基于LM S算法的智能天線的M A TLAB仿真

汪 睿,曾慶棟

(1.孝感學(xué)院物理與電子信息工程學(xué)院,湖北孝感432000;2.咸寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系,湖北咸寧437100)

基于LM S算法的智能天線的M A TLAB仿真

汪 睿1,2,曾慶棟1

(1.孝感學(xué)院物理與電子信息工程學(xué)院,湖北孝感432000;2.咸寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系,湖北咸寧437100)

分析了智能天線的基本原理,結(jié)合一種直線陣自適應(yīng)陣列,在MATLAB軟件下,采用基于LMS算法的波束成形方法,對(duì)智能天線進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)。結(jié)果表明,使用基于LMS自適應(yīng)算法的智能天線技術(shù)后,接收端的誤比特率(BER)得到明顯降低。

智能天線;LM S算法;誤比特率(BER);MA TLAB

近年來(lái),隨著移動(dòng)通信用戶數(shù)的迅速增長(zhǎng)和人們對(duì)信息交流需求的不斷提高,通信頻譜已成為越來(lái)越寶貴的資源。對(duì)移動(dòng)通信、電波傳播、組網(wǎng)技術(shù)、天線理論、現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理等方面研究的逐漸深入,使得利用數(shù)字技術(shù)在基帶形成天線波束成為可能,于是,智能天線技術(shù)產(chǎn)生并得到快速發(fā)展,且應(yīng)用于具有復(fù)雜電波傳播環(huán)境的移動(dòng)通信中[1-4]。

智能天線實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)空時(shí)濾波器,在有多個(gè)指向不同用戶的并行天線波束的控制下,可以顯著降低用戶信號(hào)彼此間的干擾。具體而言,智能天線在以下幾個(gè)方面具有顯著的優(yōu)越性:(1)擴(kuò)大系統(tǒng)的覆蓋區(qū)域;(2)增加系統(tǒng)容量;(3)提高頻譜利用效率;(4)降低基站發(fā)射功率,節(jié)省系統(tǒng)成本,減少信號(hào)間干擾與電磁環(huán)境污染[5-7]。

1 智能天線原理

任何無(wú)線電發(fā)射和接收設(shè)備都要使用到天線,天線是無(wú)線通訊設(shè)備最基本的組成部分。方向圖是表示與天線距離相等的空間各點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)與其位置坐標(biāo)(角向)的關(guān)系的圖形,它描繪天線輻射特性隨著空間方向坐標(biāo)(仰角θ,方位角 ?)的變化關(guān)系。根據(jù)電磁波在空間相互干涉的原理,把一些基本天線按照一定的規(guī)律排列起來(lái)形成天線陣列,并賦予合理的加權(quán)系數(shù)來(lái)調(diào)整激勵(lì)分布,就構(gòu)成了陣列天線。采用陣列天線可以有效提高天線的方向性。

天線陣列的排列方式可以是線狀的,也可以是面狀的或立體的結(jié)構(gòu);可以是均勻的,也可以是非均勻的,主要是根據(jù)不同的需要,以滿足不同的技術(shù)指標(biāo)的要求。例如,圖1是一種均勻直線型陣列天線的平面圖,由圖1可以看到,M個(gè)天線陣元均勻地排列在一直線上,每一個(gè)天線單元上都有一個(gè)可以調(diào)整的加權(quán)系數(shù),通過(guò)調(diào)整加權(quán)系數(shù)Wm,可以動(dòng)態(tài)地調(diào)整整個(gè)天線陣的方向圖。

圖1 均勻直線型陣列天線原理圖

智能天線采用這種陣列天線技術(shù),通過(guò)自適應(yīng)濾波算法自動(dòng)調(diào)整陣列的加權(quán)因子,從而改變天線波束方向圖的指向,接收希望方向的有用信號(hào),抑制不希望的干擾方向的信號(hào)。智能天線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示,由圖2可見(jiàn),其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由天線陣列、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、波束成形網(wǎng)絡(luò)和自適應(yīng)處理器四部分組成[8-9],其工作原理是天線陣列將接收到的無(wú)線電波信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),到自適應(yīng)處理器通過(guò)自適應(yīng)算法對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)處理,再將結(jié)果反饋到加權(quán)系數(shù)Wm中,從而調(diào)整天線的激勵(lì)系數(shù)。自適應(yīng)處理器是智能天線的核心部分,它通過(guò)自適應(yīng)算法自動(dòng)調(diào)整加權(quán)系數(shù)網(wǎng)絡(luò),自適應(yīng)地調(diào)整天線方向圖接收有用信號(hào),抑制干擾信號(hào)。

