学文网相信有一天篇1
关键词：仪表着陆系统 监控 网络 空间信号合成 调整
中***分类号：TP272 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）10（c）-0060-02
仪表着陆系统（Instrument Landing System），俗称盲降。这是在精密进近程序的最后阶段，为飞机提供航向道和下滑道信号，引导飞机沿预定的轨迹下降着陆。仪表着陆系统信号准确性及完好性直接影响到航空安全，也关系到机场运行的天气标准及航班的正常率。在民航的设备运行维护规程中要求导航设备运行的完好率要达到90%，而正常率要达到99.98%。由此，需要一套完整的系统对设备发出的信号进行监控。
1 仪表着陆系统简介
ILS的地面设备包括航向信标台（LOC）、下滑信标台（GP）及测距仪（DME）。航向信标台设置在飞机着陆方向的对端，其天线阵通常设置在跑道中线延长线上，它由一组垂直于跑道中心线的天线组成，向前辐射出航向信号，为进场着陆的飞机提供相对于跑道中心线的水平方位引导信息。下滑信标台则设置在跑道入口端，位于跑道的一侧，其天线阵由一组挂在下滑铁塔上的垂直于地面的天线组成，向前辐射出下滑信号，为进场着陆的飞机提供垂直方位引导信息。
为了能给飞机提供水平方向及垂直方向的引导信号，在《国际民航公约》的附件10中对航向及下滑的信号的场型、分布及强度等进行了详细的规定。如在附件10中第三章第一节“仪表着陆系统（ILS）规范”中，“3.1.3甚高频航向信标及其监视器”对航向的射频、覆盖、航道结构、载波调制、航道对准的准确度、位移灵敏度及监控提出了要求，而在3.1.4中则对下滑相应的内容提出了具体的要求。
如何形成符合要求的空间场型呢，航向的实现方法就在跑道延长线上在与跑道垂直的方向上安装一排的航向天线阵，而下滑则是根据场地地形设置在跑道的一侧，在铁塔上垂直安装2～3个下滑天线来实现。分配网络将航向机房送来的射频信号CSB和SBO（双频系统还有CLR CSB及CLR SBO）进行幅度与相位的分配，以特定的幅度和相位关系馈给每个天线单元，将信号辐射到出去后在空间合成，形成航道及下滑道扇区。
当天线将信号发射出去后在空间合成，给飞机提供引导信号。但怎样才能保证信号的符合附件10要求的呢。当然，每180天的飞行校验，让校验飞机在空中接收航向信号，通过分析来检查信号是否合格是最好的方法。但在平时，我们怎么检查信号是否正常呢，这就要依靠监控系统了。通过监控网络，对发射出去的信号进行取样分析，来保证信号的正常。下面就以国内使用最普遍的Normarc设备为例对监控网络进行讨论分析。
2 航向监控网络分析
为了监控航向发射的信号，我们可以在外场接收信号，对信号进行取样分析。比如为了检查航道的位置，在天线前端约100 m处的跑道中心延长线上安装一个近场监控天线。对这个天线所收到的信号进行分析，得到它的信号强度、调制度和及调制度差。由此来监控航道信号的正确与否。
但是，其它位置的信号是否正确呢？比如宽度信号点，余隙信号点等等。当然，我们也可以在这些位置放置接收天线来分析信号的正确与否。但在实际工作中，这种实现方法比较复杂，同时，不是所有的机场都有合适的位置来放置这些天线。进一步想，如果环境没有什么变化，那么，空间信号就是由发射天线所发出的信号所决定。因此，重要的是发射天线发出去的信号一定要正确，不能有偏差。通过校飞，我们知道了空间的信号符合附件10的要求，但随着时间的变化，由于环境温度的变化，元器件的老化，甚至设备故障，都会导致空间信号发生变化。因为这些变化都是由发射信号的变化所引起的，因此我们监测发射信号的变化就可以体现空间信号的变化了。
那么应该如何监测发射信号呢。变化是必然有的，但变化多少是在容许的范围内呢，变化多少又必须关闭设备，以免误导飞机呢。在附件10的“3.1.3.11监控”部分对此有要求：“a）对于Ⅰ类设备性能的航向信标，在ILS基准数据点处，平均航道线从跑道中心线的位移大于10.5 m（35英尺），或线性等于0.015DDM（以小者为准）；......d）使用单频系统提供基本功能的航向信标，输出功率降低到额定值的50%；......f）位移灵敏度的变化超过航向信标设备频率定值的17%”。因此，我们对发射信号进行取样，对几个关键的参数进行模拟，就可以监控外场信号是否正确了。对此，航向监控网络对每个天线的发射信号进行取样，模拟了跑道中心的航道信号、航道宽度点处的信号及余隙信号。
当我们模拟远场的信号时，我们认为测量点P足够远，这样各个天线到达测量点的信号是平行的，只是因为位置的不同，到达测量点有路程差。这个路程差与角度θ（P点与天线阵中心点的连线与跑道中心线的夹角）有关，与天线阵的各天线到1号天线的距离有关，当选定天线类型时，各天线之间的距离是确定的，而当P点确定后，角度θ也是确定的。当P点在跑道中心线上时，θ=0，各天线的取样信号同相合成，这样得到航道的模拟信号。当P点在宽度点时，将各个天线的采样信号移相合成。根据天线阵的类型及航道宽度不同，各天线采样信号的移相多少也不同，这些信号移相的多少在出厂时已经定做好了的，在现场只做微调就可以了。同样，当P点处于余隙位置时，同将采样信号移相合成即可。***1显示了20单元航向天线的监控网络信号合成示意***：信号分配器将天线采样信号分成三路，分别合成航道、宽度及余隙信号。其中***中只画出了航道CL这一路信号的合成***。
3 航向监控网络的调整
航向监控网络的调整就比较简单，首先，要保证取样信号的正确及一致性，这样，就要测量从天线取样回来的信号是否能正确反映天线所发射的信号。我们通过网络分析仪测量每个监控天线对发射信号的采样是否一致，相对于1号天线，采样信号相对发射信号的幅度与相位要求在一定的范围内，如Normarc要求在±0.2 dB及±3 °的范围内。如果是幅度达不到要求，则要检查天线、发射电缆及监控电缆是否有故障。如果是相位达不到要求，则要修剪监控电缆长度，使之达到要求。
在保证取样信号正确后，就需要对监控网络进行调整。由于不同机场的跑道长度不一样，这样航道的宽度就不一样。而航道宽度不一样，则合成宽度信号时信号的相移就不一样。在出厂时设备厂家针对不同宽度范围配备了几条电缆来更换，以满足不同的宽度要求。接上合适的电缆后，对监控网络的调整则是改变CL及DS移相器，使得CL DDM值为0，DS DDM的值为15.5%即可。
4 下滑监控网络分析
对于下滑而言，同样有一个近场监控天线监控着下滑道的信号，看下滑道是否有偏移。而对下滑道及宽度、余隙的远场信号模拟同样是通过对发射信号的采样及合成。与航向不同的是，航向信号的合成只要移相合成即可，但下滑不一样，下滑是利用地面反射来工作的，所以模拟远场下滑的信号时要考虑地面镜像天线的影响。
如***1所示，远场P点收到下滑天线的直射信号，同时收到下滑天线从地面的反射信号。信号从下滑天线辐射到地面后反射到P点，其效果就类似于在地面以下存在着另个一个天线，它发射的信号与地面上天线所发射的信号幅度相等，相位相差180度。考虑到下滑天线与其镜像天线到P的距离差远远小于天线到P点的距离，我们认为这两个天线发出的信号到达P点时幅度相等，只有相差。这样的两个信号在P点空间合成后，其合成信号的相对幅度为：
（1）
其中H0为天线的挂高，A0为天线发射信号的幅度，而角度θ则为PA的连线与反射面（地面）的夹角，λ为发射信号的波长。而合成信号的相位则相当于从两个天线之间发射信号的相位加90度，即A点信号的相位加90度。因此，下滑3个天线到达P点的相位是相等的，只有幅度不同。
在Normarc下滑设备天线挂高的计算中，下天线挂高的计算公式为：
（2）
其中θ0为下滑角。将式（2）代入式（1），则得到下天线在P点的合成信号幅度为：
（3）
在一个确定的机场，其下滑角是不变的。因此，这个幅度的大小只与检测点P的角度θ有关。
同理，中天线及上天线的挂高为下天线的2倍及3倍，因此其相对幅度为：
下滑设备监控网络监控3个方位的下滑信号，分别是：下滑道信号（θ0），下滑宽度信号（θ0-0.12θ0）及下滑余隙信号（θ0-0.7θ0）。
当θ0为3 °角时，下滑宽度及余隙的角度分别为2.64 °及0.9 °。将这3个值分别代入，则各天线信号在P点的相对幅度如表1。
查看下滑监控网络的出厂测试报告，其相对值与上述结果相一致。
5 下滑监控网络调试
下滑监控网络的调整步骤如下。
（1）关闭余隙信号，使下天线只发射CSB信号（将分配网络H4的1端接假负载），上天线只发射SBO信号，在SBO通道加90 °线，外场接收机接监控网络的CL输出端，调整移相器PH1使CL的DDM为0。
（2）去掉SBO通道的90 °线，恢复H4，调衰减器AT1使CL的DDM为0。
（3）在SBO通道加90 °线，外场接收机接监控网络的DS输出端，调移相器PH2使DS端的DDM为0。
（4）去掉90°线，调衰减器AT2使DS端的DDM为8.75%。
（5）外场接收机接监控网络的CLR输出端，调移相器PH3使CLR的DDM尽可能地大（150Hz占优）。
（6）开CLR信号，检查CLR的DDM不少于38%。
由以上的调整步骤可以看出，第1、2步的目的是调整上天线监控信号相对下天线监控信号的相位及幅度，第3、4步的目的是调整中天线监控信号相对于下天线监控信号的相位及幅度，这样，就使得上、中、下天线监控信号相对的幅度及相位达到要求。第5、6步则是调整中天线监控信号余隙支路相对的相位，使得余隙信号符合要求。
6 结语
由于仪表着陆系统的重要性，每180天就要对其发射的信号进行空中校验，以保证发射信号的正确性。而在其运行期间，对发射信号的偏差也有严格的要求，所以在飞行校验时，不仅要对正常工作时的信号进行空中校验，而且对设备的告警门限也要进行飞行校验，以保证航向及下滑信号的变化不会超出门限，能满足飞行安全的要求。同时，由于环境因素的变化、元器件的老化及性能漂移，在每次校飞后，设备参数都会有所变化，这样，在每次的校飞后就要对监控网络进行调整，以保证它能正常工作。
参考文献
[1] 刘永涛.仪表着陆系统的校验与设备调试方法[J].科技视界，2013（9）：58-59.
