專利名稱：一種全自適應(yīng)智能天線接收裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及移動(dòng)通信系統(tǒng)，尤其涉及采用陣列天線接收的波束權(quán)值自適應(yīng)更新智能天線接收裝置。
目前，采用CDMA方法的系統(tǒng)主要包括窄帶CDMA(IS-95Interim Standard95)系統(tǒng)、寬帶CDMA(WCDMAWideband CDMA)系統(tǒng)、Cdma2000系統(tǒng)、TD-SCDMA(Time Division Synchronous Code Division Multiple Access)系統(tǒng)和TD-CDMA(Time Division-Code Division Multiple Access)系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)中普遍采用了多碼擴(kuò)頻技術(shù)或稱雙層擴(kuò)頻碼分配技術(shù)，即在這些CDMA系統(tǒng)中，從移動(dòng)用戶到基站的反向鏈路擴(kuò)頻方式可以分為兩步，第一步是用互相關(guān)性能很好的正交函數(shù)作為信道碼擴(kuò)頻，例如沃爾什(Walsh)函數(shù)，擴(kuò)頻因子可變正交碼(OVSFOrthogonal Variable Spreading Factor)，這一步稱作加擴(kuò)，對(duì)應(yīng)接收端的恢復(fù)過程稱作解擴(kuò)；第二步把加擴(kuò)后的信號(hào)乘上每個(gè)用戶唯一分配的自相關(guān)性能較好的偽隨機(jī)碼(PN序列，M序列，Gold序列)，這一步稱作加擾，對(duì)應(yīng)接收端的恢復(fù)過程稱作解擾，上述的偽隨機(jī)碼稱作擾碼，用擾碼來(lái)區(qū)分不同的移動(dòng)用戶。同樣，這些系統(tǒng)中從基站到移動(dòng)用戶的前向鏈路的擴(kuò)頻方式也分同樣的兩步，唯一的區(qū)別是前向鏈路中的擾碼用來(lái)區(qū)分基站或小區(qū)。不同的基站或小區(qū)的擾碼不同。這種解擴(kuò)加擾的系統(tǒng)通常用四相相移鍵控(QPSK)調(diào)制，QPSK信號(hào)通?？醋鲀陕范嘞嘁奇I控(BPSKBinary Phase Shift Keying)調(diào)制信號(hào)的正交疊加，分別稱為I路信號(hào)和Q路信號(hào)。QPSK信號(hào)也可以看作一路復(fù)數(shù)信號(hào)，I路可以看成實(shí)部，Q路可以看成虛部。
現(xiàn)有CDMA系統(tǒng)中通常采用導(dǎo)頻信道傳送導(dǎo)頻符號(hào)，具體包括兩種方式，一種是專用導(dǎo)頻信道方式，這種方式連續(xù)發(fā)送導(dǎo)頻符號(hào)。另一種是插入導(dǎo)頻信道方式，這種方式把導(dǎo)頻符號(hào)和其它信息符號(hào)在時(shí)間上復(fù)用，有的時(shí)間段內(nèi)發(fā)送導(dǎo)頻符號(hào)，有的時(shí)間段內(nèi)沒有導(dǎo)頻被發(fā)送。
在一般的移動(dòng)通信環(huán)境中，基站和移動(dòng)臺(tái)之間的信號(hào)沿接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的若干路徑進(jìn)行傳播。這種多徑傳播現(xiàn)象主要是由信號(hào)在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)周圍的物體表面的反射引起的。由于不同的傳播路徑的不同，沿不同路徑到達(dá)接收機(jī)的同一信號(hào)的不同多徑成分到達(dá)接收機(jī)的傳播時(shí)延和到達(dá)角度也不同，從而造成多徑干擾。在CDMA系統(tǒng)中，在信號(hào)的接收過程可以采用分集接收或分集發(fā)送方式抵抗多徑傳播。在CDMA系統(tǒng)中使用的接收機(jī)是一種多分支結(jié)構(gòu)的接收機(jī)，其中每一分支與沿某一單獨(dú)路徑傳播的多徑組分同步。每一分支是一個(gè)單獨(dú)的接收機(jī)元件，其功能是生成和解調(diào)期望接收信號(hào)分量。在傳統(tǒng)的CDMA系統(tǒng)中采用相干或不相干的方法合并不同接收機(jī)元件信號(hào)是有益的，可以改善接收信號(hào)質(zhì)量。
在CDMA系統(tǒng)中，許多用戶使用同一頻帶進(jìn)行通信。由于不可能設(shè)計(jì)出完全互不相關(guān)的擴(kuò)頻碼集合，所以不同用戶之間仍存在相互干擾。一般來(lái)說，在一個(gè)頻帶內(nèi)的用戶數(shù)越多，干擾水平就越高，鏈路的通信質(zhì)量就越差。因此，CDMA系統(tǒng)是一個(gè)干擾受限的無(wú)線通信系統(tǒng)，其每一個(gè)規(guī)定寬度的頻帶所能容納的信道數(shù)是有限度的，所以前述的各種技術(shù)手段只能將通信系統(tǒng)的容量提高到一定程度，要想超過這個(gè)限度則必須增加其他的資源。空間分集是增加系統(tǒng)容量與改善系統(tǒng)性能的最新發(fā)展技術(shù)，理論上分析表明只要正確地使用一組天線，形成新的自由度和空間，就能較大地增加系統(tǒng)容量。此外，采用空間分集還可以降低功耗、增加抗衰落和抗干擾能力，更有效地切換以及更好的安全性和系統(tǒng)魯棒性。
