專利名稱：一種固定多波束智能天線的聯(lián)合時空多徑搜索方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種CDMA系統(tǒng)的基帶接收方法與裝置，特別是一種固定多波束智能天線的聯(lián)合時空多徑搜索方法與裝置。
背景技術(shù)：
無線通訊系統(tǒng)用戶設(shè)備與基站之間的信號是通過無線信道傳播的。由于無線信道相對有線信道，性質(zhì)較為惡劣，存在衰落、多徑等諸多干擾，所以無線通訊系統(tǒng)的無線信號接收處理方法一直是直接影響系統(tǒng)性能的一個決定因素。
CDMA(Code Division Multiple Access，碼分多址)系統(tǒng)作為一種無線通訊系統(tǒng)，具有無線通訊系統(tǒng)的以上特征。并且，由于其本身在同一個時間和同一個頻點具有多個用戶發(fā)射信號的特點，所以這種系統(tǒng)還具有自干擾，即不同用戶相互干擾，多址干擾(MAI，Multiple AccessInterference)的特點，其無線信號的接收更加困難。但是由于這種系統(tǒng)具有系統(tǒng)容量大、頻譜利用率高、對背景噪聲良好的抑制以及保密性好等特點，其逐漸成為無線通訊的主流技術(shù)之一。
為了達到CDMA系統(tǒng)無線信號的良好接收效果，從而增加系統(tǒng)的容量，在傳統(tǒng)上采用了時間分集、天線分集等技術(shù)。這些技術(shù)的采用在一定程度上取得了良好的效果，但是技術(shù)的發(fā)展以及實際應(yīng)用對于系統(tǒng)無線信號的接收提出了更高的要求。近年來，多用戶檢測(MUD，MultiUserDetection)技術(shù)、自適應(yīng)均衡技術(shù)以及智能天線(Smart Antenna)技術(shù)的發(fā)展，為進一步提高CDMA系統(tǒng)對于無線信號的接收性能提供了可能。
其中，智能天線技術(shù)來源于軍事技術(shù)中的陣列天線(Array Antenna)技術(shù)，屬于一種通過空間信息區(qū)別不同用戶的空間分集方法。由于無線通訊系統(tǒng)屬于大用戶量的、飽和性的無線系統(tǒng)，如何將以往在陣列天線技術(shù)發(fā)展中取得的結(jié)果在無線通訊中加以運用是工程師面臨的一個問題。一個典型的智能天線系統(tǒng)可以分為三個大的部分信號接收單元、波束形成單元以及權(quán)值確定單元，如圖1所示。
信號接收單元(10)依次包括天線陣列(由天線陣元1011-101N構(gòu)成)以及各個天線陣元對應(yīng)的射頻通道(1021-102N)。多個天線陣元按照一定的幾何關(guān)系構(gòu)成天線陣列，分別獨立進行接收空中無線信號的工作。為了保證這些信號可以用于后面的處理，要求它們具有相關(guān)性，如此各個相鄰陣元之間的距離一般為接收射頻信號波長的一半左右。各個射頻通道與天線陣元相對應(yīng)，完成對于天線陣元輸出的信號的放大與解調(diào)功能。信號接收單元輸入為空中的無線信號，輸出為具有相關(guān)關(guān)系的解調(diào)后的復(fù)信號(x1-xN)。
波束形成單元(11)依次包括復(fù)數(shù)乘法器組(由復(fù)數(shù)乘法器1111-111N組成)以及復(fù)數(shù)加法器(112)。
復(fù)數(shù)乘法器組中的復(fù)數(shù)乘法器(111i，i＝1，2，……，N)完成輸入的解調(diào)后的信號與通過權(quán)值確定單元得到的對應(yīng)權(quán)值(ωi)之間的乘法運算，輸出信號進入復(fù)數(shù)加法器。復(fù)數(shù)加法器進行各個復(fù)數(shù)乘法器輸出結(jié)構(gòu)的求和工作，輸出為波束形成的輸出信號r。同時，r作為整個智能天線系統(tǒng)的輸出，提供給無線信號接收系統(tǒng)進行后期處理。
權(quán)值確定單元(12)完成確定波束形成單元中各個復(fù)數(shù)乘法器對應(yīng)權(quán)值(ωi)的功能。權(quán)值確定單元輸入為信號接收單元各個射頻通道的輸出(x1-xN)和波束形成單元的輸出r，輸出為完成波束形成單元中各個復(fù)數(shù)乘法器對應(yīng)權(quán)值(ωi)。這個單元是智能天線系統(tǒng)的核心部分，其輸出權(quán)值的質(zhì)量直接影響整個智能天線系統(tǒng)輸出信號r的質(zhì)量。
智能天線系統(tǒng)從待處理信號的中心頻率上可以分為兩個大類中頻智能天線系統(tǒng)和基帶智能天線系統(tǒng)。
中頻智能天線系統(tǒng)中信號接收單元各個射頻通道的輸出和波束形成單元的輸出r的中心頻率為中頻信號。其處理方法是不區(qū)分用戶。采用這種類型的智能天線系統(tǒng)可以形成“智能小區(qū)”(Smart Cell)，通過調(diào)節(jié)小區(qū)的覆蓋區(qū)域來提高系統(tǒng)的接收質(zhì)量。
