【正文】 ] 當天線用做接收天線時，天線的品質因數定義為 峰 值 增 益天 線 的 噪 聲 溫 度aGT ? (38) 4 智能天線 智能天線原理 圖 41智能天線下的信號工作波束 8 智能天線，顧名思義它是一種智能化的天線形式，它的智能化體現(xiàn)在自適應上，這種自適應的天線陣列由多個天線單元組成，每一個天線后 都 接一個加權器，而智能的真正含義是指這些加權系數可以適當的改變、自適應調整。 如圖 41 所示為智能天線下的信號工作波束。智能天線是具有自適應能力的天線陣列，利用數字信號從而進行處理，產生空間定向的 波束，使天線的主波束即主瓣對準期望用戶的方向，使旁瓣對準干擾信號到達方向；從而能夠充分利用移動用戶信號，也能夠達到刪除或抑制干擾信號的目的。 智能天線可以自動的測量出用戶的方向，從而使主波束即主瓣指向用戶，以此來實現(xiàn)波束跟隨期望用戶的移動而移動。這樣既可以提高天線的增益，又可以減少信號發(fā)射的功率，從而能夠 大 大的提高基站的覆蓋率。所以說，智能天線是一種天線和周圍的傳播環(huán)境與用戶的最佳空間匹配通信。 [4] 智能天線系統(tǒng) 一個典型的智能天線接收系統(tǒng)主要包括實現(xiàn)空間信號采樣的天線陣、 對 各 個陣元進行加權合并的 波束成型網絡、 更新合并權值的控制部分。概括的講，智能天線系統(tǒng)由三個部分組成，即天線陣、波束形成網絡以及波束形成的算法。 下圖 42 所示 為一個典型的智能天線接收系統(tǒng)。 圖 42智能天線接收系統(tǒng) 天線 陣列 智能天線陣列是由多個天線單元排列成一定形狀的，把具有相同極化特性、各向同性 9 及增益相同的天線陣元，按一定的方式排列構成的天線陣列。天線陣列的組陣方式多種多樣，典型的陣列形狀可以分為：線陣、面陣、圓陣等，而在實際應用中，還可以根據不同的需要組成三角陣、不規(guī)則陣等。直線陣列和平面陣列容易實現(xiàn)基站的 定向覆蓋，而且基站選址更為靈 活，直線陣列和平面陣列可以很容易安置于建筑的側面或桿狀建筑物上。構成陣列的陣元可按任意方式排列，各天線陣元間距一般取半個波長，并且取向相同；因為陣元間距過大會是接收信號彼此相關程度降低，大小則會在方向圖上形成不必要的旁瓣。則 陣列的組陣方式 按用戶需求選用。 由于遠方傳來的電磁波（可視為平面波），到達各個陣元時所走的距離不同，從而帶來不同的相位差。在各個陣元上形成了與參考點具有不同相位差的信號。為了能夠調節(jié)天線方向圖以滿足工作的需要，所以要在每一個天線陣元的輸出端加上權因子控制器 ,因 為用它可以調節(jié)每 個陣元輸出信號的幅度和相位，所以能夠實現(xiàn)改天線陣的方向圖的目的。 智能天線系統(tǒng)的天線陣列可以根據不同的需要來同時識別或跟蹤來自四面八方的信號。天線陣列信號的組合也能夠把某些特定方向上的信號加重，但是陣列聚焦的方向與天線陣列的方位無關，采用不同的數據方法可以對天線陣列信號得到各種的加權和，以此可以把很多個方向的用戶所期望的信號同時提取。 [5] 那么，智能天線陣列就可以使不同的信號能夠同時在不同方向上得到運用，以此提高了天線系統(tǒng)的容量。 圖 43智能 天線接收信號的原理 10 如圖 43 所示 ，智能天線上的 每個天線陣元 的輸出 端 都加上了 一個加權 因子控制器 ，產生加權系數，得到的 所有的加權系數 整 合在一起構成 了 陣列加權矢量。 其中 加權矢量由).......,( 121 ?? nWWWW 表示 ,而 陣列加權矢量是一個與信號到達方向有關的矢量，通過 對 天線陣列 的 各 個 陣元的信號 進行 加權， 以此來達到 調整天線的接收方向圖 的目的。