基于LM S算法的智能天线的M A TLAB仿真

汪 睿,曾庆栋

(1.孝感学院物理与电子信息工程学院,湖北孝感432000;2.咸宁职业技术学院电子信息工程系,湖北咸宁437100)

基于LM S算法的智能天线的M A TLAB仿真

汪 睿1,2,曾庆栋1

(1.孝感学院物理与电子信息工程学院,湖北孝感432000;2.咸宁职业技术学院电子信息工程系,湖北咸宁437100)

分析了智能天线的基本原理,结合一种直线阵自适应阵列,在MATLAB软件下,采用基于LMS算法的波束成形方法,对智能天线进行仿真实现。结果表明,使用基于LMS自适应算法的智能天线技术后,接收端的误比特率(BER)得到明显降低。

智能天线;LM S算法;误比特率(BER);MA TLAB

近年来,随着移动通信用户数的迅速增长和人们对信息交流需求的不断提高,通信频谱已成为越来越宝贵的资源。对移动通信、电波传播、组网技术、天线理论、现代数字信号处理等方面研究的逐渐深入,使得利用数字技术在基带形成天线波束成为可能,于是,智能天线技术产生并得到快速发展,且应用于具有复杂电波传播环境的移动通信中[1-4]。

智能天线实际上相当于一个空时滤波器,在有多个指向不同用户的并行天线波束的控制下,可以显著降低用户信号彼此间的干扰。具体而言,智能天线在以下几个方面具有显著的优越性:(1)扩大系统的覆盖区域;(2)增加系统容量;(3)提高频谱利用效率;(4)降低基站发射功率,节省系统成本,减少信号间干扰与电磁环境污染[5-7]。

1 智能天线原理

任何无线电发射和接收设备都要使用到天线,天线是无线通讯设备最基本的组成部分。方向图是表示与天线距离相等的空间各点的场强与其位置坐标(角向)的关系的图形,它描绘天线辐射特性随着空间方向坐标(仰角θ,方位角 Ø)的变化关系。根据电磁波在空间相互干涉的原理,把一些基本天线按照一定的规律排列起来形成天线阵列,并赋予合理的加权系数来调整激励分布,就构成了阵列天线。采用阵列天线可以有效提高天线的方向性。

天线阵列的排列方式可以是线状的,也可以是面状的或立体的结构;可以是均匀的,也可以是非均匀的,主要是根据不同的需要,以满足不同的技术指标的要求。例如,图1是一种均匀直线型阵列天线的平面图,由图1可以看到,M个天线阵元均匀地排列在一直线上,每一个天线单元上都有一个可以调整的加权系数,通过调整加权系数Wm,可以动态地调整整个天线阵的方向图。

图1 均匀直线型阵列天线原理图

智能天线采用这种阵列天线技术,通过自适应滤波算法自动调整阵列的加权因子,从而改变天线波束方向图的指向,接收希望方向的有用信号,抑制不希望的干扰方向的信号。智能天线的系统结构如图2所示,由图2可见,其系统结构主要由天线阵列、模数转换器、波束成形网络和自适应处理器四部分组成[8-9],其工作原理是天线阵列将接收到的无线电波信号经过模数转换器(A/D)转换成数字信号,到自适应处理器通过自适应算法对接收到的信号进行自适应处理,再将结果反馈到加权系数Wm中,从而调整天线的激励系数。自适应处理器是智能天线的核心部分,它通过自适应算法自动调整加权系数网络,自适应地调整天线方向图接收有用信号,抑制干扰信号。

图2 智能天线系统结构图

2 自适应算法

智能天线的数字处理部分一般由两个主要部分组成[10]:一部分是以数字信号处理器和自适应算法为核心的最优(次优)权值产生网络;另一部分是以动态自适应加权网络构成的自适应波束成形网络。现在我们采用基于LM S(最小均方误差)的算法[11]来实现。

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误差准则,使输出信号与期望信号之间的均方误差最小。该算法具有简单有效、计算量小、鲁棒性好、易于实现等优点。

在LM S算法中,假设N阶 FIR滤波器抽头系数向量为w,则抽头估计器最简单的选择是使用基于抽头输入向量和期望响应R和 P的瞬态估计,分别定义为:

采用最陡下降法,由(1)式和(2)式得到抽头系数更新递归关系为:

滤波器输出为:

误差信号为:

则抽头系数的自适应为:

(6)式中 2μu(n)e＊(n)表示抽头向量(n)当前估计的调整量。该迭代从某一初始值(0)开始,在每一次抽头更新中,LM S算法都需要 u(n)、d(n)和(n)最近值的信息,经过多次迭代运算之后,可使目标函数J=E[|e(n)|2]逼近最优。

3 MATLAB软件仿真

利用MA TLAB软件对自适应智能天线进行仿真,其中智能天线利用基于MM SE准则的最小均方误差(LM S)算法进行加权向量的更新。波达方向为(θ,Ø)=(π/3,π/2),分别计算当阵元数M为4和8时,使用智能天线和不使用智能天线时统计数据的误码率(BER),如图3和图4所示。

图3 M=4时智能天线中的误比特率曲线图

图4 M=8时智能天线中的误比特率曲线图

4 结论与分析

从图3和图4可以看出,使用基于LM S自适应算法的智能天线技术后,接收端的误比特率(BER)明显低于未使用智能天线时的误比特率,通信质量得到很大的改善,并且随着天线阵中单元个数的增加,接收机的BER性能改善更加明显。由此可见,当存在干扰甚至强干扰时,使用智能天线技术能够抑制干扰,降低通信系统误码率,保证了信号传输的有效性,提高了系统性能。因此,在宽带无线通信系统中,可以把OFDM(正交频分复用)技术和智能天线技术结合起来实现高速可靠的数据传输。

[1] Godara L C.Application of Antenna A rrays to Mobile Communications,part II:Beam Forming and Direction of A rrival Considerations[C].Proceedings of the IEEE,1997,85(8):1195-1226.

[2] Michael Chryssomallis.Smart Antennas[J].IEEE Antennas and propagation magazine,2000,42(3):132-134.

[3] Schmidt R O.M ultip le emitter location and signal parameter estimation[J].IEEE Trans Antennas Propagat,2003,34(3):276-280.

[4] Seungwon Choi,Donghee shim.A novel adaptive beamforming algorithm for Asmart antennA system in a CDMA mobile communication environment[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2000,49(5):1793-1806.

[5] 李金锁.无线移动通信中的智能天线技术——信号波达方向估计研究[D].昆明:昆明理工大学,2004.

[6] 龚耀寰.自适应滤波(第2版)——时域自适应滤波和智能天线[M].北京:电子工业出版社,2006.

[7] 杨波.智能天线的波达方向估计[D].昆明:昆明理工大学,2005.

[8] 汪睿,王振宫,曾庆栋.基于MATLAB的智能天线波束方向图仿真[J].孝感学院学报,2009,29(6):56-58.

[9] 田耘.无线通信 FPGA设计[M].北京:电子工业出版社,2008.

[10] 陈玉峰,左继章,彭芳.基于FPGA的智能天线数字波束的形成与实现[J].空军工程大学学报:自然科学版,2006,7(5):33-35.

[11] Widrow B,Hoff M E,Jr.Adaptive switching circuits[C].IREWESCON Conv Rec,1960,4:96-104.

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,湖北咸宁人,咸宁职业技术学院电子信息工程系教师。

曾庆栋(1982— ),男,湖北广水人,孝感学院物理与电子信息工程学院教师,硕士。

(责任编辑:邹礼平)