多波束形成的基本原理范文1
关键词：数字波束形成；FPGA；ADSP-21060;阵列信号处理
中图分类号：TN958文献标识码：B
文章编号：1004-373X(2008)07-033-03オ
Engineering Realization of Digital Beam Forming Technology Based on FPGA and ADSP
WANG Yuyang
(No.38th Research Institute,China Electronic Technology Group Corporation,Hefei,230031,China)
Abstract：Digital Beam Forming (DBF) is a kind of technology that combines the principle of antenna beam forming and digital signal processing . It is widely used in the field of array signal processing. The principle of DBF and its forming structure is described in this paper. An application structure of DBF based onFPGA and ADSP-21060 is also put forward and its working process is described in detail with an engineering illustration.
Keywords：digital beam forming；FPGA；ADSP-21060;array signal processing
数字波束形成技术充分利用阵列天线所获取的空间信息,通过信号处理技术使波束获得超分辨率和低副瓣的性能,实现了波束的扫描、目标的跟踪以及空间干扰信号的零陷,因而数字波束形成技术在雷达信号处理、通信信号处理以及电子对抗系统中得到了广泛的应用。数字波束形成是把阵列天线输出的信号进行AD 采样数字化后送到数字波束形成器的处理单元,完成对各路信号的复加权处理,形成所需的波束信号。只要信号处理的速度足够快,就可以产生不同指向的波束。由于数字波束形成一般是通过DSP 或FPGA 用软件实现的,所以具有很高的灵活性和可扩展性。本文主要介绍了一个自适应波束形成器的原理及其实现方法,结合当今最先进的可编程芯片，包括数字信号处理器(DSP)，现场可编程逻辑门阵列(FPGA)实现了数字波束形成，适用于如3坐标雷达系统等复杂阵列信号处理系统。其研制成果已应用在多部相控阵雷达中，缩小了我国在这个领域与其他国家之间的差距，具有重要的经济意义和军事意义。
1 数字波束形成系统的基本结构
采用数字方法对阵元接收信号加权处理形成天线波束,阵列天线阵元的方向图是全方向的,阵列的输出经过加权求和后,将阵列接收的方向增益聚集在一个方向上,相当于形成了一个波束,这就是数字波束形成的物理意义。数字波束形成器一般由两个主要部分组成,一部分是以数字信号处理器和自适应算法为核心的最优(次优) 权值产生网络,另一部分是以动态自适应加权网络构成的自适应波束形成网络。波束形成算法是波束形成的核心和理论基础,他通过接收的信号和一些先验知识计算出加权因子,然后再对输入的信号在波束形成网络中进行加权处理完成波束形成。
当进行多波束形成时,系统基本构成如图1所示。阵列天线每个阵元收到的信号经过混频、中放和正交相位检波,变为正交视频信号I和Q分量,再分别经由AD变换器转变为数字量I和Q,将数字信号送入波束形成运算器,分别与N组权值进行复数乘法运算,即得到所需的N个波束通道的信号。数字波束形成运算器由FPGA通过编程实现,主要进行权值的存储和把各路波束所需的权值信息存储于FPGA内部的存储模块中,通过进行乘加运算,来实现多波束的产生。
图1 数字波束形成器原理框图
本文选用Altera公司的STRATIX器件，及其仿真软件QuartusⅡ4.1,运用VHDL语言与Altera的megafuncitions模块化函数库相结合编程设计来实现数字多波束形成器。文中举例所用的天线阵为N阵元等距线阵，在数字波束形成部分要实现十路数字波束形成。
2 基于FPGA和ADSP器件的数字波束形成器的实现
2.1 硬件组成
数字波束形成器由3片FPGA和1片ADSP-21060器件来实现，其中第一片和第二片FPGA完成输入接收通道的校正以及复数乘法累加运算并最终形成十个波束；第三片FPGA完成整个系统的的时序和模式控制并将前两片FPGA运算的结果合成后输出，需要时副瓣对消的运算也在这一片完成。ADSP-21060器件主要完成接收通道校正系数和波束形成系数的实时计算，需要时进行副瓣对消系数的计算和发射通道校正运算。系统组成框图如图2所示。
图2 基于FPGA和ADSP器件的
数字波束形成器组成框图
其中总线上的标号解释如下：
1:输入的多通道A/D中频采样后的数字信号；
2:第三片FPGA传输控制信号给前两片FPGA；
3:前两片FPGA乘法累加运算结果输出到第三片FPGA；
4,5,6:ADSP-21060与FPGA的数据总线；
7:数字波束形成器的最终输出数据；
8:外部输入的模式控制信号。
为了让硬件平台具有很强的通用性，对于FPGA器件，选用了Altera公司含有大容量片内RAM和硬件乘法器的Stratix系列的EP1S60芯片，该芯片有18个硬件乘法器模块，内部存储空间达到5 215 kb，逻辑单元数达到了57 120 les,完全能满足此波束形成器的实现，并能利用冗余空间放置其他运算单元和控制模块，基本实现了系统的集成化模块化设计。且此器件的运算频率完全满足需要，片内大量的剩余资源空间可以提供给后续部分的使用。
最终3片FPGA芯片的资源占用情况分别为：对于FPGA1芯片，编译后的资源为占用18个硬件乘法单元,占用1 680 kb/s片内存储空间,占用逻辑资源16 791 les；对于FPGA2芯片，编译后的资源为占用18个硬件乘法单元，占用1 680 kb片内存储空间，占用逻辑资源15 608 les；对于FPGA3芯片，编译后的资源占用为占用0个硬件乘法单元，占用103 kb片内存储空间，占用逻辑资源7 599 les。由以上具体数据可见，对于FPGA1和FPGA2芯片，因为需要做大量的乘法累加运算，芯片的硬件乘法单元已全部占用，但片内存储空间只占用了32%，逻辑单元最多也只占用了不到30%。
2.2 工作过程
