專利名稱：基于寬帶天線的波束賦形方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于寬帶天線的波束賦形方法，尤其涉及一種在頻域或時域實現的基于寬帶天線的波束賦形方法。
背景技術：
在通常的移動通信環境中，基站和移動臺之間的信號是沿接收機和發射機之間的若干路徑進行傳播。由于傳播路徑的不同，同一信號沿不同路徑到達接收機的傳播時延和到達方向角(DOA)也不同，從而造成多徑干擾和信號衰落。
陣列天線技術，能充分利用信號的空間特性，有效地減少多徑干擾和降低信號衰落，顯著地提高系統容量及服務質量，因此在實際中得到了廣泛的應用。
波束賦形是陣列天線的一個基本功能，也即陣列天線能對天線陣元的接收信號進行時延、加權以及合并處理形成天線波束，使波束主瓣對準用戶信號方向，而使波束零陷對準干擾信號方向，達到抑制干擾的目的。因此陣列天線形成的波束對系統性能有至關重要的影響。
圖1是一個由M個陣元組成的一維線列陣示意圖。如圖1所示，θ為入射信號仰角，d為陣元間距(幾何孔徑)，假設所有陣元間距相等。那么該天線陣列的波束半功率寬度θ0.5近似為 式中，M為天線陣列陣元數；f為信號載波頻率；c為光速，等于3×108m/s。
現有天線的幾何孔徑d和陣元數M通常是固定不變的，這意味著天線陣列長度M·d也是固定不變的。
從等式(1)可以看出，在天線陣列長度M·d不變的情況下，當接收不同頻率的信號時，天線形成不同寬度的波束。信號頻率越高，波束寬度越窄。研究證明波束寬度與頻率成反比。當寬帶信號不在波束指向的方向而是在其它方向進行接收時，由于天線對高頻信號的波束的寬度比較窄，所以部分高頻信號會落在天線方向圖的零陷上，造成該部分信號能量會被該波束輸出丟失，因此，天線的輸出是失真的。
為了解決上述的天線輸出失真問題，本發明提供了一種基于寬帶天線的波束賦形方法。
發明內容
本發明的一個目的是提供一種基于寬帶天線的波束賦形方法。在該方法中，針對不同信號頻率來改變天線基陣的有效孔徑，使得天線對不同信號頻率形成恒波束寬度的波束，在此前提下，計算天線針對不同信號頻率的權值向量，然后對輸入信號用計算得到的權值向量進行加權，以均衡天線對各個信號頻率的空間增益，從而消除了處理后的寬帶信號失真的現象。
本發明的另一個目的是提供一種具有陣列天線的移動終端中的恒波束寬度的波束賦形方法及其裝置，使用該接收方法及其裝置，可以有效地減少陣元在發射和接收信號時所產生的偏差，從而顯著提高通話的質量。
為了實現本發明的上述目的，按照本發明的一種基于寬帶天線的波束賦形方法，包括步驟檢測天線輸入信號的頻率；根據檢測的頻率確定天線陣列的陣元之間的有效天線孔徑；根據確定的有效天線孔徑和天線陣列的傳輸函數，計算各個天線陣元對該信號的權值向量；將輸入信號與所述各個天線陣元對該信號的權值向量相乘，然后合并輸出波束信號。
為了實現本發明的上述目的，按照本發明的一種基于寬帶天線的波束賦形方法，其中，將輸入信號與對應的權值向量相乘的步驟，進一步包括對輸入信號進行一系列的延時；將經過延時的各信號分別與對應的權值向量相乘，并合并加權后的各延時信號。
為了實現本發明的上述目的，按照本發明的一種基于寬帶天線的波束賦形方法，其中，還包括步驟在檢測天線輸入信號的頻率之前，先進行快速傅立葉變換，以將輸入信號轉換為頻域信號；在將天線各陣元加權后的信號合并后，再進行快速傅立葉逆變換，以將合并的頻域信號轉換為時域信號。