相信有一天篇2
它常常妄想自己是飞鸟，是玉蝴蝶。哪怕是一只普通的蝴蝶。现在想想；就算自己长得像蝴蝶，也不过是一只假蝴蝶，也就是一只毛毛虫。永远成不了高傲的玉蝴蝶。曾经有棵很老的松树爷爷告诉它；你是一只真蝴蝶，有可能是还是一只玉蝴蝶。包括美丽、飞舞、称赞。它只是不相信别人，也不相信自己，因为它总缺少那么一点点的——自信！
每天，它就会像一只复制机器一样，克隆着每天的生活。直到有一天，天使告诉它；如果它能找到自信，知道究竟什么是自信？天使就答应把它变成一只玉蝴蝶。它抱着惟一的信念和美梦，想到：如果我成了玉蝴蝶，我就不用天天伪装着自己了，我就可以向美丽的花朵飞去，可以自由的翩翩起舞，可以得到别人的赞美。
究竟什么是自信呢？它问蜜蜂，蜜蜂连自信还没听说过呢？它又问落叶什么是自信？可落叶还没来得极开口，就已经落了下去。它又问玉蝴蝶，什么是自信？可玉蝴蝶只顾着找天国里最美丽的花朵，却如何也不搭理它。难道自信藏了起来吗？那么它藏在哪儿呢？会不会在浩瀚的海底里；在炎热的太阳里；还是跟我一样，伪装着自己；或者它被收藏在***塔里。又或许，它被——我无法找到它，难道是天使在故意骗我吗？不；我应该相信天使。相信自己有能力找到自信。还可以相信自己是一只真蝴蝶。相信自己——。啊！莫非这就是自信。我终于找到它了。
相信自己，相信自己不比别人差，我终于找到了你——自信。
但它并没有去找天使将它变成玉蝴蝶。而是它自己去试着像玉蝴蝶那样飞翔。因为它相信自己并不比玉蝴蝶差。它勇敢的张开了翅膀，因为它从未害怕过跌倒。它像玉蝴蝶那样翩翩起舞，可招来了不少朋友的非议，但它不怕嘲笑。因为它相信自己。它向自由的梦想飞去。它不再羡慕玉蝴蝶了。
相信有一天篇3
关键词：信号 空间相关性 多天线
中***分类号：TN911.22 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）06-0056-01
多天线技术在广义上是指使用多根发送天线或者接收天线的技术，在铁路信号传输上得到了广泛应用。而空时码技术是多天线系统的支撑技术，应用于天线之间距离足够远，相关性足够小的情况。该技术可进一步分为基于分集（包括发射分集和接收分集）的时空码和基于空分复用的空时码。空时码技术是当前的研究热点之一，其在空间域和时间域联合处理铁路接收信号的特点可以充分利用空间信号处理技术和时间处理技术的优势，有效抵抗符号间干扰，减少多址干扰，增加分集增益一级提高整个天线阵的增益。
在铁路信号空时码和MIMO技术中，通常假设发送天线和接收天线分别是***不相关的，然而实际系统对天线设置的限制，天线之间往往存在一定的相关性。为了更直接分析相关性的影响，本文采用平坦衰落MIMO信道进行分析，并假设发送天线和接收天线分别呈均匀直线排列。在下面的分析中，设发送端和接收端天线数分别为和，MIMO信道冲激响应矩阵为，其中，表示由第个发送天线到第个发送天线的平坦信道冲激响应。接收天线上的高斯白噪声***不相关，均值为，方差为。下面具体分析题录信号中的空间相关性对多天线技术的影响。
1 空时分组码STBC及空间相关性影响
当发送天线之间和接收天线之间存在空间相关性时，假设相邻发送或接收天线之间的空间相关数相等，即，对上述STBC方案的性能参数进行分析：
使用上述参数仿真计算可知：空间相关性使得STBC性能恶化，并且随着空间相关性的增强，性能损失增加；当相邻发送或接收天线之间的相关系数小于0.7时，性能损失小于1dB，因此存在较小相关系数时，STBC的性能损失较小；当相关系数为0.99时，性能损失大约为3dB，因此较大相关系数会使得STBC的性能恶化。
2 分层空时码V-BLAST及空间相关性影响
3 基于特征空间的MIMO技术及空间相关性影响
根据基于特征空间的MIMO算法，可知系统的频谱效率为。由此课间，信道互相关矩阵的特征值是影响信道容量和频谱效率的重要因素，二空间相关性影响特征值的经验分布。仿真试验中假设发送天线数和接收天线数分别为4，且分别呈均匀直线排列，设发送相邻天线和接收相邻天线之间的相关数相同，即。空间相关性影响信道互相关矩阵的特征值分布。当空间相关性较强时，只存在较少的可利用的特征子信道，进而影响信道的频谱效率，信道容量随着空间相关性的增强而降低。
4 小结
上述多种多天线技术都有较为优越的性能，但是在译码复杂度、最适于何种信道、对天线的要求又有所不同。总之，多天线技术可以有效地抵抗衰落的影响，克服功率和容量极限。不同的多天线技术适用于不同的通信系统，从发展的趋势来看，可以将上述多种多天线技术有效地结合以适用多种需求。
参考文献
[1]吕波.MIMO空间相关性近似算法及性能研究[D].南京信息工程大学硕士论文，2011.
[2]***，陶小峰，王卫东，雷鸣.空时码.电子学报，2000，28（11A）：110-113.
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[7]孙鑫，赵光，孟凤琴.Turbo码级联空时码的系统性能分析[J].西安邮电学院学报，2011年03期.
相信有一天篇4
关键词：相控阵雷达 波控系统 直接数字合成 数字波束形成
中***分类号：TN958.92 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）02-0064-04
Abstract：This paper introduces the function，principle，characteristic of phased array radar antenna beam steering system.According to the development of radar technology introduces a typical modern phased array wave steering system scheme，and summarizes some problems will appear in the project and the corresponding solutions are given，finally points out the development trend of wave steering technology.
Key Words：phased array radar beam steering system DDS DBF
1 引言
相控阵雷达通过波束控制（以下简称波控）系统控制阵列天线中各单元的相位，完成天线波束的电控扫描，具有扫描快捷、灵活的特点。波控系统作为相控阵雷达控制波束指向的核心系统，起着至关重要的作用。一般波束控制系统应该具备的功能有：（1）相位控制（2）同步控制（3）数据传输（4）BITE（故障检测）。随着雷达技术的不断创新和发展，根据具体需要可以扩展一些辅助功能，比如随机馈相、天馈线相位误差校正、捷变频以后天线的波束指向修正、对移相器工作相位和波束形状变化的检测、近场测试等。相控阵雷达对于波控系统的设计要求有：（1）能完成系统给予的功能（2）满足天线波束快速扫描的要求（3）体积小，重量轻，所用器件尽可能少（4）信号连接简单等。
2 波控的基本原理
相控阵雷达天线分为线阵相控阵天线和平面相控阵天线：线阵相控阵是指天线单元分布在一条直线上，其波束可在方位（或俯仰）一个方向进行相控扫描的阵列天线；平面相控阵天线是指天线单元分布在一个平面上，天线波束在方位与俯仰两个方向均可进行相控扫描的阵列天线。二维相控阵雷达一般采用平面相控阵天线。这种阵面排列方式一般采取坐标分离的方式实现其相位控制。所谓坐标分离技术就是将天线波束指向在水平和俯仰两个方向上进行正交分解，分别计算天线单元在两个方向上的需要变化的相位值，然后求其代数和即为天线单元需要改变的相位值，天线单元相位的改变可由移相器实现。设天线单元按等间距矩形格阵排列如***1所示：
***中阵列在y0z平面上共有M×N个天线单元，每个天线单元都有一个移相器。天线单元间距分别为d2和d1。设目标所在方向以方向余弦表示，为（cosαx，cosαy，cosαz），则相邻单元之间的“空间相位差”沿y轴（水平）和z轴（垂直）方向分别为：
（垂直方向）
（水平方向）
设天线α、β分别为在水平方向和垂直方向上相邻天线单元的相位值增量，则各天线单元的相移值为C（i，k）=iα+kβ。这样每一个天线单元的相位改变值都不一样，需要提供M×N个波束控制数码。如果只要求波控完成其基本功能，即波束控制数码只是按波束指向来决定。则波束控制系统就可以简化。如***3所示的在方位和仰角上分别进行馈相的二维相控阵天线，由各个单元移相器的波束控制数码C（k，i）组成的波束控制数码矩阵[C（k，i）]M×N可分解为两个分别对应方位与仰角上相位扫描的子矩阵之和。
=[C（k，i）α]M×N+[C（k，i）β]M×N
式中[C（k，i）α]M×N与[C（k，i）β]M×N分别为行、列波束控制数码矩阵，即
这就意味着在***3中增加一层移相器后，波束控制系统通过计算要产生的波束控制数码便由M×N个降低到了（M+N）个，这使计算工作量大为简化。由于每一行或每一列的移相器具有相同的相移量，因而***2所示的波束控制信号寄存器数目也可能降低，只要波束控制信号的功率放大器的电流足够大，就可以使一个驱动器带动多个移相器，从而使波束控制系统的设备量降低。
3 系统设计
由于波控系统运算量比较大，各种控制信号、定时信号比较多，软硬件接口也较为复杂，所以一般采用波控计算机来完成主要的波控功能。对于天线相位的控制，首先需要一个存储器来存储通过测试得出的每个天线单元因为各种原因（如天线加工的误差、馈电网络形成的误差等）造成的相位初始零值的误差校正值与频率、温度构成的三维初始相位表（以下简称初始相位表）。由雷达中央计算机发送相应的频率代码、波位代码、波束展宽代码等给波控机，配合移相器附近温度传感器感应的温度信息，波控机通过综合计算得出各个天线单元需要改变的相位值，再将得出的此相位值与初始相位值做相加处理，最终将结果转换成二进制代码并进行锁存。等到中央计算机发出移相指令后，将锁存的结果打入每个天线单元的移相器完成一次布相。
3.1 波控设计的方案
波控设计的方案主要有集中式波控和分布式波控两种。传统相控阵雷达多采用集中式波控方案，其组成框***如***2。该方案由一个波控机对阵面各单元的相位进行统一运算，然后将数据分路传给阵面上的每个单元。这种方案的特点是：设备量少，适合单元数比较少的相控阵雷达。而对于阵面单元较多时其运算速度往往过长，严重影响了波束扫描的速度。
平面相控阵天线往往含有数目较多的天线单元，对于这种情况，需要采取分布式波控的方案，将整个天线阵面划分成若干个子阵，每一个子阵用一个波控机专门进行该子阵中天线单元相移量的运算和故障检测，其组成框***如***4。这样可以大大减少运算时间，满足天线波束快速扫描的要求。
3.2 波控系统的硬件设计
波控系统的硬件可由波控计算机、外存储器、通信电路、BITE（机内检测）电路等组成。
3.2.1 波控计算机
波控计算机的主要功能为：通过接收中央计算机发送的频率、波位、展宽等代码，配合天线阵面温度传感器传送的温度信息代码等信息进行综合运算得出其所控子阵每个天线单元的相移值并发送给每个天线单元移相器的激励器进行移相。根据需要可以选用多个嵌入式计算机来完成子阵的移相，以达到控制整个天线波束的目的。
