采用阵列天线一是为了达到足够的分辨率,二是可方便地进行方向图控制,自适应地抑制未知来向的干扰。自适应阵列处理也称为空域自适应滤波,通过一定布置的空间阵元对空间信号场进行采样,然后经加权相加处理得到期望的输出结果。自适应阵列分为空间阵列处理器和自适应处理算法两个部分,前者指的是物理阵元及其处理器结构,后者是指自适应权矢量的求解与计算方法。传统天线一般只考虑主瓣,不考虑方向图零点设计,更不能对空间干扰自适应地形成零陷,因此,它只是简单的场路变换器,即将空间的电磁场变换为接收电路的电信号。自适应阵列天线则将电磁理论与信息及控制理论、信号处理、微电子技术、计算机处理技术相结合,构成了完整的阵列信号处理系统。
自适应阵列除了能进行主波束控制、低旁瓣控制以外,更重要的是它能在空间来向未知的干扰方向自适应地形成零陷,从而达到抗干扰、保护有用信号的目的,以此提高电子信息系统的电子对抗能力。自适应阵列处理系统与空间谱估计技术相结合,既可以估计空间信源的到达方向,又可以自适应地抑制干扰,且谱估计的结果可直接应用于自适应空间滤波,这使系统的电子战能力和性能进一步提高。
1.2自适应波束形成的研究发展以及应用前景
IEEE Tran. AP分三个专刊分别总结了自适应阵列前30年的发展历程,其第一个发展阶段——主波束自适应控制阶段,这一阶段的自适应阵列还不是完整意义上的自适应阵列,它只能进行主波束的自适应控制,主波束自适应控制主要是通过返向和自控制或自聚焦阵列系统实现,这些系统是以锁相环和相位共轭为基础的。自适应阵列的第二发展阶段产生了自适应零陷生成技术,这种关键技术使得自适应阵列能在未知干扰方向自适应地形成零陷以抑制干扰,从而能工作于未知(变化)的干扰环境。自适应阵列的第三发展阶段以超分辨空间谱估计技术为特点,其是在自适应阵列技术和现代谱估计技术的基础上发展起来的,并由于对空间信源的分辨能力超过了瑞利限而受到极大关注并得到迅速发展。
自适应阵列的雏形应该是相控阵,即对主瓣方向的自适应控制,为例降低旁瓣干扰的影响,人们通过类似于时域FIR滤波器设计中的加窗技术来降低阵列方向图的旁瓣。旁瓣相消器是最早的自适应阵列处理器,后来的自适应阵列技术正是在它的基础上发展起来的。随着求权准则的提出,自适应阵列处理突破了旁瓣相消器的结构框架,变成了直接对各阵元加自适应权得到适合于信号干扰环境的自适应方向图。
自适应阵列处理中,自适应权矢量由自适应波束形成算法计算得到,求自适应权矢量实际上是在某一准则下的多参数最优化问题,主要的准则有最小均方误差(MMSE)准则、最大信干噪比(MSINR)准则以及最小噪声方差(MNV)准则,在理想的情况下,这三种准则是等价的。自适应阵列处理根据加权处理方式的不同可以分为两种:块自适应处理和连续自适应处理。自适应阵列处理算法根据自适应加权处理有无反馈可以分为开环算法和闭环算法两种。
目前,自适应天线己经成为移动通信领域的一个研究热点,许多大学、研究机构和通讯公司都相继致力于自适应天线的研究和发展。如美国的斯坦福大学、文吉尼亚大学、瑞典皇家理工学院、加拿大McMaster大学以及爱立信、诺基亚、北电、Arraycomm等。
欧洲通信委员会(CEC)在RACE( Research into Adavanced Communication in Europe)计划中实施的第一阶段智能天线技术研究TSUNAMI(The Technology in Smart Antennas for Universal Advanced Mobile Infrastructure),由德国、英国、月麦和西班牙等国家合作完成。项目组在DECT基站基础上构造智能天线实验模型,并于1995年初开始现场试验。天线阵由八个阵元组成,工作频率为1.89GHz,阵元间距可调,天线阵列有直线型、圆环型和平面型三种形式。该模型采用ERA技术有限公司的专用ASIC芯片DBF1108完成波束形成,使用TMS320C40芯片作为中央控制。现场测试表明圆阵等平面天线适用于室内通信环境使用,而在市区环境则采用简单的直线型。
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