摘 要：提出和實(shí)現(xiàn)了一種智能天線系統(tǒng)的模擬權(quán)值乘法器。這種乘法器將智能天線陣接收到的基帶信號(hào)與模擬權(quán)值進(jìn)行相乘，實(shí)現(xiàn)了智能天線的波束形成。其處理速度快，無(wú)量化誤差，無(wú)需數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換，無(wú)需存儲(chǔ)空間等外部設(shè)備，硬件完全由乘法器芯片和運(yùn)放芯片組成，模擬電路簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)和調(diào)試方便。仿真和實(shí)驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果表明，提出的模擬權(quán)值乘法器具有較強(qiáng)的可行性和可靠性。

關(guān)鍵詞：智能天線； 權(quán)值乘法器； 信號(hào)源

中圖分類號(hào)：

TN821.91-34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2011)19

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-03

Design of Analog Multipliers for Complex Weights in Smart Antenna System

HU Hai-hua

(Department of Electronic Engineering， Chengdu Aeronautic Vocational and Technical College， Chengdu， China)

Abstract： An analog multiplier of complex weights in smart antenna system is proposed and realized. The

multiplier has achieved beam-forming of smart antenna by multiplying the base-band signals and analog complex weights. This multiplier has high processing speed， has no A/D， D/A conversion， no quantification error， no memory space and other peripherals， whose hardware is composed of multiplier and amplifier chips. It has simple analog circuit and is convenient for implementation and debugging. The comparison of simulation and experimental result indicates that the multiplier proposed in the paper is of fairly high feasibility and reliability.

Keywords： smart antenna; weight multiplier; signal source

收稿日期：2011-04-15

0 引 言

智能天線的基本思想是利用各用戶信號(hào)空間特征的差異，采用陣列天線技術(shù)，根據(jù)某個(gè)接收準(zhǔn)則自動(dòng)調(diào)節(jié)各天線陣元的加權(quán)向量，使天線主波束對(duì)準(zhǔn)期望用戶信號(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，達(dá)到最佳接收和發(fā)射。采用智能天線技術(shù)能夠有效地抑制與接收信號(hào)方向不同的多徑干擾、同信道干擾，提高信號(hào)的傳輸質(zhì)量，提高頻譜的有效利用率，增大系統(tǒng)的容量。目前在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中智能天線技術(shù)受到極大關(guān)注，引起了人們廣泛的研究興趣［1］。

智能天線技術(shù)可分為模擬智能天線技術(shù)和數(shù)字智能天線技術(shù)。通常所講的智能天線都是與軟件無(wú)線電聯(lián)系在一起的數(shù)字智能天線技術(shù)，實(shí)際上早期的相控陣天線與較新的電控?zé)o源陣列天線(ESPAR天線)都采用了模擬智能天線技術(shù)［2］。數(shù)字智能天線技術(shù)指將模擬信號(hào)數(shù)字化后進(jìn)行信號(hào)處理。數(shù)字智能天線中的信號(hào)處理模塊DSP，F(xiàn)PGA或ASIC中實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)字波束形成(DBF)等相當(dāng)復(fù)雜，且里面的模數(shù)(A/D)、數(shù)模(D/A)變化也很難跟上系統(tǒng)頻率，模數(shù)變換需要射頻端增加運(yùn)放電路，這將加大系統(tǒng)的功耗和成本［3］。其次，因?yàn)閿?shù)字智能天線在接收到模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，也就是將模擬信號(hào)進(jìn)行量化處理，這個(gè)過程會(huì)出現(xiàn)通信中常見的量化誤差，這大大降低了智能天線的信噪比。因?yàn)閿?shù)字智能天線中的信號(hào)處理部分運(yùn)用的器件差不多都是數(shù)字的，數(shù)字器件的一個(gè)最大問題就是它的處理速度不如模擬器件的處理速度快，數(shù)字的存儲(chǔ)空間比較小，增大了數(shù)字系統(tǒng)的處理時(shí)間［4］。模擬智能天線技術(shù)是指那些無(wú)需對(duì)射頻或變至中頻或基帶的模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字處理，而直接對(duì)接收到的變至基帶的模擬信號(hào)進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)智能天線的波束成形。

1 模擬權(quán)值乘法器的原理

1.1 波束形成原理

智能天線由天線陣、波束形成單元和自適應(yīng)控制單元三部分組成。波束形成的主要任務(wù)就是補(bǔ)償無(wú)線傳播過程中由空間損耗和多徑效應(yīng)等引起的信號(hào)衰落，同時(shí)降低用戶間的同信道干擾。波束形成算法對(duì)陣元接收信號(hào)進(jìn)行加權(quán)求和處理，形成天線波束，使波束主瓣對(duì)準(zhǔn)期望用戶方向，而將旁瓣或者零陷對(duì)準(zhǔn)干擾方向。智能天線中的陣列天線波束形成過程如圖1所示［5］。