数字波束形成器由3片FPGA和1片ADSP-21060器件来实现功能，其中FPGA器件主要完成输入输出数据的缓存以及大量的乘法累加运算并产生或传输所需的各种时序和控制信号，ADSP-21060器件主要完成所需各种系数的实时计算。下面分别加以具体说明。
2.2.1 FPGA的工作过程
假定接收通道的输入信号为:
И
xci(t)=acie－jφci
(1)
И
理想情况下经过接收通道校正后的输入信号为:
И
xci(t)=Ae－j0
(2)
И
数字波束形成需要进行的乘法累加运算为:
И
Y=∑[DD(]N-1i=0[DD)]xci(t)•wi(t)=∑[DD(]N-1[]i=0[DD)]A•e-j[SX(]2πdi[]λ[SX)]sin θ
(3)
И
其中Е燃次所要形成波束的指向角，d为阵元间距。
如果以天线阵列的中心为零点，则上下各N/2阵元成对称关系，对于式(3)中的波束形成系数[HT5]e－j2πdiλsin θ[HT10.SS]则以天线的中心阵列成共扼关系。为了简化FPGA中乘法器的运算量，可以将式(3)中的波束形成系数变换为:
И
wi(t)=e－j2πd(i－N+12)λsin θ,i=1,2,…,N
(4)
И
这样可以利用波束形成系数的共扼关系，将原本占一半数据量的复数乘法运算变为加减运算，大大降低了乘法器的使用量。
FPGA1和FPGA2器件基本功能相同，他由存储器模块、接收校正网络、复数乘法累加器、地址和控制信号产生模块以及输出FIFO等几个模块实现。多路中频回波I,Q信号进入FPGA器件后首先进入双口RAM暂存，若当前工作在接收校正模式，则ADSP-21060器件会从此双口RAM中读取数据以计算接收校正系数，若工作在正常模式，则FPGA会自己产生地址和控制信号，将此双口RAM中的数据读出进入接收校正网络，同时进入此网络的还有ADSP-21060器件计算出的接收校正系数，在这个网络中完成接收通道的校正后数据进入主乘法器，即复数乘法累加器，这一步运算需要用到波束形成系数，这个系数仍然是由ADSP-21060器件实时计算出并放在FPGA中相应的双口RAM里，通过地址和控制信号产生模块可以将从双口RAM中读出的数据和接收校正网络输出的数据在乘法累加器前级进行路数和距离单元的对齐。复数乘法累加器的输出最后进入FIFO在时间和距离上进行重排，最终输出到FPGA3。FPGA1/FPGA2器件的功能框图如图3所示。
图3 FPGA1/FPGA2器件的功能框图
对于FPGA3器件,主要完成控制、时序和数据信号的传输、波束乘累结果数据的合成、副瓣对消的运算以及发射通道校正的进数和送数等功能。前两片FPGA乘累结果进入FPGA给3后按照距离单元进行合成，然后进入副瓣对消模块。副瓣对消时由21060实时计算出对消系数送进FPGA3的副瓣对消模块，同时对消通道的数据也进入此模块与系数进行乘累操作，乘累结果再与合成后的波束形成结果进行副瓣对消运算，结果直接输出下一级信号处理单元。发射通道校正时，发射通道的数据先进入FPGA3的RAM中暂存，由ADSP-21060器件取出进行相应处理，并将解算出的发射通道幅度和相位信息送回FPGA3对应的RAM中，再由FPGA3输出到相应系统进行后续操作。同时FPGA3还接收输入的控制命令，并将所有控制命令分解后按不同需求分别送给FPGA1,FPGA2和ADSP-21060器件以控制所有器件的正常工作。
2.2.2 ADSP的工作过程
在这个数字波束形成器中，ADSP-21060器件主要完成以下功能：接收通道校正时40路校正数据的进数以及对进数进行运算处理以得到接收通道校正的系数并将此系数输出到FPGA1和FPGA2中；发射通道校正时1路校正数据的进数以及对进数进行运算处理以解算出每行发射机对应的幅度和相位数据并将此数据输出到FPGA3中；根据当前工作模式和工作频率实时计算出波束形成系数并输出到FPGA1和FPGA2以参与运算；副瓣对消时完成对消通道的进数并利用此数据和主通道数据实时计算出副瓣对消系数，将此系数输出到FPGA3以进行副瓣对消的运算。
DSP程序上电初始化以后就等待同步中断，进入同步中断服务子程序里取工作模式控制字并对各种寄存器和标志位进行相应赋值。在Tr中断到来后判断当前的工作模式，如果当前工作在接收校正模式则开始从FPGA中的RAM取数，取数完成后进行接收校正的相应运算，在运算完成后将接收校正系数以DMA方式输出给FPGA；如果当前不是校正模式，则根据频率点和工作模式代码开始实时计算波束形成系数并将此系数通过DMA传输方式输出给FPGA参与乘法累加的运算。这些都完成后再判断当前是否需要做副瓣对消，如果需要的话，再从第三片FPGA中取出对消通道以及主通道的数据，利用这些数据实时计算副瓣对消系数，并将此系数输出给FPGA3以进行副瓣对消的运算。至此ADSP-21060器件的主要功能已经完成，程序重又回到等待同步中断状态。
2.3 测试结果
本文介绍的数字波束形成器已成功应用于多部雷达并取得很好的效果。下面给出几个前期测试的数据图表。图4,图5为在两个不同工作频率下，接收通道校正后由天线接收的扫角信号通过波束形成后按-39 dB加权在某一个波束输出的结果。图中横坐标为扫角信号角度间隔，满刻度为0°～60°；纵坐标为分贝数。由图可见，最大副瓣低于－375 dB。
图4 扫角测试信号DBF单波束输出波瓣图，
－39 dB加权，工作频率1
图5 扫角测试信号DBF单波束输出波瓣图，
－39 dB加权，工作频率2
3 结 语
波束形成器是双(多)基地雷达、高频超视距雷达、三坐标雷达、相控阵雷达以及智能天线的核心部件之一,在保证运算速度和计算精度的前提下,本文提出的利用FPGA和ADSP器件实现的数字波束形成器较好地完成了预定的技术指标,逻辑设计采用VHDL语言结合原理图方式进行,有利于ASIC设计；通用DSP器件21060的使用则可以满足实时计算波束形成系数和副瓣对消系数的要求。本波束形成模块经实际电路测试表明完全满足系统要求的20 M的波束形成速度要求，已经成功应用于多部现役雷达中, 效果较好性能稳定，具有很高的实用价值。
参 考 文 献
［1］程伟,左继章,许悦雷.数字波束形成器的FPGA实现[J].现代雷达,2003,25(5):34-36,39.
［2］张睿,张永波,向骥,等.基于FPGA的数字波束形成系统的设计实现[J].火控雷达技术,2006,35(1):77-80.
［3］王昆,王宇,蒋蜀革,等.数字多波束形成在SHARC处理器上的实现[J].数据采集与处理,1999,14(4):429-432.［4］尚怀智,金浩.数字波束形成技术[J].遥测遥控,1998(3):57-63.