基帶智能天線系統(tǒng)中信號接收單元各個射頻通道的輸出(x1-xN)和波束形成單元的輸出r的中心頻率為基帶信號。其處理方法是可以區(qū)別或者不區(qū)分用戶，但是一般采用區(qū)別用戶的處理方法。采用這種類型的智能天線系統(tǒng)可以對于不同的用戶形成對應(yīng)的接收波束，獲得更加良好的接收性能。
CDMA系統(tǒng)在同一個時刻、同一個頻點存在多個不同用戶同時發(fā)射信號。所以采用不區(qū)別用戶的中頻型智能天線系統(tǒng)，取得的接收效果不佳。而采用區(qū)別用戶的基帶型智能天線系統(tǒng)，獲得的接收效果一般優(yōu)于中頻型智能天線系統(tǒng)。所以，對于CDMA系統(tǒng)，一般采用基帶型智能天線系統(tǒng)提高接收質(zhì)量。
基帶型智能天線系統(tǒng)從確定權(quán)值的方法上可以分為三個大類開關(guān)波束(Switch Beamed)型智能天線系統(tǒng)、到達方向角(DOA，DirectionOf Arrived)型智能天線系統(tǒng)以及自適應(yīng)(Adaptive)型智能天線系統(tǒng)。
開關(guān)波束型智能天線系統(tǒng)在使用前，首先需要將小區(qū)劃分為若干波束區(qū)域并且保存各個波束對應(yīng)的權(quán)值。在工作時，這種類型的智能天線系統(tǒng)針對用戶信號判斷用戶屬于哪個確定的波束，利用對應(yīng)權(quán)值對該用戶進行波束形成，得到輸出信號。典型的開關(guān)波束型智能天線系統(tǒng)的權(quán)值確定單元可以分為三個模塊波束信號質(zhì)量指標計算模塊、波束判決模塊以及權(quán)值查找模塊，如圖2所示。波束信號質(zhì)量指標計算模塊完成對各個確定的波束內(nèi)信號質(zhì)量指標的結(jié)算，輸出對應(yīng)波束的信號質(zhì)量指標(V1，V2，……，VM)；波束判決模塊通過這些信號質(zhì)量指標，判決對應(yīng)用戶位于哪個波束內(nèi)，輸出該波束對應(yīng)標號(Index)；權(quán)值查找模塊實際一般用查找表或者數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)，完成對應(yīng)波束標號的計算權(quán)值的獲得，輸出為波束形成單元對應(yīng)的權(quán)值(ω1，ω2，……，ωN)。一個典型的理想波束形狀以及波束之間的關(guān)系如圖3所示。點O(30)為基站位置。兩個確定的波束區(qū)域I(311)與波束區(qū)域II(312)，它們之間具有部分共同覆蓋的區(qū)域(III)。對于這樣的波束圖樣，不同位置的、到達基站天線陣列信號強度相同的用戶信號的系統(tǒng)處理增益是不同的。位于波束中心線的用戶，即對應(yīng)圖中A位置(321)，處理增益最大；而位于兩個波束交接點與基站連線上的用戶，即對應(yīng)圖中B位置(321)，處理增益則最小。開關(guān)波束型智能天線系統(tǒng)是傳統(tǒng)多扇區(qū)空間分集的一種推廣，具有性能可靠、結(jié)構(gòu)簡單和實現(xiàn)代價低等優(yōu)點。但是，由于一般實現(xiàn)的波束覆蓋角度都較大，這種系統(tǒng)的處理增益有限。并且，這類系統(tǒng)僅僅能夠提供用戶信號的幅度增益，無法提供相角校正。
到達方向角型智能天線系統(tǒng)中，首先利用各個天線陣元之間接收信號之間的相關(guān)性關(guān)系，提取用戶信號的到達角度信息，再利用角度信息構(gòu)造輸出為波束形成單元對應(yīng)的權(quán)值(ω1，ω2，……，ωN)。這類智能天線系統(tǒng)是目前學(xué)術(shù)研究的熱點之一，具有相對較小的波束覆蓋角度以及相應(yīng)的較大信號處理增益。但是，由于這類方法一般計算相對復(fù)雜，一般都需要進行矩陣運算，所以系統(tǒng)相對結(jié)構(gòu)復(fù)雜、實現(xiàn)成本較高。
自適應(yīng)(Adaptive)型智能天線系統(tǒng)，采用了自適應(yīng)學(xué)習(xí)方法的思想?；谝欢蕜t，在依靠當前輸入信號以及理想信號的偏差獲得的優(yōu)化方向上，逐次改變系統(tǒng)當前的權(quán)值(ω1，ω2，……，ωN)，使得系統(tǒng)不斷優(yōu)化，處理增益不斷提高。這種類型的系統(tǒng)的波束形成是逐漸優(yōu)化的，可能形成中心對準用戶并且覆蓋角度較小的波束。而且對于信號的角度這種方法也可以校正。并且，該方法本身可能帶來形成的波束的零陷(接收信號增益為0，即該方向信號被完全抑制)對準最強干擾的附加效果。所以，這種類型的智能天線系統(tǒng)信號的處理效果最好，增益最大。但是，由于這種處理方法可能需要矩陣運算(與選取的準則有關(guān))，運算量相對較大，并且這種運算量會隨著系統(tǒng)中采用的陣元數(shù)目的增加而急劇增大。而且，這種方法的收斂速度也會降低，并且這種運算量會隨著系統(tǒng)中采用的陣元數(shù)目的增加而急劇降低。這樣帶來系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，以及實現(xiàn)成本較高的缺點。