圖1 陣列天線波束形成過程

若天線陣元數(shù)為M，M個(gè)陣元分別記為天線1，2，…，M，考慮只有一路信號(hào)入射，該信號(hào)在發(fā)射端表示為s(t)，

每路通道都進(jìn)行這樣的乘法運(yùn)算后，疊加在一起最后形成一路I，Q信號(hào)輸出。

1.2 模擬信號(hào)源

在設(shè)計(jì)乘法器的同時(shí)也設(shè)計(jì)了一套產(chǎn)生基帶復(fù)信號(hào)的信號(hào)源，以供驗(yàn)證該乘法器。為了模擬出實(shí)際天線的接收信號(hào)，先分析信號(hào)進(jìn)入天線后的處理過程。在圖1中，進(jìn)入天線的信號(hào)為S(t)，其中I(t)，Q(t)分別為S(t)的實(shí)部和虛部：

2 設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該乘法器需要有完成乘法功能的乘法器與實(shí)現(xiàn)求和功能的加法器。在目前的乘法器中，單通道器件(如 MOTOROLA的 MC1496)無(wú)法實(shí)現(xiàn)多通道的復(fù)雜運(yùn)算，而且用MC1496這種芯片來實(shí)現(xiàn)乘法功能時(shí)要調(diào)節(jié)芯片的靜態(tài)工作點(diǎn)，每一塊芯片都需要調(diào)整。實(shí)驗(yàn)中需要四路乘法功能，根據(jù)式(1)，每路則需要4片乘法芯片，共需要16片乘法芯片。如果采用MC1496，這將大大降低了實(shí)現(xiàn)的可行性［9］。而AD公司的乘法器芯片AD835在彌補(bǔ)MC1496缺點(diǎn)的同時(shí)，其帶寬寬達(dá)250 MHz，具有差分乘法器輸入噪聲小的優(yōu)點(diǎn)。其輸出電壓W的計(jì)算公式如下：

為了提高該乘法器的性能，滿足其帶寬要求，求和芯片也采用AD公司的芯片AD812。該芯片是二通道，實(shí)現(xiàn)式(1)中的兩次求和是非常合適的，這不管是從整個(gè)乘法器的布局上，還是從它的做板方面，焊接方面，抗干擾方面來說，都是無(wú)可挑剔的［10］。

根據(jù)原理分析得到信號(hào)源部分的方框圖如圖2所示。

圖2 信號(hào)源產(chǎn)生示意

本次是設(shè)計(jì)四天線陣智能天線的模擬權(quán)值乘法器，產(chǎn)生四組信號(hào)源I，Q，產(chǎn)生四組權(quán)向量C，D，且信號(hào)、權(quán)值分別相乘，乘得的結(jié)果再疊加形成一路I，Q信號(hào)。如圖1入射角為θ的信號(hào)，其角度變化范圍是－90°~90°。為了實(shí)現(xiàn)的方便，權(quán)值采用導(dǎo)向矢量作為權(quán)值，那么該智能天線應(yīng)該對(duì)準(zhǔn)0°方向，其他方向的來波將受到抑制，這樣理論上的波束形成方向圖如圖3所示(僅取0°~90°的范圍)。

入射角度的變化帶動(dòng)著φi變化，根據(jù)信號(hào)源產(chǎn)生示意圖可以模擬出不同角度變化的入射信號(hào)電壓值，每隔5°取一個(gè)值，取的是從0°~90°間的值，得出的方向圖如圖4所示。分析圖3和圖4，可以看出實(shí)驗(yàn)基本符合理論，0°方向是信號(hào)到達(dá)方向，其他方向的信號(hào)受到抑制，旁瓣有一個(gè)峰值，低了主瓣3倍。

圖3 理論波束形成方向

3 結(jié) 語(yǔ)

提出的方案實(shí)現(xiàn)了智能天線模擬乘法器，完成了智

能天線的波束形成功能。模擬了智能天線陣接收信號(hào)的相位差異，利用信號(hào)的相位差異進(jìn)行加權(quán)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)智能天線的定向功能。同時(shí)，在該方法的基礎(chǔ)上，可以利用一定算法(如LMS，RLS等)改變權(quán)值，抑制非理想方向的來波信號(hào)，提高信噪比，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)智能天線的轉(zhuǎn)向。

圖4 實(shí)際波束測(cè)試方向

參 考 文 獻(xiàn)

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