為了實現本發明的上述目的，按照本發明的一種基于寬帶天線的波束賦形裝置，包括有效天線孔徑計算模塊，用于檢測天線輸入信號的頻率，然后根據檢測的頻率確定天線陣列的陣元之間的有效天線孔徑；權值向量計算模塊，用于根據確定的有效天線孔徑和天線陣列的傳輸函數，計算各個天線陣元對該信號的權值向量；波束生成模塊，用于把輸入信號與所述各個天線陣元對該信號的權值向量相乘，然后合并輸出波束信號。
為了實現本發明的上述目的，按照本發明的一種基于寬帶天線的波束賦形裝置，其中，波束生成模塊進一步包括多組延時器，其中的每一組延時器用于對輸入信號進行一系列的延時；多組權值調節模塊，其中的每一組權值調節模塊用于將經過延時的各信號分別與對應的所述權值向量相乘；波束合并模塊，用于將加權后的信號合并，并輸出合并后的信號。
為了實現本發明的上述目的，按照本發明的一種基于寬帶天線的波束賦形裝置，其中，還包括時/頻轉換模塊，用于把天線輸入信號進行快速傅立葉變換，以將變成頻域后的信號提供給所述有效天線孔徑計算模塊；頻/時轉換模塊，用于將所述波束生成模塊合并輸出的頻域波束信號進行快速傅立葉逆變換，以獲得時域波束信號。
附圖簡述圖1是一個現有離散線性天線陣列的示意圖；圖2是根據本發明的空間重采樣的示意圖；圖3是根據本發明的一種基于寬帶天線的波束賦形模塊方框圖；圖4是根據本發明的一種在時域實現的基于寬帶天線的發射波束賦形裝置的方框圖；圖5是根據本發明的一種在頻域實現的基于寬帶天線的發射波束賦形裝置的方框圖；圖6是根據本發明的一種在時域實現的基于寬帶天線的接收波束賦形裝置的方框圖。
圖7是根據本發明的一種在頻域實現的基于寬帶天線的接收波束賦形裝置的方框圖；發明詳述從前述的等式(1)可以看出，通過改變天線的幾何孔徑d的大小，可以獲得不同波束寬度的天線波束；對于不同的信號頻率f，通過改變天線孔徑d的大小，使波束半功率寬度θ0.5恒定不變，可以獲得恒波束寬度的波束。
本發明提出的波束賦形方法就是基于上述原理，通過改變不同信號頻率的有效天線孔徑，使得天線對不同信號頻率形成恒波束寬度的波束，在此前提下，計算天線針對不同信號頻率的權值向量，然后對輸入信號用計算得到的權值向量進行加權，以均衡天線對各個信號頻率的空間增益。
下面將結合附圖，以一個連續天線陣列為例子詳細描述該波束賦形方法的處理流程。
首先，當輸入到天線陣元的信號頻率從初始頻率f0變為頻率fj時，為了使這兩個頻率下天線波束的寬度恒等，在該天線陣元位置重新采樣連續天線陣列以確保它的有效孔徑從d＝λ0/2變成d′＝λj/2。圖2是空間重采樣的示意方框圖。如圖2所示，d為陣元2對應于初始頻率f0的有效孔徑，d′為抽樣得到的陣元2′對應于頻率fj的有效孔徑。
然后，像一個離散天線陣列可以當作一個數字濾波器一樣，一個連續天線陣列可以當作一個模擬濾波器，它的傳輸函數可以用等式(2)表示ha(x)=Σi=1M[w0(i)·sin(π(x-(i-1)λj2)/λj2)π(x-(i-1)λj2)]...(2)]]>式中w0(i)是對應初始頻率f0的權值，λj是對應頻率fj的波長，x是與第1個天線陣元(參考點)的距離。從該傳輸函數可以看出，各個天線陣元對輸入信號的影響與初始頻率f0對應的權值向量w0(i)、天線陣元與第1個天線陣元的距離x，以及輸入信號的波長有關。
