智能天線系統模擬權值乘法器的設計

楊 梅， 周淵平

(四川大學 電子信息學院，四川 成都 610064)

1、0 引言

智能天線的基本思想是利用各用戶信號空間特征的差異，采用陣列天線技術，根據某個接收準則自動調節各天線陣元的加權向量，使天線主波束對準期望用戶信號到達方向，旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，達到最佳接收和發射。采用智能天線技術能夠有效的抑制與接收信號方向不同的多徑干擾、同信道干擾，提高信號的傳輸質量，提高頻譜的有效利用率，增大系統的容量。目前在第三代移動通信系統中智能天線技術受到極大關注，引起了人們廣泛的研究興趣[1]。智能天線技術可分為模擬智能天線技術和數字智能天線技術。通常所講的智能天線都是與軟件無線電聯系在一起的數字智能天線技術，而實際上早期的相控陣天線與較新的電控無源陣列天線(ESPAR天線)都采用了模擬智能天線技術。數字智能天線技術指將模擬信號數字化后進行信號處理。在數字智能天線中的信號處理模塊DSP、FPGA或 ASIC中實現快速的數字波束形成 (DBF)等相當復雜，且里面的模/數（A/D）、數模（D/A）變化也很難跟上系統頻率，模數變換需要射頻端增加運放電路,這將加大系統的功耗和成本。[2]其次，因為數字智能天線在接收到的模擬信號進行數字化處理，也就是將模擬信號進行量化處理，這個過程會出現通信中常見的量化誤差，這大大降低了智能天線的信噪比。因為數字智能天線中的信號處理部分運用的器件都差不多是數字的，數字器件的一個最大的問題就是它的處理速度不如模擬的處理的速度快，數字的存儲空間比較小，增大了數字系統的處理時間。模擬智能天線技術是指那些無需對射頻或變至中頻或基帶的模擬信號進行模數轉換和數字處理，而直接對接收到的變至基帶的模擬信號進行操作，實現智能天線的波束成形。

2、1 模擬權值乘法器的原理

1.1 波束形成原理

智能天線由天線陣、波束形成單元和自適應控制單元三部分組成。波束形成的主要任務就是補償無線傳播過程中由空間損耗和多徑效應等引起的信號衰落,同時降低用戶間的同信道干擾。波束形成算法對陣元接收信號進行加權求和處理形成天線波束,使波束主瓣對準期望用戶方向，而將旁瓣或者零陷對準干擾方向。智能天線中的陣列天線波束形成過程如圖1所示。

圖1 陣列天線波束形成過程

若天線陣元數為M,M個陣元分別記為天線1,2,…,M，考慮只有一路信號入射，該信號在發射端表示為 s( t)，信道復增益（即包括幅度和相位影響）為 h ( t)，入射角為θ，則陣元接收信號向量 x ( t) = (x1(t), x2( t) , … ,xM(t ))T為[3]：

其中 a (θ) = ( 1,e-jφ2(θ), … ,e-jφM(θ))T稱為陣列的空間響應向量，其中 φi( θ)表示該來波信號在陣元i與陣元1（參考點）之間的相對相移。若以圖 1所示的等間距d為例, φi(θ) = -( i - 1 )k dsinθ ,其中k為波傳播常數,d為陣元間距,θ為來波方向。 n( t)為白高斯噪聲。對于離散信號模型,在第n個時刻的采樣值為[4]：

波束形成器的任務，就是對接收信號 x( n)進行處理，按照一定的自適應波束形成算法，生成加權向量W(n) = (w1( n), w2( n) ,… ,xM(n))T,進而得到陣列輸出：

這樣所生成的加權向量可令陣列輸出逼近所需的某路入射信號。信號與權值的加權過程就是通過乘法器來實現的。[5]在單通道計算中,設基帶中的一路正交信號為I和Q，與這個基帶信號進行乘積的權向量的為C和D，經過乘法器后的運算應該為：

