專(zhuān)利名稱(chēng)：一種改進(jìn)的波束指向相位調(diào)整方法和波束指向模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域，特別是涉及一種改進(jìn)的波束指向相位調(diào)整方法和波束指向模塊。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代通信環(huán)境中各類(lèi)噪聲和干擾的數(shù)量與日俱增，有用信號(hào)能量較弱(例如，GPS定位信號(hào)到達(dá)地球表面時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度僅為約-ieodBW)，使得有用信號(hào)的提取與處理難 度增大。有鑒于此，使用多天線(xiàn)陣元接收信號(hào)以提高信號(hào)處理準(zhǔn)確度的方法成為趨勢(shì)。在多接收天線(xiàn)系統(tǒng)接收到信號(hào)的處理方法中，波束指向以其原理簡(jiǎn)單、實(shí)施方便、有效性高的優(yōu)勢(shì)成為其中的熱門(mén)處理方案。從電磁場(chǎng)角度來(lái)說(shuō)，天線(xiàn)都具有各自的極化類(lèi)型和極化方向，天線(xiàn)極化主瓣方向到來(lái)的入射波被接收機(jī)接收后能獲得較大的增益，而處于極化主瓣外的干擾波可被接收到的功率則很小。多接收天線(xiàn)的天線(xiàn)陣?yán)闷潢囋膱?chǎng)的相互影響和疊加能夠獲得更窄的極化主瓣和更大的主瓣增益，如將天線(xiàn)陣極化主瓣對(duì)準(zhǔn)信號(hào)源方向，則能更好地增強(qiáng)有用信號(hào)，減弱主瓣外的干擾。天線(xiàn)陣的這一好處對(duì)于弱信號(hào)的接收、處理和信號(hào)抗干擾都起到了重要作用。然而，不足之處也很明顯。由于天線(xiàn)陣的極化主瓣必須對(duì)準(zhǔn)有用信號(hào)的來(lái)向，才能獲得信號(hào)增強(qiáng)和抗干擾效果，這就要求信號(hào)接收系統(tǒng)必須時(shí)刻調(diào)整天線(xiàn)陣狀態(tài)甚至各個(gè)陣元狀態(tài)才能滿(mǎn)足需要。顯而易見(jiàn)，這種物理上的調(diào)整由于功耗、精度、復(fù)雜度、處理速度和器件損耗等原因較難應(yīng)用。波束指向是運(yùn)用算法處理模擬或數(shù)字信號(hào)，以增強(qiáng)接收到的來(lái)自某一特定信號(hào)源的有用信號(hào)，從而達(dá)到物理上調(diào)整天線(xiàn)陣主瓣方向?qū)?zhǔn)該信號(hào)源的效果。波束指向只處理接收機(jī)接收到的信號(hào)，并不影響天線(xiàn)陣的物理狀態(tài)。這種算法上的處理能夠避免調(diào)整天線(xiàn)陣物理狀態(tài)所引起的問(wèn)題，并且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可靠性高，是一種較為熱門(mén)的信號(hào)處理方案。波束指向是指將多個(gè)天線(xiàn)陣元接收到的信號(hào)按某一方向進(jìn)行疊加，從而獲得更大的信號(hào)能量或?yàn)V波零陷的方法。天線(xiàn)陣的陣元接收到的信號(hào)可能是多個(gè)信號(hào)源或干擾源發(fā)送的不同頻率、不同初始相位、不同幅度的信號(hào)的組合，按某一方向疊加的含義是將各個(gè)陣元接收到的組合信號(hào)中源自某一特定信號(hào)源的信號(hào)疊加，從而有效增強(qiáng)接收機(jī)獲得的這一信號(hào)源的信號(hào)強(qiáng)度。由于存在相位差的多路同源信號(hào)疊加可能會(huì)得到信號(hào)減弱，甚至相互抵消的結(jié)果，波束指向的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)就在于調(diào)整各個(gè)陣元接收到的信號(hào)的相位，使得各路信號(hào)中源自目標(biāo)信號(hào)源的信號(hào)基本同相后再疊加，才能達(dá)到增強(qiáng)有用信號(hào)的目的。對(duì)于一個(gè)N陣元(N ^ 2)天線(xiàn)陣來(lái)說(shuō)，天線(xiàn)陣各個(gè)陣元與期望指向的目標(biāo)信號(hào)源之間的路徑長(zhǎng)短、相對(duì)相位均不同，目標(biāo)信號(hào)源發(fā)出的信號(hào)到達(dá)各個(gè)陣元的波程存在差別。這個(gè)波程差是隨著天線(xiàn)陣中各個(gè)天線(xiàn)分布位置和波束指向的期望角度的不同而變化的。另夕卜，由于結(jié)構(gòu)、工藝等原因，天線(xiàn)陣陣元間即使接收同一面陣元發(fā)出的無(wú)差別信號(hào)，各路信號(hào)到達(dá)接收機(jī)時(shí)也會(huì)有相位差。對(duì)于某一固定陣元的天線(xiàn)陣來(lái)說(shuō)，其陣元之間由于結(jié)構(gòu)和工藝等因素造成的接收信號(hào)相位差是相對(duì)固定的(后文中稱(chēng)之為固有相位差)。