采用智能天線陣列的無線通信系統(tǒng)研究和設(shè)計(jì).pdf

1、進(jìn)入21世紀(jì)以來，結(jié)合陣列天線和數(shù)字信號處理技術(shù)的智能天線(Smartantenna)技術(shù)已經(jīng)成為第三代(3G)移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。智能天線的數(shù)字波束形成(DBF)能形成定向波束和波束零陷，從而有效地抑制干擾，提高系統(tǒng)容量和通信質(zhì)量。并且，智能天線技術(shù)已經(jīng)被寫入WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA的移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。也正因?yàn)槿绱耍瑢χ悄芴炀€通信系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)有著重大的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。本文結(jié)合科研實(shí)際需求，對移

2、動(dòng)平臺智能天線通信系統(tǒng)的天線陣、自適應(yīng)波束合成、抗干擾、數(shù)字收發(fā)信機(jī)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究、實(shí)現(xiàn)和測試。作者的主要工作和創(chuàng)造性成果可以概括為:
　　1.研制出一種基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的低成本發(fā)信機(jī)，實(shí)現(xiàn)了直接射頻調(diào)制無線串口通信的發(fā)射功能。其基本的工作流程是FPGA接收來自上位個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)的指令，經(jīng)格式轉(zhuǎn)換、編碼后對載波進(jìn)行調(diào)制。整個(gè)設(shè)計(jì)以FPGA為核心，包括一個(gè)數(shù)字鎖相環(huán)、一個(gè)調(diào)制器及一個(gè)雙路數(shù)模轉(zhuǎn)換器。并且，該

3、發(fā)信機(jī)采用數(shù)字正交相移鍵控(QPSK)調(diào)制，依賴FPGA的強(qiáng)大功能分別實(shí)現(xiàn)了數(shù)字、模擬調(diào)制和擴(kuò)頻功能，還能實(shí)現(xiàn)跳頻功能。
　　2.基于雙極化平面天線陣，研究了波束合成、極化分集和微波移相技術(shù)。針對移動(dòng)平臺應(yīng)用的特點(diǎn)，提出了適用于平面天線陣的數(shù)字微波波束切換和數(shù)字波束合成的聯(lián)合結(jié)構(gòu)與算法。射頻信號通過數(shù)字微波移相系統(tǒng)完成俯仰面微波波束切換，采用數(shù)字信號處理技術(shù)形成水平面數(shù)字波束。搭建了硬件平臺，測試結(jié)果表明了設(shè)計(jì)方法的正確性。

4、>　　3.設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)波束形成和抗干擾技術(shù)模塊，采用時(shí)分多址技術(shù)(TDMA)使得每一個(gè)用戶的數(shù)據(jù)傳輸在固定時(shí)段進(jìn)行，而在數(shù)據(jù)保護(hù)時(shí)段采用多重信號分類(MUSIC)方法對波達(dá)方向(DOA)進(jìn)行估計(jì)。然后，通過最小方差無畸變響應(yīng)(MVDR)波束合成技術(shù)形成水平面數(shù)字波束和抗干擾波束零陷。測試結(jié)果表明對來自4單元水平均勻線性陣列的數(shù)字信號，系統(tǒng)將主波束指向方位角0°的同時(shí)，在方位角56°形成了-30dB的抗干擾波束零陷，同時(shí)波束副瓣不超過

5、-10dB。
　　4.基于70MHz中頻信號，研究和設(shè)計(jì)了中頻數(shù)字接收機(jī)。通過模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)和數(shù)字下變頻(DDC)技術(shù)將數(shù)字中頻信號變換成基帶數(shù)字信號;對接收到的正交極化信號進(jìn)行加權(quán)合并的數(shù)字分集以增強(qiáng)信號，采用劃窗法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步;借助于計(jì)算機(jī)的串口，將解碼后的信息顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上。搭建了數(shù)字接收機(jī)硬件平臺，測試結(jié)果表明所設(shè)計(jì)接收機(jī)的誤碼率低于10-5。
　　5.提出一種現(xiàn)場可編程門陣列直接射頻正交調(diào)制的無線通訊發(fā)信

6、機(jī)，基帶數(shù)字處理芯片和射頻正交調(diào)制器直接連接，編制了數(shù)字編碼和調(diào)制軟件;以FPGA控制下的微波移相器對射頻載波進(jìn)行移相的方法靈活地實(shí)現(xiàn)2，8，16，32，64相PSK調(diào)制。測試結(jié)果表明，無線發(fā)信系統(tǒng)的誤碼率達(dá)到了常見的正交調(diào)制技術(shù)的誤碼率水平，但卻更簡單，成本更低。
　　6.開發(fā)了一種適合于該平面陣列的處理方法。該方法能夠以全數(shù)字方式估計(jì)波達(dá)方向，并能以兩種不同方式進(jìn)行波束形成。系統(tǒng)中各模塊的設(shè)計(jì)盡可能地采用了數(shù)字化設(shè)計(jì)，提高了系