通信论坛 计算机与网络创新生活 扩频通信中波束形成自适应算法的实现 桑士伟杨晓雷牛昆 （中国电子科技集团公司第五十四研究所河北石家庄０５００８１） 【摘要】自适应算法是智能天线系统中的关键技术。最小均方（ＬＭＳ）算法具有技术成熟方法简单的特点，它是基于最小均 方误差（ＭＭＳＥ）准则，通过迭代的方式寻找最小均方误差，从而得到最佳权值。ＬＭＳ算法的关键是参考信号的获得，在扩频通信体 制中，利用ＰＮ码这一已知条件，对接收的信号进行解扩、重扩后可作为参考信号。 【关键词】ＬＭＳ算法ＭＭＳＥ准则 解扩重扩算法 中图分类号：ＴＮ９１４．４２文献标识码：Ａ文章编号：１００８—１７３９（２０１０）１０—４３—３ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｂｅａｍ－ｆｏｒｍｉｎｇ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｎ Ｓｍａｒｔ Ａｎｔｅｎｎａ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｐｒｅａｄ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ ＳＡＮＧ Ｓｌ１ｉ—ｗｅｉ ＹＡＮＧ Ｘｉａｏ－ｌｅｉ ＮＩＵ Ｋｎｎ （Ｔｈｅ ５４ｔｈ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ＣＥＴＣ，ｓ ｉａｚｈｕａｎｇ Ｈｅｂｅｉ ０５００８１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｄａｐｔｉｖｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ａ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｔｈｅ ｓｍａｒｔ ａｎｔｅｎｎａ．Ｌｅａｓｔ ｍｅａｎ ｓｑｕａｒｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｈａｓ ｓｕｃｈ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｓ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｍａｔｕｒｉｔｙ ａｎｄ ｓｉｍｐｌｉｃｉｔｙ，ａｎｄ ｉｔ ｉｓ ｂａｓｅｄ ＯＨ ｔｈｅ Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅｄ Ｅｒｒｏｒ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ ａｎｄ ｇｅｔｓ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｗｅｉｇｈｔｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｉｔｅｒａｔｉｖｅ ｌｏｏｐ ｔＯ ｒｅａｃｈ ｔｈｅ ｌｅａｓｔ ｓｑｕａｒｅ ｅｒｒｏｒ．Ｔｈｅ ｋｅｙ ｆａｃｔｏｒ ｉｎ ＬＭＳ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ｔｈｅ ａｃｑｕｉｓｉｉｏｎ ｏｆ ｔｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｓｉｇｎａｌ，ａｎｄ ｉｎ ｔｈｅ ｓｐｒｅａｄ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｒｅｃｅｉｖｅｄ ｓｉｇｎａｌ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ａｓ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｓｉｇｎａｌ ａｆｔｅｒ ｄｅｓｐｒｅａｄ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ａｎｄ ｒｅｓｐｒｅａｄ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｋｎｏｗｎ ｃｏｎｄｉｉｏｎ ｏｆ ｔＰＮ ＣＯＤＥ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＬＭＳ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ；ＭＭＳＥ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ；Ｄｅｓｐｒｅａｄ—ｒｅｓｐｒｅａｄ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ １引言 智能天线具有抗干扰和增加通信容量的性能，最初用于 军事领域，随着数字信号处理技术的迅速发展，ＤＳＰ芯片处理 能力的提高和芯片价格的下降，促使智能天线技术开始在无 线通信中广泛应用。