MIMO波束赋形技术简介 {mtitle title="目录"/}前言在MIMO系统中，波束赋形技术通过调整每个天线阵元上的信号进行加权求和，使天线波束指向某个特定的方向，即将天线能量集中指向某个特定的用户。波束赋形分类根据波束赋形发生位置的不同，波束赋形技术分为模拟波束赋形(AnalogBeamforming, ABF)技术和数字波束赋形(Digital Beamforming, DBF)技术。在数字基带之前即时域范围内形成波束，称作数字波束赋形;在模拟基带之前即频域范围内形成波束，称作模拟波束赋形。数字波束赋形结构中，每根天线对应的一条射频(RF)链路，产生波束时多条RF链路共同参与，因此可以实现多个数据流共同传输。数字波束赋形使用复杂的硬件结构，可以灵活的调整相位和幅度，产生准确的波束。对于天线数量众多时，导致整个结构的硬件实现非常复杂，成本很高。模拟波束赋形技术使用成本比较低的模拟移相器，只能调整相位而不能调整幅度,产生波束不一定准确。模拟波束赋形，具有简单的硬件结构，实现成本低，没有多条RF链路，只能传输单数据流阵列天线阵列天线实现功能是对多列电磁波进行叠加，不同天线位置会产生不同的电磁波辐射，因此，波束赋形技术与天线位置和摆放有密切关系。阵列天线包括线阵天线和面阵天线两种线阵天线是指所有天线阵元分布在一条直线上，或者所有天线阵元分布在一个圆周上，阵元与阵元的间隔可以是等距的或不等距的;面阵天线是指所有天线阵元以某个点为中心分布在一个矩形面上，或者所有天线阵元分布在一个圆面上，同样，阵元与阵元的间隔可以是等距的或不等距的。对于F大线数量较多的情况，天线阵列可能会扩展到三维空间，也是未米人线架构设计的一个方向。混合波束赋形数字波束赋形可以产生精确的波束，但是每根天线映射一条RF链路，从硬件实现和成本考虑，该技术适用于天线数量较少的系统。对于天线数量较多的系统，可以使用实现成本较低的模拟波束赋形，可能导致波束不准确，增益效果不是很好。因此，对于大规模MIMO系统，结合两者优点，提出了一种混合波束赋形技术,希望在满足硬件条件下，使其增益尽可能达到全数字波束赋形的效果。在较小的面积内拥有大量天线单元使实现高波束成形增益变得切实可行。具有高度方向性的波束有助于抵消较高工作频率下增加的路径损耗，因为波束将功率控制在特定方向上。总结Simulink和Matlab联合仿真，能够设计并且仿真单个天线，天线阵列，MIMO波束成型系统。对于雷达、5G等方向，有着重要意义。当然，工具不仅仅只有这一个，ADS也能设计从射频波束混合系统，到天线阵列的仿真。参考文献：[1]使用Matlab进行5G开发

天线设计2-电磁学基础与线形天线 第三章 辐射积分与辅助函数求解辐射场的分析中，通常需要构造辅助函数来帮助求解。常见的辅助位函数为，磁矢量A- (也称为磁矢位)。远场辐射很多天线的辐射场使用球面坐标来表示会较为方便，其一般形式是重要公式线形天线 Linear Wire Antenna线形天线是最古老、最便宜、最简单、应用最广泛的天线。因此我们尝试从最小的天线结构和最简单的几何形状开始分析。我们以极小偶极子的辐射场特性为例，讲解辐射场的一般求解过程。极小偶极子 Infinitesimal Dipole极小偶极子对应于导线很短,很细，电流近似均匀分布的情况。求解辐射场这样我们就得到了极小偶极子的辐射电场和磁场。以上的分析在源以外的区域都是有效的。功率密度和辐射电阻利用前面计算的结果和坡印廷矢量的计算公式辐射场分布前面所推导的极小偶极子的电磁场的分布 在源以外的区域都是适用的，但在不同的区域，场的一些特性可能有所区别。近场 kr <<1中场 kr>1远场 kr>>1在远场时，径向的电场几乎为0。能流密度垂直于径向，以辐射波为主。从近场到远场的过渡动画： 动画方向性一般远场辐射特性的求解过程前面我们以极小偶极子为例，求解了极小偶极子的辐射特性。一般远场辐射特性的计算过程如下：指定电流或者磁流密度确定辅助场A确定远场的E和H计算(a)能流密度或(b)辐射强度计算辐射功率计算极化计算归一化的功率图计算辐射电阻和输入电阻有限长度偶极子极小偶极子是一种将电流分割成无数小电流源的近似，实际情况中，需要求解的往往是有限长度的偶极子。我们假设电流在导线上的分布是正弦形式的，电流密度可以写成：辐射电阻根据前面辐射功率和辐射电阻的关系，可以得到辐射电抗输入电阻输入端看到的电阻与天线的辐射电阻未必是相同的。因为导线上的电流分布发生了变化。半波偶极子辐射阻抗辐射电阻：