接著，根據新陣元2′的有效天線孔徑，以及連續天線陣列的傳輸函數，計算各個天線陣元對應于頻率fj的權值向量。該權值向量的計算由等式(3)給出wj(m)≈fjf0Σi=1M[w0(i)·sin{π[fjf0(m-1)-(i-1)]}π[fjf0(m-1)-(i-1)]]m=1,2,..M,i≠m...(3)]]>最后，輸入信號與上述計算得到的權值向量相乘，再通過合并器進行合并輸出，就得到恒波束寬度的波束。
圖3是一種基于寬帶天線的波束賦形裝置方框圖，其中包括一個有效天線孔徑計算模塊10，用于檢測天線輸入信號X(t)的頻率，然后根據檢測的頻率確定天線陣列的陣元之間的有效天線孔徑；還包括一個權值向量計算模塊20，用于根據確定的有效天線孔徑和天線陣列的傳輸函數，計算各個天線陣元對該信號的權值向量；和一個波束生成模塊30，用于把天線輸入信號X(t)與所述各個天線陣元對該信號的權值向量相乘，然后合并輸出波束信號Y(t)。
上述的有效天線孔徑計算模塊10、權值向量計算模塊20和波束生成模塊30可以由計算機軟件實現，也可以由計算機硬件實現。
以下部分，將以信號的接收和發送為例，說明上述的基于寬帶天線的波束賦形裝置及其方法分別在時域和頻域中的具體應用。
圖4是一種在時域實現的基于寬帶天線的發射波束賦形裝置方框圖，其中包括有效天線孔徑計算模塊10，權值向量計算模塊20和波束生成模塊30。
如圖4所示，有效天線孔徑計算模塊10首先檢測各個將要發射的時域信號的頻率，根據檢測的頻率確定天線陣列的陣元之間的有效天線孔徑為d＝λj/2，然后權值向量計算模塊20根據確定的有效天線孔徑計算各個天線陣元的權值向量，最后波束生成模塊30將各個時域信號與計算得到的權值向量相乘，合成輸出多路恒波束寬度的波束信號(Y1...Ym...YM)。
圖5是一種在頻域實現的基于寬帶天線的發射波束賦形裝置方框圖，其中包括有效天線孔徑計算模塊10，權值向量計算模塊20、波束生成模塊30、傅里葉變換模塊40以及傅里葉逆變換模塊50。
如圖5所示，傅里葉變換模塊40首先把各個將要發射的時域信號變換成頻域信號；然后有效天線孔徑計算模塊10檢測各個轉換后的頻域信號的頻率，根據檢測的頻率確定天線陣列的陣元之間的有效天線孔徑為d＝λj/2；權值向量計算模塊20根據確定的有效天線孔徑計算各個天線陣元的權值向量；接著波束生成模塊30將各個頻域信號與計算得到的權值向量相乘，合成輸出多路恒波束寬度的頻域波束信號；最后傅里葉逆變換模塊50把各路頻域波束信號轉換成時域信號(Y1...Ym...YM)。
圖6是一種在時域實現的基于寬帶天線的接收波束賦形裝置方框圖，其中包括有效天線孔徑計算模塊10，權值向量計算模塊20，山多組延時器60和多組權值調節模塊70以及波束合并模塊80構成的波束生成模塊30，。
如圖6所示，有效天線孔徑計算模塊10首先檢測各個天線陣元接收到的時域信號(X1...Xm...XM)的頻率，根據檢測的頻率確定天線陣列的陣元之間的有效天線孔徑為d＝λj/2，然后權值向量計算模塊20根據確定的有效天線孔徑計算各個天線陣元的權值向量，多組延時器60對各個接收到的時域信號進行延時處理，多組權值調節模塊70用權值向量計算模塊20計算得到的權值向量，對各個延時處理后的時域信號進行加權處理，最后波束合并模塊80將經過加權處理的各時域信號合成恒波束寬度的波束信號。