多波束形成的基本原理范文2
关键词：海洋测绘；多波速；测深技术；探讨
中图分类号：P229.5 文献标识码：A文章编号：
多波束测深声纳系统通过在指定空间预成多个波束，当目标回波信号入射到线列阵时，通过多个波束响应向量对基阵接收信号进行相位或时延加权补偿，即可确定出信号的入射方向，并里用能量中心收敛法对回波信号进行处理、计算，继而判断出目标的方位。从以上工作原理部分的介绍可以看出， 多波束条带测深技术是一种综合水声、卫星通讯、仪器仪表、计算机等多学科的复杂系统。通过对多波束测深现状和数据处理等方面的分析，希望对我国未来海洋多波束测深做出贡献。
一、多波束测深系统理论概述
多波束测深是水声技术、计算机技术、导航定位技术和数字化传感器技术等多种技术的高度集成。测深时，载有多波束测深系统的船，每发射一个声脉冲，不仅可以获得船下方的垂直深度，而且可以同时获得与船的航迹相垂直的面内的几十个水深值。多波束测深系统一般由窄波束回声测深设备（换能器、测量船摇摆的传感装置、收发机等）和回声处理设备（计算机、数字磁带机、数字打印机、横向深度剖面显示器、实时等深线数字绘图仪、系统控制键盘等）两大部分组成。
二、多波束测深的工作原来和技术概况
1、 多波束测深工作原理
多波束测深声纳是一种大型组合设备，除其系统本身外，还包括定位、罗经、船姿传感器、声速剖面仪、数据采集工作站和绘图仪等配套设备。多波束系统和传统的单波束回声测深仪从原理上讲没有本质的区别，只是多波束系统的换能器是由多个换能器单元组成的阵列，工作时能同时发射多个波束和接收多个波束，对海底进行条带式测量。
2 、多波束测深技术概况
多波束条带测深系统是一种高效的海底地形测绘设备，它是在单波束回声测深仪的基础上发展起来的。多波束测深系统是利用安装于船的龙骨方向上的一条长发射阵，向海底发射一个与船龙骨方向垂直的超宽声波束，并利用安装于船底的与发射阵垂直的接收阵，经过适当处理形成与发射波束垂直的许多个预成接收波束，从而当测深系统在完成一个完整的发射接收过程后，形成一条由一系列窄波束测点组成的，在船只正下方垂直航向排列的测深剖面。
由于各波束空间上呈扇形排列，波束指向角自中央波束向边缘波束逐渐增大，因此回波信号自中央波束开始主要为反射波，向两侧逐渐过渡到散射波。如上所述，振幅检测法在单波束测深仪中是一种成功的海底信号探测方法，其原因是单波束测深仪的回波信号主要是反射波。在多波束测深系统中，当波束指向角不断增大时，回波的反射波振幅将迅速减小，反射波的尖脉冲形态也将随之趋于模糊。当波束指向角还不十分大时，减小了的反射波振幅还可以用变振幅强度处理方法来检测，但当波束指向角足够大时，微弱的反射波信号在背景噪声中将变得无法检测。因此在多波束系统的回波信号检测方法中除了使用振幅检测法外，一般还使用相位检测法。相位检测法利用相干原理，通过比较换能器两个给定接收单元之间的相位差的方法来检测波束的到达角。
三、多波束测深系统发展阶段
1 、SEABEAM 1000系列为代表的第一代产品，它的波束数少、扫幅宽度仅6O度，集成度低，水深数据不能实时处理。
2 、SEABEAM 2000 系列、ATLASHYDROSWEEP和SIMRAD EM12为代表的第二代产品，采用了P30大规模集成电路和DSP技术，波束数达到121个，波束角宽2。，数据实时和后处理软件成熟。
3 、SIMRADEM 120和RESON SeaBm 8150深水多波束测深系统为代表的第三代产品，采用了超大规模集成电路和速度更快的DSP板，波束数达到191个或更多，波束角宽0.5—1度，实现全姿态稳定，数据实时和后处理软件更加成熟。
4、 近年刚出现的SIMRAD EM122深水多波束测深系统和EM710被称为第四代产品，采用宽带技术、近场自动聚焦和水体显示等技术，提高了声呐性能，波束数更多，测深点更密，集成度也更高。相比较EM120系统EM122系统标称指标覆盖宽度最大37 km，单次发射形成两行共576个波束，可加密至864个测深点，波束角宽最小可达0.5×1度，该系统目前正在推广阶段。
四、多波束测深系统数据处理的发展趋势
1、 声速及声线跟踪
现有的声速经验模型比较多，这为深度的计算精度提高提供了宝贵的理论依据。但由于这些模型均为特定情况下的声速计算模型，计算所得声速彼此之间也存在着一定的差异，对波束脚印的归位计算带来了一定的困难。考虑多波束系统的应用范围广，涉及海域的水文因素变化复杂等特点，为此寻求一种适合多波束的最优声速经验模型已成为首要课题。
2 、多波束辅助参数的测定和滤波
多波束是一个由多传感器组成的复杂系统，最终测量成果质量不但取决于系统自身的测量数据质量，还取决于辅助传感器测量参数的精度，因此，开展诸如导航定位技术、声速改正技术、潮汐改正技术以及换能器吃水改正技术等与多波束测深相关的专项技术研究，也是多波束数据处理未来面临的主要任务。
3 、深度数据滤波
测量过程中白噪声和海况的影响以及参数设置的不合理等，都将会导致测量数据中出现假信号，形成虚假地形，从而使绘制的海底地形图与实际地形存在差异。为了提高测量成果的可靠性，必须消除这些假信号，因此需不失时机地展开测深异常数据的定位研究，对数据进行必要的编辑，剔除假信号，为后处理成图做好准备。深度测量误差不仅包含粗差和随机误差，还包含了系统误差，某些情况下，系统误差的影响还相当显著。
4 、图像处理
反向散射强度是多波束系统中又一类重要测量参数，由于数据量庞大，国内许多用户很少采集这方面的数据，对其图像的研究也少有文献。其实，多波束声纳图像与遥感图像、雷达图像等除形成机理存在差异外，图像的处理思想基本相同。多波束图像由于形成机理、环境噪声等与其它图像还存在着很大的差异，因此，在现有的图像处理方法中研究适合多波束声纳图像处理的最优方法是图像数据处理研究中的一个重要问题。
5、 多波束数字信息与侧扫声纳图像信息的融合
同多波束系统一样，侧扫声纳也可对海底进行全覆盖式测量。两类设备的应用，对实现海底地形地貌的认识起着十分重要的作用。多波束系统既可获得高密度、高精度的测点位置信息，又可获得海底图像信息，但由于分辨率的限制，一般情况下，成像质量较差；而侧扫声纳则以成像为主，可获得高分辨率的海底影像，但仅能给出描述海底地貌、地物的概略位置。多波束能够给出海底地物的位置、大小等定量分析数据，但在对海底的定性分析方面还存在不足；而侧扫声纳则可根据图像的明暗程度反演海底地质组成，并在此基础上，进行地质分类和定性分析，但却难以利用概略的位置信息进行精确的量化分析。
五、结束语
基于幅度的测深算法有能量中心检测、WMT和BDI算法三种；基于相位的测深算法分为分裂波束相位差算法和多子阵检测算法两种。为了得到精细而准确的海底深度数据，提高多波束测深算法的精度和性能就显得十分关键。
参考文献：
[1] 黄谟涛.多波束测深技术研究进展与展望[J].海洋测绘，2010，（3）.