天线设计1-基本参数 第一章 导言天线类型 辐射机理电磁波是如何产生，并最终与天线“分离”而在自由空间中传播的呢？我们讨论以下几种辐射源的辐射原理。 单根导线 这一方程表示了电流和电荷之间的关系，也是电磁辐射的基本条件：要产生电磁辐射，需要有电流或电荷的加速(或减速)。要产生电荷的加速或减速，需要导线弯曲、不连续、或者端接。就如同水流一样，当管道宽度变化，流速发生变化，在管道宽度变化的区域，就有水流的加速/减速。为了定性的的了解辐射机理。考虑一个脉冲源连接到一个导线，导线与GND存在RC寄生参数，到导线通电时，导体中的电子被加速；在终端的电子被减速，即反射；从而在导线的两端和导线上产生辐射场。在这个过程中，电荷加速是外部源造成的，电场使电荷运动；电荷减速，则于是由于感应场有关的力造成的，例如导线两端的电荷积累。因此激励电场引起电荷加速，而导线阻抗不连续导致辐射的产生。 传输线 考虑一个电压源连接到图1.11(a)所示的两根导线上。导线间的交变电压使得电荷加速或减速，交变电场感应出交变的磁场，反之亦然，因此，从天线端产生了电磁波，并传播到自由空间中。结论：激发电场需要电荷，单维持电场不需要。（这就类似水波的产生） 偶极子 首先我们要接受电磁场传播的速度是有限的。两个偶极子在每T/2的时间内交换位置，每个T/2时间内，电场只能传播的距离。每次偶极子交换位置时，电场的极性发生了变化，因此传播的电场变成交变电场，产生交变磁场，从而形成了脱离源的电磁波。电流在细导线上的分布讨论天线的辐射场时，需要知道电流的分布。 分析方法 在过去，分析复杂天线问题通常用积分方程方法、几何衍射理论来求解。此类方法用于线型天线较为方便。然而当辐射系统为多个波长时，低频的方法计算效率不高，最近广为关注和应用的GTD/UTD方法，它是几何光学的拓展，通过引入衍射机制，克服了几何光学的局限性。有限差分时域是另一种在散射方面受到广泛关注的方法，现已应用到天线辐射问题。有限元是一种在解决天线问题中获得巨大成功的方法。遇到的挑战 目前仍有许多挑战和需要解决的问题，例如单片集成MIC技术和相控阵架构依然是最具挑战的问题。复杂问题的计算电磁学。创新的天线设计。多功能、多频带、超宽带、可重构天线等。第二章 天线的基本参数和FOM在描述天线性能前，需要定义一些参数，一些参数可能是相互关联的。书中的许多带引号的定义来源于 IEEE Standard Definitions of Terms for Antennas [IEEE Std 145-1993.Reaffirmed 2004(R2004)]Radiation Pattern 辐射图在天线研究中，通常用球面坐标来表示电磁场会较为方便，因此首先介绍球面坐标系辐射波瓣（radiation lobe）：以辐射强度较弱的区域为边界，将辐射图分割成几个区域。最大的辐射波瓣称为主瓣（major lobe），其他则为次瓣(minor lobe)。副瓣(side lobe)通常表示功率水平最高的次瓣。后瓣(back lobe)方向与主瓣方向相反的次瓣。各向同性、定向、全向天线其中全向天线是定向天线的特殊类型。主平面 对于线性极化的天线，通常用其主要平面图来描述其性能，包括：电场平面(E-plane)：包含最大电场矢量与最大辐射方向的平面。磁场平面(H-plane)：包含最大磁场矢量与最大辐射方向的平面。大多数天线的通常的做法是让至少一个电磁平面与几何平面重合。例如图2.5中，可以定义XOZ平面为电场的主平面，而XOY为磁场的主平面。 Field Regions 场区 天线周围空间可分成三个区域：图2.8显示了，从近场到远场时，场的形状随距离的典型变化趋势。在近场中，场更加分散，几乎均匀，只有很小的变化，随着距离到辐射近场区，图案变得圆滑，逐渐形成波瓣。在远场区，形成了类似花瓣的图案。 弧度和球面度 波束宽度 HPBW Half power beam width 半波束宽度FNBW First Null Beam width 第一组零点之间的宽度方向性 定义：在给定方向上的辐射强度与各项同性源的辐射强度之比。 