下面詳細說明該裝置的工作過程1、有效天線孔徑和權值計算首先有效天線孔徑計算模塊10檢測輸入基帶數字信號的頻率，根據檢測的頻率確定天線陣列的陣元之間的有效天線孔徑為d＝λj/2；然后在權值計算模塊20中，根據確定的有效天線孔徑，計算權值向量，具體的(1)當寬帶信號為已知波形時，從而其頻譜范圍也是已知的，其在該基陣一個陣元的脈沖響應為h′(n)；若寬帶信號是未知的，則需要根據輸入信號，采用FFT(傅里葉變換)、時頻分析等方法估算其頻譜范圍，以確定其在該基陣一個陣元的脈沖響應h′(n)。
(2)當陣列天線的陣元接收寬帶信號所引起的偏差被消除時，權值系數hmn(或表示為hm(n))應當滿足(4)式(不考慮信道影響)y(t)＝x(t)＝x(t)h′(n)hm(n)(4)其中，表示時域卷積；(3)由公式(4)得到權系數h·n＝hmn(m＝1，...，M)，其中h·n表示某一個陣元在時間域的權系數，其與天線的有效孔徑有關。
(4)確定權系數hm·，通過例如Chebyshev(切比雪夫)或Butterworth(巴特沃斯)加權，以獲得預定的波束形狀，其中權系數hm·表示同一時刻所有陣元的權系數。
(5)由權系數hm·和h·n，確定權值系數hmnhmn＝h·n×hm·(5)
(6)將生成的各權值系數hmn分別提供給各組權值調節模塊70。
2、加權將輸入信號按圖6裝置進行時間延時，τm＝(m-1)·d/c·sin(α0)，τm是相對于參考點的時延，用以形成指向角為α0的波束，Ts是延時單元，可采用1個采樣間隔。經過一系列延時后的各信號，分別與上述權值向量計算模塊20提供的各權值系數相乘，以得到經過時-空二維處理過的多波束信號。
3、合并把經過加權的各路信號數據在波束合并模塊80中進行迭加，以得到恒波束寬度的單路數字信號。
圖7是一種在頻域實現的基于寬帶天線的接收波束賦形裝置方框圖。其中，xm(t)是第m個通道的時域輸入信號，XBk(f)是方向角為αk的第k個波束的頻域輸出，xBk(t)是最后的時域輸出，K是形成的波束的總數，Bmk(fj)是變換矩陣，它可用等式(6)表示B(fj)=Wj(WjHWj)-12...(6)]]>式中Wj＝[wj1，wj2...wjk...wjK]，wjk是第k個波束的權值向量。通過對等式(3)進行計算，wjk能用等式(7)表示wjk=]]>diag[1,e-j2πfj(d/c)sin(αk)...e-j2πfj(d/c)sin(αk)(m-1)...e-j2πfj(d/c)sin(αk)(M-1)]×wj0...(7)]]>=diag(∂(fj,αk))×wj0]]>如圖7所示，時域的輸入信號xm(t)首先進行快速傅里葉變換以轉換成頻域信號，然后有效天線孔徑計算模塊10檢測得到的頻域信號的頻率，根據檢測的頻率確定天線陣列的陣元之間的有效天線孔徑為d＝λj/2；接著權值向量計算模塊20根據確定的有效天線孔徑和天線陣列的傳輸函數，計算各個天線陣元對該信號的權值向量，并且把計算得到的權值向量提供給各個通道的變換矩陣；各路頻域信號分別與所在通道的變換矩陣相乘進行加權運算，并通過多個信號合并器合成產生多個頻域波束信號；最后通過快速傅里葉逆變換把頻域波束信號轉換成時域的波束信號。
有益效果如上所述，當輸入到天線陣元的信號頻率從初始頻率f0變為頻率fj時，為了使這兩個頻率對應的天線波束的寬度恒等，在該天線陣元位置重新抽樣陣列天線以確保它的有效孔徑從d＝λ0/2變成d′＝λj/2，然后根據新陣元的有效天線孔徑，以及連續天線陣列的傳輸函數，計算對應于頻率fj的權值向量，輸入信號與該權值向量相乘，就可以獲得恒波束寬度的波束輸出，因此消除了處理后寬帶信號的失真現象。
