智能天线系统模拟权值乘法器的设计

杨 梅， 周渊平

(四川大学 电子信息学院，四川 成都 610064)

1、0 引言

智能天线的基本思想是利用各用户信号空间特征的差异，采用阵列天线技术，根据某个接收准则自动调节各天线阵元的加权向量，使天线主波束对准期望用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到最佳接收和发射。采用智能天线技术能够有效的抑制与接收信号方向不同的多径干扰、同信道干扰，提高信号的传输质量，提高频谱的有效利用率，增大系统的容量。目前在第三代移动通信系统中智能天线技术受到极大关注，引起了人们广泛的研究兴趣[1]。智能天线技术可分为模拟智能天线技术和数字智能天线技术。通常所讲的智能天线都是与软件无线电联系在一起的数字智能天线技术，而实际上早期的相控阵天线与较新的电控无源阵列天线(ESPAR天线)都采用了模拟智能天线技术。数字智能天线技术指将模拟信号数字化后进行信号处理。在数字智能天线中的信号处理模块DSP、FPGA或 ASIC中实现快速的数字波束形成 (DBF)等相当复杂，且里面的模/数（A/D）、数模（D/A）变化也很难跟上系统频率，模数变换需要射频端增加运放电路,这将加大系统的功耗和成本。[2]其次，因为数字智能天线在接收到的模拟信号进行数字化处理，也就是将模拟信号进行量化处理，这个过程会出现通信中常见的量化误差，这大大降低了智能天线的信噪比。因为数字智能天线中的信号处理部分运用的器件都差不多是数字的，数字器件的一个最大的问题就是它的处理速度不如模拟的处理的速度快，数字的存储空间比较小，增大了数字系统的处理时间。模拟智能天线技术是指那些无需对射频或变至中频或基带的模拟信号进行模数转换和数字处理，而直接对接收到的变至基带的模拟信号进行操作，实现智能天线的波束成形。

2、1 模拟权值乘法器的原理

1.1 波束形成原理

智能天线由天线阵、波束形成单元和自适应控制单元三部分组成。波束形成的主要任务就是补偿无线传播过程中由空间损耗和多径效应等引起的信号衰落,同时降低用户间的同信道干扰。波束形成算法对阵元接收信号进行加权求和处理形成天线波束,使波束主瓣对准期望用户方向，而将旁瓣或者零陷对准干扰方向。智能天线中的阵列天线波束形成过程如图1所示。

图1 阵列天线波束形成过程

若天线阵元数为M,M个阵元分别记为天线1,2,…,M，考虑只有一路信号入射，该信号在发射端表示为 s( t)，信道复增益（即包括幅度和相位影响）为 h ( t)，入射角为θ，则阵元接收信号向量 x ( t) = (x1(t), x2( t) , … ,xM(t ))T为[3]：

其中 a (θ) = ( 1,e-jφ2(θ), … ,e-jφM(θ))T称为阵列的空间响应向量，其中 φi( θ)表示该来波信号在阵元i与阵元1（参考点）之间的相对相移。若以图 1所示的等间距d为例, φi(θ) = -( i - 1 )k dsinθ ,其中k为波传播常数,d为阵元间距,θ为来波方向。 n( t)为白高斯噪声。对于离散信号模型,在第n个时刻的采样值为[4]：

波束形成器的任务，就是对接收信号 x( n)进行处理，按照一定的自适应波束形成算法，生成加权向量W(n) = (w1( n), w2( n) ,… ,xM(n))T,进而得到阵列输出：

这样所生成的加权向量可令阵列输出逼近所需的某路入射信号。信号与权值的加权过程就是通过乘法器来实现的。[5]在单通道计算中,设基带中的一路正交信号为I和Q，与这个基带信号进行乘积的权向量的为C和D，经过乘法器后的运算应该为：

每路通道都进行这样的乘法运算后叠加在一起最后形成一路I、Q信号输出。

1.2 模拟信号源

在设计乘法器的同时也设计了一套产生基带复信号的信号源以供验证该乘法器。为了模拟出实际天线接收信号，先分析信号进入天线后的处理过程。在上图中进入天线中的信号为 S ( t),其中的 I ( t)、 Q ( t)分别为 S ( t)的实部各虚部：

变化得到：

这个信号要经过智能天线系统中的阵列天线部分的接收，如图1所示。接收后的信号为：

用(cosω t + is in ω t)来解调,如下：

则 I(t),Q(t)如下：

考虑到实际系统中,可以设计一滤波器把2ω分量滤波去除掉,仅剩下单一ω分量,这样一来,只需I(t),Q(t)为：

3、2 设计及实验结果

该乘法器需要有完成乘法功能的乘法器与实现求和功能的加法器。在目前的乘法器中，单通道器件（如MOTOROLA的 MC1496）无法实现多通道的复杂运算，而且，用 MC1496这种芯片来实现乘法功能的时候要调节芯片的静态工作点，每一块芯片就需要调整，实验中需要四路乘法功能,根据式(1),每路则需要四片乘法芯片,共需要 16片乘法芯片,如果采用MC1496,这将大大降低了实现的可行性.而AD公司的乘法器芯片AD835在弥补MC196的缺点的同时，它带宽宽达250 MHz，差分乘法器输入，噪声小的优点.其输出电压W的计算公式如下：

为了提高该乘法器的性能,满足其带宽要求,求和芯片也采用 AD公司的芯片 AD812.该芯片是二通道，实现式(1)中的两次求各是非常合适的，这不管是从整个乘法器的布局上还是从它的做板方面，焊接方面，抗干扰方面来说，都是无可挑剔的

根据原理分析得信号源部分的方框图如图2所示。

图2 信号源产生示意

本次是设计四天线阵智能天线的模拟权值乘法器，产生四组信号源I、Q，产生四组权向量C、D，信号、权值分别相乘，乘得的结果再叠加形成一路I、Q信。如上图1,入射角为θ的信号，其角度变化范围是-900到 900，为了实现的方便，权值采用导向失量作为权值，那么该智能天线应该对准00方向，其它方向的来波将受到抑制，这样理论上的波束形成方向图如图3所示(仅取00到900的范围)。

入射角度的变化带动着iφ变化，根据信号源产生示意图可以模拟出不同角度变化的入射信号电压值，每隔5度取一个值，取的是从00到900间的值，得出的方向图如图4所示。分析图3和图4,可以看出实验基本符合理论, 00方向是信号到达方向,其它方向的信号受到抑制,旁瓣有一个峰值，低了主瓣3倍。

图3 理论波束形成方向

图4 实际测试波束方向

4、3 结语

提出的方案实现了智能天线模拟乘法器，完成了智能天线的波束形成功能。模拟了智能天线阵接收信号的相位差异，利用信号的相位差异进行加权运算，实现智能天线的定向功能。同时，在该方法的基础上,可以利用一定算法(如LMS,RLS等)改变权值，抑制非理想方向的来波信号，提高信噪比,同时也可以实现智能天线的转向。

[1] 史霁.移动通信中智能天线波束形成技术研究[M].西安：西安科技大学,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] 张国印,高飞.基于智能天线的TD-SCDMA系统上行容量分析[J].通信技术.2008,41(02)：117-119.

[4] 邓维波,陈鹏.一种基于波束空间的单次快拍MUSIC算法[J].通信技术,2010,43(04)：22-24 .

[5] 金荣洪,耿军平,范瑜.无线通信中的智能天线[M].北京：北京邮电大学出版社,2006：31-32.