專利名稱：一種實現(xiàn)智能天線的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種實現(xiàn)智能天線的方法和裝置，主要涉及到通信、雷達、廣播等領(lǐng)域，尤其是通信領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
隨著無線通信的迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了很多新技術(shù)，智能天線技術(shù)就是其中之一。智能天線是在自適應(yīng)濾波和陣列信號處理技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的跨學(xué)科新技術(shù)，它給移動通信系統(tǒng)帶來的獨特優(yōu)勢是其他任何技術(shù)所不能代替的。
各國學(xué)者在上個世紀六十年代就開始了對智能天線算法的研究，提出了很多智能天線算法，如LMS算法、SMI算法、正交投影算法、特征空間算法、恒模算法等，都是用于實現(xiàn)智能天線的算法，但是它們各自都存在如下一些問題 1、算法計算量小，但是性能差，收斂很慢。比如LMS算法。
2、算法計性能好，但是計算量很大，硬件實現(xiàn)時具有很大困難。比如SMI算法、正交投影算法、特征空間算法。
3、算法具有很好的性能，但是在有些條件下得到的性能很差，比如干擾信號不弱，或者期望信號太強。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種實現(xiàn)智能天線的方法，其包括以下步驟步驟(1)通過期望信號和干擾信號的到達角得到各信號的導(dǎo)引矩陣A；步驟(2)將步驟(1)中的矩陣A按照列進行正交化得到信號子空間Qs；步驟(3)根據(jù)期望用戶數(shù)確定常向量f；步驟(4)將步驟(1)中的A、步驟(2)中的Qs以及步驟(3)中的常向量f代入權(quán)向量的求解式得到智能天線的權(quán)向量；步驟(5)使用步驟(4)中求得的權(quán)向量對陣列天線接收到的信號進行加權(quán)以得到輸出信號。
使用本發(fā)明方法可以有效抑制干擾和噪聲，更好地提高輸出信號的信噪比。本發(fā)明方法具有實現(xiàn)方便、使用靈活，并且采用了新的算法，具有性能更好、不受輸入信號的強度的影響等優(yōu)點。
本發(fā)明的目的還在于提供一種實現(xiàn)智能天線的裝置，其包括通過期望信號和干擾信號的到達角得到各信號的導(dǎo)引矩陣A的裝置；將矩陣A按照列進行正交化得到信號子空間Qs的裝置；根據(jù)期望用戶數(shù)確定常向量f的裝置；將矩陣A、Qs以及常向量f代入權(quán)向量的求解式得到智能天線的權(quán)向量的裝置；使用求得的權(quán)向量對陣列天線接收到的信號進行加權(quán)以得到輸出信號的裝置。



圖1為本發(fā)明智能天線實現(xiàn)方法的流程圖。

具體實施例方式 本發(fā)明提供的一種在計算量和性能方面有一定優(yōu)勢的新方法，特別表現(xiàn)在性能方面，是實現(xiàn)智能天線的一種新方法。
本發(fā)明的智能天線實現(xiàn)方法是直接從信號到達天線陣的到達角出發(fā)，得到本方法中的信號導(dǎo)引向量；接著求得信號子空間，本實現(xiàn)方法中，對信號子空間的求解沒有使用信號相關(guān)矩陣的特征分解，而是使用了一種更容易實現(xiàn)的方法——將信號導(dǎo)引向量進行正交化得到信號子空間；然后利用權(quán)向量的求解式得到本方法的權(quán)向量，這是一種新的權(quán)向量求解方法；最后使用它對輸入信號進行加權(quán)，得到輸出信號，達到對消干擾信號、抑制噪聲，提取期望信號的目的，即首先根據(jù)多約束LCMV算法得到一個初期的權(quán)向量，然后將這個權(quán)向量投影到信號子空間得到新方法的權(quán)向量。
本方法具體的推導(dǎo)過程如下 對于一個M陣元的均勻直線陣，假設(shè)期望信號到達角為θd，另外有p個干擾信號分別由角度θ1，…，θp入射到天線陣列，各陣元的噪聲是相互獨立的等功率白噪聲，并且與干擾信號無關(guān)。則在每個快拍，陣列接收信號為 X(n)＝AS(n)+N(n)(1) 其中A＝[a(θd)，a(θ1)，…，a(θp)]為M×(P+1)的矩陣，a(θi)是干擾信號的導(dǎo)引向量，為M×1的矩陣，a(θd)是期望信號導(dǎo)引向量，為M×1的矩陣，S(n)＝[sd(n)，s1(n)，…，sp(n)]，sd(n)和si(n)，i＝1…p為期望和干擾信號的基帶信號。N(n)為白噪聲信號。