波束立体角 波束立体角定义：假如辐射强度是恒定的，且等于最大值，流过某一个立体角的功率等于天线辐射功率，那么该立体角称为波束立体角。传导效率和介电效率通常很难计算，可以通过实验测量，但也很难区分出二者，因此把两项合并成传导-介电效率极化 辐射波的极化定义为：沿着传播方向观察电场的矢量箭头，随时间变化，绘制的轨迹图。极化可以分成线性、圆形和椭圆。如果电场的矢量始终沿着一条直线变化，则该电场称为线性极化；但一般而言，电场矢量箭头的路径通常是椭圆形，这称为椭圆极化。圆形和线性实际上是椭圆的特赦情况。假如有一个沿着负z轴方向传播的平面波。其电场可以写成： 输入阻抗 重要公式

LoRa码元调制、编码与解调 LoRa调制链路●LoRa调制链路由五部分组成，分别是纠错编码机、交织器、扩频序列产生器、笛卡尔极坐标转换器、Delta-sigma调制器。纠错编码器●当一组数据(用户的有效载荷(Payload) )被推入数据包接口( Packet Interface)时，调制过程开始。调制器通过纠错编码机将前向纠错编码(ForwardErrorCorrection，FEC)添加到这些字节中。●这些有效载荷数据每个字节首先分成半字节(4比特一组)。然后，根据编码速率配置，在1到4冗余纠错位之间选择并追加到每个半字节。调制器编码速率通过CR寄存器进行设置，表3-1为前向纠错编码配置表。交织器●纠错编码后，产生的(4+CR)位比特段，随后被存储到交织器的存储阵列中。交织器(Interleaver) 有(4+CR)列和SF行。一旦交织器满了，它的内容将编码到码元上。每个码元都带有SF位。因此，交织器内有(4+CR) *SF 比特，独立于扩频因子SF被编码到4+CR码元上。●这里举一一个例子让读者理解交织器。假设此时CR=1，，， SF=7， 其交织器为7行、5列。需要传输的数据流为:00000001001000110100010101100111。先将这些比特流分为4b一组(b1,b2,b3,b4) : 0000; 0001; 0010; 0011; 0100;0101; 0110; 0111; 对上述数据增加1比特校验位(b1,b2,b3,b4，C) 后为: 00000; 00011; 00101; 00110; 01001;01010; 01100; 01111; 再将，上述数字填入交织器的存储列阵中，当35b数据进入交织器的存储列阵后，交织器存储满了，下一组数据(b1,b2,b3,b3,C) 需要填入下一个交织器中。扩频序列产生器门坐标转换、Delta-sigma调制输出解调编码下是一个SF=7的LoRa调制编码图， 从图中可以看出码元、码片、比特速率、载荷数据之间的关系。图中SF=7， 所以发送信号带宽切分为128(27-128)个频率段的码片。假设该系统工作频率为470MHz,BW=250kHz，相邻码片间隔为250kHz/128=1 .95kHz，此时f0=470MHz,f1=470.00195MHz,f2=470.0039MHz,.. .f127=470.24805MHz.图3-9中有三个时间长度分别是码片率(Chip rate)，比特速率(Data rate)，码元率(Symbol rate)，可以清楚地看出它们的对应关系.{message type="success" content="解释一下：如果要发送f64,就在f64频率出加到f127,然后再从f0加到f64"/}不同的SF对应带宽BW除以时间的斜率，SF越大倾斜角度越小。SF和BW对应一种LoRa调制方式，只有接收机也采用对应的SF和BW才能正常解调，否则信号在相干解调中会淹没在噪声中。在实际的相干解调中，LoRa调制在不同的SF信号或不同的BW下都是正交的，频带可以充分利用。比如在BW=125kHz的同频段内，一个SF=7信号Psez和一个SF=8信号Psps都在发射，频段内的噪声为N,，当两个信号都满足解调信噪比要求时(SNRsf7 >=-7.5dB; SNRsf8>=-10dB) ，两个信号都可以正常解调。这里需要注意，当计算SNRsf7时，SF=8的信号表现为此系统噪声，SNRsF7= Psp/(N0+Psf8) ;同理当计算SNRsf8时，SF=7的信号表现为此系统噪声，SNRsf8=Psf8/(N0+Psf7).