實際上，無論那種類型的基帶型智能天線系統(tǒng)，都是利用各個天線陣元接收信號之間既不完全相同又具有一定相關(guān)性的特點，通過信號處理方法提取信號空間信息(明顯的或者隱含的)，并且對各個接收的信號加以校正合并，以達到所需的信號增益的目的。
在移動通信中存在多徑傳輸?shù)默F(xiàn)象，即信號從發(fā)射機發(fā)射經(jīng)過多條傳輸路徑到達接收機。每條徑有不同的傳輸延時，不同的衰落及不同的相位，其多路接收信號混合到達接收機時可造成多徑衰落現(xiàn)象。多徑的情況如圖4所示，圖中橫向為時間方向，各個峰值(401-406)表示多徑出現(xiàn)的時間以及強度。其中，各個多徑的峰值位置(相對圖中的時間)是十分容易識別的。
在實際的CDMA系統(tǒng)中，由于碼的長度、碼的非理想性、系統(tǒng)的非完全同步以及噪聲等因素的綜合影響，實際系統(tǒng)的多徑情況如圖4所示。圖中橫向為時間方向，各個理想峰值(401-406)表示多徑出現(xiàn)的時間以及強度。而實際中獲得的能量隨時間變化情況為圖5所示。對于圖5的情況，多徑峰值位置則難以分辨。特別是，對于能量較小的404、406兩個峰值，則幾乎不可以辨別。而對于一些噪聲能量較高的位置，則可能錯誤地判決出存在多徑。
由于CDMA系統(tǒng)屬于信號相關(guān)性要求很高的系統(tǒng)，所以其對基站和用戶設(shè)備(UE)之間的同步性要求很高。當基站發(fā)射信號幀頭位置和用戶設(shè)備(UE)接收信號的幀頭位置相差1個碼片以上時，用戶設(shè)備則會得到的只是噪聲信號，而非期望信息。在碼分多址(CDMA)系統(tǒng)中一般采用RAKE接收機技術(shù)，對時間間隔大于一個碼片的多徑進行時間分集以及合并，獲得更好的接收性能。
一般CDMA系統(tǒng)接收機結(jié)構(gòu)如圖3所示。
無線信號經(jīng)過天線61、射頻通道62、成形濾波單元63以及下變頻單元64的處理得到基帶輸出信號，輸入RAKE接收機65；RAKE接收機65將基帶信號處理為符號級信號，輸出給譯碼單元66；而譯碼單元66最終將符號級信號處理為具有實際物理意義的比特數(shù)據(jù)，輸出給以后的單元處理。
RAKE接收機65是CDMA系統(tǒng)特有的信號處理結(jié)構(gòu)，它可以利用多徑信息獲得更大的處理增益。多徑搜索單元650完成基帶信號中各個多徑相對時間位置的確定功能，其獲得的多徑峰值位置(相位)信息輸出到多徑分配單元651。多徑分配單元完成對各個解擴解擾單元6521-652N的初始解調(diào)位置分配功能，輸出為到各個解擴解擾單元的多徑分配命令。各個解擴解擾單元6521-652N完成在確定起始時間位置對基帶信號進行解調(diào)(解擴解擾)的功能，其輸出符號級信號到其對應(yīng)的多徑跟蹤單元6531-653N以及自動頻率控制單元6541-654N。多徑跟蹤單元6531-653N完成對相應(yīng)解擴解擾位置的精細調(diào)節(jié)功能，輸出跟蹤控制命令到相應(yīng)解擴解擾單元。自動頻率控制單元6541-654N、信道估計單元6551-655N以及信道補償單元6561-656N依次連接，共同完成對信號的補償和校正，其最后輸出符號級信號至多徑合并單元657。多徑合并單元657完成各個多徑經(jīng)補償信號的合并功能，其輸出作為RAKE接收機的輸出到后級單元進行處理。
對于系統(tǒng)同步獲得方法而言，一般系統(tǒng)采用兩級同步多徑搜索以及多徑跟蹤。多徑搜索可獲得多徑的范圍大，但是捕獲時間長而且時間精度相對較差；多徑跟蹤處理迅速而且時間精度高，但是其作用時間范圍小。一般系統(tǒng)利用多徑搜索獲得多徑峰值的粗略位置，利用多徑跟蹤調(diào)節(jié)多徑相位的精度并且克服一個多徑搜索周期內(nèi)多徑峰值可能的移動?？梢哉f，多徑搜索是一種在大的時間范圍內(nèi)獲得多徑基本位置的粗同步技術(shù)。
多徑搜索單元的一般結(jié)構(gòu)如圖7所示?；鶐盘柦?jīng)解擴解擾單元/單元組71處理后，得到延時功率譜(對應(yīng)不同時間位置的解擴解擾輸出能量)輸出到各相位平滑單元72。各相位平滑單元72完成各個對應(yīng)相位的平滑功能，達到抑制噪聲的作用，其輸出至峰值濾波器73。峰值濾波器73檢測出輸入延時功率譜的峰值的位置以及對應(yīng)能量，輸出至門限判決單元/單元組74。門限判決單元/單元組74，判決對應(yīng)峰值是否為信號的多徑位置，如果為多徑位置則輸出其相位信息，可能門限判決單元/單元組還需要向解擴解擾單元/單元組71發(fā)送控制信號。多徑搜索單元中，各相位平滑單元72、峰值濾波器73以及門限判決單元/單元組74的處理速度是符號級(或者更慢的速度級別)的，可以稱為后端處理部分；相應(yīng)解擴解擾單元/單元組7 1處理速度較快，可稱為前端處理部分。
