智能天线阵列的误差分析建模与校准算法

田 怡

（武汉工程大学电气信息学院，湖北 武汉430073）

1 概 述

智能天线是由阵列天线构成的。其基本结构由天线阵列、波束形成网络、A／D或D／A转换三个部分构成。基本原理是采用基带数字信号处理的方法，接收时根据天线接收准则能自动调整天线的阵元，使其幅度和相位加权，从而产生空间定向波束。对于空间响应而言，自适应天线阵列相当于一个空间滤波器，调整天线主波束即为最大增益点对准用户信号的到达方向，而旁瓣或零陷则对准干扰信号的到达方向。这样，有用的信号能够得到最大增益，而干扰有效减少，减少了通信系统中多径效应的影响。智能天线结构如图1所示。

图1 智能天线模型

2 波束控制理论

波速成形理论已成为广泛研究的热点，目前主要是通过自适应算法进行波束控制，算法准则主要包括：最小均方误差准则（MMSE）、最大信噪比准则（MSNR）、最小方差准则（MV）。

3 误差分析与建模

本文在波束成形理论的基础上，研究阵列误差问题。阵列误差一般可分为时变误差和非时变误差。时变误差形成的原因是阵列硬件构成问题，阵元通道的构成有放大器、滤波器，它们的幅度和相位特性会随着温度变化或者器件的老化现象而发生变化。非时变误差则是由于阵元的构成问题形成，主要有阵元通道的幅度和相位误差以及阵元间的互耦，阵元方向图误差和阵元位置误差。时变误差必须在系统工作时实时在线校正，非时变误差可以离线校正。

具体校正阵列误差的方法分为三类。第一类为自校正，这种方法通过非线性优化算法，计算量大，通过迭代算法实现波达方向（DOA）和误差的同时估计；不利于实现，有可能碰到收敛到局部极小点情况。第二类方法为先测量实际的阵列流型，相对前者，这种方法较为可靠，但由于测量数据多，必须有大量的空间存储器，既要提高DOA精度，又可以使用阵列流型内插的方法。由于误差，实际使用中的阵列流型会丧失特殊的阵列结构特性，这会使得DOA估计受到限制，原因正是这种特殊的阵列结构构成的算法造成。第三类方法是通过测量出的误差建立模型，从而使实际的阵列流型和理想流型之间通过模型的数学处理方法恢复理想情况。

4 天线校准

除了误差分析，还采用天线校准的方法，比如智能天线应用于TD－LTE系统中，信令的发送是通过高层发送而来的，可先由MAC层通知物理层进行天线校准。天线校准的目的是补偿，发送天线和接收天线之间存在的相位和幅度差，都通过校准来补偿，在此过程中可以发现物理通道中哪些地方出现异常。在前文描述的耦合天线阵中，有两种功能的天线，一个是工作天线，一个是校准天线。工作天线的作用为发送和接收接口信号，校准天线用来校准天线单元。发送天线校准时，校准天线处于接收状态，工作天线处于发送状态；接收天线校准时，校准天线处于发送状态，工作天线处于接收状态。

对于两种天线而言，工作方式和基本原理是相同的。区别在于校准天线工作时，是以时分方式依次发送校准信号，前一路信号发送完之后，再发送第二路信号，接收端也是通过校准通道对信号依次接收，一旦接收到一路信号即开始计算该通道的信道系数。

在成形时，利用空间信道的强相关性和波的干涉原理，产生强方向性的辐射方向图，达到提高信噪比，增大系统容量的目的，同时能提高覆盖范围，但这种方法对精确度有较高的要求。

5 实验分析

基于以上分析算法，搭建智能天线实验平台（如图2），实验平台由天线阵列、射频前端、数据采集卡和PC机这些部分组成。从结构图分析，信号经天线阵列到射频前端然后变换到中频，信号数字化，最后变为低频基带信号，数据通过PCI接口传送到PC机来处理。

图2 智能天线实验平台框图

6 结 论

本文在智能天线实验平台上对阵列误差的校正算法进行了实验验证。通过与方位无关的校正矩阵校正之后，各阵元通道的复增益趋于一致，波达方向（DOA）估计精度也在误差允许范围之内。结果表明，这种阵列误差校正方法是行之有效的。

［1］ 金立标，张乃谦.多输入多输出系统的功率分配算法研究［J］.电视技术，2010，34（Z1）：23－25.

［2］ 张新程 ，田 韬 ，周晓津.LTE空中接口技术与性能［M］.北京 ：人民邮电出版社，2009.

［3］ Liberti J C，Rappaport T S.Smart Antennas for Wireless Communications：IS＿95 and Third Generation CDMA Applications［M］.Upper Saddle River，NJ：Prentice Hall PTR，1999.

［4］ 沈 嘉 ，索世强 ，全海洋 .3GPP长期演进 （LTE）技术原理与系统设计［M］.北京：人民邮电出版社，2008.

［5］ Weile D S，Michielssen E.The control of adaptive antenna arrays with genetic algorith ms using do minance and diploidy［J］.IEEE Transactions on Antennas and Pr opagation，2001，49（10）：223－224.

［6］ 何振亚.自适应信号处理［M］.北京：科学出版社，2002.

［7］ 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.

［8］ 李 萌.一种信道系数估计方法及装置［P］.中国：201010546893.1，2011.