3.2.2 外存储器
很多嵌入式计算机都支持外存储器扩展例如FLASH盘等，可使用此模块完成对初始相位表、波束展宽相位表、随机馈相数据等的存储。
3.2.3 通信电路
通信电路的功能是将中央计算机的控制指令以一定的通信协议传递给每个子阵的波控机完成布相，对于某些对工作时间要求比较苛刻的雷达来说，必须采用高速布相的通信方式。
以太网的出现和普及为这一问题的解决提供了一个新的方法：用以太网传递数据和指令，把硬件接口变为软件接口，所有发送和接收都遵照TCP/IP协议的约定，避免了硬件接口的种种弊端，且目前以太网速度可达到千兆数量级，大大提高了数据传输的速率。中央计算机通过以太网把指令和数据传送给各个波控计算机，由于波控系统有多个节点，需要同时收到指令，所以指令采用广播方式发送。波控系统各节点通过点对点方式把需要上报的信息（例如故检信息）回送给中央计算机。
3.2.4 BITE电路
BITE技术是雷达系统中广泛应用的一种自动化监测与维修的手段。其电路检测的信息有波控码、各天线单元激励器的状态信号、定时信号、定时控制信号和激励器电源输出值等
通过对检测到的信息、比较要对以下几点作出判断：（1）波控码是否正确；（2）激励器接收到的波控数码是否有误码；（3）是否有激励器定时控制信号，状态是否正确；（4）激励器是否空载（与阵面移相器连接是否通）；（5）激励器电源工作是否正常。
最后将故障检测信息记录存储，待阵面所有单元一次检测全部完成后，整理故障信息，按雷达系统要求的故障判别原则，确定故障类别和等级，并以编码形式发送给雷达中央计算机，便于定期维修。
3.3 波控系统的软件设计
按照波控机完成相控阵天线配相运算和实时输出的功能，其软件可以划分相位生成模块、接口模块和BIT模块三各部分。模块功能结构***如***5所示。
3.3.1 相位值生成模块
该模块是整个波控模块的核心部分，由相位值生成软件模块、初始相位表、温度/波束展宽等信息采集器、地址转换器等组成。它的功能是根据波控指令生成阵面各单元相位值。
相位值生成软件模块的功能是将在规定相扫范围内可能出现的方位及仰角初始布相量（表的总页数），按照一定的布相算法，以阵面总单元为一页。顺序递增地逐页计算出阵面各单元所对应的相位值，生成数据文件，并固化成初始相位表。
初始相位表的总页数（段地址）就是波束展宽或不展宽情况下，在不同温度环境下方位/仰角的初始布相量二进制位数的总和（符号位不计在内）。
整个波控机模块都是在控制器发出的信号控制下运行的。其功能包括方位及仰角初始布相量的符号判别、数据选通、给接口模块提供时序控制信号等。
3.3.2 接口模块
其功能是为数字激励器提供大量的波束控制信号（相位值），并接收和发送故障检测信息。它由发送、接收数据的封包、解封模块，相位值寄存器地址产生模块、移相数字驱动模块和故障信息的接收和发送模块组成。
3.3.3 BIT模块
BIT模块是波控机软件对自检信息的处理模块。波控机接收到从天线单元反馈回来的故障信息后，将其汇总并以二进制代码的形式发送给中央计算机，由于相控阵天线本身的特点，个别天线单元出现问题不会影响到整个天线阵面的方向***，所以波控机给中央计算机发送故障信息后，仍然会正常工作。中央计算机根据所有波控机发送的故障信息进行判决，最终决定雷达的下一步工作安排（是正常工作还是停止工作进行故障检查），并将此指令发送给波控机。
3.3.4 波控分机的软件流程
根据雷达工作的需要，波控分机的软件流程***如***6所示：
4 波控系统实现的几个问题
4.1 波控系统硬件的安装
波控系统的控制部分应就近安装在其所控天线子阵阵面附近框架上，这样做是为了有效的缩短控制线缆的距离，提高系统的可靠性。同时尽量不要和雷达其他分系统的模块、器件共用一块印制板，以避免干扰。
4.2 高速布相的实现
实现高速布相的途径比较多，其主要途径分为：
（1）选用响应时间较快的移相器提高布相速度。这种方法适合于移相器种类有较多选择的情况。
（2）将各移相基码对应的阵面单元移相量存于存储器中，采用查表方法代替实时运算来提高布相速度，这种方法存储的数据文件巨大，尤其是加上展宽信息和温度信息以后，存储的数据量将会非常是惊人的。
（3）采用实时性较强的操作系统代替普通操作系统提高布相速度。
（4）采用高速通信方法（如以太网或光纤）代替普通的通信方式来提高布相速度等。
4.3 可互换性原则
不同波控机的硬件完全一致，可以在波控板上加一个识别端子，控制计算机可以从识别端子读出识别码，以区分不同的波控板，这样就可以实现波控机单元的直接互换，提高产品的可维修性。
4.4 子阵波控机的同步
由于采用了分布式波控的方式，由多个波控计算机共同完成天线波束的指向的控制，对雷达工作周期时间要求不高的雷达来说，不同波控机之间不同步可能不会造成太大的影响，但对于快速相位扫描的雷达来说，波控的不同步有可能会造成波束的错误指向，导致雷达检测到错误的信息。解决的办法有选用一个稳定度比较高的时钟源，作为所有波控计算机的同步时钟源，也可由中央计算机发出同步信号来控制所有波控机状态以达到同步的目的。
4.5 电磁兼容考虑
相控阵雷达阵面集中了大量的数字电路、移相器和微波器件，同时也是电缆密集的地方。因此电磁兼容设计对波控系统稳定性至关重要。所有电路都应该采取有效的屏蔽措施；系统需可靠接地；对于微波辐射较严重的单元和对射频信号敏感的器件应加以隔离，数据和控制信号的传输也应该考虑其抗干扰性能。
5 结语
相控阵雷达的应用越来越广泛，对阵面设备的运算量、体积、功耗要求使得对阵面集成电路的选择也变得苛刻，控制电路的选择已经从EPLD+单片机发展到FPGA+DSP，单片电路的集成度从几千门向几十万门过渡。对于***用相控阵雷达来说，阵面波控电路使用条件严酷，且使用量较大，芯片的购买和成本常会发生问题。鉴于此因素，研制波控专用ASIC芯片已经成为很必要的措施，目前国内已经出现并且开始大批生产波控专用ASIC芯片，对于大型相控阵雷达来说，这是一种降低成本的理想途径。另外随着软件无线电的快速发展，DBF技术的出现使得雷达具有自适应形成多个波束的能力，运用该项技术后，波控系统无需再为天线接收波束配相（其接收波束的移相功能可在信号处理中实现）。而采用直接数字合成（DDS）技术可以用数字的方式控制所产生雷达信号的频率、幅度、相位。波控系统则无需再为天线移相器（发射波束）配相。当这两种技术随着数字T/R组件的出现结合在一起时，传统的波控系统就发生了变化，移相器被数字化的器件所取代。实际上已经与雷达信号的产生和雷达数据的处理融合在了一起。这种组合技术必将在相控阵雷达中得到广泛应用。
参考文献
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相信有一天篇5
关键词：空分复用；索引调制；大规模MIMO
随着移动多媒体业务的发展，人们对无线通信传输速率需求不断增长与无线频谱日益匮乏之间的矛盾愈发突出。空分复用技术通过在收发两端采用多天线并行传输数据，极大地提高了频谱利用率。近年来，在空分复用系统基础上，空间调制技术可以在不改变收发端天线数的情况下进一步提高传输速率，大规模MIMO系统通过大幅增加一端或两端天线数并将原有2D信道扩展为3D信道从而大幅提高传输速率。本文将在简要介绍空分复用系统的基础上，重点分析大规模MIMO系统和空间调制技术及其下一步发展趋势。
1空分复用系统
空分复用系统模型如***1所示，发送端将数据流调制后进行串并变换为N1路并行子数据流并经过空时编码后经N1根发射天线并行发送信号，接收端对Ⅳ，根接收天线信号进行空时解码、并串转换以及解调后还原发送数据。根据上述模型，空分复用系统主要包括预编码技术、信道估计技术、信号检测技术3个部。
1.1预编码技术
发送端根据信道状态信息，对MIMO发送信号进行预编码处理，消除信道衰落及天线间干扰等不利影响，从而提高系统容量和传输质量并简化接收端检测算法。根据处理方式的不同，可以将预编码处理分为线性和非线性预编码2种，根据信道状态信息获得方式的不同，可以将预编码分为基于码本的预编码以及非码本的预编码。另外，在多用户MIMO技术中，接收端为多个具有多天线或者单天线的用户，用户无法区分自身信号与其他用户信号，造成共信道干扰（Co-Channel Interference，CCI），将严重影响各用户通信质量和速率，而预编码技术对发射信号预处理也可以作为消除或者降低用户间的共信道干扰的有效途径。
1.2信道估计技术
在空分复用系统中，接收端每副接收天线接收到的信号都是发送端发射信号经过信道干扰传输后的叠加。为了在接收端正确检测出发送的数据流并在发送端进行合适的预编码处理，必须对信道特性进行估计。因此，接收端对MIMO信道的估计是信号检测以及预编码的基础，而信道估计的准确度也与系统整体性能密切相关。目前，信道估计技术可以分为基于导频的信道估计算法、基于信道判决反馈信道估计方法和盲信道估计算法3类。
（1）基于导频的信道估计算法也是最为常见的一种信道估计算法，其在发送端发送一组收发两端均已知的导频序列，利用接收端实际接收结果与导频序列对比后估计信道特性。这种算法对信道估计准确，但额外占用传输资源，降低系统的有效性。
（2）基于信道判决反馈信道估计方法在利用导频序列估计出当前信道状态信息后，利用传输数据的检测结果对信道特性进行估计。这种算法开销小，但对传输过程中错误检测敏感度很高。
（3）盲信道估计依靠先验约束条件根据统计特性对信道进行估计。这种算法无需开销，但运算复杂度高而且只适用于慢衰落信道。
1.3信号检测技术
信号检测技术是空分复用技术的核心，接收端必须在相互干扰的信号中正确检测出各发射天线数据，其检测结果将直接影响整个空间复用系统的性能，检测算法的性能主要体现在误码率和运算复杂度上。目前空间信道复用的检测算法大致可以分为：最大似然（Maximum Likelihood，ML）检测算法、线性检测算法、连续干扰消除（Successive InterferenceCancellation，SIC）检测算法和球形检测算法。
（1）ML检测算法。ML检测算法依据最大似然准则，遍历所有可能发送信号进行判决，选出最优点作为发送信号的估计值。由于检测过程遍历所有可能情况，一方面使其BER性能最优，另一方面使其运算复杂度随发射天线和调制阶数呈指数增长，为O（***）。
（2）线性检测算法。线性检测算法通过在接收端添加一个线性滤波器对接收到的混叠信号进行分离检测。由于线性处理过程中，各天线信号存在干扰，使得BER出能较差，但线性处理只进行了矩阵的求逆与乘法，运算复杂度低，为O（M3）。
（3）SIC检测算法。SIC检测算法逐层检测各发射天线信号，在下一根天线信号检测前，去除己检测天线信号对总接收信号的干扰，从而整体上降低各天线间干扰的影响。因此SIC检测算法BER性能优于线性检测算法，但其每次计算都需要进行排序，使得运算复杂度略高于线性检测算法，为D（M3）～D（M4）。
（4）SD检测算法。SD检测算法检测以接收向量为中心规定半径的球形内格点，并不断减小搜索半径从而获得最小半径的估计值。由于检测结果与ML检测结果基本一致，其BER性能十分接近ML算法，而且检测过程避免了繁琐的遍历性搜索，运算复杂度较ML算法低但比SIC检测算法高。另外，随着SNR增加，各格点平均距离降低，检索次数变大，使得SD检测算法运算复杂度随着SNR增加而增加。