接收機(jī)接收到的各路信號(hào)必須經(jīng)過(guò)相位調(diào)整消除波程差和固有相位差，才可以進(jìn)行有效的疊加。如圖I所示，為現(xiàn)有技術(shù)中的波束指向相位調(diào)整方法示意圖。由圖I可以看出，每一路信號(hào)的相位調(diào)整需要經(jīng)過(guò)兩次移相依次校正固有相位差和調(diào)整至波束指向期望方向才能完成。首先以第η路的固有相位差校正系數(shù)Z (n) (n=l, 2. . . N)乘以第η路輸入信號(hào)，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行第一次移相，消除固有相位差，得到shiftO (η);再用經(jīng)一定算法算得的第η路指向方向移相系數(shù)e#(n)乘以shiftO (η)對(duì)信號(hào)進(jìn)行第二次移相，得到shift (η)，將相位調(diào)整后的N路信號(hào)疊加得到指向期望方向的波束輸出bf_out。因此，現(xiàn)有技術(shù)中的波束指向相位調(diào)整和信號(hào)疊加方法如公式(I)、(2)、(3)所示第一次移相shift0(n) =input (n) Xeja (η)，η=1，2, ... N (I)第二次移相shift(η) =shift0 (η) X eJ0 (η)，η=1，2，· · N (2)疊加
權(quán)利要求
1.一種改進(jìn)的波束指向相位調(diào)整方法，其特征在于，首先將包含N個(gè)陣元的天線(xiàn)陣的第n路信號(hào)的固有相位差校正角度a (n)與對(duì)應(yīng)的指向方向移相角度P (n)進(jìn)行相加合并，合并后的第n路信號(hào)的移相角度為《(n);由合并后的移相角度《(n)，計(jì)算得出用于進(jìn)行相位調(diào)整的移相系數(shù)e>(n);根據(jù)計(jì)算得出的移相系數(shù)eWn)，對(duì)第n路輸入信號(hào)input (n)進(jìn)行一次移相，即得到所需要的相位調(diào)整后的移相信號(hào)；將移相后所有N路移相信號(hào)疊加即得到指向期望方向的波束輸出信號(hào)；N> 2，n=l，2，……，N。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的改進(jìn)的波束指向相位調(diào)整方法，其特征在于，所述移相系數(shù)eJu(n)為復(fù)數(shù)，所述移相系數(shù)eWn)的計(jì)算分為移相系數(shù)eWn)的實(shí)部計(jì)算和移相系數(shù)(n)的虛部計(jì)算兩部分，所述移相系數(shù)eWn)的實(shí)部通過(guò)計(jì)算合并后的第n路移相角度Co (n)的余弦值獲得，所述移相系數(shù)e>(n)的虛部即移相角度《 (n)的正弦值通過(guò)計(jì)算《 (n)的余角(90° (n))的余弦值獲得。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的改進(jìn)的波束指向相位調(diào)整方法，其特征在于，所述計(jì)算出的移相角度《 (n)的余弦值和正弦值均已通過(guò)乘以整形化系數(shù)后放大整形為整數(shù)；所述整形化系數(shù)選擇為2M，M為自然數(shù)，即計(jì)算出的移相系數(shù)e>(n)的實(shí)部和虛部均已放大2"倍，分別為 2MX cos (co (n))和 2mX sin (co (n))。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的改進(jìn)的波束指向相位調(diào)整方法，其特征在于，所述對(duì)第n路輸入信號(hào)input (n)進(jìn)行的一次移相，即將第n路輸入信號(hào)input (n)與放大2"倍的移相系數(shù)2MXe>(n)的實(shí)部和虛部相乘，得到相位調(diào)整后的且幅度放大2M倍的移相信號(hào)shift_amp(n);將幅度放大2M倍的移相信號(hào)shift_amp (n)的幅度縮小2M倍，消除放大效果，得到所需要的相位調(diào)整后的第n路移相信號(hào)shift (n)。
5.一種實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求I至4之一所述方法的波束指向模塊，其特征在于，包括余弦計(jì)算模塊和復(fù)數(shù)乘法計(jì)算模塊，所述余弦計(jì)算模塊用于根據(jù)合并后的移相角度《 (n)計(jì)算出對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行移相的放大2M倍的移相系數(shù)2MXe>(n)，將移相系數(shù)e>(n)的計(jì)算分為計(jì)算移相角度《 (n)的余弦值和正弦值兩部分，并且移相角度《 (n)的正弦值可通過(guò)計(jì)算移相角度《 (n)的余角(90° -W (n))的余弦值獲得,所述計(jì)算出的移相角度co (n)的余弦值和正弦值均已通過(guò)乘以整形化系數(shù)2M后放大2"倍；所述復(fù)數(shù)乘法計(jì)算模塊用于將輸入信號(hào)input (n)與所述余弦計(jì)算模塊計(jì)算出放大2M倍的移相系數(shù)2MXe>(n)相乘，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行移相，使移相后所有N路移相信號(hào)疊加后即得到指向期望方向的波束輸出信號(hào)；所述復(fù)數(shù)乘法計(jì)算模塊的輸出端還連接右移移位寄存器，將相位調(diào)整后的且幅度放大2"倍的移相信號(hào)shift_amp (n)的幅度通過(guò)右移M位的方式縮小2M倍后輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的的波束指向模塊，其特征在于，所述余弦計(jì)算模塊包括余弦值存儲(chǔ)器，通過(guò)將移相角度《 (n)作為尋址地址尋址讀取余弦值存儲(chǔ)器中預(yù)存儲(chǔ)的余弦值得到移相角度《 (n)的余弦值；所述余弦值存儲(chǔ)器中預(yù)存儲(chǔ)的余弦值是放大2M倍后整形為整數(shù)的余弦值。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的的波束指向模塊，其特征在于，所述余弦計(jì)算模塊還包括移相角度處理模塊，所述移相角度處理模塊將合并后的移相角度《 (n)進(jìn)行處理，使計(jì)算移相系數(shù)所用的角度e (n)的取值范圍在0°、0°之間，并將e (n)的數(shù)值作為尋址地址送入余弦值存儲(chǔ)器中，同時(shí)根據(jù)移相角度《 (n)大小，生成對(duì)應(yīng)的+1或-I的符號(hào)信息。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的的波束指向模塊，其特征在于，所述余弦值存儲(chǔ)器預(yù)存儲(chǔ)的余弦值為在所述余弦值存儲(chǔ)器的地址為O到90的存儲(chǔ)空間中依次存入的角度0°、0°所對(duì)應(yīng)的放大2M倍的余弦值。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的的波束指向模塊，其特征在于，所述余弦計(jì)算模塊根據(jù)0(n)的數(shù)值尋址讀取余弦值存儲(chǔ)器中預(yù)存儲(chǔ)的放大2M倍的余弦值，將移相角度處理模塊生成的對(duì)應(yīng)的符號(hào)信息和從余弦值存儲(chǔ)器讀出的放大2M倍的余弦值相乘得出所需要的移相角度 (n)的余弦值，所述移相角度《 (n)的余弦值為放大2"倍的整形化的整數(shù)的余弦值。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的的波束指向模塊，其特征在于，所述復(fù)數(shù)乘法計(jì)算模塊將放大2M倍的第n路移相系數(shù)的實(shí)部2mXC0S( (n))和虛部2MXsin( (n))與輸入信號(hào)input (n)的實(shí)部input_I(n)和虛部input_Q(n)相乘,得出相位調(diào)整后的且幅度放大2M倍的移相信號(hào)shift_amp (n)的實(shí)部shift_amp_I (n)和虛部shift_amp_Q (n);所述復(fù)數(shù)乘法計(jì)算模塊的輸出端連接的右移移位寄存器，將相位調(diào)整后的且幅度放大2M倍的移相信號(hào)shift_amp (n)的實(shí)部shift_amp_I (n)和虛部shift_amp_Q (n)的幅度分別通過(guò)右移M位的方式縮小2M倍后輸出。
全文摘要
本發(fā)明提供的一種改進(jìn)的波束指向相位調(diào)整方法和實(shí)現(xiàn)所述方法的波束指向模塊，對(duì)多陣元天線(xiàn)陣接收到的多路數(shù)字信號(hào)進(jìn)行一次移相即可完成相位調(diào)整的需要，形成指向期望方向的波束，計(jì)算量小、系統(tǒng)復(fù)雜度低、減小了硬件電路規(guī)模，有利于在大規(guī)模集成電路中的應(yīng)用。本發(fā)明的方法，首先將固有相位差校正角度α(n)與對(duì)應(yīng)的指向方向移相角度β(n)進(jìn)行相加合并；由合并后的移相角度ω(n)，得出用于進(jìn)行相位調(diào)整的移相系數(shù)ejω(n)；根據(jù)計(jì)算得出的移相系數(shù)ejω(n)，對(duì)輸入信號(hào)input(n)進(jìn)行一次移相，即得到所需要的相位調(diào)整后的移相信號(hào)；將移相后所有N路移相信號(hào)疊加即得到指向期望方向的波束輸出信號(hào)。
文檔編號(hào)H01Q21/00GK102709711SQ20121016030
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月22日
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