此外，將上述的恒波束寬度的波束賦形方法及其裝置應用在具有陣列天線的移動終端中，通過對經過一系列延時后的輸入信號分別進行加權處理，并將經過時-空二維加權處理后的合并得到單數字信號，有效地減少了陣元在發射和接收信號時所產生的偏差，顯著地提高了通話質量。
本領域技術人員應當理解，本發明所提供的基于寬帶天線的波束賦形方法及其裝置，適用于寬帶無線發射和接收系統、下一代(第3代和第4代)通信系統的基站和移動終端、應用于陣列天線和寬帶天線的芯片組和組件。
本領域技術人員應當理解，本發明所公開的基于寬帶天線的波束賦形方法及其裝置，還可以在不脫離本發明內容的基礎上做出各種改進。因此，本發明的保護范圍應當由所附的權利要求書的內容確定。
權利要求
1.一種基于寬帶天線的波束賦形方法，包括步驟檢測天線輸入信號的頻率；根據檢測的頻率確定天線陣列的陣元之間的有效天線孔徑；根據確定的有效天線孔徑和天線陣列的傳輸函數，計算各個天線陣元對該信號的權值向量；將輸入信號與所述各個天線陣元對該信號的權值向量相乘，然后合并輸出波束信號。
2.如權利要求1所述的基于寬帶天線的波束賦形方法，其中，所述將輸入信號與對應的權值向量相乘的步驟，進一步包括對輸入信號進行一系列的延時；將經過延時的各信號分別與對應的權值向量相乘，并合并加權后的各延時信號。
3.如權利要求1所述的基于寬帶天線的波束賦形方法，其中，還包括步驟在檢測天線輸入信號的頻率之前，先進行快速傅立葉變換，以將輸入信號轉換為頻域信號；在將天線各陣元加權后的信號合并后，再進行快速傅立葉逆變換，以將合并的頻域信號轉換為時域信號。
4.如權利要求1、2、或3所述的基于寬帶天線的波束賦形方法，其中，所述的陣元之間的有效天線孔徑為d＝λ/2，其中λ是所述輸入信號的波長。
5.如權利要求1、2、3、或4所述的基于寬帶天線的波束賦形方法，由基站和移動終端中至少其中一個執行。
6.一種基于寬帶天線的波束賦形裝置，包括一個有效天線孔徑計算模塊，用于檢測天線輸入信號的頻率，然后根據檢測的頻率確定天線陣列的陣元之間的有效天線孔徑；一個權值向量計算模塊，用于根據確定的有效天線孔徑和天線陣列的傳輸函數，計算各個天線陣元對所述輸入信號的權值向量；一個波束生成模塊，用于把所述輸入信號與所述各個天線陣元對該信號的權值向量相乘，然后合并輸出波束信號。
7.如權利要求6所述的基于寬帶天線的波束賦形裝置，其中，所述的波束生成模塊進一步包括多組延時器，其中的每一組延時器用于對輸入信號進行一系列的延時；多組權值調節模塊，其中的每一組權值調節模塊用于將經過延時的各信號分別與對應的所述權值向量相乘；一個波束合并模塊，用于將加權后的信號合并，并輸出合并后的信號。
8.如權利要求6所述的基于寬帶天線的波束賦形裝置，其中，還包括一個時/頻轉換模塊，用于把天線輸入信號進行快速傅立葉變換，以將變成頻域后的信號提供給所述有效天線孔徑計算模塊；一個頻/時轉換模塊，用于將所述波束生成模塊合并輸出的頻域波束信號進行快速傅立葉逆變換，以獲得時域波束信號。
9.如權利要求6、7或8所述的基于寬帶天線的波束賦形裝置，其中，所述的陣元之間的有效天線孔徑為d＝λ/2，其中λ是所述輸入信號的波長。
