毕业设计(论文)基于演化算法对简单天线的粗略研究.doc
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1、 本科毕业论文(设计)题目:基于演化算法对简单天线的粗略研究 姓 名: 学号: 院(系):机械与电子信息学院 专业: 通信工程 指导教师: 职称: 讲师 评 阅 人: 职称: 2009年 6 月学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名: 年 月 日 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定,同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被
2、查阅和借阅。本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、 保密 ,在_年解密后适用本授权书。2、 不保密 。(请在以上相应方框内打“”)作者签名: 年 月 日 导师签名: 年 月 日 摘要随着社会的发展,科技的进步,现在已经进入了信息时代。然而信息时代的最明显特征就是通信技术的发展。信息要传播,就必须有信号的发射与接受。天线成了必不可缺的产物。天线通俗地说,就是一个变换器:是作无线电波的发射或接收用的一种金属装置。天线技术发展到今天,也是在不断的进步与摸索中前进。智能天线和演化
3、天线成为了当今通信界的热门。本文中的智能天线技术定义为:具有波束成形能力的天线阵列,可以形成特定的天线波束,实现定向发送和接收。智能天线可以利用信号的空间特征分开用户信号、以及多径干扰信号。智能天线包括自适应天线和切换波束天线:自适应天线阵自适应地识别用户信号的到达方向,通过反馈控制方式连续调整自身的方向图;而切换波束天线则是预先确定多个固定波束,随着用户在小区中的移动,基站选择相应的使接收信号最强的波束。空间分集接收则是利用分集合并技术在空间合并多个不相关的接收信号,可以有效对抗信号的空间选择性衰落和改善系统性能。演化天线也就是天线的演化,演化(Evolution)一词在生物界的解释是:又称
4、进化,指生物在不同世代之间具有差异的现象,以及解释这些现象的各种理论。这里我们借用了生物界的进化一词,天线的演化也就是在原有传统天线的基础上利用演化算法对天线进行优化。在电磁学理论的指导下,从本质上对天线进行方程求解,从而得到更加优化完美的天线。从而实现天线的演化。本文将重点介绍遗传算法和演化算法直接的联系和差异。本文还将对两个软件仿真进行重点的描写,NEC和HFSS仿真软件,并且通过一组实验对这两个软件的结果进行比较,从而对演化天线的性能和实用性进行评估,确认演化天线的实用价值。【关键字】:天线 智能天线 演化天线 进化 演化算法AbstractWith the development of
5、 society, the advancement of technology, have entered the information age. However, the information age is the most obvious features of the development of communication technology. To the dissemination of information, it is necessary to signal the launch and acceptance. Antenna has become indispensa
6、ble product. In other words, antenna is a converter: for radio wave emission or reception of a metal device used. Development of antenna technology and is constantly exploring the progress and advances. The evolution of smart antennas and antenna has become popular in todays communications sector. I
7、n this paper, the smart antenna technology is defined as: the capacity of beamforming with antenna arrays, the antenna can form a particular beam, the realization of directional transmitting and receiving. Smart antennas can be used to separate the signal characteristics of the user space signal, MA
8、I and multipath interference signal. Including smart antenna and adaptive antenna switch beam antenna: adaptive antenna arrays adaptive signal to identify the user direction of arrival, through feedback control for adjusting the direction of their own plans; and switched beam antenna is pre-determin
9、ed number of fixed beams, with the users in the area of mobile, select the appropriate base station receiving the strongest signal beam. Space diversity receiver is to use the sub-collection and technology combined in space to receive a number of unrelated signals can be effective against the signal
10、 space selective fading and improve system performance. The evolution of the antenna is the evolution of the antenna, Evolution (Evolution) in the biological interpretation of the word is: also known as evolution, refers to the biological differences between different generations of the phenomenon a
11、nd explain the various theories of these phenomena. Here we use the word evolution of the biosphere, the evolution of the antenna is in the original basis of the traditional antenna for the evolution of the antenna. In electromagnetic theory, under the guidance of nature to the antenna equation in o
12、rder to be more perfect antenna optimization. In order to achieve the evolution of the antenna. This article will focus on the genetic algorithm and evolutionary algorithm and the difference between a direct link. This article will focus on two software simulation for the description, NEC and HFSS s
13、imulation software, and through a set of two experiments to compare the results of software and thus the evolution of the antenna performance and practicality of assessment to confirm the evolution of the antenna practical value.【Keyword】:Antenna Smart Antenna Evolution Evolutionary Algorithm目录第一章 绪
14、论11.1 天线的发展历史11.2 智能天线的概念11.2.1 智能天线概念的提出21.1.2 智能天线的基本原理21.3 智能天线技术的实现方案31.4 智能天线的发展和国内外概况41.4.1 智能天线的发展过程41.4.2 智能天线发展的国内外概况51.5 智能天线应用的发展和优势61.5.1现实应用中的发展61.5.2智能天线的优点71.6演化天线71.6.1可演化天线简介71.6.2可演化天线的设计8第二章 演化算法概述92.1 遗传算法概念与发展史92.2 演化算法的一些概念及其与遗传算法的比较112.2.1 遗传算法的概念简介112.2.2演化算法提出112.3演化算法特性122.
