【正文】 摘要摘要在主動遙感應(yīng)用中，MIMO系統(tǒng)通過波形多樣化，使其相比較于相控陣方法，在發(fā)射波束設(shè)計中有更大的靈活度。沒有要求用均勻矩陣的時候，可以通過考慮稀疏矩陣設(shè)計的方法使發(fā)射波束設(shè)計獲得額外的靈活度。在此，我們把稀疏接受矩陣設(shè)計方法的思想延伸到稀疏MIMO發(fā)射陣列設(shè)計。我們提出一種設(shè)計MIMO發(fā)射陣列的循環(huán)算法，用來逼近我們需要的發(fā)射波束。此外，我們演示了這種迭代算法怎樣分別使用向量和矩陣加權(quán)技術(shù)來設(shè)計稀疏接受天線陣列。關(guān)鍵詞：陣列設(shè)計 MIMO 接受波束成形 發(fā)射波束成形非均勻陣列天線波束成形技術(shù)研究ABSTRACTABSTRACTIn active sensing applications, MIMO systems permit increased ?exibility for transmit beampattern design, via waveform diversity, pared to phasedarray approaches. When uniform arrays are not mandated, additional degrees of freedom for transmit beampattern design can be obtained via sparse array design con siderations. Herein, we extend the motivation behind sparse receive array methodologies to that of sparse MIMO transmit array design. We propose a cyclic approach to MIMO transmit array design that can be used to approximate desired transmit beampatterns. Furthermore, we illustrate how this iterative approach can be adapted to design sparse receive antenna arrays using both vector and matrix weighting techniques.Keywords： Array design MIMO receive beamforming transmit beamforming 非均勻陣列天線波束成形技術(shù)研究目錄目錄第一章 緒論 1 研究背景 1 天線陣列概述 1 波束成形原理及優(yōu)點(diǎn) 2 波束形成分類 3 波束形成算法 3 4 研究框架 6第二章 波束設(shè)計理論介紹 9 MIMO發(fā)射波束設(shè)計 9 問題模型 9 稀疏發(fā)射陣列設(shè)計 10 矩陣方法MIMO接收波束設(shè)計 13 問題模型 13 稀疏接收陣列設(shè)計 14 向量方法的接收波束設(shè)計 14 14 稀疏陣列設(shè)計 15第三章 計算機(jī)仿真 17 發(fā)射波束設(shè)計實(shí)例 17 接收波束設(shè)計實(shí)例 21 接收陣列設(shè)計性能比較 23第四章 結(jié)論 25致謝 27參考文獻(xiàn) 29附錄A 33附錄B 35附錄C 39非均勻陣列天線波束成形技術(shù)研究第一章 緒論 0第一章 緒論 研究背景 天線陣列概述 自赫茲和馬可尼發(fā)明了天線以來，天線在社會生活中的重要性與日俱增，如今已成為不可或缺之勢。天線存在于一個由波束范圍、立體弧度、平方（角）度和立體角所構(gòu)成的三維世界中，是一種導(dǎo)行波與自由空間波之間的轉(zhuǎn)換器件或換能器。描述天線的基本電參數(shù)有輸入阻抗、輻射電阻、增益、效率、方向圖、方向性系數(shù)、極化方式和波瓣寬度等。由于基本輻射單元的方向圖與 φ 的變化無關(guān)，即在 θ 確定的面內(nèi)，各個方向的輻射強(qiáng)度均相同，這與雷達(dá)和移動通信等希望輻射能量集中在一個或幾個很小的立體角范圍內(nèi)是不相符的，我們可以將基本輻射單元以各種形式（如直線、平面等）在空間排列組合形成天線陣，從而滿足工程應(yīng)用得要求。天線陣有多種分類方式，根據(jù)單元的排列方式可分為直線陣和平面陣。 直線陣是由多個互相分離，且其中心排列在一條直線上的單元構(gòu)成的天線陣。