[2] 赵会滨，徐新盛，吴英姿.多波束条带测深技术发展动态展望[J].哈尔滨工程大学学报，2009，（2）.
多波束形成的基本原理范文3
论文 关键词:智能天线 无线通信 空分多址 自适应天线 应用
论文摘要:采用数字信号处理技术形成定向波束的智能天线,引起了无线通信工程技术人员的极大重视。作者在对天线传统认识的基础上阐述了智能天线的基本概念、特点、实现方法和应用前景。
一、概述
天线是实现电磁波传播的必备器件:信号发射端利用天线实现电磁波辐射,信号接收端利用天线实现电磁波感应。因此,不论何种通信系统,只要它采用无线传输方式,就必须使用天线,而不论该系统采用的工作频率是多少,属于何种频段,也不论采用什么多址技术或者什么调制技术。
随着通信的 发展 和技术的进步,对所用器件、部件的要求也越来越高。智能天线正是适应通信发展而产生的新事物——在无线接入系统、卫星通信系统和移动通信系统(不论在公众通信网中,还是在专用通信网中)以及军事通信等系统中,均有其重要应用,并由此而带来诸如抗干扰能力、频率利用率等性能大幅度提高的一系列优点。
尽管智能天线还是起着电磁波的辐射和感应作用,但是,智能天线是一个崭新的概念。Www.133229.CoM
二、常规天线与智能天线
按照分类方法不同,常规天线(下文称天线)有众多的分类。例如,若按振子形状分类,天线可分为线状天线和面状天线:后者有抛物面天线,卡什格仑赋形天线等(用于微波频段);前者有布朗天线、j形天线、折合振子天线、八木天线、鞭状天线、螺旋天线、菱形天线等(常用于特高频、甚高频、短波频段)。若按方向性图分类,天线又可分为无方向性天线(即全向性天线)和定向性天线:前者如外露偶极子天线、共轴天线等,其特点是当它们用于信号发射时,不论收信用户位于何处,发射能量通过天线能作3600均匀分布;诸如角反射天线、角形反射器天线等则属于定向性天线。此类天线在一定方向上形成信号的发射或接收,能量的有效性较高。若按材料分,又有金属天线和介质天线之分。若按电场强度方向分类,天线又有垂直极化、水平极化等之分。当然,天线还有其它的分类方法,我们不一一例举。但无论怎么说,通信天线的构成比较简单,即使将用于与发射机、接收机相连的馈线算入,构成“天馈线系统”,但是,它依然是一个简单系统。
智能天线则是一个复杂的系统,而且随着性能要求的提高,智能天线也越加复杂。可以认为智能天线是从自适应天线发展起来的,但是二者之间有着显著的差异:自适应天线主要用于雷达系统的干扰抵消,而且是干扰信号强度特大,数量又不多的场合。在无线通信系统中,主要基于多径传播的干扰,其幅度一般较小,但数量往往很大,尤其是电波在城市地面传播时更是如此。这些差异导致在方向性图的形成上,或者说在信号的处理上有着各自的特色。既然智能天线从自适应天线发展而来,所以智能天线有着与自适应天线相类似的结构,用于信号接收时的智能天线结构图见图1。就是说,智能天线是由一个天线阵列和一组波束形成 网络 (亦称聚束网络)联合构成的系统。所以,从硬件构成来看,将智能天线称为“智能天线系统”是可以理解的。
用于收、发信侧的智能天线结构是相仿的,其工作原理也一致。这里以发送用智能天线为例,说明其波束形成原理。将待发射的各路信号s1(t),s2(t)……sm(t)组合成m维信号集合:s(t)=[s1(t),s2(t)…sm(t)]t,再在n×m矩阵网络中实现复数加权系数w加权,得到一个n维的阵列输出信号:
x(t)=w×s(t) (1)
其中,x(t)=[x1(t),x2(t)…xn(t)]t。
若智能天线的天线阵列的方向性函数为fn(θ),且当天线阵列选定以后,它就为定值。则x(t)将在天线远区场产生的场强
e(θ,t)=∑xn(t)·fn(θ) (2)
若要将信号sm(t)发向接收方,只需修改加权网络加权系数w为wnm即可实现该信号的辐射方向性图。即e(θ,t)可进一步写成
显然,只要调节wnm就能获得所需方向波束。智能天线的天线阵列是由多个(例如5、6个甚至更多)单元天线排列成一定形式形成的,常用形式有平面形、圆环形、直线形。从工程上考虑,这些单元天线方向性图常是无方向性的,其相互间距也需满足一定要求。例如在移动通信中使用时,各单元天线间距常取为λ2(λ为工作波长)。
智能天线波束形成网络的作用是在天线阵列支援下,形成一系列极窄的信号传输通路——空间波道,又称波束(beam),即在收、发两端之间形成一条极窄的信号通道。例如,当智能天线用于无线接入系统时,可以在基站(或中心站、转发站)和用户之间形成极窄的无线电波束通道。当智能天线用于移动通信和个人通信中时,这个极窄的波束能随着用户移动而移动。显然,极窄波束的应用能提高发信功率的有效性,还能提高信号传输的信号干扰比。或者说,在保证接收端信号干扰比不变的条件下,发信端功率可以大幅度降低。
这个极窄波束的实用,也形成了多址技术的第四种概念——空分多址(sdma),而且这个sdma可以和其它多址技术以及它们的混合联合使用。即在采用智能天线后,系统能在相同时隙、相同频率、相同地址码情况下,用户仍可以根据信号不同的空间波束——空间传播路径加以区分。
值得重提的是,形成一定指向的空间波束是众多的无方向性天线和波束形成网络的联合作用,而且空间波束的指向依据用户的不同空间传播方向而决定。这个具有一定指向的空间波束等同于信号有线传输的线缆如光缆、同轴电缆。
智能天线能实用于无线通信系统,而不论它们是公众网还是专用网,也不论该系统采用何种技术标准。智能天线能适用于几乎所有移动通信协议和标准的情况,见表1。有些协议或标准甚至至今还未正式形成产品,例如cdma2000、td-scdma,这种情况说明智能天线适用范围很广。