在上述空分复用系统基础上，空分复用系统还出现了多用户MIMO技术、大规模MIMO技术、空间索引调制技术等关键技术，从而进一步提高系统传输速率。
2大规模MIMO技术
大规模MIMO技术采用大规模天线阵（数百根发送天线）同时同频服务不同用户的技术，从而将发射信号能量集中在更小区域以获得更高的性能。与传统的空分复用系统相比，大规模MIMO系统的构成及基本原理类似，但其将传统的多天线发射及对应的2D信道模型扩展为天线阵列及3D信道模型。与传统的波束形成相比，其大幅增加发送天线的同时，将各天线幅度与相位的加权简化为单纯的相位加权。结合波束形成、空分复用、天线阵等技术，大规模MIMO技术可以获得大幅提升信道容量及能量传输效率、价格低廉等优势：
（1）极大地提升信道容量及能量传输效率。大规模天线阵将原有波束形成中只能水平选择发射角度的2D信道扩展为水平垂直的3D信道，使得发送功率集中在更小的目的区域，从而提升目的区域的接收信号能量并降低对其他区域用户的干扰。
（2）价格低廉。大规模MIMO系统以数百根廉价的低功率天线代替原有天线，总发射功率相同的情况下，避免了传统的天线系统中昂贵的非线性高功率放大器以及相应的同轴电缆等昂贵且笨重的物品。
（3）降低空中接口的延迟。传统空分复用系统需要依靠较强的多径环境并对多径进行处理，这将导致数据传输过程中与多径时延相关的延迟。大规模MIMO技术中的波束形成，不要求多径环境以及对多径延迟的处理，从而不受多径延迟的限制。
（4）简化多址接入。大规模MIMO技术中每个用户均利用整个带宽，无需带宽调度，从而简化了大多数的物理层控制信号冗余，进而降低系统开销，提高资源利用率。
（5）降低空中干扰并提高安全性。大规模MIMO技术中发射天线提供了很多多余的自由度，可以用来取消故意干扰器的信号。由于发送信号目的区域更小并且其他区域接收功率更低，降低了其他区域窃听信号的风险。
但是，大规模MIMO技术也存在诸多问题，其中导频污染问题尤为突出。导频污染是指小区内或相邻小区共用导频序列而导致的链路干扰问题现象。一般情况下，为避免干扰各用户需分配一个正交上行导频序列，但是导频序列的数量受限于相干时间与信道延迟扩展，当用户数量过大，就会发生相邻小区甚至小区内用户共用一个导频序列的情况，从而影响信道估计的下行波束形成，进一步影响系统性能。文献指出，相比于经典的MIMO系统，导频污染对大规模MIMO系统影响更大，而随着收发天线数增长，导频污染成为限制系统性能上限的主要因素。
3广义空间索引调制
广义空间索引调制将索引调制应用于多天线系统，从而进一步提高空分复用系统传输速率。与传统所有天线均发送调制信号不同，广义空间索引调制中待发送数据分为2个部分，一部分用以调制所有天线中实际发送调制信号的天线个数与序号，另一部分再对实际工作天线发送的信号进行调制。空间索引调制技术的核心可以从3个方面概括：
（1）快速的本地计算可映射海量的外存空间信息数据。通过索引调制的引入，映射域从原有的单纯依靠天线数的线性叠加变为索引域对多进制调制域维数的扩展，使得映射域呈指数的扩展，对应外存空间信息数据更为庞大。
（2）对复杂的空间目标对象进行逐步分割，使得查询路径不需要遍历整个信息。索引调制对多进制调制域进行索引域的多维扩展后形成新的多进制索引空间，其编码基本原理就是将空间分割为若干查询区域，每个区域存储多个索引项。解码过程分为确定查询区域和区域内索引项2步，即可快速获得编码数据，无需遍历整个索引空间。
（3）采用合适的空间分割方法。为降低不同查询区域间的相关性，提升同一查询区域的相关性，需要采用合适的空间分割方法，从而在提升解码BER性能的同时，使得索引、查询更加快捷高效。
广义空间索引调制只是从空域进行了索引调制，而一般的多天线系统中，通常会采用OFDM调制用以克服频率选择性衰落，这使得将索引调制引入频域成为可能。GSFIM（Generalized Space and Frequency Index Modulation，广义的空频索引调制）就是从空间、频率域分别进行索引调制，从而将待发信息映射为空间索引、频率索引以及传统的多进制调制3个部分，对应MIMO-OFDM系统可以实现相比于传统空分复用更高的传输速率。
4结语
本文在总结近年来国内外对空分复用技术最新成果后，重点分析了大规模MIMO技术以及广义空间索引调制2种新型技术的特点与优势。空分复用技术因其具有快速提高传输速率的优势一直是国内外研究的焦点，并己取得很多成果。目前，以下几个方面有待进一步研究：
（1）将索引调制扩展至空间、时间、频率域。目前，广义空频索引调制只是从空域和频域2个方面进行了索引调制，而时隙的存在使得时域内的索引调制可以轻易实现，但是将索引调制用于时域还需注意2个问题：一是与空域和频域的有限性不同，时隙可以无限扩展。时域的索引需要在一个合适数量的时隙数进行，如何确定时隙数将成为以后研究的重点。二是索引调制中容易出现传输信号连续为零的现象，这将给同步精度带来突出影响，此时可以借鉴编码中的HDB3编码进行，但仍需进一步研究。
相信有一天篇6
论文 关键词:智能天线 无线通信 空分多址 自适应天线 应用
论文摘要:采用数字信号处理技术形成定向波束的智能天线,引起了无线通信工程技术人员的极大重视。作者在对天线传统认识的基础上阐述了智能天线的基本概念、特点、实现方法和应用前景。
一、概述
天线是实现电磁波传播的必备器件:信号发射端利用天线实现电磁波辐射,信号接收端利用天线实现电磁波感应。因此,不论何种通信系统,只要它采用无线传输方式,就必须使用天线,而不论该系统采用的工作频率是多少,属于何种频段,也不论采用什么多址技术或者什么调制技术。
随着通信的 发展 和技术的进步,对所用器件、部件的要求也越来越高。智能天线正是适应通信发展而产生的新事物——在无线接入系统、卫星通信系统和移动通信系统(不论在公众通信网中,还是在专用通信网中)以及***事通信等系统中,均有其重要应用,并由此而带来诸如抗干扰能力、频率利用率等性能大幅度提高的一系列优点。
尽管智能天线还是起着电磁波的辐射和感应作用,但是,智能天线是一个崭新的概念。
二、常规天线与智能天线
按照分类方法不同,常规天线(下文称天线)有众多的分类。例如,若按振子形状分类,天线可分为线状天线和面状天线:后者有抛物面天线,卡什格仑赋形天线等(用于微波频段);前者有布朗天线、j形天线、折合振子天线、八木天线、鞭状天线、螺旋天线、菱形天线等(常用于特高频、甚高频、短波频段)。若按方向性***分类,天线又可分为无方向性天线(即全向性天线)和定向性天线:前者如外露偶极子天线、共轴天线等,其特点是当它们用于信号发射时,不论收信用户位于何处,发射能量通过天线能作3600均匀分布;诸如角反射天线、角形反射器天线等则属于定向性天线。此类天线在一定方向上形成信号的发射或接收,能量的有效性较高。若按材料分,又有金属天线和介质天线之分。若按电场强度方向分类,天线又有垂直极化、水平极化等之分。当然,天线还有其它的分类方法,我们不一一例举。但无论怎么说,通信天线的构成比较简单,即使将用于与发射机、接收机相连的馈线算入,构成“天馈线系统”,但是,它依然是一个简单系统。
智能天线则是一个复杂的系统,而且随着性能要求的提高,智能天线也越加复杂。可以认为智能天线是从自适应天线发展起来的,但是二者之间有着显著的差异:自适应天线主要用于雷达系统的干扰抵消,而且是干扰信号强度特大,数量又不多的场合。在无线通信系统中,主要基于多径传播的干扰,其幅度一般较小,但数量往往很大,尤其是电波在城市地面传播时更是如此。这些差异导致在方向性***的形成上,或者说在信号的处理上有着各自的特色。既然智能天线从自适应天线发展而来,所以智能天线有着与自适应天线相类似的结构,用于信号接收时的智能天线结构***见***1。就是说,智能天线是由一个天线阵列和一组波束形成 网络 (亦称聚束网络)联合构成的系统。所以,从硬件构成来看,将智能天线称为“智能天线系统”是可以理解的。
用于收、发信侧的智能天线结构是相仿的,其工作原理也一致。这里以发送用智能天线为例,说明其波束形成原理。将待发射的各路信号s1(t),s2(t)……sm(t)组合成m维信号集合:s(t)=[s1(t),s2(t)…sm(t)]t,再在n×m矩阵网络中实现复数加权系数w加权,得到一个n维的阵列输出信号:
x(t)=w×s(t) (1)
其中,x(t)=[x1(t),x2(t)…xn(t)]t。
若智能天线的天线阵列的方向性函数为fn(θ),且当天线阵列选定以后,它就为定值。则x(t)将在天线远区场产生的场强
e(θ,t)=∑xn(t)·fn(θ) (2)
若要将信号sm(t)发向接收方,只需修改加权网络加权系数w为wnm即可实现该信号的辐射方向性***。即e(θ,t)可进一步写成
显然,只要调节wnm就能获得所需方向波束。智能天线的天线阵列是由多个(例如5、6个甚至更多)单元天线排列成一定形式形成的,常用形式有平面形、圆环形、直线形。从工程上考虑,这些单元天线方向性***常是无方向性的,其相互间距也需满足一定要求。例如在移动通信中使用时,各单元天线间距常取为λ2(λ为工作波长)。
智能天线波束形成网络的作用是在天线阵列支援下,形成一系列极窄的信号传输通路——空间波道,又称波束(beam),即在收、发两端之间形成一条极窄的信号通道。例如,当智能天线用于无线接入系统时,可以在基站(或中心站、转发站)和用户之间形成极窄的无线电波束通道。当智能天线用于移动通信和个人通信中时,这个极窄的波束能随着用户移动而移动。显然,极窄波束的应用能提高发信功率的有效性,还能提高信号传输的信号干扰比。或者说,在保证接收端信号干扰比不变的条件下,发信端功率可以大幅度降低。
这个极窄波束的实用,也形成了多址技术的第四种概念——空分多址(sdma),而且这个sdma可以和其它多址技术以及它们的混合联合使用。即在采用智能天线后,系统能在相同时隙、相同频率、相同地址码情况下,用户仍可以根据信号不同的空间波束——空间传播路径加以区分。
值得重提的是,形成一定指向的空间波束是众多的无方向性天线和波束形成网络的联合作用,而且空间波束的指向依据用户的不同空间传播方向而决定。这个具有一定指向的空间波束等同于信号有线传输的线缆如光缆、同轴电缆。
智能天线能实用于无线通信系统,而不论它们是公众网还是专用网,也不论该系统采用何种技术标准。智能天线能适用于几乎所有移动通信协议和标准的情况,见表1。有些协议或标准甚至至今还未正式形成产品,例如cdma2000、td-scdma,这种情况说明智能天线适用范围很广。
sdma的实用也促使了系统频率利用率的提高以及频率管理、频率配置难度的降低。例如在移动通信中,同一基站范围内的相同载频可以多次复用而不必虑及同频干扰(这就大大地降低了频率配置的难度)。而且不同指向的波束越窄,同频复用系数可以越大,系统的频率利用率就越提高,系统容量越大。同一小区两个手机用户同时占用同一频道时,智能天线形成的方向性***见***2。***中,智能天线形成的两个主波束分别对准这两个用户(而不会产生同频干扰),其它方向的增益却很小,这就保证了主波束增益可以做得很高,周围的干扰(包括同频干扰、邻频干扰、近端对远端比干扰等)和噪声的影响可以降低到很小。