前端處理部分按照結(jié)構(gòu)一般又有兩種體系結(jié)構(gòu)滑動相關(guān)器/相關(guān)器組和匹配濾波器。其結(jié)構(gòu)分別如圖8和圖9所示。
圖8中，滑動相關(guān)器由相關(guān)器81、累加清零單元82以及本地PN碼生成器83組成。
圖9中，匹配濾波器是基帶信號通過延時鏈91的不同抽頭，與帶有擾碼的相關(guān)器組92進行相關(guān)處理；所有結(jié)果相加器93進行加法之后，得到所需的延時功率譜。
不同結(jié)構(gòu)的前端處理部分的結(jié)構(gòu)決定在一個時間位置上獲得功率的時間的長短。
在得到延時功率譜之后，進行后端處理，包括各相位平滑單元72、峰值濾波器73以及門限判決單元/單元組74。
各相位平滑單元72主要作用是抑制普遍存在的噪聲對多徑判決的影響，并且對突發(fā)的大的噪聲具有限制作用。一般系統(tǒng)中，該部分采用線性濾波器(FIR有限沖擊響應(yīng)濾波器，或者IIR無限沖擊響應(yīng)濾波器)。最常用的是一階IIR濾波器，其結(jié)構(gòu)如圖10所示。本部分的輸出由輸入與濾波器系數(shù)α的乘積(用乘法器101完成)以及輸出經(jīng)過延時(由延時寄存器103完成)與系數(shù)1-α(用乘法器102完成)的和(由加法器74進行運算)。該部分的參數(shù)為濾波器系數(shù)α，所以這部分也成為α濾波器。系數(shù)α較大，則系統(tǒng)穩(wěn)定，虛警概率較低，但是相應(yīng)對于出現(xiàn)的多徑的捕獲時間也長；系數(shù)α較小，則系統(tǒng)靈敏，相應(yīng)對于出現(xiàn)的多徑的捕獲時間也短，但是虛警概率也相應(yīng)較高，容易出現(xiàn)誤判。
峰值濾波器63主要是不加區(qū)別地搜索出延時能量譜中存在峰值的位置以及峰值的能量。一般系統(tǒng)中，這部分是利用峰值位置的兩側(cè)導(dǎo)數(shù)符號不同進行判決的，其結(jié)構(gòu)如圖11所示。延時功率譜經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換單元111輸出的當前能量以及前一個能量的相位。其輸出能量經(jīng)過邏輯判決(由延時單元1121和1122、差分計算單元1131和1132、符號比較單元1141和1142以及與門115組成)，輸出是否是峰值的判決。相位、能量輸出單元116在判決成立時，輸出對應(yīng)的峰值相位和峰值能量。
門限判決單元/單元組64最終判決搜索的峰值是否為多徑位置。一種最簡單的門限判決單元如圖12所示，其功能為當峰值能量大于某一個事先設(shè)定的閾值T時則認為該峰值為多徑位置。門限判決單元由門限判決121和相位、能量輸出單元122兩個部分組成。事先規(guī)定的閾值T的大小決定著判決的可靠性。T較大，則虛警概率較小，但是漏檢概率也較大；T較大，則漏檢概率較小，但是虛警概率也較大。
由于多徑搜索是專用信道解調(diào)同步的基礎(chǔ)，其性能好壞直接影響接收機系統(tǒng)的總體性能。虛警會給RAKE接收機的多徑合并帶來不必要的噪聲，并且浪費解擴解擾單元的資源；漏檢則會降低系統(tǒng)分集增益的效果，系統(tǒng)性能變壞。
在智能天線系統(tǒng)的多徑搜索器中，由于存在多個波束的空間分離，需要對各個波束中是否存在多徑進行搜索。相對于傳統(tǒng)系統(tǒng)多徑搜索器，可以應(yīng)用于智能天線的多徑搜索器，在實現(xiàn)成本方面會有很大提高。一種可以實現(xiàn)的方案是，在每個形成后的波束上都進行多徑搜索，取能量較高的多徑(包含時延以及波束信息)作為多徑搜索的輸出。
從以上說明中可以發(fā)現(xiàn)這種方案的成本是很高的。假設(shè)在系統(tǒng)設(shè)計時確定整個小區(qū)中有N個波束，則為了對這種智能天線系統(tǒng)進行多徑搜索，需要N倍的傳統(tǒng)系統(tǒng)的多徑搜索的成本。這樣為了考慮系統(tǒng)的性能價格比，必然會約束小區(qū)中波束的個數(shù)。如此每個波束的寬度會增大，智能天線的增益會減少。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種固定多波束智能天線的聯(lián)合時空多徑搜索方法與裝置，通過改變多徑搜索部分的結(jié)構(gòu)，減少智能天線系統(tǒng)的多徑搜索器的數(shù)目。這樣，或者可以在不改變系統(tǒng)總體成本的前提下，增加小區(qū)內(nèi)的波束數(shù)目，提高系統(tǒng)的接收增益；或者可以在小區(qū)中波束數(shù)目不變的前提下，降低系統(tǒng)成本。也可以綜合考慮以上因素，獲得性能價格比更好的智能天線系統(tǒng)。本發(fā)明的基本思想是只對相隔波束(比如奇數(shù)或者偶數(shù)波束)進行多徑搜索處理。