15、4演化算法的原理和方法132.4.1演化算法与最优化132.4.2演化算法的一般框架14第三章 天线设计153.1关于演化天线153.2演化天线的设计153.2.1天线模型设计的想法153.2.2天线的需求173. 3分支GA183.3.2适应值函数203.4 无分支GA213.4.1无分支GA介绍213.4.2适应值函数22第四章 演化天线的结果与分析234.1 HFSS与NEC的软件简介234.2演化天线的仿真及比较234.3结果分析28第五章 一些想法与建议305.1 遗传算法中参数的基本建议305.2演化天线新认识30致谢32参考文献33第一章 绪论1.1 天线的发展历史 天线(Ant
16、enna)的另一个名称,叫做Aerial,所谓Aerials就是指一条条用来发射或接收无线电讯号的长导线;当然这是指高科技人员在还没将它们发扬光大,并称它们为天线之前的情况。一群无线电盘古开天的无线电家们,经常利用各种导线来测试他们所发明或改良的无线电机器,一般情况下是噪声横飞,更惨的是导线融化,再不然呢就是真空管烧了一大堆,或者是保险丝烧了一大片。在探索家们的不断试验之后,手工天线出现在人们的生活中,但是随着时代的进步手工天线的一些缺点也显露出来。手工天线设计: 耗费时间,劳动强度大 不能太复杂,性能不尽人意 需要经验丰富的天线专家 为适应现代通信设备的需求,天线的研发主要朝几个方面进行,即
17、减小尺寸、宽带和多波段工作、智能方向图控制。随着电子设备集成度的提高,通信设备的体积也越来越小,这时天线对于整个设备就显的过大,这就需要天线减小自身尺寸。然而,在不明显影响天线的增益和效率的同时减小天线的尺寸却是一项艰巨的工作。电子设备集成度提高,经常需要一个天线在较宽的频率范围内来支持两个或更多的无线服务,宽带和多波段天线能满足这样的需要。天线发展到今天,天线的设计要通过电磁学理论进行设计,通过数学建模的方式对天线方程进行运算,然后运用软件进行仿真,使设计出来的天线更加精密。这也是天线演化到今天的一个必然。1.2 智能天线的概念1.2.1 智能天线概念的提出 从 1948 年出现第一台移动电
18、话以来,移动通信已经历了 20 世纪 60 年代初贝尔实验室提出的蜂窝结构、80 年代初以模拟技术为技术特征的第一代移动通信的发展和90年代初以数字技术为主要特征的第二代移动通信的发展。近年来,随着全球通信业务剧增以及个人通信等新概念的出现和 IMT2000 标准化工作的进行,新一代移动通信系统(即第三代移动通信系统,简称 3G)的技术和系统开发已成了移动通信最热门的话题。3G 的目标是有极大的系统容量,有极好的通信质量,有极高的频带利用率。要在复杂移动通信环境和有限频带资源下实现这个目标,它必须克服多径衰落、时延扩展和多址干扰这 3 个因素的限制。传统的频谱资源管理办法主要是从时域和频域两方
19、面去解决,由此也就产生了所谓的时分多址(TDMA)和频分多址(FDMA)两种通信体制。针对 TDMA 和 FDMA之不足,人们又提出了码域的CDMA,由于它利用伪码的相关特性,使多个用户可以同时在一个信道上实现通信而不相互干扰,因此能成倍地提高系统容量。但 CDMA不仅存在着远近效应,需要复杂的功率控制,而且单个信道占用频谱资源较宽,在某一特定频道内信道数就十分有限,所以仍然无法满足人们对频谱资源的需求。为了进一步提高用户服务容量,90 年代初又提出了从空域来提高频谱利用率的设想,即空分多址(SDMA),它可以给位于不同空域的用户分配同一时隙、信道和码址,利用电波信号的空间隔离来消除用户之间的
