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智能天線就是陣列天線與先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合，將信號(hào)處理從時(shí)域和頻域擴(kuò)展到空域，利用接收信號(hào)的空問(wèn)信息，來(lái)完成空域?yàn)V波和定位，從而形成同時(shí)具有空時(shí)處理能力的天線。與傳統(tǒng)的FDMA(頻分多址)、TDMA(時(shí)分多址)、CDMA(碼分多址)方式相比，智能天線引入了SDMA(空分多址)方式。SDMA突破了傳統(tǒng)的三維思維方式，在第四維空間上極大地提高了無(wú)線頻譜資源的利用率。智能天線具有自適應(yīng)調(diào)整天線方向圖、跟蹤期望信號(hào)、抵消干擾信號(hào)、提高信干比等很多優(yōu)點(diǎn)。智能天線技術(shù)是信號(hào)處理中的一個(gè)重要領(lǐng)域。 自適應(yīng)智能天線研究的核心技術(shù)是自適應(yīng)算法，自適應(yīng)算法對(duì)智能天線的性能和結(jié)構(gòu)有至關(guān)重要的影響。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，智能天線理論已經(jīng)日趨成熟，理論研究方面的主要工作是研究快速高效的智能天線新算法。目前，對(duì)智能天線的應(yīng)用研究已經(jīng)出現(xiàn)了很多成果，如在移動(dòng)通信中的應(yīng)用等。本文將基于功率倒置算[1]來(lái)設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于GPS(全球定位系統(tǒng))的智能天線系統(tǒng)。 1 基于功率倒置算法的GPs智能天線系統(tǒng) 1.1 智能天線結(jié)構(gòu) 智能天線一般由多個(gè)天線單元組成，每一個(gè)天線后接一個(gè)復(fù)數(shù)加權(quán)器，最后用相加器進(jìn)行合并輸出。 智能的主要含義是指這些加權(quán)系數(shù)可以根據(jù)一定的自適應(yīng)算法進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，智能天線利用現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，選擇合適的自適應(yīng)算法，動(dòng)態(tài)形成空間定向波束，使天線陣列方向圖主瓣對(duì)準(zhǔn)用戶信號(hào)到達(dá)方向，旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向，從而達(dá)到充分利用移動(dòng)用戶信號(hào)并抵消或最大程度地抑制干擾信號(hào)的目的。給定一組加權(quán)值，一定的入射信號(hào)強(qiáng)度，不同入射角度的信號(hào)，由于在天線間的相位差不同，合并后的輸出信號(hào)強(qiáng)度也會(huì)不同。理想情況下，可以做到將天線方向圖主瓣對(duì)準(zhǔn)有用信號(hào)，而把副瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾。 1.2 GPS中智能天線系統(tǒng)的組成 調(diào)制在L1載波(1 575.42 MHz)上的射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)BPF(帶通濾波器)濾掉帶外干擾，經(jīng)過(guò)LNA(低噪聲放大器)進(jìn)行放大，經(jīng)過(guò)功分器使信號(hào)以1：1的比例分為兩路。在I/Q分離中使用傳統(tǒng)的模擬方法，通過(guò)90°功分器實(shí)現(xiàn)。在波束形成網(wǎng)絡(luò)中，I/O分量與權(quán)值相乘后需經(jīng)過(guò)疊加輸出，在疊加中除了第1 陣元的疊加系數(shù)為1，其余都將反相疊加，這一過(guò)程使用180°功分器實(shí)現(xiàn)。 天線接收到的GPS信號(hào)十分的微弱，信號(hào)功率只有-130 dBm(-160 dBW)，經(jīng)過(guò)天線陣元接收后將獲得6 dBm的增益，但因天線與LNA之間放置了BPF將引入2 dBm插入損耗，使信號(hào)功率變?yōu)?126 dBm，經(jīng)過(guò)LNA的放大，信號(hào)獲得24 dBm的增益。經(jīng)過(guò)功分器將使信號(hào)損耗4 dBm。功分器在此系統(tǒng)中有很重要的作用，能夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行1：1的多路分配。 1.3 數(shù)字化功率倒置算法的硬件實(shí)現(xiàn) 由功分器出來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)1：1的同相分配，一路經(jīng)過(guò)波束形成網(wǎng)絡(luò)濾波輸出，另一路用于功率倒置算法中權(quán)值的更新。信由于A/D采樣速率越高，采樣精度越低，要使得算法移植到DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)中仍能有效，必須保證采樣得到的數(shù)據(jù)位數(shù)；而且采樣頻率過(guò)高幾乎靠近射頻，對(duì)DSP的速度要求也會(huì)很高。