10.一種基站系統，包括一個無線信號收發模塊，用于接收或發送無線信號；一個有效天線孔徑計算模塊，用于檢測基站天線輸入信號的頻率，然后根據檢測的頻率確定基站天線陣列的陣元之間的有效天線孔徑；一個權值向量計算模塊，用于根據確定的有效天線孔徑和天線陣列的傳輸函數，計算基站各個天線陣元對所述輸入信號的權值向量；一個波束生成模塊，用于把所述輸入信號與所述基站各個天線陣元對該信號的權值向量相乘，然后合并輸出波束信號。
11.如權利要求10所述的基站系統，其中，所述的波束生成模塊進一步包括多組延時器，其中的每一組延時器用于對輸入信號進行一系列的延時；多組權值調節模塊，其中的每一組權值調節模塊用于將經過延時的各信號分別與對應的所述權值向量相乘；一個波束合并模塊，用于將加權后的信號合并，并輸出合并后的信號。
12.如權利要求10所述的基站系統，其中，還包括一個時/頻轉換模塊，用于把基站天線輸入信號進行快速傅立葉變換，以將變成頻域后的信號提供給所述有效天線孔徑計算模塊；一個頻/時轉換模塊，用于將所述波束生成模塊合并輸出的頻域波束信號進行快速傅立葉逆變換，以獲得時域波束信號。
13.如權利要求10、11或12所述的基站系統，其中，所述的陣元之間的有效天線孔徑為d＝λ/2，其中λ是所述輸入信號的波長。
14.一種移動終端包括一個無線信號收發模塊，用于接收或發送無線信號；一個有效天線孔徑計算模塊，用于檢測移動終端天線輸入信號的頻率，然后根據檢測的頻率確定移動終端天線陣列的陣元之間的有效天線孔徑；一個權值向量計算模塊，用于根據確定的有效天線孔徑和天線陣列的傳輸函數，計算移動終端各個天線陣元對所述輸入信號的權值向量；一個波束生成模塊，用于把所述輸入信號與所述移動終端各個天線陣元對該信號的權值向量相乘，然后合并輸出波束信號。
15.如權利要求14所述移動終端，其中，所述的波束生成模塊進一步包括多組延時器，其中的每一組延時器用于對輸入信號進行一系列的延時；多組權值調節模塊，其中的每一組權值調節模塊用于將經過延時的各信號分別與對應的所述權值向量相乘；一個波束合并模塊，用于將加權后的信號合并，并輸出合并后的信號。
16.如權利要求14所述移動終端，其中，還包括一個時/頻轉換模塊，用于把移動終端天線輸入信號進行快速傅立葉變換，以將變成頻域后的信號提供給所述有效天線孔徑計算模塊；一個頻/時轉換模塊，用于將所述波束生成模塊合并輸出的頻域波束信號進行快速傅立葉逆變換，以獲得時域波束信號。
17.如權利要求14、15或16所述移動終端，其中，所述的陣元之間的有效天線孔徑為d＝λ/2，其中λ是所述輸入信號的波長。
全文摘要
一種基于寬帶天線的波束賦形方法，包括步驟檢測天線輸入信號的頻率；根據檢測的頻率確定天線陣列的陣元之間的有效天線孔徑；根據確定的有效天線孔徑和天線陣列的傳輸函數，計算各個天線陣元對該信號的權值向量；將輸入信號與所述各個天線陣元對該信號的權值向量相乘，然后合并輸出波束信號，通過對經過一系列延時后的輸入信號分別進行加權處理，并合并得到單數字信號，有效地減少了陣元在發射和接收信號時所產生的偏差，顯著地提高了通話質量。
文檔編號H01Q3/22GK1768449SQ200480009004
公開日2006年5月3日 申請日期2004年3月17日 優先權日2003年4月1日
發明者戴延中 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司