20、干扰。智能天线(Smart Antenna,SA)就是基于这种设想的新式天线。目前,SA 是一种还没有被人们充分开发的新技术,世界上许多著名的大学和公司都竞相致力于智能天线的研究与开发,包括我国、北美和欧洲在内的提供给 ITU(International Telecommunications Union)的 GRTT 标准建议中,几乎都附有一条:如果有可能,本建议将采用 SA技术。可见,虽然 SA技术目前还未到达大规模实用阶段,但它在 3G移动通信以及未来的移动通信体制中占有重要地位。1.1.2 智能天线的基本原理 智能天线是一种阵列天线,它通过调节各阵元信号的加权幅度和相位来改变阵列的方向图
21、形状,即自适应或以预制方式控制波束幅度、指向和零点位置,使波束总是指向期望方向,而零点指向干扰方向,实现波束随着用户走,从而提高天线的增益和信干噪比,节省发射功率,延长电池寿命和降低体积,其基本原理结构如图 1-1示。图 1-1 智能天线原理结构图 由图可见,智能天线系统由以下几部分组成: 1)天线阵列部分 天线阵元数量M 与天线阵元的配置方式对智能天线的性能有着直接的影响,阵元数M ,一般在移动通信中取M 8、16等。 2)阵列形状 阵列形状大致可分为:线阵、面阵、圆阵等。甚至还可以组成三角阵、不规则阵和随机阵等。 3)模数转换 对基站,上行时它将模拟信号转换为数字信号;在下行时,将处理后的
22、数字信号转换成模拟信号。 4)智能天线的智能体现主要体现在天线波束在一定范围内能根据用户的需要和天线传播环境的变化,通过数字信号处理器自适应的调整权值系数W1、W2 K WM 以调整波束形成网络,或者从预先设置好的权值系数列表中根据一定的准则挑选一组最佳值以调整主波束的方向。1.3 智能天线技术的实现方案智能天线分为两大类:多波束智能天线与自适应阵智能天线,简称多波束天线和自适应阵天线。多波束天线利用多个并行波束覆盖整个用户区,每个波束的指向是固定的,波束宽度也随阵元数目的确定而确定。随着用户在小区中的移动,基站选择不同的相应波束,使接受信号最强。因为用户信号并不一定在固定波束的中心处,当用户
23、位于波束边缘,干扰信号位于波束中央时,接收效果最差,所以多波束天线不能实现信号最佳接收,一般只用作接收天线。但是与自适应阵天线相比,多波束天线具有结构简单、无需判定用户信号到达方向的优点。自适应阵天线一般采用416天线阵元结构,阵元间距12波长,若阵元间距过大,则接收信号彼此相关程度降低,太小则会在方向图形成不必要的栅瓣,故一般取半波长。阵元分布方式有直线型、圆环型和平面型。自适应天线是智能天线的主要类型,可以实现全向天线,完成用户信号接收和发送。自适应阵天线系统采用数字信号处理技术识别用户信号到达方向,并在此方向形成天线主波束。自适应阵天线根据用户信号的不同空间传播方向提供不同的空间信道,等
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