陣列接收信號X(n)的協(xié)方差矩陣為 R＝E[X(n)XH(n)]＝ARssAH+o2I(2) 其中E[·]為數(shù)學(xué)期望，Rss＝E[S(n)SH(n)]是陣列接收信號的相關(guān)矩陣，為M×M的矩陣，σ2為噪聲功率，I為單位矩陣，H為共軛轉(zhuǎn)秩。
實際中信號相關(guān)矩陣的理論結(jié)果是無法得到的，一般采用信號的有限快拍數(shù)據(jù)估計得到。對于K快拍數(shù)據(jù)，根據(jù)最大似然定理，可以得到R的最佳估計為 其中X(i)為陣列的接收信號(如式(1)) 對(3)進行特征分解可以得到 式中λi為天線陣列接收到的信號相關(guān)矩陣的特征值，并且由大到小排列，ui為與特征值λi對應(yīng)的特征向量，M為陣列的天線數(shù)。
那么Qs＝[u1，u2…，up]、Qn＝[u1+p，u2+p…，uM]的列向量分別組成信號子空間與噪聲子空間。
式中Qs為信號特征向量組成的矩陣，Qn為噪聲特征向量組成的矩陣， 每個符號右上角的-1表示對應(yīng)矩陣的逆。
Λs＝Diag[λ1，...，λp+1](6) Λn＝Diag[λp+2，...，λM]＝σ2IM-p-1(7) 在以上說明的背景下運用LCMV準(zhǔn)則 其中y(n)＝wH(n)X(n)為陣列接收信號X(n)的加權(quán)輸出信號，w為M×1的加權(quán)系數(shù)矩陣,Pout為輸出信號y(n)的功率，A為導(dǎo)引向量矩陣，見式(1)，f＝[1 0…0]為1×(p+1)的向量， 利用拉格朗日函數(shù)得到 Wc＝R-1A(AHR-1A)-1f(9) Wc為求解(8)式得到的權(quán)向量。
將WC投影到信號子空間得到 Wopt為投影Wc得到的權(quán)向量，為新方法的加權(quán)向量。
由(5)以及信號子空間和噪聲子空間的正交性得到 上述是在單期望用戶的情況下對算法進行了推導(dǎo)，推導(dǎo)的結(jié)果也可以用于多用戶的情況上式中，如果存在N個期望用戶，則相應(yīng)的

其為1×(p+1)的向量。f中的1對應(yīng)于相應(yīng)的期望信號，與A中導(dǎo)引信號向量一一相對應(yīng)。
然后將天線陣列接收到的信號X(n)使用權(quán)向量Wopt進行加權(quán)就可以得到輸出信號 通過使用上面的權(quán)向量Wopt就可以將陣列接收到的信號X(n)中的干擾信號抵消，同時也可以對噪聲信號進行一定的衰減，得到比較理想的期望信號。也就是完成了智能天線的空域濾波功能。
本方法相比其他算法有如下特點或優(yōu)點 1、本發(fā)明的方法不受輸入信號的影響，只與信號到達天線的角度有關(guān)，不管信號的功率多大，都不會影響本發(fā)明方法對干擾的抑制。
2、本發(fā)明方法在一定程度上可以減小計算量，特別是在天線陣元數(shù)很大，到達天線信號數(shù)很小時很明顯。
3、本發(fā)明方法具有很好性能。主要表現(xiàn)為本方法具有很好旁瓣性能以及很深的零點，一般零點深度在-300多dB，而其他的算法一般在-100dB左右，說明本方法具有很強的抑制干擾的能力。
4、根據(jù)不同的f可以同時得到多個輸入信號。如f為1×(p+1)的向量，當(dāng)f中有N個1時，那么就可以得到每個與1的位置相對應(yīng)的到達角的信號。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的智能天線實現(xiàn)方法的流程圖； 步驟1得到各信號的到達角。到達角的獲得一般是通過DOA估計算法得到，這是本算法的前提，本方法假設(shè)信號的到達角已知。
步驟2求得各信號的導(dǎo)引矩陣。通過步驟1的方向角得到信號的導(dǎo)引矩陣，如式(1)中的A。
步驟3求信號子空間Qs。將步驟2中的矩陣A按照列進行正交化就可以得到信號子空間，如式(5)中的Qs。
步驟4確定常向量f。根據(jù)智能天線需要得到的信號數(shù)(不同信號具有不同的到達角)，將向量f對應(yīng)位置變成1。