sdma的实用也促使了系统频率利用率的提高以及频率管理、频率配置难度的降低。例如在移动通信中,同一基站范围内的相同载频可以多次复用而不必虑及同频干扰(这就大大地降低了频率配置的难度)。而且不同指向的波束越窄,同频复用系数可以越大,系统的频率利用率就越提高,系统容量越大。同一小区两个手机用户同时占用同一频道时,智能天线形成的方向性图见图2。图中,智能天线形成的两个主波束分别对准这两个用户(而不会产生同频干扰),其它方向的增益却很小,这就保证了主波束增益可以做得很高,周围的干扰(包括同频干扰、邻频干扰、近端对远端比干扰等)和噪声的影响可以降低到很小。
采用智能天线后,同无线区不仅可以安排相邻或邻近频率,甚至还可实现同频复用,这极大地降低了无线电管理部门在频率配置和干扰管理上的难度,所以无委力主智能天线早日投入使用。
智能天线的应用还可以极大地增强设备供应商的竞争能力,并且智能天线不受调制方式和空中接口协议的限制,它们能与现有的空中接口方式相适应。智能天线的核心技术是波束形成,并主要由波束形成网络实现。
当智能天线为某个具体用户服务时,利用天线阵列发射或接收无线电波,利用波束形成网络中的某些部分对用户形成极窄的波束指向,而在其它方向上,智能天线能自适应地控制其方向性图为零,这种性能又称为自适应调零功能。正是利用这种功能,可以将智能天线的副瓣或零信号区(也称零陷区)的幅度基本抑制掉,这也造就了智能天线有极好的抗干扰性能。
只要能把主波束做得极细,同一基站(或中心站)主波束数能做得足够多,副瓣也能完全被抑制掉,那么,智能天线的应用至少在理论上解决了众多无线通信频率资源不足的难题。因此,不论在欧日联合提出的第三代移动通信方案w-cdma中,或是我国提出的第三代移动通信方案td-scdma方案中都把智能天线作为特征技术阐述在内,这是有道理的。就是在专用通信网中,这个特点也有着重要意义。我们以815~821 mhz(移动台发)和860~866 mhz(基站发)这一集群系统专用频段为例说明这一问题。这一频段虽可划分成240个双向通,但由于集群系统性能优越,特别是它的调度功能强大,因而该系统特别受专用通信网欢迎,许多系统诸如电力、人防、 交通 、港口、民航等都想发展该系统,从而导致频谱紧张。但是,一旦集群系统采用智能天线以后,频谱紧张这一问题将迎刃而解。
三、智能天线系统的构成
智能天线之所以能具备这些优良性能,这同其系统构成有关,特别是波束形成网络。波束形成网络构成复杂,大体上可分为网络处理系统和网络控制系统两部分,依照网络处理和网络控制的工作原理、结构不同,智能天线可分成波束切换型和自适应阵列两种类型。
波束切换型是指,智能天线能形成多少个空间波束一空间信道事先就已确定,这个确定既包括波束指向,也包括数量。确切地说,这类天线的波束数量有限。当智能天线服务于某用户时,系统能自动从有限波束中选择一个或几个的组合以服务于该用户,而不管所选波束的最大指向是否对准用户,也就是说用户虽处在所选波束作用范围,却有可能不在最大方向上。而且,当用户在移动时波束却是固定的,在用户移动到这种另一波束上时,系统会由此波束切换到另一波束上。基于相同原因,另一波束也不保证其最大指向随时指向用户,这些特点构成了这类智能天线的缺点,但是这类天线结构简单。
自适应阵列型智能天线能形成无限多波束,并能使用户始终得到波束的最大指向。当用户移动时,波束也能作自适应改变。显然,这种类型的智能天线性能最佳,但其网络控制系统相当复杂,还要求系统的实时性好,即要求处理网络在软件上需要有收敛速度快、精度高的自适应算法,以能快速调整波束的复数加权参数w。
目前,智能天线网络系统使用的算法有最小、最大信号比、最小偏差等。它们又各有特点,因而在实际系统中常需要并用,以取长补短,特别是在移动通信和个人通信中。这是因为在这两种通信系统中,电波传播主要在地面,而地面的电波传播环境很恶劣。基于智能天线性能极大地依赖于网络系统软件特性,因此智能天线也被称作“软件天线”。
早期智能天线的波束形成 网络 用模拟电路,但调试难度大、性能稳定性和可靠性差,目前都主张采用数字电路。较为一致的意见是采用高速率的数字信号处理芯片来实现。实际使用的芯片主要有两种:一种是dsp通用芯片,如tms320系列等。另一种则为专用集成电路(asic器件),其中最典型的器件是能进行大规模并行处理的门阵列电路fpga,以c6x调处理器为基础的dsp系统见图3。波束形成网络平台应提供充分模块以支持多个c6x,而且要采用高效率的i/o结构。
天线小型化和微带天线的使用,使得天线阵列结构得以简化。软件方面值得注意的 发展 是,基于特征值分解的自适应数字波束形成算法格外受到重视,因为这种算法能和高分辨率的测向算法统一起来,还能克服众多因素造成的波束误差。但是,此种算法的 计算 量大。
四、智能天线在无线通信中的应用