智能天线通过处理器和权值调整算法组 关重要。自适应算法通常是根据一定的性能准则获得波束形 成的最佳权矢量。主要的性能准则包括最小均方误差ＭＭＳＥ、 最小二乘Ｌｓ、最大信干比ＭＳＩＮＲ等，根据有无训练序列又可 分为非盲算法和盲算法。 ２系统组成 系统主要由３个部分构成：天线阵列、数字信号处理单 元、波束形成自适应算法单元。天线阵列一般使用低增益天线 阵元，阵元的排列方式大都采用规则的几何结构：如均匀线 阵、均匀圆环阵和平面阵等。数字信号处理单元完成信号的 Ａ／Ｄ变换、数字正交下变频、对各路信号加权、相加得到波束 形成信号 （ｆ），然后与系统预先产生的参考信号ｒ（，）比较，得到 成的反馈控制系统，计算权值，调整天线阵列的辐射方向图、 频率响应及其它参数，利用天线阵列进行波束形成，可产生多 个独立的波束，跟踪信号变化，对干扰方向调零，减弱甚至抵 消干扰，增加系统的信干比，提高系统的性能。智能天线的空 域滤波特性依赖于波束形成自适应算法，自适应算法对智能 天线的性能起着决定影响，算法的收敛性、快速性和稳定性至 定稿日期：２０１０—０４—１ ５ ２０１０年第１０期《计算机与网络》 通信论坛 计算机与网络创新生活 误差信号ｅ（Ｏ，然后送给波束形成自适应算法单元进行运算。 波束形成自适应算法单元通过一定的准则和算法处理，得到 一此来估计梯度，即， Ｖ＝—ＬＬ＝盟：－ ・２ｅ． Ｘ ：组使 ｒ）达到最小的权值ｗｌ， ，…， ，根据这组权值对各 Ｏｗ ＷＨ＋１ ｗ”＋ ‘ 路信号进行加权，使得天线的主瓣指向期望信号强度最强的 方向，零陷对准干扰方向。当期望信号或干扰信号发生移动 （６） 时，误差信号Ｐ（，）发生变化，波束形成自适应算法单元会调节 权值得到一组新的权值，这组权值就会改变主瓣和零陷的方 向，使主瓣始终指向信号的最强方向、零陷对准干扰方向。智 ４参考信号的提取 ＬＭＳ算法波束形成系统中，每一个阵元输入信号乘以１ 能天线其实是一个反馈系统如图１所示。 个权值，然后把它们相加作为阵列输出 （，）。权值由一个使误 差信号 （ｒ）的均方值最小化的反馈系统来控制，见图１。 ｅ（ｔ）＝ｒ（ｒ）一 （ｆ） （７） 系统的性能直接和参考信号有关，假设接收的信号 （，）＝ｓｄ（ｆ）＋Ｓｉ（ｒ）＋Ｓｎ（，），由期望信号 （ｆ）、干扰信号 （ｒ） 图１智能天线系统结构示意图 和噪声Ｓｎ（，１三部分组成。如果参考信号就是期望信号 （，）， 那么误差信号 （ｆ）就是干扰信号Ｓ．（，）和噪声 （，），可以通过 ３ ＬＭＳ算法 调整权值，使误差信号Ｐ（，）最小，从而减小干扰和噪声。事实上 无法事先知道期望信号Ｓｄ（，），只要参考信号ｒ（，）和期望信号 Ｓ （ｆ）高度相关，而与干扰信号 （ｆ）、噪声Ｓｎ（，）不相关，就可 以获得最佳权值，实现自适应波束形成功能。～些特定的通信 体制中，可以利用它自身的特点获得这样的参考信号，（ｆ）。在 扩频通信中，如何利用ＰＮ码产生参考信号，如图２所示： ［Ｉ ｆ ］＝Ｅ［ ’］＝ ［（ 一ｗ ）（ －－ＷＨＸ） ］ ＝ＥＩＬ ｄ 一２ｄｘ ｗ＋Ｗ 嚣 Ｗ ＪＩ （１） 求ＥＩ Ｉｅｌ ｌ相对于Ｗ的梯度， 图２参考信号产生图 ： ２搬 州 假设发射信号采用的是ＢＰＳＫ调制， ，（ｆ）＝ａ（ｔ）ｃ（ｔ）ｅ （８） （，）为信息源，ｃ（，）为伪随机序列， 为载波，ｃ（，）的 ＝ 二‘ 码速率远远大于 （，）。阵列输出ｓ（ｒ）和本地ＰＮ码ｃ．（，）相 乘后，信号变为 ’（，）：ａ（ｔ）ｃ（ｔ）ｃ’（ｆ （９） 当本地的ＰＮ码ｃ’（，）与发射的ＰＮ码ｃ（，）同步时， ｃ（ｔ）＝ｃ’（ｒ），则ｃ（ｔ）ｃ’（，）＝ｌ。信号变为： ’（ｆ）：ｄ（，）（，）Ｐ （１０ ： 一 ： 一 —￣ ［１ｅ Ｊ２１ 对干扰信号和噪声信号来说，由于与伪随机序列不相关， ４ ＋ 在相关解扩器的作用下，相当于进行了一次扩频，干扰信号和 噪声信号频谱被扩展后，功率谱密度降低，后面滤波器的频带 最速下降法在迭代过程的每一步要求得到梯度的准确 值，需要知道输入信号的先验统计值，这是很难做到的。 在实 正好让信息源口（，）通过，滤掉带外的干扰和噪声，降低了期望 信号频带内的干扰功率，提高了信干噪比。