采用智能天线后,同无线区不仅可以安排相邻或邻近频率,甚至还可实现同频复用,这极大地降低了无线电管理部门在频率配置和干扰管理上的难度,所以无委力主智能天线早日投入使用。
智能天线的应用还可以极大地增强设备供应商的竞争能力,并且智能天线不受调制方式和空中接口协议的限制,它们能与现有的空中接口方式相适应。智能天线的核心技术是波束形成,并主要由波束形成网络实现。
当智能天线为某个具体用户服务时,利用天线阵列发射或接收无线电波,利用波束形成网络中的某些部分对用户形成极窄的波束指向,而在其它方向上,智能天线能自适应地控制其方向性***为零,这种性能又称为自适应调零功能。正是利用这种功能,可以将智能天线的副瓣或零信号区(也称零陷区)的幅度基本抑制掉,这也造就了智能天线有极好的抗干扰性能。
只要能把主波束做得极细,同一基站(或中心站)主波束数能做得足够多,副瓣也能完全被抑制掉,那么,智能天线的应用至少在理论上解决了众多无线通信频率资源不足的难题。因此,不论在欧日联合提出的第三代移动通信方案w-cdma中,或是我国提出的第三代移动通信方案td-scdma方案中都把智能天线作为特征技术阐述在内,这是有道理的。就是在专用通信网中,这个特点也有着重要意义。我们以815~821 mhz(移动台发)和860~866 mhz(基站发)这一集群系统专用频段为例说明这一问题。这一频段虽可划分成240个双向通,但由于集群系统性能优越,特别是它的调度功能强大,因而该系统特别受专用通信网欢迎,许多系统诸如电力、人防、 交通 、港口、民航等都想发展该系统,从而导致频谱紧张。但是,一旦集群系统采用智能天线以后,频谱紧张这一问题将迎刃而解。
三、智能天线系统的构成
智能天线之所以能具备这些优良性能,这同其系统构成有关,特别是波束形成网络。波束形成网络构成复杂,大体上可分为网络处理系统和网络控制系统两部分,依照网络处理和网络控制的工作原理、结构不同,智能天线可分成波束切换型和自适应阵列两种类型。
波束切换型是指,智能天线能形成多少个空间波束一空间信道事先就已确定,这个确定既包括波束指向,也包括数量。确切地说,这类天线的波束数量有限。当智能天线服务于某用户时,系统能自动从有限波束中选择一个或几个的组合以服务于该用户,而不管所选波束的最大指向是否对准用户,也就是说用户虽处在所选波束作用范围,却有可能不在最大方向上。而且,当用户在移动时波束却是固定的,在用户移动到这种另一波束上时,系统会由此波束切换到另一波束上。基于相同原因,另一波束也不保证其最大指向随时指向用户,这些特点构成了这类智能天线的缺点,但是这类天线结构简单。
自适应阵列型智能天线能形成无限多波束,并能使用户始终得到波束的最大指向。当用户移动时,波束也能作自适应改变。显然,这种类型的智能天线性能最佳,但其网络控制系统相当复杂,还要求系统的实时性好,即要求处理网络在软件上需要有收敛速度快、精度高的自适应算法,以能快速调整波束的复数加权参数w。
目前,智能天线网络系统使用的算法有最小、最大信号比、最小偏差等。它们又各有特点,因而在实际系统中常需要并用,以取长补短,特别是在移动通信和个人通信中。这是因为在这两种通信系统中,电波传播主要在地面,而地面的电波传播环境很恶劣。基于智能天线性能极大地依赖于网络系统软件特性,因此智能天线也被称作“软件天线”。
早期智能天线的波束形成 网络 用模拟电路,但调试难度大、性能稳定性和可靠性差,目前都主张采用数字电路。较为一致的意见是采用高速率的数字信号处理芯片来实现。实际使用的芯片主要有两种:一种是dsp通用芯片,如tms320系列等。另一种则为专用集成电路(asic器件),其中最典型的器件是能进行大规模并行处理的门阵列电路fpga,以c6x调处理器为基础的dsp系统见***3。波束形成网络平台应提供充分模块以支持多个c6x,而且要采用高效率的i/o结构。
天线小型化和微带天线的使用,使得天线阵列结构得以简化。软件方面值得注意的 发展 是,基于特征值分解的自适应数字波束形成算法格外受到重视,因为这种算法能和高分辨率的测向算法统一起来,还能克服众多因素造成的波束误差。但是,此种算法的 计算 量大。
四、智能天线在无线通信中的应用
智能天线能用于很多种无线通信系统中,以提高系统性能。未来专用移动通信网将向公众移动通信网方向发展,或者说二者之间关系更加密切。还应注意:移动通信蜂窝小区正在向微型化、智能化方向发展,站距将更小,分布也更广泛,波束跟踪也更需智能化、实时化,基站配置也将更灵活,智能天线的波束形成技术将在改善地面电波传播质量和降低成本上发挥重要作用。由于智能天线的使用,不论在专用移动通信系统,例如集群系统、无线本地环路,还是在公众蜂窝系统,一改控制信道的发射方式——由全小区(或全扇区或全无线区)范围内的辐射为跟踪性的极窄波束辐射,全区内同频可以多次复用,从而形成了智能无线区(智能小区、智能扇区)的新概念。因为智能天线具有跟踪功能的固有性,无需通信系统另设“定位功能”,从而使采用智能天线的移动通信系统、个人通信系统的越区切换产生了“智能切换”的又一个新概念。而且,智能天线的应用也降低了成本。目前国内在公众移动通信系统中虽然使用了性能优良的单极化全向天线antel bcd-87010、单极化定向天线antel rwa-87027、双极化天线dps60-16 rsx和先进的遥控 电子 倾角天线mtpa890-d4-rxy-z,尤其是后者给日常的移动通信网络优化提供了方便,人们根据需要可以方便地调节天线倾角,以改善覆盖和干扰,但是它们远不能和智能天线相比。智能天线用于移动通信系统时,主要用于基站的发和收。
应该承认,移动通信和个人通信应用智能天线的难度较大,其原因在于移动的多用户、电波传播的多路径等因素造成了信号动态捕获与跟踪的难度,所以移动通信和个人通信中智能天线应用较晚,而无线接入系统尤其是固定式无线接入系统却较早应用。智能天线工作于tdd双工方式的无线接入系统时,可以把上、下行链路的加权系数统一。但在上、下行频率不同时,即采用fdd双工方式时,则下行链路的加权系数在上行链路的加权系数基础上,还需作适当处理。智能天线有望用于移动市话,以改善其频率配置的难度和提高网络的容量,以及提高网络的抗干扰能力。
智能天线也能用于dect、phs、pacs、cdct等体制的无绳电话系统,都能改善它们的系统性能。
智能天线还可用于卫星移动通信系统,例如用于l波段的卫星移动系统的智能天线就是用16单元、环形分布的微带天线阵列和一个波束形成网络构成,采用左旋园极化。而波束形成网络则采用10块fpga芯片,其中2块用于波束选择、控制和接口,8块用于天线阵列的准相干检测和快速傅立叶变换。
智能天线还用于各种专用通信网和***事通信等无线通信系统,以改善系统性能。正是由于智能天线具有重要的应用价值,所以国内外许多大学、研究所、通信公司等单位投入巨资,潜心研究,并已见硕果。
五、结语
智能天线对提高专用网和公众网通信系统容量、抗干扰能力,提高通信质量以及实现同一地址的各专用网的频率共享等具有巨大潜力,近年来备受关注。但是由于波束自适应形成的难度大,影响因素多,因此智能天线虽已用于固定式无线接入、卫星通信、***事通信等系统中,并获益匪浅。但用于移动通信、个人通信中还存在有一些难度。不过近来已传来乐观消息。例如某国外公司已2000年6月在上海移动通信网络中进行智能天线实用试验。所用天线类型为波束切换型。试验结果表明,确实提高了网络的整体性能。另据广东消息称,该省移动通信网络将在充分试验的基础上,引入智能天线,以大幅度提高网络服务质量等级和满足用户数量剧烈增长的要求。
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相信有一天篇7
关键词: 3G；TD-SCDMA；智能天线
一、引言
作为3G的国际标准之一，由中国提出的TD-SCDMA无线通信系统正在中国蓬勃发展，并在国际市场上得到广泛的关注。智能天线作为TD-SCDMA系统设备之一，随着TD-SCDMA系统的大规模的安装，TD天线得到了广泛应用。
二、智能天线的概念与结构原理
（一）智能天线的概念
从20 世纪90 年代初开始，人们就试***考虑将智能天线技术引进到无线通信中来，但一直未能找到合适的途径。随着移动通信系统经历了第一代模拟系统和第二代（2G）数字系统之后，发展以宽带CDMA技术为核心的第三代（3G）数字移动通信系统，才为顺利引进包括智能天线在内的现代数字信号处理技术创造了条件。其中，我国享有***知识产权的TDD 模式运行的TD-SCDMA 技术中，就已经成功的引进了智能天线技术；从某种程度上可以说，智能天线是3G 区别于2G 系统的关键标志之一。
智能天线是由一些空分的、***的天线元素组成的一个天线阵列系统，这个阵列的输出与收发信机的一组多个输入相结合。这多个天线元素结合在一起提供一个综合的时空信号。与使用单个天线采用固定方式结合天线口信号的接收机相比较，天线阵列系统能够动态地调整结合信号的机制以提高系统的性能。正因为这个原因，天线阵列经常被称为智能天线，它被视为相当于一个特性能够根据需要自动地调整的天线。广义地说，智能天线技术是一种天线和传播环境与用户和基站的最佳空间匹配技术。
（二）智能天线的系统组成
智能天线主要包括四个部分：天线阵元、模数转换、自适应处理器、波束成型网络。自适应处理器根据自适应空间滤波/波束成型算法和估计的来波方向等产生权值，波束成型网络进行动态自适应加权处理以产生希望的自适应波束。智能天线是天线阵列，由N个天线单元组成，每个天线单元有对应加权器，共有M组加权器，可以形成M个方向的波束，其可以大于天线单元数，天线阵的尺寸和天线元的数目决定最大增益和最小波束宽度，意味在天线阵的尺寸和天线增益，及天线侧瓣性能两者之间要取得平衡。智能天线通过调节从每一个天线收到的信号的相位与幅度，结合使得形成所需要的波束，此过程称为波束形成。
（三）智能天线的原理
上面介绍的其实是智能天线用作接收天线时的结构，当用它进行发射时结构稍有变化，加权器或加权网络置于天线之前，也没有相加合并器。智能天线采用空分复用（SDMA）方式，利用信号在传播路径方向上的差别，将时延扩散、瑞利衰落、多径、信道干扰的影响降低，将同频率、同时隙信号区别开来，和其他复用技术相结合，最大限度地有效利用频谱资源。基站智能天线是一种有多个天线单元组成的阵列天线，通过调节各单元信号的加权幅度和相位，改变阵列的方向***，从而抑制干扰，提高信噪比，它可以自动测出用户方向，将波束指向用户，实现波束跟用户走。智能天线的结构原理，如***1所示。
三、智能天线技术
（一）智能天线的形成
20世纪90年代中期，世界各国开始考虑将智能天线技术应用于移动通信系统。美国Arraycom公司在PHS系统中实现了智能天线；北京信威通信公司也成功开发使用智能天线技术的SCDMA无线通信系统。1998年中国向国际电联提交的TD-SCDMA RTT建议就是第一次提出以智能天线为核心技术的CDMA通信系统。
（二）采用智能天线技术的必要性
移动通信信道传输环境较恶劣，多径衰落、时延扩展造成的符号间串扰、FDMA TDMA系统（如G***）由于频率复用引入的同信道干扰、CDMA系统中的MAI等都使链路性能、系统容量下降，我们熟知的均衡、码匹配滤波、RAKE接收、信道编译码技术等都是为了对抗或者减小它们的影响。这些技术实际利用的都是时、频域信息，而实际上有用信号、其时延样本和干扰信号在时、频域存在差异的同时，在空域也存在差异，分集天线、特别是扇形天线可看作是对这部分资源的初步利用，而要更充分地利用它只有采用智能天线技术。
