智能天線就是陣列天線與先進的信號處理技術(shù)相結(jié)合，將信號處理從時域和頻域擴展到空域，利用接收信號的空問信息，來完成空域濾波和定位，從而形成同時具有空時處理能力的天線。與傳統(tǒng)的FDMA（頻分多址）、TDMA（時分多址）、CDMA（碼分多址）方式相比，智能天線引入了SDMA（空分多址）方式。SDMA突破了傳統(tǒng)的三維思維方式，在第四維空間上極大地提高了無線頻譜資源的利用率。智能天線具有自適應調(diào)整天線方向圖、跟蹤期望信號、抵消干擾信號、提高信干比等很多優(yōu)點。智能天線技術(shù)是信號處理中的一個重要領(lǐng)域。

　　自適應智能天線研究的核心技術(shù)是自適應算法，自適應算法對智能天線的性能和結(jié)構(gòu)有至關(guān)重要的影響。經(jīng)過多年的發(fā)展，智能天線理論已經(jīng)日趨成熟，理論研究方面的主要工作是研究快速高效的智能天線新算法。目前，對智能天線的應用研究已經(jīng)出現(xiàn)了很多成果，如在移動通信中的應用等。本文將基于功率倒置算［1］來設(shè)計一種應用于GPS（全球定位系統(tǒng)）的智能天線系統(tǒng)。

　　1 基于功率倒置算法的GPs智能天線系統(tǒng)

　　1.1 智能天線結(jié)構(gòu)

　　智能天線一般由多個天線單元組成，每一個天線后接一個復數(shù)加權(quán)器，最后用相加器進行合并輸出。

　　智能的主要含義是指這些加權(quán)系數(shù)可以根據(jù)一定的自適應算法進行自適應調(diào)整，智能天線利用現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)，選擇合適的自適應算法，動態(tài)形成空間定向波束，使天線陣列方向圖主瓣對準用戶信號到達方向，旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，從而達到充分利用移動用戶信號并抵消或最大程度地抑制干擾信號的目的。給定一組加權(quán)值，一定的入射信號強度，不同入射角度的信號，由于在天線間的相位差不同，合并后的輸出信號強度也會不同。理想情況下，可以做到將天線方向圖主瓣對準有用信號，而把副瓣或零陷對準干擾。

　　1.2 GPS中智能天線系統(tǒng)的組成

　　調(diào)制在L1載波（1 575.42 MHz）上的射頻信號經(jīng)過BPF（帶通濾波器）濾掉帶外干擾，經(jīng)過LNA（低噪聲放大器）進行放大，經(jīng)過功分器使信號以1：1的比例分為兩路。在I/Q分離中使用傳統(tǒng)的模擬方法，通過90°功分器實現(xiàn)。在波束形成網(wǎng)絡中，I/O分量與權(quán)值相乘后需經(jīng)過疊加輸出，在疊加中除了第1 陣元的疊加系數(shù)為1，其余都將反相疊加，這一過程使用180°功分器實現(xiàn)。

　　天線接收到的GPS信號十分的微弱，信號功率只有-130 dBm（-160 dBW），經(jīng)過天線陣元接收后將獲得6 dBm的增益，但因天線與LNA之間放置了BPF將引入2 dBm插入損耗，使信號功率變?yōu)?126 dBm，經(jīng)過LNA的放大，信號獲得24 dBm的增益。經(jīng)過功分器將使信號損耗4 dBm。功分器在此系統(tǒng)中有很重要的作用，能夠?qū)π盘栠M行1：1的多路分配。

　　1.3 數(shù)字化功率倒置算法的硬件實現(xiàn)

　　由功分器出來的信號經(jīng)過1：1的同相分配，一路經(jīng)過波束形成網(wǎng)絡濾波輸出，另一路用于功率倒置算法中權(quán)值的更新。信由于A/D采樣速率越高，采樣精度越低，要使得算法移植到DSP（數(shù)字信號處理器）中仍能有效，必須保證采樣得到的數(shù)據(jù)位數(shù)；而且采樣頻率過高幾乎靠近射頻，對DSP的速度要求也會很高。因此在具體處理時，有必要先將GPS射頻信號下變頻到中頻，然后對其中頻信號進行帶通采樣。