步驟5求最佳權(quán)值。將步驟2中的A、步驟3中的Qs以及步驟4中的常向量f代入權(quán)向量的求解式(見式(11))。即可得到本智能天線實現(xiàn)方法的權(quán)值，也是本智能天線實現(xiàn)方法的核心。
步驟6得到陣列接收信號。從陣列天線的輸出端得到陣列天線的接收信號。
步驟7求得輸出信號。由步驟5中權(quán)值和步驟6中的接收信號根據(jù)式(12)得到智能天線的輸出信號，也就是期望信號。
權(quán)利要求
1.一種實現(xiàn)智能天線的方法，其特征在于包括以下步驟
步驟(1)通過期望信號和干擾信號的到達角得到各信號的導(dǎo)引矩陣A；
步驟(2)將步驟(1)中的矩陣A按照列進行正交化得到信號子空間Qs；
步驟(3)根據(jù)期望用戶數(shù)確定常向量f；
步驟(4)將步驟(1)中的A、步驟(2)中的Qs以及步驟(3)中的常向量f代入權(quán)向量的求解式得到智能天線的權(quán)向量；
步驟(5)使用步驟(4)中求得的權(quán)向量對陣列天線接收到的信號進行加權(quán)以得到輸出信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于
步驟(1)中的A＝a(θd)，a(θ1)，…，a(θp)，其中θd為期望信號到達角，θ1，…，θp為p個干擾信號的到達角，a(θi)是干擾信號的導(dǎo)引向量，a(θd)是期望信號導(dǎo)引向量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于
步驟(3)中的
其為1×(p+1)的向量，其中p為干擾信號的數(shù)量，N為期望用戶數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于
天線陣列接收到的信號X(n)＝AS(n)+N(n)，S(n)＝sd(n)，s1(n)，…，sp(n)，sd(n)和si(n)，i＝1…p為期望信號和干擾信號的基帶信號，N(n)為白噪聲信號。
5.一種實現(xiàn)智能天線的裝置，其特征在于包括
通過期望信號和干擾信號的到達角得到各信號的導(dǎo)引矩陣A的裝置；
將矩陣A按照列進行正交化得到信號子空間Qs的裝置；
根據(jù)期望用戶數(shù)確定常向量f的裝置；
將矩陣A、Qs以及常向量f代入權(quán)向量的求解式得到智能天線的權(quán)向量的裝置；
使用求得的權(quán)向量對陣列天線接收到的信號進行加權(quán)以得到輸出信號的裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于
矩陣A＝a(θd)，a(θ1)，…，a(θp)，其中θd為期望信號到達角，θ1，…，θp為p個干擾信號的到達角，a(θi)是干擾信號的導(dǎo)引向量，a(θd)是期望信號導(dǎo)引向量。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于
常向量
其為1×(p+1)的向量，其中p為干擾信號的數(shù)量，N為期望用戶數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于
天線陣列接收到的信號X(n)＝AS(n)+N(n)，S(n)＝sd(n)，s1(n)，…，sp(n)，sd(n)和si(n)，i＝1…p為期望信號和干擾信號的基帶信號，N(n)為白噪聲信號。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種實現(xiàn)智能天線的方法及裝置，該方法中，對信號子空間的求解沒有使用信號相關(guān)矩陣的特征分解，而是使用了一種更容易實現(xiàn)的方法，將信號導(dǎo)引向量進行正交化得到信號子空間；然后利用權(quán)向量的求解式得到本方法的權(quán)向量，本發(fā)明方法具有實現(xiàn)方便，使用靈活，并且采用了新的算法，具有性能更好、不受輸入信號強度的影響等優(yōu)點。
文檔編號H04B7/08GK101145819SQ20071017620
公開日2008年3月19日 申請日期2007年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月23日
發(fā)明者飛 楊, 濤 黃, 郭見兵 申請人:武漢虹信通信技術(shù)有限責(zé)任公司