軟件無線電中的智能天線技術的發(fā)展和原理與功能及組成詳細概述

　　軟件無線電起源于軍事通信，為了保證不同無線電臺之間的互通性，使各軍兵種實現(xiàn)高效，高可靠的協(xié)同通信，軍方開始了最早的軟件無線電臺的研制。隨著技術的不斷進步，軟件無線電逐漸被民間商用移動通信領域所重視。軟件無線電的核心思想是：將A/D盡可能靠近天線，用軟件完成盡可能多的無線電功能。它的最終目的就是要使通信系統(tǒng)盡可能多的擺脫硬件結構的束縛，在系統(tǒng)結構相對通用和穩(wěn)定的情況下，用軟件實現(xiàn)各種功能，使得系統(tǒng)的改進和升級非常方便且代價較小，并且可以實現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的互聯(lián)和兼容。智能天線是軟件無線電不可替代的硬件出入口，也是其關鍵技術之一。隨著現(xiàn)代高速并行數(shù)字信號處理器的發(fā)展，智能天線的實現(xiàn)成為可能，從而也使軟件無線電的應用成為現(xiàn)實。

　　一、智能天線及其發(fā)展智能天線技術在20世紀60年代就已經(jīng)出現(xiàn)，其研究對象是雷達天線陣，目的是提高雷達的系統(tǒng)性能和電子對抗能力。近年來，隨著微計算器和數(shù)字信號處理技術的飛速發(fā)展，DSP芯片的處理能力日益提高，且價格也逐漸能夠為現(xiàn)代通信系統(tǒng)接受。另外，移動通信頻譜資源日益緊張，如何消除多址干擾（MAI）、共信道干擾（CCI）以及多徑衰落的影響成為提高移動通信系統(tǒng)性能時要考慮的主要因素。而智能天線利用現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術，選擇合適的自適應算法，動態(tài)形成空間定向波束，使天線陣列方向圖主瓣對準用戶信號到達方向，旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，從而達到充分利用移動用戶信號并抵消或最大程度的抑制干擾信號的目的。軟件無線電的核心是使用高速的數(shù)字信號處理器完成中頻采樣之后的所有數(shù)字運算，由于DSP的可編程性，導致了軟件無線電靈活的個性化配置。因此，固定的天線陣列與數(shù)字信號處理器的結合，就構成了可以動態(tài)配置天線特性的智能天線。 智能天線不同于常規(guī)的扇區(qū)天線和天線分集方法，它可以為每個用戶提供一個很窄的定向波束，使信號在有限的方向區(qū)域發(fā)送和接收，充分利用了信號發(fā)射功率，降低了信號全向發(fā)射帶來的電磁污染與相互干擾。智能天線引入了空分多址（SDMA）的概念，即在相同時隙，相同頻率或相同地址碼的情況下，仍然可以根據(jù)信號的不同傳播路徑來區(qū)分。SDMA是一種新的信道增容方式，與其它多址方式（FDMA，TDMA，CDMA）完全兼容，因此可以實現(xiàn)組合的多址方式。

　　二 智能天線的原理與功能智能天線也叫自適應天線，由多個天線單元組成，每一個天線后接一個復數(shù)加權器，最后用相加器進行合并輸出。這種結構的智能天線只能完成空域處理，同時具有空域、時域處理能力的智能天線在結構上相對復雜些，每個天線后接的是一個延時抽頭加權網(wǎng)絡（結構上與時域FIR均衡器相同）。自適應或智能的主要含義是指這些加權系數(shù)可以根據(jù)一定的自適應算法進行自適應更新調整。假設天線滿足窄帶傳輸條件，即入射信號在天線各單元的響應輸出只有相位差，且入射信號為平面波（即只有一個入射方向），則這些相位差由載波波長、入射角度、天線位置分布唯一確定。給定一組加權值，一定的入射信號強度，不同入射角度的信號由于在天線間的相位差不同，合并器后的輸出信號強度也會不同。理想情況下，我們可以做到將天線方向圖主瓣對準有用信號，而把副瓣或零陷對準干擾。但實際的無線通信環(huán)境很復雜，干擾信號很多，存在多徑效應，有限的自由度限制（由天線陣元數(shù)決定），有用信號和干擾信號在入射方向上只有很小的夾角等因素都使得實際情況達不到理想的要求。但是追求最大的信噪比仍然是我們的最終目標。

　　三、智能天線的系統(tǒng)組成

　　智能天線的布陣方式一般有直線陣、圓陣和平面陣，陣元間距1/2波長（若陣元間距過大會使接收信號彼此相關程度降低，太小則會在方向圖形成不必要的柵瓣，故一般取半波長）。智能天線采用數(shù)字信號處理技術判斷用戶信號到達方向（即 DOA估計），并在此方向形成天線主波束，它根據(jù)用戶信號的不同空間傳輸方向提供不同的信道，等同于有線傳輸時的線纜，從而可以有效的抑制干擾?？紤]到軟件無線電系統(tǒng)要求在中頻進行采樣，然后用軟件完成中頻處理。每秒幾十兆的采樣速率要求DSP必須有足夠快的速度完成操作。但是粗略的計算表明，即使采用最快的器件，在DSP上用軟件實現(xiàn)下變頻功能還是不現(xiàn)實的，因為DSP只能完成基帶處理的功能。一個比較實用的方案是采用專業(yè)的可編程邏輯器件來完成高速的濾波和處理，以減輕DSP的壓力。由于實時處理時對處理速度的需求很高，僅靠單DSP系統(tǒng)性能的提高已經(jīng)不能滿足要求。而并行通用浮點DSP將片間并行功能集成在單片DSP內部，可以獲得很高的并行處理能力和并行效率，因此在實際系統(tǒng)中都是采用并行DSP陣列來提高處理能力。理論上，N個DSP并行可以提供N倍的處理能力，但在實際系統(tǒng)中必須在算法設計上付出很大的代價。一個好的算法應該能夠盡量并行而且適合多個DSP同時實現(xiàn)，同時還要使得處理器之間的數(shù)據(jù)交換應盡可能少和盡可能快。