智能天线能用于很多种无线通信系统中,以提高系统性能。未来专用移动通信网将向公众移动通信网方向发展,或者说二者之间关系更加密切。还应注意:移动通信蜂窝小区正在向微型化、智能化方向发展,站距将更小,分布也更广泛,波束跟踪也更需智能化、实时化,基站配置也将更灵活,智能天线的波束形成技术将在改善地面电波传播质量和降低成本上发挥重要作用。由于智能天线的使用,不论在专用移动通信系统,例如集群系统、无线本地环路,还是在公众蜂窝系统,一改控制信道的发射方式——由全小区(或全扇区或全无线区)范围内的辐射为跟踪性的极窄波束辐射,全区内同频可以多次复用,从而形成了智能无线区(智能小区、智能扇区)的新概念。因为智能天线具有跟踪功能的固有性,无需通信系统另设“定位功能”,从而使采用智能天线的移动通信系统、个人通信系统的越区切换产生了“智能切换”的又一个新概念。而且,智能天线的应用也降低了成本。目前国内在公众移动通信系统中虽然使用了性能优良的单极化全向天线antel bcd-87010、单极化定向天线antel rwa-87027、双极化天线dps60-16 rsx和先进的遥控 电子 倾角天线mtpa890-d4-rxy-z,尤其是后者给日常的移动通信网络优化提供了方便,人们根据需要可以方便地调节天线倾角,以改善覆盖和干扰,但是它们远不能和智能天线相比。智能天线用于移动通信系统时,主要用于基站的发和收。
应该承认,移动通信和个人通信应用智能天线的难度较大,其原因在于移动的多用户、电波传播的多路径等因素造成了信号动态捕获与跟踪的难度,所以移动通信和个人通信中智能天线应用较晚,而无线接入系统尤其是固定式无线接入系统却较早应用。智能天线工作于tdd双工方式的无线接入系统时,可以把上、下行链路的加权系数统一。但在上、下行频率不同时,即采用fdd双工方式时,则下行链路的加权系数在上行链路的加权系数基础上,还需作适当处理。智能天线有望用于移动市话,以改善其频率配置的难度和提高网络的容量,以及提高网络的抗干扰能力。
智能天线也能用于dect、phs、pacs、cdct等体制的无绳电话系统,都能改善它们的系统性能。
智能天线还可用于卫星移动通信系统,例如用于l波段的卫星移动系统的智能天线就是用16单元、环形分布的微带天线阵列和一个波束形成网络构成,采用左旋园极化。而波束形成网络则采用10块fpga芯片,其中2块用于波束选择、控制和接口,8块用于天线阵列的准相干检测和快速傅立叶变换。
智能天线还用于各种专用通信网和军事通信等无线通信系统,以改善系统性能。正是由于智能天线具有重要的应用价值,所以国内外许多大学、研究所、通信公司等单位投入巨资,潜心研究,并已见硕果。
五、结语
智能天线对提高专用网和公众网通信系统容量、抗干扰能力,提高通信质量以及实现同一地址的各专用网的频率共享等具有巨大潜力,近年来备受关注。但是由于波束自适应形成的难度大,影响因素多,因此智能天线虽已用于固定式无线接入、卫星通信、军事通信等系统中,并获益匪浅。但用于移动通信、个人通信中还存在有一些难度。不过近来已传来乐观消息。例如某国外公司已2000年6月在上海移动通信网络中进行智能天线实用试验。所用天线类型为波束切换型。试验结果表明,确实提高了网络的整体性能。另据广东消息称,该省移动通信网络将在充分试验的基础上,引入智能天线,以大幅度提高网络服务质量等级和满足用户数量剧烈增长的要求。
参考 文献 :
[1]李小强,胡健栋.未来移动通信中的智能天线技术[j].移动通信,1999(1)
[2]林敏,龚铮权.智能天线及其在移动通信中的应用[j].电信快报,2000(2)
[3]向卫东,姚彦.智能天线及其在无线通信中的应用[j].微波与卫星通信,1999(2)
[4]toby haynes.先进的dsp结构对无线基站大有裨益[j].环球通信,1999(1)
多波束形成的基本原理范文4
【关键词】 穿墙雷达成像 成像目标回波模型 宽带波束形成原理
一、 超宽带雷达介绍
超宽带穿墙雷达是一种获取更多目标相关信息的新体制雷达，指的是雷达发射信号的带宽与中心频率之比大于0.25，并且带宽越大，雷达的距离分辨率越高。在超宽带信号的照射下，超宽带雷达从目标的散射中心返回的回波信号有别于窄带雷达，接收机输入端的信号不载仅仅是简单的发射 信号的延迟和多普勒频移。雷达目标信息的提取与回波信号有着紧密的联系，因此对于超宽带雷达目标回波的建模研究与接收和处理回波信号尤为重要。
二、基于宽带波束形成技术穿墙雷达成像基本原理
2.1 目标回波模型
图1-1为穿墙雷达成像的场景，假定为点目标，并且假定墙体是单一均匀介质的墙体，厚度和介电常数分别为和，本文采用单发单收天线沿墙体横向移动的方式形成线天线阵列，共在N个天线位置进行数据采集。设发射信号为s（t），为超宽带信号满足距离分辨率要求，接收天线在第m个天线位置接受到的回波信号为
其中，为电磁波在墙体中的传播速度，电磁波在墙体和空气中的传播路径在墙体厚度d和介电常数确知的条件下可以根据Snell定律精确求解，从而可以精确计算回波延迟。
2.2 宽带波束形成基本原理
将目标区域被划分为多个像素点，任意像素点的像素值可计算如下：
其中，，为加权系数，用来表示目标图像扩展程度，一般设置为1。为延迟，用来表示假设目标为点时的回波延迟。
对于目标区域的所有像素点由公式（1-3）得到其相应的像素值，墙体厚度d和介电常数已知的条件下，目标点的像素值能够准确反映目标区域各散射点的强度，最终形成目标区域散射点图像，即为目标区域图像。公式（1-3）所描述的成像过程如若是有相位的叠加过程那么则属于相干成像，如果是幅值叠加而不涉及相位叠加则属于非相干成像过程，对比于非相干成像，相干成像利用了目标雷达回波中的相位信息，所得到的图像得分辨率更高，并且图像的信噪比更高。最终结果如图1-3所示
三、总结
从之前所建立的目标回波模型可以得出，目嘶夭ú唤霭含了目标散射特性关于空间位置的信息，还包含了方位角和频率的信息。目标回波还有更多的目标信息可供利用，如极化信息、高度信息等。如果将这些信息有机地进行融合，对未来的发展将是极其有利的。
参 考 文 献
[1]贾勇. 穿墙雷达成像技术研究[D].电子科技大学，2010.
[2]王芳芳. 超宽带穿墙雷达成像算法研究[D].南京邮电大学，2012.