本發(fā)明的一個方面，提供了一種固定多波束智能天線的聯(lián)合時空多徑搜索方法，包括以下步驟步驟1)將接收的射頻信號轉(zhuǎn)換為待處理的基帶采樣信號；步驟2)對基帶采樣信號中編號為奇數(shù)或者偶數(shù)的波束進行波束形成，生成波束信號；步驟3)對各奇數(shù)或者偶數(shù)編號波束信號進行延時功率譜處理，分別產(chǎn)生對應(yīng)每個波束的延時功率譜；步驟4)將所有奇數(shù)或者偶數(shù)編號的波束上獲得的能量按照對應(yīng)相位相加獲得各相位對應(yīng)總能量；步驟5)對步驟4獲得的各個相位對應(yīng)的能量，進行多徑位置判決，獲得并且輸出各個多徑的相位信息；
步驟6)進行多波束判決，根據(jù)在步驟5獲得的各個多徑的相位信息以及在步驟3獲得的不同波束對應(yīng)相位的能量，確定多徑所在波束編號；步驟7)輸出多徑所在波束編號以及相位信息。
其中，所述的步驟1包括步驟1.1通過天線陣列的陣元及其相應(yīng)天饋系統(tǒng)接收無線信號，輸出射頻信號；步驟1.2利用各個對應(yīng)的射頻通道對得到的射頻信號進行處理，包括功率放大、通道校正、解調(diào)、匹配濾波以及A/D采樣，輸出待處理的基帶信號，陣元i對應(yīng)信號為xi；其中，在所述的步驟2中，按下式進行波束形成yj＝ωj1·x1+ωj2·x2+……+ωjN·xN其中，yj為j個波束對應(yīng)的信號，xi為第i個天線對應(yīng)的信號，ωji為編號為j的波束對應(yīng)的i個天線的權(quán)值，從而，獲得波束1，3，…jl或者2，4，…jl，其中jl為奇數(shù)或者偶數(shù)，且不大于M。
其中，所述步驟3包括以下步驟步驟3.1對步驟2獲得的各個采樣相位對應(yīng)的I、Q兩路數(shù)據(jù)，進行后端的相關(guān)累加，獲得各個采樣相位信號累加結(jié)果；步驟3.2對步驟3.1獲得的各個采樣相位信號累加結(jié)果，進行I路與Q路信號的平方運算，將兩個結(jié)果求和得到對應(yīng)各個采樣相位的能量；步驟3.3對于步驟3.2獲得的各個采樣相位的能量進行后端的非相關(guān)累加，獲得各個采樣相位能量累加結(jié)果；步驟3.4對于步驟3.3中獲得的各個采樣相位能量累加結(jié)果，分別按照采樣點對應(yīng)準則進行低通濾波，獲得各個采樣相位對應(yīng)的濾波后的能量。
其中，在所述步驟4中，按照下式獲得相位對應(yīng)總能量Pk＝P1k+P3k+……+Pjk其中，Pk為第k個采樣點對應(yīng)的能量，Pjk為第j個波束第k個采樣點對應(yīng)的能量。
其中，所述在步驟6中，對于每一個相位t(t·{t1，t2，……，tP})，進行如下判決如果(相位t對應(yīng)總能量Pt)＞(某個編號為奇數(shù)或者偶數(shù)j的波束對應(yīng)相位能量Pjt)×(閾值Tb)，則判決相位t對應(yīng)多徑位于波束j內(nèi)；否則，尋找對應(yīng)波束中能量最強以及次強的波束分別為j和j+2或者j-2，則判決相位t對應(yīng)多徑位于波束j+1或者j-1內(nèi)。
本發(fā)明的另一方面，提供了一種固定多波束智能天線的聯(lián)合時空多徑搜索裝置，包括多個波束形成模塊(1711-171jl)，對基帶信號中編號為奇數(shù)或者偶數(shù)的波束進行波束形成，生成波束信號并分別送入相對應(yīng)的波束延時功率譜計算模塊；多個波束延時功率譜計算模塊(1721-172jl)，對送入的各奇數(shù)或者偶數(shù)編號波束信號進行延時功率譜處理，分別產(chǎn)生對應(yīng)每個波束的延時功率譜，并送入波束總延時功率譜計算模塊；一個波束總延時功率譜計算模塊(173)，對送入的所有延時功率譜進行波束總延時功率譜計算，獲得總延時功率譜；一個多徑相位判決模塊(174)，根據(jù)波束總延時功率譜判決多徑所在相位；一個多徑波束判決模塊(175)；根據(jù)多徑相位判決模塊(174)送入的多徑相位信息以及多個波束延時功率譜計算模塊(1721-172jl)送入的各個對應(yīng)奇數(shù)或者偶數(shù)編號波束信號的延時功率譜判決多徑所在波束信息。
上述裝置還包括一個信號接收單元，用于接收射頻信號，將收到的射頻信號轉(zhuǎn)換為待處理的基帶信號。
其中，所述的信號接收單元包括多個射頻通道，分別與對應(yīng)的多個波束形成模塊相連接。


