基于LMS算法的自適應(yīng)波束形成的性能研究.pdf

1、自適應(yīng)波束形成是智能天線的核心技術(shù)，其主要思想是利用自適應(yīng)算法調(diào)整陣列權(quán)向量使天線主瓣指向有用信號(hào)，干擾方向?qū)?zhǔn)零陷，盡可能地提高陣列輸出所需信號(hào)的強(qiáng)度，同時(shí)減小干擾信號(hào)的強(qiáng)度，從而提高陣列輸出的信噪比。自適應(yīng)波束形成中用以調(diào)整權(quán)值的算法就是自適應(yīng)波束形成算法。自適應(yīng)波束形成算法是自適應(yīng)天線陣列系統(tǒng)的核心，是決定系統(tǒng)性能的最重要因素，也是自適應(yīng)天線陣列研究的重點(diǎn)和關(guān)鍵。
　　 針對(duì)不斷變化的復(fù)雜移動(dòng)通信環(huán)境，收斂速度較快、計(jì)算復(fù)

2、雜度低和有穩(wěn)定魯棒性的自適應(yīng)算法一直都是研究人員追求的目標(biāo)。圍繞這一問題，本文主要研究了自適應(yīng)波束形成系統(tǒng)中的自適應(yīng)算法，論文的研究工作有以下四個(gè)方面：
　　 首先，總結(jié)了智能天線的發(fā)展過程和應(yīng)用現(xiàn)狀，以及智能天線中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)，分析了智能天線和自適應(yīng)波束形成的基本原理，并建立了智能天線中傳輸信號(hào)的基本模型。同時(shí)綜合了現(xiàn)有的自適應(yīng)波束形成算法的種類及發(fā)展現(xiàn)狀，討論了三類基本的自適應(yīng)波束形成準(zhǔn)則，并對(duì)每一類準(zhǔn)則進(jìn)行了詳細(xì)的分析

3、和研究，并進(jìn)行了性能對(duì)比。研究了自適應(yīng)波束形成中常用的三類算法：LMS算法、RLS算法、SMI算法，通過仿真驗(yàn)證進(jìn)行了性能對(duì)比；針對(duì)特征值擴(kuò)展度對(duì)LMS算法收斂性能的影響和不同收斂因子對(duì)于失調(diào)量的影響的問題展開討論；最后重點(diǎn)研究了LMS算法下的系統(tǒng)因素對(duì)于自適應(yīng)波束形成性能的影響，包括收斂因子、陣列的系統(tǒng)參數(shù)、陣列接收信號(hào)特征等。
　　 其次，研究了LMS類族下比較重要的幾類LMS算法，包括NLMS、變換域LMS算法、變步長LM

4、S算法，并且重點(diǎn)討論了研究較熱的變步長LMS類算法。根據(jù)權(quán)向量迭代公式中變步長因子的不同迭代方式，將變步長類的LMS算法創(chuàng)新性的分為三類：第一類是通過對(duì)前一時(shí)刻的步長來修改當(dāng)前時(shí)刻的步長；第二類是利用誤差向量或者輸入信號(hào)的平方歸一化形式的某種函數(shù)關(guān)系來調(diào)整步長值的變化；第三類是通過非線性函數(shù)來調(diào)整步長，同時(shí)對(duì)各類算法中的改進(jìn)型算法進(jìn)行了討論以及對(duì)應(yīng)的收斂性的仿真驗(yàn)證和比較。
　　 再者，提出了一種改進(jìn)的變步長算法VSSDCTLM

5、S算法。針對(duì)已有的傳統(tǒng)變換域DCT-LMS算法和變步長算法VSS算法進(jìn)行分析，針對(duì)傳統(tǒng)的變換域和變步長存在的收斂速度慢和對(duì)于相關(guān)信號(hào)較為敏感的問題提出改進(jìn)型算法。新改進(jìn)的算法較之傳統(tǒng)的變換域DCT-LMS算法在初始收斂階段有著更快的收斂速度，且趨于穩(wěn)定時(shí)也能以較小的收斂因子進(jìn)行迭代，從而保持較小的穩(wěn)態(tài)誤差；較之傳統(tǒng)的變步長VSSLMS算法有著對(duì)相關(guān)輸入信號(hào)更強(qiáng)的抗干擾性。而且新提出的算法在系統(tǒng)發(fā)生突變的情況下也能表現(xiàn)出優(yōu)異的跟蹤能力，在

6、信號(hào)產(chǎn)生突變的情況下也能已較快的速度進(jìn)行重新收斂。針對(duì)新算法的特性都一一進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，并將新算法運(yùn)用于自適應(yīng)波束形成技術(shù)中。
　　 最后，實(shí)現(xiàn)了基于LMS算法的自適應(yīng)波束形成器的FPGA功能仿真。采用模塊化設(shè)計(jì)的方法，在保證運(yùn)算精度的前提下，配合有效的數(shù)據(jù)截位，實(shí)現(xiàn)了LMS自適應(yīng)波束形成器的功能仿真。該方案運(yùn)算速度快、資源耗費(fèi)小且易于硬件仿真實(shí)現(xiàn)。仿真結(jié)果證明，該設(shè)計(jì)方案有效的實(shí)現(xiàn)了算法的收斂性，權(quán)向量收斂曲線與理論分析的一致