软件无线电中的智能天线技术的发展和原理与功能及组成详细概述

　　软件无线电起源于军事通信，为了保证不同无线电台之间的互通性，使各军兵种实现高效，高可靠的协同通信，军方开始了最早的软件无线电台的研制。随着技术的不断进步，软件无线电逐渐被民间商用移动通信领域所重视。软件无线电的核心思想是：将A/D尽可能靠近天线，用软件完成尽可能多的无线电功能。它的最终目的就是要使通信系统尽可能多的摆脱硬件结构的束缚，在系统结构相对通用和稳定的情况下，用软件实现各种功能，使得系统的改进和升级非常方便且代价较小，并且可以实现不同系统之间的互联和兼容。智能天线是软件无线电不可替代的硬件出入口，也是其关键技术之一。随着现代高速并行数字信号处理器的发展，智能天线的实现成为可能，从而也使软件无线电的应用成为现实。

　　一、智能天线及其发展智能天线技术在20世纪60年代就已经出现，其研究对象是雷达天线阵，目的是提高雷达的系统性能和电子对抗能力。近年来，随着微计算器和数字信号处理技术的飞速发展，DSP芯片的处理能力日益提高，且价格也逐渐能够为现代通信系统接受。另外，移动通信频谱资源日益紧张，如何消除多址干扰（MAI）、共信道干扰（CCI）以及多径衰落的影响成为提高移动通信系统性能时要考虑的主要因素。而智能天线利用现代数字信号处理技术，选择合适的自适应算法，动态形成空间定向波束，使天线阵列方向图主瓣对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，从而达到充分利用移动用户信号并抵消或最大程度的抑制干扰信号的目的。软件无线电的核心是使用高速的数字信号处理器完成中频采样之后的所有数字运算，由于DSP的可编程性，导致了软件无线电灵活的个性化配置。因此，固定的天线阵列与数字信号处理器的结合，就构成了可以动态配置天线特性的智能天线。 智能天线不同于常规的扇区天线和天线分集方法，它可以为每个用户提供一个很窄的定向波束，使信号在有限的方向区域发送和接收，充分利用了信号发射功率，降低了信号全向发射带来的电磁污染与相互干扰。智能天线引入了空分多址（SDMA）的概念，即在相同时隙，相同频率或相同地址码的情况下，仍然可以根据信号的不同传播路径来区分。SDMA是一种新的信道增容方式，与其它多址方式（FDMA，TDMA，CDMA）完全兼容，因此可以实现组合的多址方式。

　　二 智能天线的原理与功能智能天线也叫自适应天线，由多个天线单元组成，每一个天线后接一个复数加权器，最后用相加器进行合并输出。这种结构的智能天线只能完成空域处理，同时具有空域、时域处理能力的智能天线在结构上相对复杂些，每个天线后接的是一个延时抽头加权网络（结构上与时域FIR均衡器相同）。自适应或智能的主要含义是指这些加权系数可以根据一定的自适应算法进行自适应更新调整。假设天线满足窄带传输条件，即入射信号在天线各单元的响应输出只有相位差，且入射信号为平面波（即只有一个入射方向），则这些相位差由载波波长、入射角度、天线位置分布唯一确定。给定一组加权值，一定的入射信号强度，不同入射角度的信号由于在天线间的相位差不同，合并器后的输出信号强度也会不同。理想情况下，我们可以做到将天线方向图主瓣对准有用信号，而把副瓣或零陷对准干扰。但实际的无线通信环境很复杂，干扰信号很多，存在多径效应，有限的自由度限制（由天线阵元数决定），有用信号和干扰信号在入射方向上只有很小的夹角等因素都使得实际情况达不到理想的要求。但是追求最大的信噪比仍然是我们的最终目标。

　　三、智能天线的系统组成

　　智能天线的布阵方式一般有直线阵、圆阵和平面阵，阵元间距1/2波长（若阵元间距过大会使接收信号彼此相关程度降低，太小则会在方向图形成不必要的栅瓣，故一般取半波长）。智能天线采用数字信号处理技术判断用户信号到达方向（即 DOA估计），并在此方向形成天线主波束，它根据用户信号的不同空间传输方向提供不同的信道，等同于有线传输时的线缆，从而可以有效的抑制干扰。考虑到软件无线电系统要求在中频进行采样，然后用软件完成中频处理。每秒几十兆的采样速率要求DSP必须有足够快的速度完成操作。但是粗略的计算表明，即使采用最快的器件，在DSP上用软件实现下变频功能还是不现实的，因为DSP只能完成基带处理的功能。一个比较实用的方案是采用专业的可编程逻辑器件来完成高速的滤波和处理，以减轻DSP的压力。由于实时处理时对处理速度的需求很高，仅靠单DSP系统性能的提高已经不能满足要求。而并行通用浮点DSP将片间并行功能集成在单片DSP内部，可以获得很高的并行处理能力和并行效率，因此在实际系统中都是采用并行DSP阵列来提高处理能力。理论上，N个DSP并行可以提供N倍的处理能力，但在实际系统中必须在算法设计上付出很大的代价。一个好的算法应该能够尽量并行而且适合多个DSP同时实现，同时还要使得处理器之间的数据交换应尽可能少和尽可能快。