随后在与本地的 际应用中，梯度矢量要在每一步迭代中进行估计。ＬＭＳ算法是 在每一次迭代中，将误差信号的瞬时平方值代替其均方值，以 ＰＮ码相乘，就产生了参考信号，．（ｒ），ｒ ）＝ａ（ｔ）ｃ（ｔ）ｅｊｗ＇（１１） 上式中的参考信号ｒ（ｔ）不等于期望信号 （，），实际上 《计算枕与厢络》２０１０年第１０期 通信论坛 计 且 利Ｉ． 与 １）。【Ｉ 帑 例 Ｗｄｒ 年 －＿＿■％ｍ１ｆ．Ⅷ翮啊Ｉ 日册ｌ曩』 【０还包括噪声和干扰，这里将其忽略掉。参考信号是通过 ６结束语 一个反馈环产生的，每经过一次循环干扰和噪声就被降低一 次．经过多次循环后．干扰和噪声．尤其是干扰大大降低 图中 的限幅器是为了防止参考信号ｒ（，）的幅值不断增加下去，由 下式实现． 扩频通信体制下的智能天线系统，采用ＬＭ 自适应算 法，并根据ＰＮ码提取参考信号，此方案合理可行。由仿真结 萎 ５系统仿真 天线阵元数为４，期望信号为Ｓａ（ｔ）＝ａ（ｔ）ｃ（ｔ）ｅＩ坩，载波频率 ７０ＭＨｚ，信号方向一１０。，ａ（ｔ）为ＢＰＳＫ调制信号，码速率是 制 ’ 摊 默 参考文献 ［１１ ＬｕＪｕｎ，Ｚｈａｎｇ，Ｘｉａｏｗｅｎ，ＬｉＣｈｅｎｇｓｈｕ，＂Ａ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ—Ｓｉｇｎａｌ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｓｍａｒｔ Ａｎｔｅｎｎａ Ａｒｒａｙｓ ４００ｋｂ／ｓ，ｃ（ｃ）为扩频序列，码速率６．４Ｍｂ／ｓ，码长为１６位。干扰 信号为一个单频信号，频率７０ＭＨｚ，信号方向３０。，噪声为高 ｉｎ ＣＤＭＡ Ｓｙｓｔｅｍｓ”Ｕ】’ｉｎ ＩＣＰＭＳＣ ９８，Ｊｕｎｅ ２２￣２４，Ｓｈａｎｇｈａｉ， ＣｈｉＩ１ａ． 斯白噪声，仿真结果如图３所示，在一１０。方向形成了波束，而 在３０。方向形成了一个３０ｄＢ的零陷。 【２】付卫东”智能天线设计概述・ｔＵ１，通信导航与指挥自动化， ，２００５（４）． ： ） ． －２Ｏ ｆ【３４】Ｒ梁宏军，郑好望，”智能天线中基于解扩重扩算法的ＬＭＳ— ＤＲＭＴＡ算法Ⅱ］，火控雷达技术，２００５（１２）． ．Ｔ．ＣｏｍｐｔｏｎＪｒ．Ａｄａｐｔｉｖｅ ｎｔＡｅｎａｓ［Ｍ］，Ｐｒｅｎｔｉｃｅ Ｈａｌｌ，Ｉｎｃ． １９８８． －．３５ 【５】邱天爽等，”通信中的自适应信号处理”［Ｍ】，电子工业出 版社，２００５（１２）． 一 ＿４。－４５ Ｅｎ．０－８ｏ２Ｏ ０ ２ ＤＯＡ ０ ８０ １００ 【Ｊｆ６ Ｌａ１６１ Ｃｈａｎｄ ＧｏｄａｒａＳｍａｒｔ Ａｎｔｅｎｎａ ｔｉｌｌ＇ｄ ，ＣＲＣ Ｐｒｅｓ ｓ ＬＬＣ， “，，’’ 图３波束形成图 ２００４． 盛夏宅人爱普生全系列原装耗材电话购 原装墨盒一键搞定 随着喷墨打印机技术的更新，目前市场上的主流喷墨产 印品质。爱普生推出黑墨４９元／支，彩墨５５元／支的Ｔ１０９系 列颜料墨水就是个很好的例子。更为重要的是，主流厂商的 品，无论是商务还是家用，其在打印速度和成本控制等方面 的表现越来越出色，得到了广大用户的普遍认可。伴随喷墨 打印机用户数量的迅猛增长，其周边产品．特别是耗材的需 求量也越来越大。在巨大的市场需求和利益面前，大量兼容、 假冒伪劣耗材严重充斥市场。有鉴于此，爱普生公司为给用 服务也越来越让用户省心、放心。在“品牌”日益重要的今天， 选择一个信得过品牌的产品与服务，实则比单纯的“计算打 印成本”更加经济。 优墨积分真情回馈 早在２００４年，爱普生公司便在国内首家推出，购买正品 户提供高品质的优质产品和服务体验，专门开通官方４００服 务热线，用户只需拨打４００—８１０—９９７７转７进行电话订购，即 耗材积分奖励兑换礼品的活动，并建立了会员俱乐部制的 “优墨积分”社区，凡购买爱普生贴有“优墨积分”标识的正品 可享受爱普生全系列正品耗材送货上门服务。 正品耗材省钱省心 一耗材用户，都可以通过在线注册的方式加入优墨积分俱乐 部，积分换取各种礼品。为保持“优墨积分”社区的顺畅运作， 特别构建了一个从基础的ＩＴ架构到礼品采购、物流配送等 直以来。原装耗材似乎就是“高品质、高价格”的代名 词。应该说．随着墨盒生产技术的不断升级和市场规模的不 断扩大，这一说法已经成为历史。我们可以看到，众多主流厂 诸多环节在内的运营体系，以求得最大化地优化用户的使用 体验，帮助用户提高效率。而现在，“宅”人们可以电话订购爱 商一方面增加了墨盒的容量，另一方面也降低了墨盒的价 格，使用户可以在很低的打印成本下享受到原装墨水的高打 普生正品墨盒，既节约了时间和交通费，又不用担心买到假 冒产品，同时还可参与积分活动，享受爱普生的盛夏回馈。 ／ ２０１０年第１０期《计算机与网络》