多波束形成的基本原理范文5
关键词：多波束形成技术；相控阵雷达
相控阵雷达的功能需要用多波束的形式实现，如果多波束的性能良好，相控雷达的性能就会良好，人们要提高相控阵雷达的性能，就要提高多波束形成技术的质量。本次研究将说明在相控阵雷达中多波事形成技术的应用。
一，多波束形成技术对相控阵雷达的影响
相控阵雷达是应用发射电子波束的方式探测信息的一种设备，应用波束可以让雷达发射信息和接受信息。相控阵雷达应用的波束与过去的机械扫描波束的区别为，它能灵活的控制波束的频率和相位，使波束的应用能恰到好处。多波束形成技术是波束性能被复合应用的方法，如果能够提高多波束形成技术，将能提高相控阵雷达的整体性能。
二，多波束形成技术对相控阵雷达的优化
1，优化雷达的性能
相控阵雷达工作的目的是搜索各种探测目标，它包含固定目标、隐藏目标、移动目标等，它的工作原理如下：它将天线的辐射功能射置在主瓣最大值的附近，然后依某种目的集中发射波束，可以说相探阵雷达的性能与多波束宽度有紧密的联系。
工公式（1）中，就是多波束开成的孔径面积。以这公式可以看到，该数值越大，雷达工作的范围越大。由于多波束形成的孔径能够决定相控阵雷达的性能，所以目前相控阵雷达普遍的应用大孔径的多波束形成光束。目前国外已经开始研究空间载预警的雷达，这种雷达的探测目的是探测外太空中的事物，该雷达的多波束孔径宽度为300米。而天线的波束宽却只有0.017度，由此可见提高多波束孔径提高相控阵雷达的性能的认知已被人们广泛应用。
2，化化雷达的数据率
所谓的数据率，是指两次相邻的搜索时间中的一个倒数，如果这个倒数值越大，即意味中间间隔的时间越长，其相控阵雷达传输的性能越低；若两个间隔值越短，则意味着雷达的传输性能越高。若要让相控阵雷达的性能提高，就要提高相控阵雷达的传输数据率。
假设现在相控阵雷达开始探索，它暂未找到搜索的目标，则所用的时间为，现在相控阵雷达找到了搜索的目标，它需详细跟踪某数据，其需要的时间为。公式（2）即为相控阵雷达在探测目标时总共需要花费的时间。
在公式（3）中，为相控阵雷达仰角的方位，为相控阵雷达的仰角范围。那么由此看到与这两个数值共同决定相控阵雷达的工作目标。在该公式中为相控阵雷达重复发送信号的周期，为一个波束位置上的天线波束驻留的次数，和两个数值共同决定波束详细搜索一个目标的时间。在实际的操作中，人们发现相控阵雷达搜索到目标后需要加大详细搜索数据的时间，以确保探测的精确性，为了优化相控阵雷达搜索的效果，人们可用多波束搜索的方式优化探测的数率。
3，优化雷达的精确度
相控阵雷达在仰角上可形成多个波束，若使用多波束搜索的方式获得目标数据，不同角度的波束在发送和接收波束时，波束和波束之间由发射和接收之间会形成一个时间差的关系这有时会形成一个干扰。若能用多波束阵列的方式定位波束的方向，就能改变波束和波束之间可能会产生的干扰现象。依多波束形成的性能，可用以下几种方法排布阵列：
采用抗干扰仪器设备的方法――一个相控阵雷达的仰角上会发射出多个波束，其波束和波束之间会有一个距离，然而在接收信息的时候，由于种种原因，波束的接收信息会因为角度问题造成干扰。虽然从理论上来说，拉大波束与波束之间的角度会减少干扰，可是这又带来成本和效率的问题。为了解决这个问题，人们提出一套在仰角上设置抗干扰仪器的方法。这种方法是在波束发射的仰角上射置抗干扰仪器设备，波束在发射的时候，其仪器设备会计算该波束的电平范围，副瓣在接收波束信息时，其信息在预设的范围内，则视为准确信息并接受，若接受的信息超过预设的电平范围，则视为干扰信息，其信息将被过滤。这种方法是利用波束的发射和接收特点，将两角坐标优化为三角座标，提高信息准确率的一种方法。
将发射波束和接收波束分离的方法――这种方式为假设将发射波束的相控阵雷达视为A，那么将接收相控阵雷达视为B，A的波束只负责发达探测信息，而B的波束只负责接收探测信息，A和B的波束相交，其相交点即为信息交流点。使用这种方法能够解决由于波束同时负责发射信息与接收信息带来的干扰问题。然而这种方法有可能会出现接收波束无法完全接收发射波束信号的问题，为了避免出现这类问题，就需要增加接收波束的数量，使接收波束能扩大接收的面积。
无源波束探测雷达的方法――这里所指的无源，并不是指波束的发展不需要能源，而是指该能源依附在其它的能源上，使该能源能具相控阵雷达的功能。它的设置与发射波束与接收波束分离的原理相似，只是它的发射波束依附在其它的能源上。比如它可以依附在武器平台上、无线电热辐射上、广播、电视等通讯设备上。这种方式能够加强雷达探测的隐蔽性。它的发射范围可以更广泛。无源波束探测雷达的接收方式通常也比较隐蔽，它可能用多种方式专门负责接收无源波束探测雷达传达的信息，而接收信号的波束接受到信息后需过滤掉与雷达信号无关的信号，提取有用的信息，由于无源波束探测雷达发射的信号会随时移动，所以可能会有多个接收波束来负责接受信号，而过滤信息的关键为发射信号的频率段设置。
4，优化雷达的总能量
相控阵雷达应用波束发射信号，然后进行探测时，这个波束会因为距离的原因使波束的能源衰减，如果能应用多波束共同形成一个能源的方式，就能够提高相控阵雷达的总能量，使之探测的范围能够更广泛。
总结：
如果能够用科学的方法提高多波束形成应用的技术，就能让相控阵雷达的总体性能更优越，提高多波束形成应用的技术有非常重要的意义。
参考文献：
[1].刘重阳.基于阵列天线的多波束形成[J].舰船电子对抗，2009（04）.
[2].罗玉兰.景永刚.许伟杰.多波束形成方法及其实现[J].声学技术，2007（02）.
多波束形成的基本原理范文6
【关键词】TD-LTE 智能天线 波束赋形
1 概述
智能天线(Smart Antenna)技术是在微波技术、自动控制理论、自适应天线技术、数字信号处理DSP(Digital Signal Processing)技术和软件无线电技术等多学科基础上综合发展而成的一门新技术。智能天线是具有一定程度智能性的自适应天线阵列。智能天线早期应用于军事领域,自3G时代开始走向民用通信,在今天的TD-LTE试验网和商用网中,智能天线技术得到了飞速发展。
智能天线技术利用信号传输的空间相干性,通过调整天线阵列阵元发送信号的权值,产生空间预定波束,将无线信号导向具体方向,使主瓣波束自适应地跟踪用户主信号到达的方向,旁瓣或零陷对准干扰信号到达的方向,达到充分和高效利用移动用户信号,删除或抑制干扰信号的双重目的。智能天线可实现信号的空域滤波和定位,在多个指向不同用户的并行天线波束控制下,可以显着降低用户信号彼此间的干扰。
