采用智能天线阵列的无线通信系统研究和设计

摘要

进入21世纪以来，结合阵列天线和数字信号处理技术的智能天线(Smartantenna)技术已经成为第三代(3G)移动通信系统的关键技术之一。智能天线的数字波束形成(DBF)能形成定向波束和波束零陷，从而有效地抑制干扰，提高系统容量和通信质量。并且，智能天线技术已经被写入WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA的移动通信技术标准。也正因为如此，对智能天线通信系统的研究和设计有着重大的理论意义和工程实用价值。本文结合科研实际需求，对移动平台智能天线通信系统的天线阵、自适应波束合成、抗干扰、数字收发信机等关键技术进行了研究、实现和测试。作者的主要工作和创造性成果可以概括为:
　　1.研制出一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的低成本发信机，实现了直接射频调制无线串口通信的发射功能。其基本的工作流程是FPGA接收来自上位个人计算机(PC)的指令，经格式转换、编码后对载波进行调制。整个设计以FPGA为核心，包括一个数字锁相环、一个调制器及一个双路数模转换器。并且，该发信机采用数字正交相移键控(QPSK)调制，依赖FPGA的强大功能分别实现了数字、模拟调制和扩频功能，还能实现跳频功能。
　　2.基于双极化平面天线阵，研究了波束合成、极化分集和微波移相技术。针对移动平台应用的特点，提出了适用于平面天线阵的数字微波波束切换和数字波束合成的联合结构与算法。射频信号通过数字微波移相系统完成俯仰面微波波束切换，采用数字信号处理技术形成水平面数字波束。搭建了硬件平台，测试结果表明了设计方法的正确性。
　　3.设计实现了自适应波束形成和抗干扰技术模块，采用时分多址技术(TDMA)使得每一个用户的数据传输在固定时段进行，而在数据保护时段采用多重信号分类(MUSIC)方法对波达方向(DOA)进行估计。然后，通过最小方差无畸变响应(MVDR)波束合成技术形成水平面数字波束和抗干扰波束零陷。测试结果表明对来自4单元水平均匀线性阵列的数字信号，系统将主波束指向方位角0°的同时，在方位角56°形成了-30dB的抗干扰波束零陷，同时波束副瓣不超过-10dB。
　　4.基于70MHz中频信号，研究和设计了中频数字接收机。通过模数转换(ADC)和数字下变频(DDC)技术将数字中频信号变换成基带数字信号;对接收到的正交极化信号进行加权合并的数字分集以增强信号，采用划窗法实现数据的同步;借助于计算机的串口，将解码后的信息显示在计算机屏幕上。搭建了数字接收机硬件平台，测试结果表明所设计接收机的误码率低于10-5。
　　5.提出一种现场可编程门阵列直接射频正交调制的无线通讯发信机，基带数字处理芯片和射频正交调制器直接连接，编制了数字编码和调制软件;以FPGA控制下的微波移相器对射频载波进行移相的方法灵活地实现2，8，16，32，64相PSK调制。测试结果表明，无线发信系统的误码率达到了常见的正交调制技术的误码率水平，但却更简单，成本更低。
　　6.开发了一种适合于该平面阵列的处理方法。该方法能够以全数字方式估计波达方向，并能以两种不同方式进行波束形成。系统中各模块的设计尽可能地采用了数字化设计，提高了系统的灵活性和适用性，使系统控制和升级简洁方便。

目录

作者简介

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 发展历史和研究现状

1．3 本文研究内容和主要工作

第二章 基本理论概述

2．1 引言

2．2 智能天线技术

2．3 调制技术

2．4 接收技术

2．5 编码技术

2．6 小结

第三章 系统的整体框架

3．1 引言

3．2 系统技术指标要求

3．3 系统的通信技术和框架

3．4 关键技术分析

3．5 小结

第四章 数字发信机设计

4．1 引言

4．2 整体架构

4．3 硬件设计

4．4 软件设计

4．5 小结

第五章 智能天线阵控制系统设计

5．1 数字微波波束切换和数字波束形成的联合结构和算法

5．2 整体结构

5．3 射频前端

5．4 微波移相器设计

5．5 控制系统和时钟设计

5．6 小结

第六章 数字接收机设计

6．1 引言

6．2 数字下变频

6．3 波达方向估计、数字波束合成和抗干扰技术

6．4 同步设计

6．5 数字解码

6．6 小结

第七章 基于智能天线阵的新研究和设计

7．1 引言

7．2 低成本直接射频正交调制无线发信机的新设计

7．3 采用微波移相网络实现PSK调制的新技术

7．4 天线阵微波和数字波束形成的联合结构和算法

7．5 小结

第八章 全文总结

致谢

参考文献

攻读博士学位期间的研究成果