原理
• 2.1 阵列天线的信号表示
• 2.1.1 均匀直线阵（ULA）
• 2.1.2 均匀圆阵（UCA）
• 2.2 智能天线系统的基本结构
• 2.2.1 相位控制阵列
• 2.3 ULA 和UCA 的比较
• 2.4 无线通信系统中复数的表示和意义
• 2.5 本章小结
• 第三章 智能天线波束形成技术
• 3.1 波束形成的最优准则
• 3.1.1 最小均方误差准则（MMSE）
• 3.1.2 最大信噪比准则（MSNR）
• 3.1.3 最大似然（ML）
• 3.1.4 线性约束最小方差准则（LCMV）
• 3.1.5 准则比较
• 3.2 波束形成算法介绍
• 3.2.1 最小均方算法（LMS）
• 3.2.2 采样矩阵求逆算法（SMI）
• 3.2.3 递推最小二乘算法（RLS）
• 3.2.4 最小方差无畸变响应算法（MVDR）
• 3.2.5 恒模算法（CMA）
• 3.3 本章小结
• 第四章 多波束形成技术
• 4.1 多波束赋形原理
• 4.2 多波束仿真分析
• 4.2.1 调相—相加法所形成的波束图
• 4.2.2 基于零点技术的波束形成算法的波束图
• 4.3 本章小结
• 第五章 智能天线DOA 估计技术
• 5.1 DOA 估计原理及基本假设
• 5.2 传统的DOA 估计方法
• 5.2.1 延时-相加法
• 5.2.2 Capon 最小方差法
• 5.3 子空间DOA 估计法
• 5.3.1 MUSIC 算法
• 5.3.2 ESPRIT 算法
• 5.4 最大似然算法（ML）
• 5.5 基于TD-SCDMA 中置序列的MIDOA 法[21]
• 5.5.1 MIDOA 算法原理
• 5.5.2 算法实现过程及模拟仿真
• 5.5.3 算法误差控制及模拟仿真
• 5.4 本章小结
• 第六章 CDMA 系统中的空时信号处理
• 6.1 CDMA 空时信号模型
• 6.2 2D-RAKE 接收机
• 6.2.1 2D-RAKE 接收机的结构
• 6.2.2 2D-RAKE 接收机的应用仿真
• 6.2.3 对RAKE 接收机部分的改进
• 6.2.4 2D-RAKE 接收机的性能仿真
• 6.3 本章小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间的研究成果