智能天线通常应用在基站侧,可在下行链路对发射信号进行预加权实现选择性发送,也可在上行链路对接收的混叠信号进行不同加权合并得到对应的波形。智能天线因其具有增加系统容量、提高通信质量和扩大小区覆盖等优点,已广泛应用于TD-SCDMA和TD-LTE网络。可以肯定的是,情景化、小型化、电调化、宽带化和集成化相结合的智能天线,将在TD-LTE及后期演进系统中发挥不可替代的作用。
2 智能天线简介[1]
由于无线移动通信信道传输环境具有复杂性和不确定性,主要受多径衰落、时延扩展等不利因素影响,存在符号间串扰、同信道间干扰和多址干扰等恶化通信环境的情况,直接降低了链路性能和系统容量,而智能天线是解决这些问题的重要手段之一。
2.1 智能天线的信号模型
图1为智能天线接收部分简图,由阵元、加权和合并三部分组成。用户发射信号经过多径信道衰减和延迟后,到达天线阵列各阵元的是所有发射信号及各自延迟副本的叠加。
假设系统中有K个用户,阵列有M个阵元,为了简单,采用均匀线阵模型,则在某时刻第k个用户的信号到达阵列的接收信号矢量可表示为:
(1)
其中,βk,l为第l条径的衰落幅值,τk,l为第l条径的延迟时间,sk(t)为第k个用户的发射信号。α(θk,l)是阵列响应矢量,而对应第k个用户在经过信道第l条径时到达的角为θk,l,并可表示为:
(2)
其中,f为信号频率,且满足fc-B/2≤f ≤fc+B/2,fc为载波频率,B为信号带宽;τ是由于信号有限传播速度造成的在相邻天线阵元上的时延,它与信号的到达角、阵元间隔和信号传播速度有关,可以表示为τ=(dsinθk,l)/c,d为阵元间隔,通常取λc/2,λc为载波波长,c为信号的传播速度。
由于接收天线接收的是所有用户信号的叠加,所以(1)式可表达为:
(3)
其中,η(t)为接收端的加性白噪声矢量。
因阵列具有方向性,据图1所示,通过对每个阵元加权wk,根据一定准则和信号检测要求,由阵列信号处理模块计算后,可得阵列加权合并矢量的波束赋形输出为:
(4)
式(4)是智能天线形成波束信号的基本模型,也是智能天线的技术基础。
2.2 波束赋形技术
式(4)是阵列波束赋形的数学表达式,是阵列信号的预处理技术,其中的权值wk仅仅需要匹配信道的慢变化,如来波方向DOA(Direction Of Arrival)和平均路损。因此,在进行波束赋形时,也可以不必使用终端反馈所需的信息,而是在基站侧通过上行接收信号获得来波方向和路损信息,这既可减小空口传输负担,又能方便地得到计算权值的参数。另外,为了获得波束赋形增益,需要使用较多的天线单元,目前LTE中最多只可使用4个公共导频,无法支持在超过4副天线单元的天线阵列上使用波束赋形,因此波束赋形中还需要使用专用导频。
图2为波束赋形的基本原理流程:从天线阵列的上行信号获得DOA估计后,给天线权值控制器产生权值,再将权值反馈给天线阵列,由天线阵列形成赋形波束。显然,波束赋形过程中的关键问题可简单地表述为:(1)根据系统性能指标(如误码率、误帧率)的要求确定优化准则(代价函数,即权重矢量和相关参数的函数);(2)采用一定的方法获得需要的参数;(3)选用一定的算法求解该优化准则下的最佳解,得到权重矢量值。
2.3 自适应算法
众所周知,智能天线实际上是一项包括多种先进技术的系统工程,但它的核心技术是自适应算法。典型的算法有盲自适应和非盲自适应两大类。后者是基于训练序列的方法,如最小均方(LMS)法、递归最小方差(RLS)法和采样矩阵求逆(SMI)法等;前者是不用训练序列的方法,如基本DOA估计法、特征值恢复和解扩重扩法等,而常用的DOA估计法是直接利用(4)式延迟相加法。下面简单介绍几种算法。
(1)最小均方LMS算法:遵循最小均方差(MMSE)准则,根据(4)式,加权矢量迭代更新方法可表示为估计二次型表面(即误差平方)关于权值的梯度,将权值沿递度负方向移动一个步长常数,进而反复迭代,即:
估计输出:
误差形成:
系数更新:
其中,y(n)为已知期望响应样本,x(n)为接收信号矢量的采样样本,μ为步长。LMS算法的收敛速度和稳定性与输入信号x(n)的协方差矩阵的特征根分布密切相关,一般特征根散布不是很大时,LMS算法的收敛较快。
(2)递归最小方差RLS算法:该算法总是使从滤波器开始运行到目前时刻的总平方误差达到最小,与LMS算法不同,RLS遵循的准则是最小方差(LSE)。若设、、、,则有:
同时得到最小二乘误差的更新为:。
RLS算法的收敛情况与相关矩阵的特征值扩展无关,而与λ的取值有关(小于或等于1)。
3 智能天线在TD-LTE中的应用
TD-LTE为智能天线应用进行了专门的标准化设计,定义了专门的传输模式。如3GPP R8支持的基于单端口5专用导频的传输模式TM7、3GPP R9支持的基于端口7和端口8专用导频的传输模式MT8,就分别支持单流波束赋形技术和双流波束赋形技术。根据3GPP协议,在LTE系统的eNode B端,虽然FDD和TDD均采用专用导频来实现波束赋形,但对终端来讲,仅有TD-LTE终端强制性地要求必须具有解调波束赋形数据的能力。
实践证明,TD-LTE系统采用智能天线后,可提高系统的峰值速率、提升边缘用户吞吐量、提高小区覆盖范围。尤其是在智能天线与MIMO多天线结合后产生的双流波束赋形技术中,单用户的波束赋形可使单用户获得空间复用增益;在多用户波束赋形方式中,则可使系统获得多用户的分集增益。所以可以预见,智能天线技术在TD-LTE系统中的广泛应用,可明显地改善系统性能。
3.1 TD-LTE中的波束赋形技术[2]
(1)单流波束赋形技术:LTE R8定义的传输模式TM7支持基于专用导频的智能天线波束赋形,即单流波束赋形技术。在传输过程中,UE需要通过对专用导频的测量来估计波束赋形后的等效信道,并进行相干检测。为了能够估计波束赋形后的传输所经历的信道,基站必须发送一个与数据同时传输的波束赋形参考信号,这个参考信号是UE专用的,也叫UE专有导频,走天线端口5,用于传输模式7的业务解调。在图3所示的单流波束赋形流程中,层映射与预编码都只是简单的一对一的映射,后面生成的波束赋形当然也相对简单。
(2)双流波束赋形技术:在LTE R9的规范中,专门定义了有端口7和端口8两个专用导频用于业务信道解调的传输模式TM8。同时还引入了新的控制信令和天线配置(8×2),将波束赋形扩展到了双流传输,实现了波束赋形与MIMO空间复用技术的结合,这就是双流波束赋形技术。双流波束赋形应用可分为单用户波束赋形和多用户波束赋形,图4所示是单流、双流单用户和双流多用户三种情况的波束赋形情况。
1)单用户双流波束赋形技术:由eNode B测量上行信道,得到上行信道状态信息后,eNode B根据上行信道信息计算两个赋形矢量,利用该赋形矢量对要发射的两个数据流进行下行赋形。采用单用户双流波束赋形技术,使得单个用户在某一时刻可以进行两个数据流传输,同时获得赋形增益和空间复用增益,获得比单流波束赋形技术更大的传输速率,进而提高系统容量。
