智能天線在數(shù)字移動電視接收中的應(yīng)用研究

1 引言

數(shù)字移動電視(DMTv)是在移動環(huán)境中接收無線電信號，其信道特性非常復(fù)雜，特別是在城市環(huán)境中快速行駛車輛上接收的電視信號在1 s內(nèi)的衰落可達(dá)數(shù)十次。這種衰落現(xiàn)象嚴(yán)重惡化接收信號的質(zhì)量，影響信號接收的可靠性。對于車載電視來說，在這樣的傳播條件下要保持可接受的傳輸質(zhì)量，就必須采用多種抗衰落技術(shù)。

智能天線技術(shù)是一種空域信號處理技術(shù)，如將智能天線用于車載HDTV并結(jié)合時域信號處理，不僅能抗衰落、抗多徑、抗干擾，還能充分利用多徑信號極大提高信號接收的可靠性［1-2］。

2 智能天線算法

自適應(yīng)算法中最具代表性的是LMS算法和HA算法。為了實現(xiàn)自適應(yīng)抗干擾，LMS算法需要有參考信號。如果直接將陣列的輸出作為誤差信號，追求均方誤差最小將導(dǎo)致陣列輸出最小，這就是所謂的"功率倒置算法"［3］。功率倒置算法采用的是具有嚴(yán)格約束條件的最小功率準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則要求在某一特定方向上的功率為一定的條件下，調(diào)節(jié)權(quán)矢量，使輸出的功率最小，從而達(dá)到自適應(yīng)的目的。最小功率準(zhǔn)則實質(zhì)上就是線性約束最小方差(LCMV)準(zhǔn)則，其數(shù)學(xué)表示式為
 
其意義為：在保證對有用信號s的增益為常數(shù)的條件下，使輸出總功率最小。實際上也等效于使輸出信噪比最大。

功率倒置法的基本思想是保持第一支路陣元的輸出功率恒定，其他陣元的加權(quán)系數(shù)可以調(diào)整，通過調(diào)整其他加權(quán)系數(shù)使陣元的功率輸出最小。由于有一個陣元的輸出功率恒定，所以在調(diào)整加權(quán)系數(shù)使輸出功率最小時，其物理意義為：在方向圖的干擾方向?qū)⑿纬闪阆荩⑶腋蓴_越強(qiáng)，零陷越深。

2．1算法模型的建立

設(shè)有D個干擾分別從不同的方向θ1，θ2…，θd入射到間距為d=λ／2的M元均勻線陣，λ為工作波長，θ1，θ2為干擾入射方向。則接收的陣列矢量為 X(t)＝AS(t)+n(t) (3)

式中：X(t)為接收矢量；S(t)為接收信號；n(t)為背景噪聲；A為陣列導(dǎo)引矢量矩陣。有

A=[a(θ1)，a(θ2)，…，a(θn)] (4)

式中：a(θn)表示第p個干擾的導(dǎo)向矢量；p∈［1，D］并有

 
式中：φp=πsinθp。

定義輸入信號的協(xié)方差矩陣為

 
式中：P=E{s(t)sH(t)}為信號的相關(guān)矩陣，σ2為噪聲功率，［·］H表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置。2．2算法的推導(dǎo)
功率倒置自適應(yīng)算法實質(zhì)是一種具有嚴(yán)格約束條件的自適應(yīng)算法。其約束條件為WTSo=1，即是要求自適應(yīng)陣在任何時候均需保證θo方向的天線增益為1

So=[1，O，…，0]T (7)

則條件WT·So=1變成

［W1，W2，…，WN］[1，0，…，0]T=l (8)

或W1=1 (9)

即這時要求第一支路的加權(quán)系數(shù)為1。這種自適應(yīng)陣列如圖1所示。圖中xi(t)為每個陣元接收的信號，矢量表示為

X=(x1，x2，…，xM)T (10)

Wi為多加權(quán)系數(shù)，寫成

W=(Wl，W2，…，WM)

其中，W1=1，陣列輸出為

Y=WTX十XTW (12)

選擇(W2，W3…，WN)T的最佳值，使陣列輸出E［|y|］最小。因而從物理意義上就可想象出，它的波束圖將在干擾方向引入零陷，且干擾越強(qiáng)引人的零陷越深，其相應(yīng)的最佳輸出最小。這就是功率倒置意義所在。

陣列輸出功率Poup。可表示為［3］

 
加上約束條件WTSo=1構(gòu)成拉格朗日函數(shù)
 

取公式(2)～(12)的梯度，令

即得最佳加權(quán)矢量

式中：為輸入矢量X的自相關(guān)矩陣，上標(biāo)*表示共軛，上標(biāo)T表示矩陣轉(zhuǎn)置，入是拉格朗日乘子系數(shù)。

最小輸出功率為
 
式中：X'為陣列可調(diào)部分的輸入矢量，Z為X'與固定支路輸入x．的相關(guān)矢量，而R'為X'的相關(guān)矩陣，故Rxx可表示為分塊矩陣

式中：P1為固定支路的輸入功率。最佳權(quán)矢量可表示為 
 
其中 為陣列可調(diào)部分最佳加權(quán)矢量。

將式(5)，式(19)，式(20)代入式(14)得

展開可得
 
即功率倒置自適應(yīng)算法的最佳加權(quán)矢量方程。
3仿真及實現(xiàn)

用DSP實現(xiàn)天線權(quán)值的實時更新，目前DSP應(yīng)用程序的開發(fā)多采用高級語言和高級語言混合編寫。功率倒置算法的Matlab仿真結(jié)果見圖2。

圖2，3表示當(dāng)期望信號為(15°，30°)，在不同水平角和仰角，存在3個干擾信號的仿真結(jié)果，這3個干擾信號方向分別為：(10°，25°)，(40°，180°)，(75°，300°)，可以看到，3個方向上的干擾信號都被衰減到很小，這也說明算法的有效性。

采用智能天線技術(shù)后，系統(tǒng)能在幾毫秒時間內(nèi)在干擾方向上形成方向圖零點(diǎn)，從而有效抑制脈沖干擾對信號接收的影響，極大地提高了信號的接收性能。