每路通道都進行這樣的乘法運算后疊加在一起最后形成一路I、Q信號輸出。

1.2 模擬信號源

在設計乘法器的同時也設計了一套產生基帶復信號的信號源以供驗證該乘法器。為了模擬出實際天線接收信號，先分析信號進入天線后的處理過程。在上圖中進入天線中的信號為 S ( t),其中的 I ( t)、 Q ( t)分別為 S ( t)的實部各虛部：

變化得到：

這個信號要經過智能天線系統中的陣列天線部分的接收，如圖1所示。接收后的信號為：

用(cosω t + is in ω t)來解調,如下：

則 I(t),Q(t)如下：

考慮到實際系統中,可以設計一濾波器把2ω分量濾波去除掉,僅剩下單一ω分量,這樣一來,只需I(t),Q(t)為：

3、2 設計及實驗結果

該乘法器需要有完成乘法功能的乘法器與實現求和功能的加法器。在目前的乘法器中，單通道器件（如MOTOROLA的 MC1496）無法實現多通道的復雜運算，而且，用 MC1496這種芯片來實現乘法功能的時候要調節芯片的靜態工作點，每一塊芯片就需要調整，實驗中需要四路乘法功能,根據式(1),每路則需要四片乘法芯片,共需要 16片乘法芯片,如果采用MC1496,這將大大降低了實現的可行性.而AD公司的乘法器芯片AD835在彌補MC196的缺點的同時，它帶寬寬達250 MHz，差分乘法器輸入，噪聲小的優點.其輸出電壓W的計算公式如下：

為了提高該乘法器的性能,滿足其帶寬要求,求和芯片也采用 AD公司的芯片 AD812.該芯片是二通道，實現式(1)中的兩次求各是非常合適的，這不管是從整個乘法器的布局上還是從它的做板方面，焊接方面，抗干擾方面來說，都是無可挑剔的

根據原理分析得信號源部分的方框圖如圖2所示。

圖2 信號源產生示意

本次是設計四天線陣智能天線的模擬權值乘法器，產生四組信號源I、Q，產生四組權向量C、D，信號、權值分別相乘，乘得的結果再疊加形成一路I、Q信。如上圖1,入射角為θ的信號，其角度變化范圍是-900到 900，為了實現的方便，權值采用導向失量作為權值，那么該智能天線應該對準00方向，其它方向的來波將受到抑制，這樣理論上的波束形成方向圖如圖3所示(僅取00到900的范圍)。

入射角度的變化帶動著iφ變化，根據信號源產生示意圖可以模擬出不同角度變化的入射信號電壓值，每隔5度取一個值，取的是從00到900間的值，得出的方向圖如圖4所示。分析圖3和圖4,可以看出實驗基本符合理論, 00方向是信號到達方向,其它方向的信號受到抑制,旁瓣有一個峰值，低了主瓣3倍。

圖3 理論波束形成方向

圖4 實際測試波束方向

4、3 結語

提出的方案實現了智能天線模擬乘法器，完成了智能天線的波束形成功能。模擬了智能天線陣接收信號的相位差異，利用信號的相位差異進行加權運算，實現智能天線的定向功能。同時，在該方法的基礎上,可以利用一定算法(如LMS,RLS等)改變權值，抑制非理想方向的來波信號，提高信噪比,同時也可以實現智能天線的轉向。

[1] 史霽.移動通信中智能天線波束形成技術研究[M].西安：西安科技大學,2006：1-3.

[2] BAHARLOUEI A,ABOLHASSANI B, ORAIZI H. A New Smart Antenna for CDMA Using Nelder-Mead Simplex Algorithm and ESPAR Antenna[C]//IEEE.Information and Communication Technologies 2006.ICTTA '06. 2nd. IRAN： IEEE, 2006：2748-2753.

[3] 張國印,高飛.基于智能天線的TD-SCDMA系統上行容量分析[J].通信技術.2008,41(02)：117-119.

[4] 鄧維波,陳鵬.一種基于波束空間的單次快拍MUSIC算法[J].通信技術,2010,43(04)：22-24 .

[5] 金榮洪,耿軍平,范瑜.無線通信中的智能天線[M].北京：北京郵電大學出版社,2006：31-32.