圖1是一般智能天線結(jié)構(gòu)圖；圖2是開關(guān)波束智能天線權(quán)值確定模塊結(jié)構(gòu)圖；圖3示出了開關(guān)波束的天線方向圖以及不同到達角度用戶信號質(zhì)量情況；圖4示出了無線信道中的多徑現(xiàn)象；圖5示出了實際中的多徑情況；圖6是CDMA系統(tǒng)接收機結(jié)構(gòu)圖；圖7是多徑搜索單元結(jié)構(gòu)圖；圖8是滑動相關(guān)器結(jié)構(gòu)圖；圖9是匹配濾波器結(jié)構(gòu)圖；圖10是一階IIR濾波器結(jié)構(gòu)圖；圖11是峰值濾波器結(jié)構(gòu)圖；圖12是絕對單門限判決單元結(jié)構(gòu)圖；
圖13是典型的智能天線的信號到達方向示意圖；圖14示出了各波束對應(yīng)多徑的信號強度；圖15示出了小區(qū)波束劃分；圖16是本發(fā)明方法的流程圖；圖17是本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)圖；圖18是顯示對應(yīng)于奇數(shù)波束的延時功率譜計算的流程圖；圖19是顯示圖16中多徑波束判決步驟的具體處理過程的流程圖。
具體實施例方式
首先，考察一個典型的智能天線的信號到達方向示意圖，如圖13所示。圖中，O為基站位置，A、B分別為某一用戶兩條徑的到達方向。需要接收用戶信號的空間被分為131-133三個波束。為了保證小區(qū)在各個接收信號角度的一致性，波束之間存在著交疊的區(qū)域。
對應(yīng)三個波束，多徑信號A和B的接收強度分別如圖14所示。圖中，141-143對應(yīng)A多徑在三個波束中的信號強度；同樣，144-146對應(yīng)B多徑在三個波束中的信號強度。由于波束之間存在交疊，所以多徑在三個波束中均存在一定的能量。在實際系統(tǒng)中，由于波束旁瓣的存在已經(jīng)多徑信號的角度擴散，每條多徑信號在各個確定的波束中都存在一定強度的表現(xiàn)的趨勢更加明顯。
觀察圖13和圖14不難發(fā)現(xiàn)，由于波束131和133的交疊，所以多徑B的信號在131和133上均有很強的體現(xiàn)。這種信號的能量與其在132上的信息存在一定的重復(fù)，用131以及133上對應(yīng)信號的強度以及他們的比例，就可以判斷132中存在更好的對應(yīng)相位的信號。利用這種交疊帶來的冗余性，這是本發(fā)明方法的基本思想。
以下討論針對如圖15的小區(qū)波束劃分形式，其中小區(qū)被劃分為7個(實際中可以為其他值)被編號的波束(151-157，對應(yīng)編號1-7)。波束的編號原則為從小區(qū)邊沿開始，按照波束位置依次編號。設(shè)系統(tǒng)中天線陣元數(shù)為N個，小區(qū)內(nèi)共形成M個波束。編號為j的波束的對應(yīng)權(quán)值為ωj1，ωj2，…，ωjN。
參見圖16所示的本發(fā)明方法的流程圖，本發(fā)明方法包括步驟1)各天線陣元射頻處理無線信號接收，以及將射頻信號轉(zhuǎn)換為待處理的基帶采樣信號，包括步驟1.1通過天線陣列的陣元及其相應(yīng)天饋系統(tǒng)接收無線信號，輸出射頻信號；步驟1.2利用各個對應(yīng)的射頻通道對得到的射頻信號進行處理，包括功率放大、通道校正、解調(diào)、匹配濾波以及A/D采樣，輸出待處理的基帶信號，陣元i對應(yīng)信號為xi；步驟2)各奇數(shù)或者偶數(shù)編號波束成形對基帶采樣信號中編號為奇數(shù)或者偶數(shù)的波束進行波束形成，對應(yīng)具體的波束j(j為奇數(shù)或者偶數(shù))的方法為yj＝ωj1·x1+ωj2·x2+……+ωjN·xN其中，yj為第j個波束對應(yīng)的信號，xi為第i個天線對應(yīng)的信號，ωji為編號為j的波束對應(yīng)的i個天線的權(quán)值，從而獲得波束1，3，…jl，或者2，4，…jl，jl為奇數(shù)或者偶數(shù)，且不大于M。
步驟3)各奇數(shù)或者偶數(shù)編號波束信號延時功率譜處理參見圖18，分別對應(yīng)每個波束生產(chǎn)延時功率譜
步驟3.1對步驟2獲得的各個采樣相位對應(yīng)的I、Q兩路數(shù)據(jù)，進行后端(后端處理包括相關(guān)累加、能量求取、非相關(guān)累加、低通濾波)的相關(guān)累加(可選擇累加或者不累加)，獲得各個采樣相位信號累加結(jié)果；步驟3.2對步驟3.1獲得的各個采樣相位信號累加結(jié)果，進行I路與Q路信號的平方運算，將兩個結(jié)果求和得到對應(yīng)各個采樣相位的能量；步驟3.3對于步驟3.2獲得的各個采樣相位的能量進行后端的非相關(guān)累加(可選擇累加或者不累加)，獲得各個采樣相位能量累加結(jié)果；步驟3.4對于步驟3.3中獲得的各個采樣相位能量累加結(jié)果，分別按照采