這樣則可以知道這個 陣列加權矢量是 整個 移動臺位置的函數 ，因此我們可以說 設計 和 控制 、 調整 好天線 陣列 的 加權矢量就是自適應天線陣 列的核心。 可以得到 n 天線陣元的主瓣最大值指向 0f 時 ,第 n 個陣元收信電流的相位為 : ? ?00s i n c o s , n 0 ,1 , 2 , n 1 。，mna k a f f?? ? ? ? ? (41) 其中 , 2k ??? k 取 2a ?? ，0 2???， 2n nf N?? = 4n? 則有 ? ?0cosmna f f??? (42) 當 ma 表示智能天線接收處在與 基站為 0f 方向的移動臺發(fā)信號時 , 第 n 個陣元電流的內在或固有相位 ,當存在多個方向的接收信號時 ,則有多個 ma 。 [6] 改變外接移相器組中 0W? 、 1W? 、 2W? ?、 1nW?? 的值 ,當 nW? 的值等于 ma 時 ,則可使各路接收信號載波在 M 處同相迭加 ,可定義為期望收信號載波相位的同相分集接收 ,此時能取得智能天線的分集接收增益 10lgRDGn? .智能天線可以通過調整權值來實現(xiàn)得到最佳天線方向圖的目的，它對在特定方向入射的信號具有高增益，而對其它方向入射的信號具有衰減作用。 波束成形網絡 智能天線 能否實現(xiàn)是由波束形成 技術決定的。波束形成是把天線陣列接收到的信號換到基帶，接著進行與之相對應的空間譜處理，從而得到該信號的空間特征矢量和矩陣以及信號的功率估值和波達方向（ DOA）估值。 智能天線主要是利用各陣元接收信號之間的相關性與來波信號空間特征的關系進行信號的接收或發(fā)送 。 因此，其中一個重要的過程就是 利用各陣元接收信號獲得 來波方向估計（ DOA） ， 即 以此 抑制來波信號的角度 。 對于一個遠場信號，信號到達不同陣元會有一個波程差，這會使各接收陣元的接收信號之間存在一個相位差，可以利用這個相位差可以求出入射信號的方位角等參數。 11 通過來 波角度估計進行無線定位是具有智能天線的移動通信系統(tǒng)的特色之一。對于一般的移動通信系統(tǒng)，其無線定位方案主要是小區(qū)定位，通過不同基站觀測時間差進行定位。則這個方法可以和智能天線方法結合使用。 DOA 估計方法包括簡答易實現(xiàn)的 Bartlett 譜估計方法，即利用陣列形式響應矢量對來波功率譜進行掃描，也可以用 Capon 譜， MUSIC 譜等。其中 Bartlett 譜估計方法交易實現(xiàn)。我們暫時考慮二維情況。 ??a? 是 ? 方向的陣列相 應矢量， kxxR 是終端 k 的空間協(xié)方差矩陣 ,? ?min max,?? 是角度估計的范圍： ? ?m i n m a xa r g m a x ( ) ( ) , ,kk x xa R a? ? ? ? ? ??????? (43) 這種方法簡單有效，計算量也不大，雖然 MUSIC 算法是比較高度的算法，但是對于通信系統(tǒng)來說沒有太大的必要，移動通信系統(tǒng)來波的空間譜由于多徑信道的影響是復雜的，DOA 估計只關注主徑的方向或主要的幾條 徑的方向 。 [7] 對于具有可估計不同時延分量的系統(tǒng)，可以估計不同時延分量的 DOA。 獲得波達方向的估計以后，波束形成是智能天線工作的重要內容。則只要知道了空間陣元間的相位差，就可以求出入射信號的方位角和俯仰角等參數。波束形成的任務是希望在接收信號到來的方向形成盡量高的增益；最大限度的抑制干擾信號。 波束形成的算法 波束自適應信號處理是智能天線體現(xiàn)的一個重要方面，它以自適應算法為核心，主要體現(xiàn)在算法控制器上， 其功能就是依據信號環(huán)境、按某種準則和算法選擇或計算陣列