直線陣分為均勻直線陣和非均勻直線陣：均勻直線陣是指相鄰天線單元之間的距離相等，相鄰單元的激勵幅值相同、相位差恒定，也就是說各個單元是按相等步進(jìn)相位規(guī)律激勵的線陣；非均勻直線陣是指相鄰天線單元之間距離不相等，激勵幅度和相位分布也沒有特定規(guī)律的線陣。 平面陣是指組成陣列的所有單元都位于同一個平面上的天線陣列。按照陣列中單元分布形式和天線總輪廓的形狀來說，面陣大致可分為矩形陣（包括方形陣）、圓形陣（包括圓環(huán)陣）和橢圓陣三種。 一般情況下，均勻陣列的間距取為某一確定工作波長的一半，因此當(dāng)工作頻率發(fā)生變化時，陣列的特征參數(shù)會發(fā)生變化，從而會影響陣列的方向圖特性，也就是說，均勻陣列的寬帶性較差。此外，對于等間距陣列，抑制旁瓣電平和抑制主瓣展寬不可能同時達(dá)到很好的效果，而不等間距陣列在這方面具有較好的特性，而且不等間距陣列可以在較寬的頻帶范圍之內(nèi)保持良好的工作性能，同時還可以節(jié)省大量的陣元，降低陣列的制造成本，但是不等間距陣的旁瓣，尤其是遠(yuǎn)角旁2 非均勻陣列天線波束成形技術(shù)研究瓣比滿陣高，而且增益相對于滿陣也比較低。可以這樣說，不等間距陣列是以犧牲增益和旁瓣的代價來換取窄波束和低成本的。因而不等間距陣列在抗環(huán)境干擾的衛(wèi)星接收天線、高頻地面相控陣?yán)走_(dá)天線和射電天文中的干涉陣列等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。不等間距陣列通常有兩種形式：一種是單元從規(guī)則的柵格中稀疏而形成的稀疏陣，柵格的間距通常是半波長的整數(shù)倍；一種是以一定的陣列孔徑和陣元數(shù)為指標(biāo)，以一定的最小間距為約束的隨機(jī)稀布的稀布陣。不等間距陣列設(shè)計的最佳一般是切比雪夫意義上的最佳，其指標(biāo)通常有兩種：峰值旁瓣電平 PSLL 以及旁瓣電平的均值 ASLL。 在無線通信技術(shù)的發(fā)展中，智能天線已成為一個最活躍的領(lǐng)域，近年內(nèi)，幾乎所有先進(jìn)的無線通信系統(tǒng)都將采用此技術(shù)。智能天線技術(shù)對無線通信系統(tǒng)所帶來的優(yōu)勢是目前任何技術(shù)難以替代的。智能天線技術(shù)已經(jīng)成為無線通信中最具有吸引力的技術(shù)之一。而波束成形是智能天線中的關(guān)鍵技術(shù)，通過將主要能量對準(zhǔn)期望用戶以提高信噪比。波束成形能有效地抑制共道干擾。智能天線的基本思想是通過自適應(yīng)陣列天線跟蹤并提取各移動用戶的空間信息，利用用戶位置的不同，在同一信道（頻段/時隙/碼道） 中發(fā)送和接收各用戶的空間信息而不發(fā)生相互干擾。實(shí)際上它使通信資源不再局限于時間域、頻率域或碼域而擴(kuò)展到了空間域。 由于增加了一維空間域， 基站陣列天線與移動用戶之間的信道不僅具有傳統(tǒng)意義上的系統(tǒng)響應(yīng)， 還隨著空間路徑的變化而變化，因此是一種廣義的時空信道。對于一個完整的智能天線系統(tǒng)， 要進(jìn)行理論方面的探索主要有五方面的內(nèi)容：來波方向（DOA）估計、波束形成的優(yōu)化準(zhǔn)則、數(shù)字波束形成（DBF）、上行鏈路及下行鏈路相關(guān)技術(shù)研究。 智能天線的最終目的是實(shí)時地產(chǎn)生多個用戶的波束天線方向圖， 波束形成是智能天線實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵核心技術(shù)。 波束成形原理及優(yōu)點(diǎn) “波束形成（BeamForming）”這個術(shù)語來源于早期的相控陣?yán)走_(dá)，被設(shè)計用于形成銳方向性波束，以便在接收某一特定方向發(fā)出的信號的同時，衰減其它方向到來的信號。 波束形成運(yùn)用信號處理技術(shù)將形成的波束用于接收特定方向的信號或發(fā)射特定方向的信號，同時衰減其它方向的信號。其目標(biāo)是根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)，形成對基帶用戶信號的最佳組合或者分配。具體地說，其主要任務(wù)是補(bǔ)償無線傳播過程中由空間損耗、多徑效應(yīng)等因素引入的信號衰落與失真，同時降低同第一章 緒論 3信道用戶間的干擾。波束形成技術(shù)的基本思想是：通過將各陣元接收到的信號進(jìn)行加權(quán)求和，把天線陣列形成的波束“導(dǎo)向”到一個方向上，使期望用戶信號方向得到最大的輸出功率，并相應(yīng)地對干擾信號進(jìn)行抑制。