　　1.3.1 下變頻與I/Q分離

　　雖然GPS衛(wèi)星信號發(fā)射的載頻是公開的，但多普勒頻移將使得在實際載波與己知發(fā)射載波之間發(fā)生偏離，利用己知載波下變頻到零中頻的衛(wèi)星信號，在零頻率附近會發(fā)生混疊，解決辦法是下變頻到一個合適中頻。對于GPS信號的下變頻，可供選擇的芯片有CXA1951，CXA3355ER，RF2498，MAX2680/2681/2682，MAX2740/2742/2745/2744等。

　　1.3.2 量化與采樣精度

　　在A/D的量化過程中，不可避免地有信號損失，對于選定的A/D器件來說，采樣精度是確定的，但接收機面對的電磁環(huán)境卻是隨時變化的，如果A/D的動態(tài)范圍太小，會造成處于弱勢的有用信號基本被量化掉。在滿足采樣速率足夠高的情況下，應該選取采樣精度至少為12 hit的A/D轉(zhuǎn)換器，這樣在預先進行增益處理的情況下，能夠保證數(shù)據(jù)的失真盡可能小。

　　1.3.3 DSP模塊的選擇

　　在天線抗十擾模塊的設(shè)計中，除了所應用的算法對于抑制干擾有效以外，作為天線部分的一個輔助功能模塊，必須始終考慮處理的實時性問題，不能因為這部分數(shù)字信號處理工作造成后續(xù)各部分的額外困難。這也是本設(shè)計中的一個難點，因此在用來完成抗干擾算法的核心芯片的選擇上，一定要處理速度足夠快，同時還要保證算法的精確度。

　　目前芯片市場上TI公司和AD公司生產(chǎn)的高性能通用DSP芯片都是流行的芯片，但是TI公司的TMS320C6000系列的性能更加優(yōu)越，TMS320C64X系列足TMS320C6000系列中定點運算的佼佼者。這種芯片結(jié)構(gòu)的主要特點為：主頻400 MHz/5 00 MHz/600 MHz，對應指令周期2.512 ns/1.67 ns（3檔可選）；每周期最多可以執(zhí)行8條32 bit的指令，最大處理速度可達4 800 MIPs（百萬條指令每秒）；8個高度獨立的功能單元，包括6個ALU（32 bit/40 bit）、2個乘法器、64個32 bit通用寄存器，專用存取結(jié)構(gòu)；L1/L2兩級存儲器結(jié)構(gòu)，其中有相互獨立的L1P程序緩存以及LID數(shù)據(jù)緩存各128 kbit，L2（8 Mbit）為統(tǒng)一的程序/數(shù)據(jù)空間，可以根據(jù)需要靈活分配；2個外部存儲器接口，其中一個為64 bit的EMIFA，另一個為16 bit的EMIFB；DMA控制器，具有64個獨立通道；可由用戶設(shè)定32 bit/16 bit總線寬度的主機接口，通過它可訪問DSP的整個存儲空間。

　　TMS320C64x相對TMS320C6000系列其他的DSP而言，處理能力在多個方面得到了提升，具有更多的功能單元，增加了交叉通道以及雙字讀取和存儲指令，還能對數(shù)據(jù)進行打包與解包處理，極大地增強了高精度數(shù)據(jù)處理的能力。

　　2 功率倒置算法的軟件實現(xiàn)及仿真

　　用DSP實現(xiàn)天線權(quán)值的實時更新，目前DSP應用程序的開發(fā)多采用高級語言和高級語言混合編寫。

　　存在3個干擾信號的仿真結(jié)果，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。

　　3 結(jié)束語

　　智能天張的應用必將越來越廣泛，在GPS中應用智能天線會有效地改善系統(tǒng)的抗干擾特性。當然，如何設(shè)計結(jié)構(gòu)更加合理、性能更加優(yōu)越的智能天線系統(tǒng)，還有待繼續(xù)探討、研究。