智能天线是一种升缩性较好的技术。在移动通信发展的早期，运营商为节约投资，总是希望用尽可能少的基站覆盖尽可能大的区域，这就意味着用户的信号在到达BTS（基站收发信设备）前可能经历了较长的传播路径，有较大的路径损耗，为使接收到的有用信号不至于低于门限，要么增加移动台的发射功率、要么增加基站天线的接收增益，由于移动台（特别是手机）的发射功率通常是有限的，真正可行的是增加天线增益，相对而言用智能天线实现较大增益比用单天线容易。
而在移动通信发展的中、晚期，为扩大系统容量、支持更多用户，需要收缩小区范围、降低频率复用系数提高频率利用率，通常采用的方法是小区***和扇区化，随之而来的是干扰增加，原来被距离（其实是借助路径损耗）有效降低的CCI和MAI较大比例地增加了。但利用智能天线，借助有用信号和干扰信号在入射角度上的差异，选择恰当的合并权值，形成正确的天线接收模式，从而可更有效地抑制干扰，更大比例地降低频率复用因子，和同时支持更多用户（CDMA中）。从某种角度我们可将智能天线看作是更灵活、主瓣更窄的扇形天线。
智能天线的又一个好处是可减小多径效应，CDMA中利用RAKE接收机可对时延差大于一个码片的多径进行分离和相干合并，而借助智能天线可以对时延不可分但角度可分的多径进行进一步分离，从而更有效减小多径效应。
（三）智能天线的优势
采用智能天线技术的主要目的是为了更有效地对抗移动通信信道，而时分、码分多址系统的信道传输环境从本质上讲是一样的，所以除了具体算法上的差异外，智能天线可广泛应用于各种时分、码分多址系统，包括已商用的第二代系统，即是一种广泛适用的系统。
智能天线另一个可能的用途是进行紧急呼叫定位，并提供更高的定位精度，因为在获得可用于定位的时延、强度等信息的同时，它还可获得波达角信息。
智能天线以多个高增益窄波束动态地跟踪不同的期望用户，提高用户接收的信号功率，同时将赋形波束之外的非期望用户受到的干扰加以抑制，从而在一定程度上降低多址干扰（MAI），提高通信系统的容量，增加接收灵敏度。
（四）智能天线的不足之处
在TDD系统中，上下行链路使用相同频率，且间隔时间较短，链路无线传播环境差异不大，在赋形算法中可以近似使用相同权值。因而，TDD方式更能够体现智能天线的优势。但是智能天线在使用过程中依然存在诸多的限制。在采用TDD方式的移动通信系统中，智能天线对每个用户的上行信号均采用赋形波束，提高系统性能较为直接。但当用户仅处于接收状态下，同时在基站覆盖区域内移动时（空闲状态），基站无法预知用户方位，必须使用全向波束进行发射。
此外，必须在智能天线算法的复杂性和实时实现的可能性之间进行折中。目前的实用智能天线算法还难以解决时延超过码片宽度的多径干扰和高速移动多普勒效应造成的信道恶化。在多径严重的高速移动环境下，将智能天线和其他抗干扰的技术结合使用，才可能达到更好的效果。另外，智能天线的性能随天线阵元数目的增加而增强，但是增加天线阵元的数量，必将提高系统的复杂性，特别是在较低频段工作时。巨大的智能天线重量将会给工程施工带来麻烦。
四、智能天线在TD-SCDMA中应用
（一）TD-SCDMA系统中智能天线的应用优势
WCDMA和CDMA2000都希望能在系统中使用智能天线技术，但由于其算法复杂度高，目前在IMT-2000家族中，只有TD-SCDMA技术明确表示将在基站端使用智能天线。
TD-SCDMA 系统中采用智能天线技术将带来以下的技术优势：
增加系统容量，提高通信数量
智能天线采用窄波束接收和发射移动用户信号，降低了其他用户的干扰，因此对于自干扰系统如CDMA 系统，可以有效地提高系统容量；同时，采用空分技术复用信道，也增加了系统容量。在CDMA 系统中使用智能天线后，就提供了将所有扩频码所提供的资源全部利用的可能性，使CDMA 系统容量至少可以增加一倍以上。
扩大通信覆盖区域，且提高频谱利用率
对于使用普通天线的无线基站，其小区的覆盖完全由天线的辐射方向***形确定。当然，天线的辐射方向***形是根据可能需要而设计的。但在现场安装后，除非更换天线，其辐射方向***形是不可能改变和很难调整的。但智能天线阵的辐射***形则完全可以用软件控制，在网络覆盖需要调整或由于新的建筑物等原因使原覆盖改变等情况下，均可能非常简单地通过软件来优化，非常方便。而且采用智能天线技术代替普通天线，提高了小区内频谱复用率，随着移动通信需求的增长，则可以在不新建或尽量少建基站的基础上增加系统容量，降低运营商成本。
降低基站发射功率，减少了电磁环境污染
在使用普通天线的无线基站中，发射信号采用的是高功率放大器（HPA）；而在TD-SCDMA 中使用了智能天线，由于波束形成的增益可以减小对功放的要求，大大降低了基站的发射功率，同时也减少了电磁环境污染。
智能天线的优势如***5所示。
（二）智能天线是TD-SCDMA系统必选的关键技术之一
如果没有智能天线，物理层的RRM算法、DCA、接力切换等都不能很好地实现；在覆盖方面，没有了智能天线特有的赋形增益，会使覆盖范围大大缩小；在容量方面，智能天线结合联合检测，可以有效地减少小区间和小区内的干扰，提升系统容量，减少呼吸效应。
无线信道中的多径，能导致衰落和时间扩散，智能天线可以分离来自不同方向的多径信号，通过RAKE接收技术提取有用信号，然后将其叠加，不但减轻了多径的影响，甚至可以利用多径所固有的分集效应改善链路的质量；CDMA系统有严格的功率控制要求，对用户的地面分布特别敏感。智能天线能够分离不同的上行信号，以降低对功率控制的要求，并且能够实时调整方向，从而缓解用户地理分布不均的矛盾。
五、结论
智能天线技术对移动通信系统带来的优势是目前任何技术所难以替代的。由于智能天线有着显著提高系统的性能和容量，并增加天线系统的灵活性等诸多好处，因此我们有理由相信，使用了这种先进技术的TD-SCDMA 系统有着良好的应用空间和发展前景。另外，国际上已经将智能天线技术作为一个三代以后移动通信技术发展的主要方向之一。据专家估计，未来几乎所有先进的移动通信系统都将采用该技术。
参 考 文 献
Tero Ojanpera Ramjee 著,朱旭红 等译，第三代移动通信技术，人民邮电出版社,2000
李世鹤著，智能天线的原理和实现 大唐电信，2001
刘鸣;袁超伟;贾宁;黄韬 著.智能天线技术与应用.机械工业出版社 2007
作者简介：
姓名：周琦 出生年月：1975年性别：女 籍贯：浙江省，宁波市
现供职单位: 浙江省通信产业服务有限公司宁波市分公司
相信有一天篇8
地面接收系统相关
讲过了卫星转发系统的相关知识之后，接下来让我们谈谈地面接收系统。卫星电视广播信号的地面接收系统通常由连接馈线（同轴电缆）连接室外单元（天线、馈源、高频头等）和室内单元（卫星电视接收机等）而组成。
1、接收天线
（1）天线类型
卫星接收天线处于地面接收系统的最前端，其主要作用就是把来自卫星转发器的电波信号给聚集起来，并转化成为电流传送给高频头。卫星接收天线通常采用抛物面天线，利用无线电波信号跟光相似的特点来反射聚集电磁波，接收天线结构主要由反射面、馈源和支架几部分组成。按照天线反射面与馈源所处的相对位置不同，我们可以把抛物面天线分为正馈天线和偏馈天线两种。
①正馈天线
中心聚集电波的卫星接收天线被称为正馈天线，其天线反射面呈正圆状，馈源位于天线抛物面焦点处。正馈天线适合用来接收C波段信号，通常直径在一米多以上，根据结构不同还可再分为前馈式天线及后馈式天线（即卡塞格伦天线）。前者虽然结构简单，成本较低，但由于馈源正好位于天线抛物面焦点处，当有太阳光照射时可能会被聚焦至馈源上，使馈源温度上升。后者则有效避免了阳光照射问题，特别适合在热带地区使用，但由于结构复杂，制造、安装、调试、维护的技术要求也都比较高，所以在个体接收中一般不采用。
②偏馈天线
偏馈天线特别适合接收Ku波段信号，一般来说口径较小，通常在一米以下，反射面呈椭圆。由于馈源安装的位置不在天线反射面的中心线上，所以被称为偏馈天线。而正是因为其馈源不在天线反射面与卫星之间，得以避免了馈源对卫星电波信号的遮挡，所以这种天线的接收效率比较高。由于偏馈天线具有易于安装、节省空间、效率较高等优点，目前正在被广泛应用中。
从下***我们可以清晰地看出偏馈天线的形成原理，在***中的正馈天线上有一个由实线勾勒出的椭圆形部分，这个部分实际上就是偏馈天线。在本***中，这幅偏馈天线是从正馈抛物面天线正上方，以YO线为中心线而切下来的一部分。由于该偏馈天线是从正馈天线上沿YO和XZ线为中心切下的部分正馈天线，所以必然是一个椭圆形，而且这样形成的偏馈天线因为天线边缘均在同一平面上，椭圆形天线面显得十分平坦，所以极易加工和制造。偏馈天线由长轴和短轴组成，长轴即为YO，短轴即为XZ，椭圆形的偏馈天线的有效面积是以短轴为直径而画出的圆形的面积，故我们一般提到的偏馈天线的标称口径都是以短轴长度为准的。偏馈天线同正馈天线一样，天线面上各部分入射电波信号的密度都应该是相同的。
③平板天线
除了传统的抛物面天线之外，我们也还可以使用平板天线来接收卫星电视广播信号。抛物面天线是采用一次或两次反射来进行接收的天线，而平板天线则是直接接收的天线，前者的天线面起到反射电波信号的作用，而后者的天线面就是直接接收的天线，两者有着本质的不同。平板天线通常采用微带电路技术，将高频头隐藏在天线内部，目前有振子式和缝隙式等几种，它的特点是体积小、重量轻、风阻小、安装使用方便。
（2）技术指标
要衡量一副天线是好是坏，需要根据一些技术指标来决定，接收天线的主要技术参数和指标大致包括有：增益、方向性、频带宽度和幅频特性等。
增益
天线增益表示天线在特定方向接收信号的能力，它与天线的方向性和效率有关，增益数值越大则天线的方向性越强，天线效率越高。而同一副天线，当工作的频率越高时，其增益也就越大；同样的天线，口径越大，增益数也就越大。可以说，在同等条件下，增益越高的天线接收效果也就越好，当然一锅双星等特殊应用场合除外。
方向性
天线的方向性指的是天线在面对不同方向时表现出的不同增益，即天线是否对某个角度过来的信号特别灵敏。卫星接收天线在对来自空间中不同方向而强度相同的电波信号进行接收时，其相对接收能力也不尽相同。通常用方向性***、方向系数等表示天线的方向性。由于在水平和垂直两个平面上的接收能力不同，因此要表示一副天线的方向性时，需要有其水平面和垂直面两个方向***才行。我们将在水平面上辐射与接收无最大方向的天线称为全向天线，有一个或多个最大方向的天线称为定向天线。全向天线由于其无方向性，所以多用在点对多点通信的中心台如电视发射台。而定向天线由于具有最大辐射或接收方向，因此能量集中，增益相对全向天线要高，适合于远距离点对点通信如卫视接收，同时由于其具有方向性，抗干扰能力比较强。
频带宽度、幅频特性
任何接收天线都是需要工作在一定的频率范围内。我们规定天线输送到馈线的功率下降到最大输出功率的一半时，所对应的频率范围称为天线的频带宽度。在此频带宽度内，天线的各种技术参数指标（增益、方向性等）基本保持不变。而接收天线对信号增益随频率变化的关系则称为天线的幅频特性。即使频带宽度很宽，如果接收天线的幅频特性不好， 那么在某些频点工作时天线一样不一定好用。所以接收卫星电视广播信号要求接收天线应该具有高增益、高效率、宽频带、幅频特性好等特性。