圖2 智能天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 自適應(yīng)算法

智能天線的數(shù)字處理部分一般由兩個(gè)主要部分組成[10]:一部分是以數(shù)字信號(hào)處理器和自適應(yīng)算法為核心的最優(yōu)(次優(yōu))權(quán)值產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò);另一部分是以動(dòng)態(tài)自適應(yīng)加權(quán)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的自適應(yīng)波束成形網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)在我們采用基于LM S(最小均方誤差)的算法[11]來(lái)實(shí)現(xiàn)。

LMS算法最早是在1960年由 Widrow和Hoff提出的,它主要是基于最小均方誤差準(zhǔn)則,使輸出信號(hào)與期望信號(hào)之間的均方誤差最小。該算法具有簡(jiǎn)單有效、計(jì)算量小、魯棒性好、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。

在LM S算法中,假設(shè)N階 FIR濾波器抽頭系數(shù)向量為w,則抽頭估計(jì)器最簡(jiǎn)單的選擇是使用基于抽頭輸入向量和期望響應(yīng)R和 P的瞬態(tài)估計(jì),分別定義為:

采用最陡下降法,由(1)式和(2)式得到抽頭系數(shù)更新遞歸關(guān)系為:

濾波器輸出為:

誤差信號(hào)為:

則抽頭系數(shù)的自適應(yīng)為:

(6)式中 2μu(n)e＊(n)表示抽頭向量(n)當(dāng)前估計(jì)的調(diào)整量。該迭代從某一初始值(0)開(kāi)始,在每一次抽頭更新中,LM S算法都需要 u(n)、d(n)和(n)最近值的信息,經(jīng)過(guò)多次迭代運(yùn)算之后,可使目標(biāo)函數(shù)J=E[|e(n)|2]逼近最優(yōu)。

3 MATLAB軟件仿真

利用MA TLAB軟件對(duì)自適應(yīng)智能天線進(jìn)行仿真,其中智能天線利用基于MM SE準(zhǔn)則的最小均方誤差(LM S)算法進(jìn)行加權(quán)向量的更新。波達(dá)方向?yàn)?θ,?)=(π/3,π/2),分別計(jì)算當(dāng)陣元數(shù)M為4和8時(shí),使用智能天線和不使用智能天線時(shí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的誤碼率(BER),如圖3和圖4所示。

圖3 M=4時(shí)智能天線中的誤比特率曲線圖

圖4 M=8時(shí)智能天線中的誤比特率曲線圖

4 結(jié)論與分析

從圖3和圖4可以看出,使用基于LM S自適應(yīng)算法的智能天線技術(shù)后,接收端的誤比特率(BER)明顯低于未使用智能天線時(shí)的誤比特率,通信質(zhì)量得到很大的改善,并且隨著天線陣中單元個(gè)數(shù)的增加,接收機(jī)的BER性能改善更加明顯。由此可見(jiàn),當(dāng)存在干擾甚至強(qiáng)干擾時(shí),使用智能天線技術(shù)能夠抑制干擾,降低通信系統(tǒng)誤碼率,保證了信號(hào)傳輸?shù)挠行?提高了系統(tǒng)性能。因此,在寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)中,可以把OFDM(正交頻分復(fù)用)技術(shù)和智能天線技術(shù)結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)高速可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

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Simulation of Smart Antenna Based on LMS Algorithm by MATLAB

Wang Rui1,2,Zeng Qingdong1
(1.School of Physics and Electronic-inform ation Engineering,Xiaogan University,Xiaogan,Hubei 432000,China;2.Department of Electronic Information Engineering,Xianning Vocational-Technical College,Xianning,Hubei 437100,China)

On the basis of the discussion of basic principles of Asmart antenna model of uniform ly spaced linear adaptive array,the simulation and realization for smart antenna have been performed based on LMS algorithm through the MATLAB software.The result show s that the bit error rate(BER)of receiving is significantly reduced by using the smart antenna technology based on LMS algorithm.

smart antenna;LMS algorithm;bit error rate(BER);MATLAB

TN821+.91

A

1671-2544(2010)03-0054-03

2010-04-02

汪 睿(1967— ),男,湖北咸寧人,咸寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系教師。

曾慶棟(1982— ),男,湖北廣水人,孝感學(xué)院物理與電子信息工程學(xué)院教師,碩士。

(責(zé)任編輯:鄒禮平)