智能天线在数字移动电视接收中的应用研究

1 引言

数字移动电视(DMTv)是在移动环境中接收无线电信号，其信道特性非常复杂，特别是在城市环境中快速行驶车辆上接收的电视信号在1 s内的衰落可达数十次。这种衰落现象严重恶化接收信号的质量，影响信号接收的可靠性。对于车载电视来说，在这样的传播条件下要保持可接受的传输质量，就必须采用多种抗衰落技术。

智能天线技术是一种空域信号处理技术，如将智能天线用于车载HDTV并结合时域信号处理，不仅能抗衰落、抗多径、抗干扰，还能充分利用多径信号极大提高信号接收的可靠性［1-2］。

2 智能天线算法

自适应算法中最具代表性的是LMS算法和HA算法。为了实现自适应抗干扰，LMS算法需要有参考信号。如果直接将阵列的输出作为误差信号，追求均方误差最小将导致阵列输出最小，这就是所谓的"功率倒置算法"［3］。功率倒置算法采用的是具有严格约束条件的最小功率准则，该准则要求在某一特定方向上的功率为一定的条件下，调节权矢量，使输出的功率最小，从而达到自适应的目的。最小功率准则实质上就是线性约束最小方差(LCMV)准则，其数学表示式为
 
其意义为：在保证对有用信号s的增益为常数的条件下，使输出总功率最小。实际上也等效于使输出信噪比最大。

功率倒置法的基本思想是保持第一支路阵元的输出功率恒定，其他阵元的加权系数可以调整，通过调整其他加权系数使阵元的功率输出最小。由于有一个阵元的输出功率恒定，所以在调整加权系数使输出功率最小时，其物理意义为：在方向图的干扰方向将形成零陷，并且干扰越强，零陷越深。

2．1算法模型的建立

设有D个干扰分别从不同的方向θ1，θ2…，θd入射到间距为d=λ／2的M元均匀线阵，λ为工作波长，θ1，θ2为干扰入射方向。则接收的阵列矢量为 X(t)＝AS(t)+n(t) (3)

式中：X(t)为接收矢量；S(t)为接收信号；n(t)为背景噪声；A为阵列导引矢量矩阵。有

A=[a(θ1)，a(θ2)，…，a(θn)] (4)

式中：a(θn)表示第p个干扰的导向矢量；p∈［1，D］并有

 
式中：φp=πsinθp。

定义输入信号的协方差矩阵为

 
式中：P=E{s(t)sH(t)}为信号的相关矩阵，σ2为噪声功率，［·］H表示矩阵的共轭转置。2．2算法的推导
功率倒置自适应算法实质是一种具有严格约束条件的自适应算法。其约束条件为WTSo=1，即是要求自适应阵在任何时候均需保证θo方向的天线增益为1

So=[1，O，…，0]T (7)

则条件WT·So=1变成

［W1，W2，…，WN］[1，0，…，0]T=l (8)

或W1=1 (9)

即这时要求第一支路的加权系数为1。这种自适应阵列如图1所示。图中xi(t)为每个阵元接收的信号，矢量表示为

X=(x1，x2，…，xM)T (10)

Wi为多加权系数，写成

W=(Wl，W2，…，WM)

其中，W1=1，阵列输出为

Y=WTX十XTW (12)

选择(W2，W3…，WN)T的最佳值，使阵列输出E［|y|］最小。因而从物理意义上就可想象出，它的波束图将在干扰方向引入零陷，且干扰越强引人的零陷越深，其相应的最佳输出最小。这就是功率倒置意义所在。

阵列输出功率Poup。可表示为［3］

 
加上约束条件WTSo=1构成拉格朗日函数
 

取公式(2)～(12)的梯度，令

即得最佳加权矢量

式中：为输入矢量X的自相关矩阵，上标*表示共轭，上标T表示矩阵转置，入是拉格朗日乘子系数。

最小输出功率为
 
式中：X'为阵列可调部分的输入矢量，Z为X'与固定支路输入x．的相关矢量，而R'为X'的相关矩阵，故Rxx可表示为分块矩阵

式中：P1为固定支路的输入功率。最佳权矢量可表示为 
 
其中 为阵列可调部分最佳加权矢量。

将式(5)，式(19)，式(20)代入式(14)得

展开可得
 
即功率倒置自适应算法的最佳加权矢量方程。
3仿真及实现

用DSP实现天线权值的实时更新，目前DSP应用程序的开发多采用高级语言和高级语言混合编写。功率倒置算法的Matlab仿真结果见图2。

图2，3表示当期望信号为(15°，30°)，在不同水平角和仰角，存在3个干扰信号的仿真结果，这3个干扰信号方向分别为：(10°，25°)，(40°，180°)，(75°，300°)，可以看到，3个方向上的干扰信号都被衰减到很小，这也说明算法的有效性。

采用智能天线技术后，系统能在几毫秒时间内在干扰方向上形成方向图零点，从而有效抑制脉冲干扰对信号接收的影响，极大地提高了信号的接收性能。