波束形成技術(shù)的主要目的是使陣列天線方向圖的主瓣指向所需的方向，并使其零陷對準(zhǔn)干擾方向，盡可能地提高陣列輸出所需信號的強(qiáng)度。同時降低干擾信號的強(qiáng)度，從而提高陣列輸出的信干噪比。波束形成系統(tǒng)的功能，一方面是為了獲得足夠大的信噪比，另一方面也是為了得到高精度的目標(biāo)分辨力，其首要目的是定向。 波束形成分類 根據(jù)波束形成系統(tǒng)的靈活性，可以分為固定波束形成技術(shù)、預(yù)多波束的波束切換技術(shù)和自適應(yīng)波束形成技術(shù)。 固定波束形成一般是在射頻端進(jìn)行波束形成的；預(yù)多波束切換方式利用多個并行波束覆蓋整個用戶區(qū)，每個波束的指向是固定的，波束寬度也隨陣元數(shù)目的確定而確定。隨著用戶在小區(qū)中的移動，基站選擇不同的相應(yīng)波束，使接收信號最強(qiáng)；自適應(yīng)波束形成就是自適應(yīng)濾波技術(shù)用于陣列信號處理發(fā)展而來的，又可稱為自適應(yīng)空域?yàn)V波?？沼?yàn)V波用于形成方向性波束，以便在接收某一特定方向發(fā)出的信號的同時，衰減其它方向到來的信號； 波束形成算法接收空間傳播信號的系統(tǒng)經(jīng)常碰到干擾信號。如果期望信號和干擾信號出現(xiàn)在同一時間頻率帶上，時域?yàn)V波將無法把二者分開。但多數(shù)情況下，期望信號和干擾信號來自空間位置不同的信號源，利用此特性，在接收機(jī)端使用空域?yàn)V波器即可將它們分離開。 使用時域?yàn)V波器需要處理時域孔徑上采集的數(shù)據(jù)；類似地，使用空域?yàn)V波器則需要處理空域孔徑上采集的數(shù)據(jù)?？沼蚩讖绞峭ㄟ^傳感器陣列進(jìn)行離散空間采樣得到的。當(dāng)天線陣列接收的信號空間采樣值是離散數(shù)據(jù)的時候，完成空域?yàn)V波功能的處理器就被稱為“波束形成器”。波束形成算法：波束形成網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的選擇對多波束天線自適應(yīng)干擾調(diào)零起著決定性的作用，波束形成算法是其中的關(guān)鍵。波束形成算法的選擇決定了在環(huán)境變化時波束自適應(yīng)控制能力和反應(yīng)速度，以及實(shí)現(xiàn)算法所需硬件的復(fù)雜性。在自5 非均勻陣列天線波束成形技術(shù)研究適應(yīng)天線系統(tǒng)中，常用的最佳權(quán)值準(zhǔn)則有以下三種。a）最小均方誤差（MMSE）準(zhǔn)則：最佳權(quán)值使得陣列輸出和有用信號均方誤差最小， 該準(zhǔn)則需要參考信號。顧名思義，最小均方誤差準(zhǔn)則就是使估計誤差的均方值最小化。b）最大信號與干擾噪聲比（SINR）準(zhǔn)則：最佳權(quán)值使陣列輸入端的需要信號功率和不需要信號 （干擾和噪聲）功率之比最大，該準(zhǔn)則需要事先知道需要信號的來向。c）最小方差無畸變（MVDR）準(zhǔn)則：最佳權(quán)值使得輸出噪聲的方差最小，該準(zhǔn)則需要事先知道信號的來向。在移動通信的下行鏈路發(fā)射波束形成時，可以利用對上行鏈路估計來獲得期望用戶方向。 雖然這三種準(zhǔn)則在原理上是完全不同的，但事實(shí)上，它們的聯(lián)系非常緊密，通過適當(dāng)推導(dǎo)，采用這三種準(zhǔn)則的最佳權(quán)值都服從“維納解”（Wiener Solution）。因此，選擇不同的準(zhǔn)則并不會影響陣列輸出的性能。常用的自適應(yīng)波束形成算法有：a）LMS 算法、HowellsApplebaum 算法、線性預(yù)測算法、格形算法。b）約束自適應(yīng)算法、功率倒置算法。c）最小二乘算法、遞推最小二乘（RLS）算法。d）采樣矩陣求逆（SMI）或直接矩陣求逆（DMI）算法。e）基于數(shù)據(jù)域處理的算法。f）變換域處理算法。g）基于特征空間分解的算法。 其它算法還有：正交投影算法、共軛梯度法、微擾法等。由于篇幅有限，這里不再贅述。上世紀(jì)四十年代至今，均勻間隔陣列的理論已獲得了廣泛而深入的研究[9]，例如給定陣元數(shù)和陣列響應(yīng)，可以利用傳統(tǒng)的道爾夫切比雪夫綜合方法、泰勒綜合法、傅里葉逆變換法和數(shù)值優(yōu)化等方法來實(shí)現(xiàn)陣列的綜合。相對而言，盡管從上世紀(jì)六十年代初已開始對非均勻間隔陣列進(jìn)行了研究，但是非均勻陣列的綜合[3]（給定