【天线/射频】什么是回波损耗？什么是插入损耗？ 一、前言什么是回波损耗？什么又是插入损耗？这个貌似很容易回答，回波损耗吗，就是Return Loss，缩写为RL，S11，插入损耗就是 Insertion Loss，IL，S21。确实没错，就是这么简单。但是为什么叫做回波呢？为什么又叫做插入呢？今天我们仔细掰扯掰扯。二、回波损耗回波损耗，又称为反射损耗。（ 越大越好 ）是电缆链路由于阻抗不匹配所产生的反射，是一对线自身的反射。不匹配主要发生在连接器的地方，但也可能发生于电缆中特性阻抗发生变化的地方，所以施工的质量是提高回波损耗的关键。回波损耗将引入信号的波动，返回的信号将被双工的千兆网误认为是收到的信号而产生混乱。回波损耗：return loss。回波损耗是表示信号反射性能的参数。回波损耗说明入射功率的一部分被反射回到信号源。例如，如果注入1mW (0dBm)功率给放大器其中10%被反射(反弹)回来，回波损耗就是-10dB。从数学角度看，回波损耗为-10 lg [(反射功率)/(入射功率)]。回波损耗通常在输入和输出都进行规定。三、插入损耗插入损耗：insertion loss。（ 越小越好 ）指在传输系 统的某处由于元件或器件的插入而发生的负载功率的损耗，它表示为该元件或器件插入前负载上所接收到的功率与插入后同一负载上所接收到的功率以分贝为单位的比值。1.插入损耗是指发射机与接收机之间，插入电缆或元件产生的信号损耗，通常指衰减。插入损耗以接收信号电平的对应分贝（dB）来表示。2.插入损耗多指功率方面的损失，衰减是指信号电压的幅度相对测量插入损耗的电路原信号幅度的变小。通道的插入损耗是指输出端口的输出光功率与输入端口输入光功率之比，以dB为单位。插入损耗与输入波长有关，也与开关状态有关。定义为：IL=-10log(Po/Pi)四、插入损耗和回波损耗系统介绍首先，我们拿到一个系统，就是上面这个黑盒子，当电磁波信号进入这个黑盒子时，我们通常不需要去关心电磁波在里面经历了什么。我们只要知道它出来是什么就行了。但是，当电磁波从外面进入这个黑盒子时，相当于从一个介质进入到另一个介质，在交界面上会有一部分电磁波被挡在外面，这部分被挡在外面的电磁波就被反射回去了，返回去的电磁波就是回波。而进去的这部分电磁波在通过这个黑盒子时，就必然会被这个黑家伙影响到，如果这家伙有一点点贪心，肚子里装了一点点的小电阻材料，那么就留一点点买路钱就够了，就去的电磁波在交完买路钱之后，大部分会传输出去，这个被劫走的一部分电磁波能量我们就认为被损失了，无论是回波还是黑盒子吃掉的都是电磁波能量时导致的能量的损耗，都是由于黑盒子插入进来导致的损耗，所以通常被称为插入损耗。如下图所示。所以我们知道，其实一个微波元器件的插入损耗是由两部分组成的：回波损耗和电阻损耗。回波损耗的这部分电磁波能量被端口的不匹配给反射回去了，并没有转化成热散出去，所以我们在射频系统设计和分析中，要提防着这部分回波倒灌会对系统带来的影响。通常这部分倒灌的能量不是很大，怎么计算呢？举个简单的例子，比如上图端口1输入的电磁波功率是1W，即30dBm,如果端口1 的回波损耗RL=20dB。那么反射回去的回波的功率就是：30dBm-20dB=10dBm，也就是有10mW的功率被反射回去了。如果端口1 输入的功率是1kW，即60dBm，那么反射回去的回波功率就有10W了。如果端口1的回波损耗只有10dB，那将会有100W的功率被反射回去。这也证明了匹配的端口阻抗匹配的重要性。还有就是，功率越大，我们系统所要求的回波损耗就越小，在一些小功率的产品中，比如手机，匹匹配有个10dB就足够了。但是在电视发射系统中，因为发射机的功率通常会有上千瓦，所以，回波损耗通常要求在26dB以下。注意，插入损耗的部分损耗也是有回波导致的啊，所以回波损耗越差，插入损耗就越大。在端口匹配良好的系统中，插入损耗主要是由器件的电阻性材料导致的，这些电阻性材料导致的损耗，会转化成热。就像我们在衰减器中介绍的一样。其实转化成热，有时候更让我们头疼。因为热这个东西太可怕了，几乎所有的电子器件都有一个可以正常工作的温度范围，当超过这个温度了之后，工作就不正常了。长期在高温环境下工作，器件老化速率会加快，更容易损坏。