（3）口径选择
在接收卫星电视广播信号之前，需要先选择好适当的接收天线。比如：接收C波段信号，需选用正馈的大口径的接收天线，而接收Ku波段信号，需选用偏馈的小口径的接收天线。之所以作出这样的选择，理由很简单，从我们前面的介绍就可以看出，同样用来接收Ku波段信号的小天线，如果尺寸相同的话，则偏馈式接收天线比正馈式接收天线的增益要高，因此我们理所应当的选择小口径偏馈接收天线。
相信有一天篇9
2003年以后，卫星移动电视天线系统进入一个新的理论和技术的领域。相控阵理论和技术在陆地、海洋、航空、手机、手持和便携移动卫星接收天线系统都有新的发展。美国KVH公司的Trac VisionA系列就是一个典范。
1.Trac VisionA
2003年，美国KVH公司的Trac VisionA-5系统以全新技术出现，支持DirecTV卫星电视节目和XM卫星广播。
2006年8月，KVH推出Trac Vision A-7系统，是最新型的卫星移动电视系统。Trac Vision车载卫星电视天线在时速200Km或在坦克训练场路面行驶时，能够稳定接收。Trac Vision以轻、薄、快、稳为主要特点。如***1 Trac VisionA-5和A-7所示。
Trac VisionA-7提供快速捕捉的能力，同时增加功能性、可靠性和消音装置。如***2 Trac VisionA-7所示。
Trac VisionA-7关键技术除了天线和跟踪技术外，还有混合天线、相位阵列、天线罩、低噪声放大器模块/IF转换器、马达和旋转接头等移动卫星电视天线系统和操作系统。
2.Trac VisionA-7主要技术
Trac VisionA-7以多项尖端技术综合运用，引导卫星移动电视系统向更高新科技发展。
（1）混合天线
Trac VisionA-7采用混合相位阵列天线。卫星移动天线一般是圆形或椭圆抛物面天线，但存在天线的外形、重量、体积和空气阻力、高耸的穹顶，不美观等缺陷。卫星移动电视天线的三种典型外形，如船用圆形Trac VisionM3天线、车载（RVs）椭圆形R6天线和混合相控阵列式A7天线。如***3 三种典型卫星移动电视天线外形所示。
Trac VisionA-7天线追求扁平、流线型的造型，高度不能超过5.3英寸(13.46cm)。KVH将相位阵列电子天线的最佳性能和机械天线机动系统组合为Trac VisionA-7混合天线。混合天线拥有很强的操作性和敏捷的信号捕捉能力，高度降为最低，符合空气动力学的原理。
Trac VisionA-7相控阵列天线使用多重天线原理，将精确分组的多重天线，产生定向能量旁瓣，为特定区域提供信号。在广播频率的基础上，天线的几何形状，广播信号一个是正向一个是负向。如***3 Trac VisionA-7天线方向***所示。
（2）电子天线
电子天线是用于广播的定向信号旁瓣、制造简单的相位阵列天线。
Trac VisionA-7采用雷达、相控阵技术，使用很多小天线元件组成的电子天线。当这些小电子天线在正确的相位关系中反馈信号时，能量迅速聚集、定位，而不需要转动天线。这项技术已在美国海***巡航道弹相控阵列雷达中使用。
KVH采用多元件、固态方法接收DirecTV卫星的Ku信号。Trac VisionA-7安装有280多个矩阵排列的***接收单元。如***5 相位阵列单元天线所示。
Trac VisionA-7的每个椭圆元件被设计成接收DirecTV卫星12.45GHz频率信号。单个或几个单元的信号强度不够，多个单元混合信号通过矩阵组合产生强大的信号，提供电视的***像和声音。
由于DirecTV卫星信号使用循环偏振信号，无论是循环偏振的右边（RHCP）还是左边（LHCP），信号都能到达天线。Trac VisionA-7天线的设计允许接收来自阵列两极的信号。如***6 相控阵列单元所示。
（3）低损耗合成技术
当信号到达相控阵列前，必须通过附加天线的三层或弯曲抛物线，在到达相控阵列前同时自动调节对焦卫星信号。同时，Trac VisionA-7天线允许相控阵列单元以平面排列。这时的天线，接收能力与直径45cm的卫星电视天线相同或更好；线束偏转能使天线在低仰角时照样接收卫星信号。
当天线完成接收卫星信号和通过两极偏振隔离信号的两个关键功能时，即产生可用的DirecTV卫星信号。与空间时间单一点接收信号的碟式天线不同，Trac VisionA-7使用一个单一平面阵列的天线传感器。
天线传感器可以察觉信号到达每个传感器时的微弱差别。当天线角度歪斜，某些传感器会比其它传感器前提前接收信号，产生时间上的差异。如果信号到达时间不同，会使信号反相，数据紊乱。
为了解决这个问题，KVH发明了一种先进的波导结构，即低损耗合成技术。低损耗合成技术可以根据每个天线单元对不同信号间相位的差异进行补偿。每个***信号在相同时间精确地到达高频头，统一的信号组成DirecTV***像。
（4）机械天线跟踪
由于线束偏转增加的影响，安装在平面阵列上的电子原件远不及一个可以移动同时可以检测信号倾斜的单元有效。Trac VisionA-7可以在水平旋转360°；同时阵列的垂直倾斜角度为±15°，允许接收DirecTV卫星的信号。线束偏转与±15°物理倾斜的组合消除了对正交天线的需求。Trac VisionA-7天线阵列可以几乎水平放置，接收能力比直径45cm的椭圆卫星天线强。这种能力的主要原因是Trac VisionA-7天线13.46cm的薄横切面。如***7 Trac VisionA-7天线调节±15°角度所示。
汽车在移动时，获取、锁定、追踪DirecTV卫星的解决方案，通过使用GPS接收器加强了多重卫星功能的能力。
（5）驱动马达
为解决载体的方向和速度快速改变时能准确快速、并持续锁定卫星信号，KVH公司设计了驱动马达和相关软件来获取优质的信号。例如水平驱动马达可以每秒旋转70°，甚至在汽车快速转向时也可以继续使单元持续锁定卫星；二级马达通过两片传动杆倾斜天线。不论汽车的方向如何改变Trac VisionA-7天线始终一直指向卫星。如***8 载体移动时天线指向所示。
（6）两倍回转仪
当汽车行驶在高层建筑物后、地下通道、隧道等盲区时，信号将中断。KVH的两倍回转仪为天线单元提供稳定的方向，允许天线持续指向上次接收信号的目标。当载体一旦或暂时失去通信时，Trac VisionA-7即测定载置，天线持续指向卫星；当载体从盲区出来后，Trac VisionA-7天线仍然指向卫星，同时快速获取信号。如***9 两倍回转仪与盲区所示。
（7）综合GPS接收机
Trac VisionA-7的第二个主要改进是天线内部整合了一个专门的GPS接收器。GPS接收端位置，标题和地面数据的覆盖推动A7的性能，同时为未来来自KVH和DirecTV的新型服务提供新的服务。如***10 GPS接收机（中间）与混合阵列天线所示。
（8）多星接收技术
Trac VisionA-7具有多星接收能力。Trac VisionA-5只能接收西经101°一颗DirecTV的卫星信号。Trac VisionA-7可以接收任意接收西经72°、101°、110°、119°轨道的四颗美国DirecTV卫星的信号。由于天线和接收器间可以直接进行数字通信，Trac VisionA-7可以从一个卫星顺利的转星到其它三个卫星上，接收不同DirecTV卫星上的节目。随着DirecTV卫星系统的不断增多，Trac VisionA-7的接收能力还将增加。
（9）区域转换技术
Trac VisionA-7的区域转换技术，即服务区转换技术。特定市场领域中的本地频道DirecTV卫星主要是国家频道，如CNN、ESPN、The Weather Channel、A&E等，是通过西经101°的一颗DirecTV卫星直播。为了支持DirecTV卫星接收本地服务和促进网络电视如ABC、CBS、FOX、NBC和PBS本地市场的增长，服务运营商使用西经72°和西经119°的卫星发送特定的本地区节目。
DirecTV卫星系统的本地网络节目在特殊的城市和地理通讯区域中受到限制。这些区域被认为是特定市场区域（DMAs）。本地节目与DMA绑定同时在DMA外不可用。如亚特兰大本地节目在查尔斯顿接收不到。
自从卫星接收器仅接收DMA节目以来，对于使用DirecTV卫星的用户，这种安排不是问题；而对移动用户，出现的问题是他们可以在DMAs间交换。每个DMA本地广播要求其节目对于本地DMA移动用户是可用的。DirecTV卫星用户交叉他们的DMA，本地节目就不再可用。为了实现通用，需要汽车中的卫星接收机“知道”汽车已经在DMA边缘了。
移动接收机在特定DMA内的感应能力是由TracVisionA-7内的GPS单元提供的。Trac VisionA-7接收机拥有详细的DMA边界数据库。在最初的设定中，用户输入他们与DMA数据库有关的家庭住址。接收机知道使用者的家庭DMA，同时知道该DMA的经度和纬度边界。只要汽车在DMA范围内，就能接收本地节目。汽车将要离开DMA区域时，本地节目自动被Trac VisionA-7接收机切断。对于移动使用者，全国节目总是可以接收的。
另一个建立GPS接收机推进Trac VisionA-7性能的方法是加速单元捕捉锁定卫星的性能。Trac VisionA-7软件有GPS助手搜索的功能。使用汽车的GPS定位搜索新卫星程序，大大减少了Trac VisionA-7寻找和锁定卫星的时间。
GPS机提供汽车的经度和纬度位置，减少仰度搜索。GPS机搜索卫星在天空的高度。Trac VisionA-7知道卫星在天空的位置是固定的，但是水平线上的卫星角度将随纬度变化，最北的锁定范围，是卫星在天空中最低的位置。如当汽车在印第安纳波利斯（北纬40°），对西面101°卫星的仰角将接近水平面42°；在休斯敦（30°北纬），对同样卫星的视角与水平线夹角大概为55°。如***11 载体移动纬度与仰角的关系所示。
DirecTV卫星的仰角随纬度相反而改变。上***显示的是101°卫星仰角的变化，知道卫星仰角只是一部分。Trac VisionA-7同时也需要寻找方位角，对准卫星的方位。
GPS接收器单元可缩短搜索过程。当汽车开始移动时，GPS迅速的收集一系列经度和纬度数据。当这些地理位置信息联系在一起时，就是运动的方向，不论在海上或是空中或是陆地。如一旦Trac VisionA-7知道载体在的运动方向、路线，就能决定载体前面行进的指向；同时知道卫星的位置，Trac VisionA-7就可以计算载体对卫星位置的角度。
根据方位角和仰角的计算，GPS单元就能调整，同时将天线指向卫星。在短暂搜索确定接收最佳信号后，Trac VisionA-7锁定信号，同时开始解码节目。使用整合GPS，Trac VisionA-7计算汽车的行程，同时寻找、获得和定位DirecTV卫星。如***12 寻找、获得和定位卫星所示。
（10）快速转换装置
GPS搜索助手系统，不仅帮助卫星的最初定位，同时帮助卫星在由于高楼、高山、隧道等盲区引起的信号中断后重新获得信号。使用GPS定位和标题提示单元，Trac VisionA-7可以快速重新找到卫星并锁定。
GPS的优点是在接收机指向卫星时，Trac VisionA-7可以转换西经101°的卫星到西经119°的卫星等，以接收当地节目，GPS快速捕捉转换4个卫星为北美提供服务。当接收机需要转换卫星访问，转星是快速的过程，不需要延误搜索。