因此在具體處理時(shí)，有必要先將GPS射頻信號(hào)下變頻到中頻，然后對(duì)其中頻信號(hào)進(jìn)行帶通采樣。 1.3.1 下變頻與I/Q分離 雖然GPS衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射的載頻是公開(kāi)的，但多普勒頻移將使得在實(shí)際載波與己知發(fā)射載波之間發(fā)生偏離，利用己知載波下變頻到零中頻的衛(wèi)星信號(hào)，在零頻率附近會(huì)發(fā)生混疊，解決辦法是下變頻到一個(gè)合適中頻。對(duì)于GPS信號(hào)的下變頻，可供選擇的芯片有CXA1951,CXA3355ER，RF2498，MAX2680/2681/2682，MAX2740/2742/2745/2744等。 1.3.2 量化與采樣精度 在A/D的量化過(guò)程中，不可避免地有信號(hào)損失，對(duì)于選定的A/D器件來(lái)說(shuō)，采樣精度是確定的，但接收機(jī)面對(duì)的電磁環(huán)境卻是隨時(shí)變化的，如果A/D的動(dòng)態(tài)范圍太小，會(huì)造成處于弱勢(shì)的有用信號(hào)基本被量化掉。在滿足采樣速率足夠高的情況下，應(yīng)該選取采樣精度至少為12 hit的A/D轉(zhuǎn)換器，這樣在預(yù)先進(jìn)行增益處理的情況下，能夠保證數(shù)據(jù)的失真盡可能小。 1.3.3 DSP模塊的選擇 在天線抗十?dāng)_模塊的設(shè)計(jì)中，除了所應(yīng)用的算法對(duì)于抑制干擾有效以外，作為天線部分的一個(gè)輔助功能模塊，必須始終考慮處理的實(shí)時(shí)性問(wèn)題，不能因?yàn)檫@部分?jǐn)?shù)字信號(hào)處理工作造成后續(xù)各部分的額外困難。這也是本設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn)，因此在用來(lái)完成抗干擾算法的核心芯片的選擇上，一定要處理速度足夠快，同時(shí)還要保證算法的精確度。 目前芯片市場(chǎng)上TI公司和AD公司生產(chǎn)的高性能通用DSP芯片都是流行的芯片，但是TI公司的TMS320C6000系列的性能更加優(yōu)越，TMS320C64X系列足TMS320C6000系列中定點(diǎn)運(yùn)算的佼佼者。這種芯片結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)為：主頻400 MHz/5 00 MHz/600 MHz，對(duì)應(yīng)指令周期2.512 ns/1.67 ns(3檔可選)；每周期最多可以執(zhí)行8條32 bit的指令，最大處理速度可達(dá)4 800 MIPs(百萬(wàn)條指令每秒)；8個(gè)高度獨(dú)立的功能單元，包括6個(gè)ALU(32 bit/40 bit)、2個(gè)乘法器、64個(gè)32 bit通用寄存器，專用存取結(jié)構(gòu)；L1/L2兩級(jí)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，其中有相互獨(dú)立的L1P程序緩存以及LID數(shù)據(jù)緩存各128 kbit，L2(8 Mbit)為統(tǒng)一的程序/數(shù)據(jù)空間，可以根據(jù)需要靈活分配；2個(gè)外部存儲(chǔ)器接口，其中一個(gè)為64 bit的EMIFA，另一個(gè)為16 bit的EMIFB；DMA控制器，具有64個(gè)獨(dú)立通道；可由用戶設(shè)定32 bit/16 bit總線寬度的主機(jī)接口，通過(guò)它可訪問(wèn)DSP的整個(gè)存儲(chǔ)空間。 TMS320C64x相對(duì)TMS320C6000系列其他的DSP而言，處理能力在多個(gè)方面得到了提升，具有更多的功能單元，增加了交叉通道以及雙字讀取和存儲(chǔ)指令，還能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包與解包處理，極大地增強(qiáng)了高精度數(shù)據(jù)處理的能力。 2 功率倒置算法的軟件實(shí)現(xiàn)及仿真 用DSP實(shí)現(xiàn)天線權(quán)值的實(shí)時(shí)更新，目前DSP應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)多采用高級(jí)語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言混合編寫(xiě)。 存在3個(gè)干擾信號(hào)的仿真結(jié)果，可以看到，3個(gè)方向上的干擾信號(hào)都被衰減到很小，這也說(shuō)明算法的有效性。 3 結(jié)束語(yǔ) 智能天張的應(yīng)用必將越來(lái)越廣泛,在GPS中應(yīng)用智能天線會(huì)有效地改善系統(tǒng)的抗干擾特性。當(dāng)然，如何設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更加合理、性能更加優(yōu)越的智能天線系統(tǒng)，還有待繼續(xù)探討、研究。 |