UART串行接口设计及通信实现 通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，通常称作UART，是一种异步收发传输器。异步串行、接口原理分析串行通信电气特性通常，UART串行接口采用RS-232-C电气标准进行通信。RS-232-C是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准。对于一般的通信，不需要掌握RS-232-C的所有信号的定义，只需要使用其中的2个信号TXD（数据发送）和RXD（数据接收），另外，参加通信的设备要将GND（地）要连到一起(共地)。数据线TxD和RxD的电平标准为: 逻辑1=-3V～-15V；逻辑0=+3～+15VRS-232-C标准规定的数据传输速率为9600、19200、115200等波特率。波特率是衡量资料传送速率的指标,表示每秒钟传送的符号数。如果波特率为9600，那么发送和接收数据都应该为9600bits/s。本节采用9600bit/s进行通信。UART串行数据格式起始位（逻辑0 ）+数据位（本节为8位数据位）+奇偶校验位（本节为偶校验）+停止位（本节使用1位停止位）+空闲位（逻辑1）通信的安全性问题串行异步通信，发送方和接收方使用各自的时钟。例如从FPGA电路板和计算机之间的通信，因此，不能保证两者的时钟完全相同。为保证接收数据的准确性，因此需要用较高的采样率进行采样，本节采用16倍的采样率进行采样，简单的选取中间采样点的值作为接收的数据。如图采用16倍波特率的采样率执行采样，一个比特可采集16个点，选取中间点即从第一个采样点开始的第8或第9个采样点（笑脸附近上升沿）采集该位数据，在接收双方始终频率相差不大的情况下，能够正确的完成通信。功能设计和演示预计实现的功能（演示）：将拨码开关代表的数据发送到串口（8位）；从串口接收电脑发来的数据，以数码管显示（8位）。主模块设计⚫ 调用分频模块⚫ 调用数码管显示IP⚫ 调用按键消抖动IP⚫ 调用串口发送模块⚫ 调用串口接收模块module v1( input clk, input [11:0] sw, input [3:0] btn,//行列键盘的输入 output [3:0] row,//行列键盘的行输出 output [7:0] seg, output [5:0] an, output [11:0] led, output txd, input rxd ); wire clk_ms,clk_20ms,clk_16x,clk_x; wire [3:0] btnout; wire [23:0] data_disp; wire data_ready; wire data_error; assign row[3:0]=1;//输出全部为高电平， 本例程只用4个 divclk my_divclk(.clk(clk),.clk_ms(clk_ms),.btnclk(clk_20ms),.clk_16x(clk_16x),.clk_x(clk_x)); //调用分频模块 ip_disp_0 uut_disp(//调用显示IP .clk(clk), .rst(0), .dispdata({data_disp[11:0],sw[11:0]}), .seg(seg), .an(an) ); ip_ajxd_0 uut_ajxd(//调用按键消抖动IP .btn_clk(clk_20ms), .btn_in(btn), .btn_out(btnout) ); uart_tx (.clk_x(clk_x),.data_in(sw[7:0]),.btn(btnout),.txd(txd),.led(led)); //调用串口发送模 块 uart_rx(.clk_16x(clk_16x),.rst(btnout[0]),.rxd(rxd),.data_disp(data_disp),.data_ready(data_rea dy),.data_error(data_error));//调用串口发送模块 endmodule串口发送程序设计串口接收程序设计