（11）卫星移动电视接收机
DirecTV/KVH移动接收机是使用新设计的软件的12V卫星移动接收机。DirecTV和KVH一起改善软件功能，使移动接收机更加灵活、使用简单。这是第一款为移动卫星电视设计的DirecTV接收机。如***13 卫星移动电视接收机所示。
（12）快速频道指南
快速频道指南是DirecTV和KVH调整单元的软件。当打开频道或上次使用后允许接收者快速连接。快速频道指南***能力使这个得以实现。
重新开启时快速启动频道指南。当单元断电时，接收机在系统的下一次循环中为用户存储以前接收的信息，允许使用者可以更加快速的指南***。软件同时存储用户使用过的至少10个频道，这样可以在整个指南软件***到RAM前，快速调整喜欢的频道。如***14 Trac VisionA-7卫星电视系统所示。
（13）天线罩
天线罩必须满足以下几个条件：当天线罩放置在汽车顶部时，采用的材料应保证足够耐用；为了接收最佳效果，卫星电视信号必须是“无形的”；外形要美观，并与汽车外形融为一体。新的外形使用自动变形塑料，结构设计应与卫星电视的RF广播信号匹配，信号穿过天线时就不会出现信号损失，保证信号以最大值到达天线，甚至可以在恶劣的天气中接收。此外，材料必须足够坚韧，可以抵挡路面的飞来的碎片、恶劣的天气、甚至汽车碰撞。
（14）低噪声高频头（LNB）
由于Trac VisionA-7系统有严格的要求，不仅横截面内的天线要小，高频头也必须尽量小而薄，安装在天线罩内的放大器和中频（IF）转换器也尽量薄。Trac VisionA-7LNB单元安装在天线的下面，通过波导和组合接收定向信号。与过去移动天线使用的LNB（左边）相比，Trac VisionA-7LNB（右边）的外形明显很薄。如***15 普通LNB与Trac VisionA-7 LNB所示。
（15）滑环式旋转接头
卫星移动天线系统的一个巨大挑战是：卫星电视信号怎样从接收机保护下的遥控天线通过。过去通过电缆完成，使用一个带状电缆连接天线底部和遥控天线。但是由于受到电缆长度的限制，天线在电缆达到极限前只能旋转720°。
结果导致：如果汽车旋转两周（比如停车时），天线将旋转到极限；然后天线不得不反方向旋转360°打开缆线，但是这样就会引起电视接收的短暂中断。
KHV设计了一种滑环式旋转接头，解决了用两部分连接几个点的问题。接头的结构使顶部移动时底部保持静止不动。这种方法使天线旋转自如，无论汽车怎样运动，提供持续不间断信号。为了降低路径损耗改进了技术，比以前高损耗的连接点相比更加稳定的信号。
（16）超静音马达
Trac VisionA-7天线的工作区域就在乘客头顶几英尺的地方，天线马达需要足够安静。因为旋转马达可能影响收视效果。KVH在Trac VisionA-7上使用超静音马达。
当红外线远程遥控器（IR）在家用电视中普遍应用时，Trac VisionA7由于使用无线电频率（RF）遥控。当使用IR遥控时，必须在遥控器与接收机之间有一束光，也就是说接收机必须是在汽车中水平安放。如***16 IR与RF遥控方式所示。
因为部件被安装在电视机附近，所以IR遥控器在家中工作良好，一个RF遥控适合安放在汽车中使用，允许接收机放置在座椅下或乘客头枕内。
RF遥控允许接收机放置在乘客视线和行动路线外的行李箱或其他密闭空间中。RF遥控发送信号到RF转换单元，然后该单元将信号输入接收机。同时RF控制来自遥控的信号强度足够强，可以到达汽车或越野车（SUV）内的任何地方，汽车的其它电子系统中不产生广播频率介质（RFI）。
3.Trac VisionA-7安装
Trac VisionA-7可以应用在各种车辆上，从轿车到越野车、旅行车、露营车，到卡车、装卸车辆。KVH为各种车辆提供服务，需要提供混合的安装方案，其中支架和安装衬垫可以直接安装在汽车车顶、汽车的行李架上。针对有特殊行李架的汽车有专门的安装齿轮，例如悍马越野车SUVs。Trac VisionA-5安装支架；优化的Trac VisionA-7安装支架，安装更加简便。如***17 Trac VisionA-5安装支架与Trac VisionA-7安装支架所示。
电视显示屏可以在车内的任何地方，但是最通常的做法是挂在后座上前方的车顶上，并可上下翻转；也可安装在靠枕背后。如***18 电视显示屏安装所示。
基于安全考虑，如果安装在驾驶员能够直接看到的地方，KVH将安装一个开关，一旦车子开始启动，卫星电视就会自动关闭。另外，车内的观看者也可以使用耳机来减少对驾驶员的干扰。 凯迪拉克公司2005年起，开始在汽车里面提供KVH的Trac Vision卫星电视系统；美国租车公司Avis在凤凰城为该地区所有租赁的悍马H3汽车提供Trac Vision卫星电视服务；通用汽车在2006年开始在其SUV系列汽车里为卫星电视布线。预计2010年全美安装Trac Vision将达300万户。
4.Trac VisionA-7测试
Trac VisionA-7通过一系列的测试，KVH提供与***方同样规格的产品，同时也将该产品用于民用。
环境测试包括：
咸度寿命测试（MIL-STD-810 Method 509.4）；
湿度测试（MIL-STD-810 Method 507.4）；
灰尘测试（MIL-STD-810 Method 510.4）；
风雨测试（MIL-STD-810 FMethod 506.2）；
温度变化测试（MIL-STD-810 Method 503.4）；
温度测试（MIL-STD-810 Method 501.4/502.4）；
相信有一天篇10
磁性天线与电天线相比具有体积小、灵敏度高和抗干扰能力强的优点，使得其在无线电信号接收中得到越来越多的应用。但磁性天线的方向***是一个“8”字形，接收信号时存在明显盲区。因此在实际使用中，通常采用两根磁性天线，方向上互相垂直放置，再通过相应的信号合成电路来达到全方向上的接收［2～3］。使用模拟电路进行方向***合成，电路相对简单，但是存在调试复杂，移相精度不高等缺点。而数字信号方向合成电路规模小，数字移相精度高。蔡樱等提出用时延的方式使信号移相90°，从而实现甚低频水下全向数字接收。而本文提出应用希尔伯特滤波器在未知信号载波频率的条件，实现对任意载波频率的信号进行90°的相位，最终通过软件来完成天线全向接收功能。
2全向磁性天线的方向***合成原理
全向磁性天线基本原理如***1所示。假设θ为来波方向与天线1的轴向夹角，天线的接收频率为ω的信号。从天线1接收来的信号为Ucsinθsinωt，从天线2接收来的信号为Uccosθsinωt。可以看出，无论来波为哪个方向，则其中至少有一根天线可接收到信号，从而避免天线轴向的接收出现盲区。从两根天线来的信号进入方向***合成电路，把方向***相互正交的“8”字形信号进行合成，输出一路合成信号。这路合成信号是方向***为圆形的信号。希尔伯特滤波器可以提供90°的相位变化而不影响频谱分量的幅度［4］。设离散时间信号x（n）其希尔伯特变换为＾x（n）＝x（n）＊h（n）。单位抽样响应h（n）为h（n）＝0n为偶数2nπn烅烄烆为奇数（1）其频率响应为H（ejω）＝－j0＜ω＜πj－π＜ω＜｛0（2）则离散信号x（n）的离散希尔伯特变换可以表示为＾x（n）＝x（n）＊h（n）＝2π∑∞m＝－∞x（n－2m－1）2m＋1（3）但要注意的是，利用FIR滤波器实现希尔伯特变换将会使输出信号延迟N／2（N为滤波器系数长度），因此利用延时器使两路信号同步
3Matlab辅助设计与仿真
用Matlab中的FDAtool可以快速、有效地设计希尔伯特宽带滤波器，要求采样频率为400KHz，通频带为10KHz～190KHz，滤波阶数为60，***2为滤波器抽头系数。***3为滤波器幅频特性。可以看出希尔伯特为全通滤波器，过渡带陡峭。如***4所示，利用Simulink工具对信号进行合成仿真。频率为50kHz，幅度分别为5和10的信号作为输入信号，验证对应的数据点是否满足相位相差90°。仿真结果如***5所示，信号1为幅度为5，频率为50kHz的正弦波经过希尔伯特滤波器的输出，信号2为幅度10，频率为50kHz的正弦波经过30个单位延时输出，经比较可发现信号1可以准确的移相90°，第三个波形为两组信号相加的结果，即接收的是全向信号。
4基于FPGA的方向***合成功能实现
FPGA选用ALTERA公司CycloneII系列EP2C70F672C8芯片，门数资源非常丰富，可满足目前绝大多数的信号处理硬件编程和控制能力。本设计采用QuartusⅡ软件平台下的VHDL硬件描述语言进行软件编程，并通过quartusⅡ完成硬件的***，测试，利用SignalTapⅡLogicAnaly－zer观察硬件输出波形。
4．1时钟分频模块
由于开发板自带10MHz晶振，为了得到400KHz的时钟信号，需要进行分频。分频原理及分频系数的设定：通过锁相环由10MHz晶振产生20MHz时钟，再由20MHz分频得到400kHz。20MHz与400kHz相差50倍，50／2＝25，设定分频变量为0～24即VARIABLEcnt：INTEGERRANGE0TO24［5］。
4．2信号发生器模块
数控振荡器NCOIPcore具有附加的相位、频率调制功能，满足各种数字信号处理的需要，利用NCO设计采样率为10MHz、频率为50kHz的正弦波数字信号，经过400KHz的低速A／D采样转换成数字信号送入希尔伯特滤波器，另一路信号同样经过低速率A／D采样和30个时钟周期的延时模块。
4．3宽带移相滤模块
利用数字信号处理IP（Intellectualproperty）Core设计滤波器，由于FDAtool计算出的值是一个有符号小数，而在FIRIPCore滤波器模型需要一个整数（有符号整数类型）作为滤波器系数［6］，所以必须进行量化。把matlab生成的滤波器系数经过量化后导入FIRIPCore，量化后的滤波器系数如***6所示。
4．4采用FPGA的实现方案
***7所示为NCO产生的正弦波进入数字信号合成器。***8为全向天线数字信号合成原理***。它由14位400KHz低速A／D采样寄存器，锁相环，分频器，延时器，希尔伯特滤波器，14位加法器，14位400KHz低速D／A采样寄存器七个模块组成。在QuartusⅡ中，用SignalTapⅡLogicAna－lyzer观察希尔伯特滤波器移相情况。如***9所示，第一路为NCO产生的采样率10MHz，频率为50KHz的正弦信号。第二路为信号经过400KHz低速A／D采样的输出并送入希尔伯特滤波器前的波形。第三路为数字信号经过希尔伯特滤波器移相输出后的波形。可以明显看出信号二和信号三发生90°的相位变化而频率没有改变。***10为经过移相和延时的两路信号经过14位加法器的输出情况。第二路与第三路信号相加得到第一路信号。***7FPGA仿真原理由于滤波器通带范围为10KHz～190KHz，用FDAtool设计希尔伯特滤波器采样率必须为滤波器截止频率和通带频率之和的2倍，即400KHz。而A／D采样速率要与滤波器采样速率相等。与频率为50KHz的信号相比，虽然400KHz的采样率较低，但采样之后的数字信号可以完整地保留原始信号中的信息。输出的数字信号经过400KHz时钟的D／A可以恢复出原始信号。
5结语