樣點對應(yīng)準則進行低通濾波，獲得各個采樣相位對應(yīng)的濾波后的能量；設(shè)對應(yīng)編號為j的波束，第k個相位的能量為Pjk；步驟4)各相位總能量計算將所有奇數(shù)編號或者偶數(shù)編號的波束上獲得的能量按照對應(yīng)相位相加獲得各相位對應(yīng)總能量Pk＝P1k+P3k+……+Pjk其中，Pk為第k個采樣點對應(yīng)能量，Pjk為第j個波束第k個采樣點對應(yīng)的能量；步驟5)多徑相位判決對于步驟4獲得的各個采樣相位對應(yīng)的能量，進行多徑位置判決，獲得并且輸出各個多徑的相位信息(t1，t2，……，tP，P可以為由系統(tǒng)規(guī)模決定的確定值，也可以為按照多徑情況獲得的變量)。
步驟6)多徑波束判決參見圖19，根據(jù)在步驟5獲得的各個多徑的相位信息(t1，t2，……，tP)以及(步驟3獲得的)不同波束對應(yīng)相位的能量Pjk，確定多徑所在波束編號。對于每一個相位t(t·{t1，t2，……，tP})，進行如下判決
如果(從步驟4得到的)(相位t對應(yīng)總能量Pt)＞(某個編號為奇數(shù)或者偶數(shù)j的波束對應(yīng)相位能量Pjt)×(閾值Tb(由仿真確定))，則判決相位t對應(yīng)多徑位于波束j內(nèi)；否則，尋找對應(yīng)波束中能量最強以及次強的波束(根據(jù)性質(zhì)，兩者一定相鄰)分別為j和j+2或者j-2，則判決相位t對應(yīng)多徑位于波束j+1或者j-1內(nèi)；步驟7)輸出多徑所在波束編號以及相位信息。
本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)如圖17所示。
波束形成模塊(1711-171jl)完成各個對應(yīng)奇數(shù)或者偶數(shù)編號波束的信號計算(對應(yīng)步驟2)。
波束延時功率譜計算模塊(1721-172jl)完成對應(yīng)奇數(shù)或者偶數(shù)編號波束信號的延時功率譜計算(對應(yīng)步驟3)。
波束總延時功率譜計算模塊(173)完成波束總延時功率譜計算(對應(yīng)步驟4)。
多徑相位判決模塊(174)根據(jù)波束總延時功率譜判決多徑所在相位(對應(yīng)步驟5)。
多徑波束判決模塊(175)根據(jù)多徑相位信息以及各個對應(yīng)奇數(shù)或者偶數(shù)編號波束信號的延時功率譜判決多徑所在波束信息。
由于本發(fā)明只對奇數(shù)或者偶數(shù)波束進行多徑搜索處理，因此相對原始系統(tǒng)總共節(jié)約了N/2個多徑搜索器，節(jié)省了系統(tǒng)成本。
通過改變多徑搜索部分的結(jié)構(gòu)，減少智能天線系統(tǒng)的多徑搜索器的數(shù)目。這樣，或者可以在不改變系統(tǒng)總體成本的前提下，增加小區(qū)內(nèi)的波束數(shù)目，提高系統(tǒng)的接收增益；或者可以在小區(qū)中波束數(shù)目不變的前提下，降低系統(tǒng)成本。也可以綜合考慮以上因素，獲得性能價格比更好的智能天線系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種固定多波束智能天線的聯(lián)合時空多徑搜索方法，其特征在于包括以下步驟步驟1)將接收的射頻信號轉(zhuǎn)換為待處理的基帶采樣信號；步驟2)對基帶采樣信號中編號為奇數(shù)或者偶數(shù)的波束進行波束形成，生成波束信號；步驟3)對各奇數(shù)編號或者偶數(shù)編號波束信號進行延時功率譜處理，分別產(chǎn)生對應(yīng)每個波束的延時功率譜；步驟4)將所有奇數(shù)編號或者偶數(shù)編號的波束上獲得的能量按照對應(yīng)相位相加獲得各相位對應(yīng)總能量；步驟5)對步驟4獲得的各個相位對應(yīng)的能量，進行多徑位置判決，獲得并且輸出各個多徑的相位信息；步驟6)進行多波束判決，根據(jù)在步驟5獲得的各個多徑的相位信息以及在步驟3獲得的不同波束對應(yīng)相位的能量，確定多徑所在波束編號；步驟7)輸出多徑所在波束編號以及相位信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述的步驟1包括步驟1.1通過天線陣列的陣元及其相應(yīng)天饋系統(tǒng)接收無線信號，輸出射頻信號；步驟1.2利用各個對應(yīng)的射頻通道對得到的射頻信號進行處理，包括功率放大、通道校正、解調(diào)、匹配濾波以及A/D采樣，輸出待處理的基帶采樣信號，陣元i對應(yīng)信號為xi；
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在所述的步驟2中，按下式進行波束形成yj＝ωj1·x1+ωj2·x2+……+ωjN·xN其中，yj為第j個波束對應(yīng)的信號，xi為第i個天線的對應(yīng)信號，ωji為編號為j的波束對應(yīng)的i個天線的權(quán)值，從而，獲得波束1，3，...jl或者2，4，...jl，其中jl為奇數(shù)或者偶數(shù)，且不大于M。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述步驟3包括以下步驟步驟3.1對步驟2獲得的各個采樣相位對應(yīng)的I、Q兩路數(shù)據(jù)，進行后端的相關(guān)累加，獲得各個采樣相位信號累加結(jié)果；步驟3.2對步驟3.1獲得的各個采樣相位信號累加結(jié)果，進行I路與Q路信號的平方運算，將兩個結(jié)果求和得到對應(yīng)各個采樣相位的能量；步驟3.3對于步驟3.2獲得的各個采樣相位的能量進行后端的非相關(guān)累加，獲得各個采樣相位能量累加結(jié)果；步驟3.4對于步驟3.3中獲得的各個采樣相位能量累加結(jié)果，分別按照采樣點對應(yīng)準則進行低通濾波，獲得各個采樣相位對應(yīng)的濾波后的能量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在所述步驟4中，按照下式獲得相位對應(yīng)總能量Pk＝P1k+P3k+......+Pjk其中，Pk為第k個采樣點對應(yīng)能量，Pjk為第j個波束第k個采樣點對應(yīng)能量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述在步驟6中，對于每一個相位t(t·{t1，t2，……，tP})，進行如下判決如果(相位t對應(yīng)總能量Pt)＞(某個編號為奇數(shù)或者偶數(shù)j的波束對應(yīng)相位能量Pjt)×(閾值Tb)，則判決相位t對應(yīng)多徑位于波束j內(nèi)；否則，尋找對應(yīng)波束中能量最強以及次強的波束分別為j和j+2或者j-2，則判決相位t對應(yīng)多徑位于波束j+1或者j-1內(nèi)。
7.一種固定多波束智能天線的聯(lián)合時空多徑搜索裝置，其特征在于該裝置包括多個波束形成模塊(1711-171jl)，對基帶信號中編號為奇數(shù)或者偶數(shù)的波束進行波束形成，生成波束信號并分別送入相對應(yīng)的波束延時功率譜計算模塊；多個波束延時功率譜計算模塊(1721-172jl)，對送入的各奇數(shù)或者偶數(shù)編號波束信號進行延時功率譜處理，分別產(chǎn)生對應(yīng)每個波束的延時功率譜，并送入波束總延時功率譜計算模塊；一個波束總延時功率譜計算模塊(173)，對送入的所有延時功率譜進行波束總延時功率譜計算，獲得總延時功率譜；一個多徑相位判決模塊(174)，根據(jù)波束總延時功率譜判決多徑所在相位；一個多徑波束判決模塊(175)；根據(jù)多徑相位判決模塊(174)送入的多徑相位信息以及多個波束延時功率譜計算模塊(1721-172jl)送入的各個對應(yīng)奇數(shù)或者偶數(shù)編號波束信號的延時功率譜判決多徑所在波束信息。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，還包括一個信號接收單元，用于接收射頻信號，將收到的射頻信號轉(zhuǎn)換為待處理的基帶信號。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中，所述的信號接收單元包括多個射頻通道，分別與對應(yīng)的多個波束形成模塊相連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種固定多波束智能天線的聯(lián)合時空多徑搜索方法與裝置，包括將接收的射頻信號轉(zhuǎn)換為待處理的基帶采樣信號；對基帶采樣信號中編號為奇數(shù)或者偶數(shù)的波束進行波束形成，生成波束信號；對各奇數(shù)編號或者偶數(shù)編號波束信號進行延時功率譜處理，分別產(chǎn)生對應(yīng)每個波束的延時功率譜；將所有奇數(shù)編號或者偶數(shù)編號的波束上獲得的能量按照對應(yīng)相位相加獲得各相位對應(yīng)總能量；對各個相位對應(yīng)的能量，進行多徑位置判決，獲得并且輸出各個多徑的相位信息；進行多波束判決，根據(jù)各個多徑的相位信息以及不同波束對應(yīng)相位的能量，確定多徑所在波束編號；輸出多徑所在波束編號以及相位信息。本發(fā)明相對原始系統(tǒng)共節(jié)約了N/2個多徑搜索器，節(jié)約了系統(tǒng)成本。
文檔編號H04B1/707GK1553616SQ0314134
公開日2004年12月8日 申請日期2003年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月3日
發(fā)明者吳濤, 濤 吳 申請人:華為技術(shù)有限公司