為了增加系統(tǒng)容量改善系統(tǒng)性能，實(shí)現(xiàn)空間分集的一種直接方法是使用定向天線，將無(wú)線系統(tǒng)分為扇區(qū)。采用扇區(qū)的基站接收機(jī)中可以大幅度減少移動(dòng)臺(tái)間的相互干擾。這是因?yàn)橐话愀蓴_均勻分布在不同的入射方向上，因而其數(shù)量可以通過扇區(qū)化減少。當(dāng)然可以在傳輸?shù)膬蓚€(gè)方向上都實(shí)現(xiàn)扇區(qū)化，扇區(qū)化所提供的容量收益正比于扇區(qū)的數(shù)量。
扇區(qū)化可以采用一種特殊形式的軟切換，即更軟越區(qū)切換。其中移動(dòng)臺(tái)通過同時(shí)與兩個(gè)扇區(qū)通信來(lái)執(zhí)行從其中一個(gè)扇區(qū)到另一個(gè)扇區(qū)的軟越區(qū)切換。盡管越區(qū)切換提高了連接質(zhì)量，扇區(qū)化增加了系統(tǒng)容量，可是多個(gè)移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)自然導(dǎo)致了這些移動(dòng)臺(tái)執(zhí)行若干從一個(gè)扇區(qū)到另一個(gè)扇區(qū)的越區(qū)切換的次數(shù)，這增加了系統(tǒng)的負(fù)荷。若干越區(qū)切換也產(chǎn)生了幾個(gè)移動(dòng)臺(tái)同時(shí)與多個(gè)扇區(qū)通信的情況，從而因?yàn)橐苿?dòng)臺(tái)要在較寬的區(qū)域內(nèi)接收信號(hào)而喪失了扇區(qū)化所增加的系統(tǒng)容量的優(yōu)勢(shì)。
為了進(jìn)一步利用不同信號(hào)的不同空間特性提高系統(tǒng)性能，很多人研究了智能天線技術(shù)，也叫陣列天線技術(shù)。智能天線采用兩個(gè)以上的單天線陣元組成天線陣，每個(gè)陣元的接收到的信號(hào)經(jīng)過射頻處理后進(jìn)行用適當(dāng)?shù)臋?quán)值進(jìn)行加權(quán)求和，就能達(dá)到定向接收的效果。加權(quán)的實(shí)質(zhì)是一種空間濾波，智能天線也可以認(rèn)為是一種空分多址(SDMA)技術(shù)。在SDMA中通過天線陣列接收信號(hào)，并通過數(shù)字信號(hào)處理進(jìn)行數(shù)字波束賦形(DBF)，使所需信號(hào)的信噪比最大。這是通過調(diào)整天線陣列所接收的信號(hào)的相位使所需信號(hào)通過相加求和得到加強(qiáng)，而其它干擾信號(hào)通過相加求和得到削弱實(shí)現(xiàn)的。對(duì)采用CDMA多址方式的系統(tǒng)而言，使用SDMA比用其他空間分集技術(shù)，如扇區(qū)化，具有許多優(yōu)勢(shì)。如果在扇區(qū)化過程中為增加頻譜利用率而窄化扇區(qū)波束，則系統(tǒng)內(nèi)扇區(qū)之間的切換次數(shù)也隨著增加。這就相應(yīng)地增加了基站控制器的負(fù)荷。
智能天線大體可分三種。
一種是預(yù)多波束智能天線。這種方案是預(yù)先設(shè)定一些指向不同方向的波束權(quán)值，在通信過程中選擇接收信號(hào)比較好的那些波束權(quán)值加權(quán)結(jié)果進(jìn)行后續(xù)處理，如專利號(hào)為98800049，名稱為“自適應(yīng)陣列天線裝置”的專利，，還有美國(guó)metawave公司的GSM Spotlight智能天線。這種方法的缺點(diǎn)是需要設(shè)計(jì)較好較多的預(yù)先權(quán)值，也沒有充分利用具體時(shí)刻的信號(hào)空間分布特性，不能很好的提高接收信號(hào)的信干噪比。
第二種是部分自適應(yīng)智能天線。這種實(shí)現(xiàn)方案通常從接收的陣列信號(hào)中提取期望用戶信號(hào)到達(dá)方向角信息，然后形成指向到達(dá)方向角的波束，到達(dá)方向角變化則權(quán)值跟著變化。這種算法的準(zhǔn)則是使接收到的期望用戶信號(hào)能量最大，同時(shí)有限的壓制其它方向的干擾。相控陣就屬于這樣的技術(shù)，相控陣的所有幅度一樣，不能改變，只有相位能自適應(yīng)的改變。部分自適應(yīng)智能天線的性能比預(yù)多波束智能天線要好，但還是沒有完全利用信號(hào)空間信息，自適應(yīng)范圍也有限，而且提取達(dá)到方向角的算法比較復(fù)雜，是否能夠?qū)崟r(shí)實(shí)現(xiàn)也是一個(gè)重要的問題。目前也有很多這方面的專利，如專利號(hào)為97104039，名稱為“具有智能天線的時(shí)分雙工同步碼分多址無(wú)線通信系統(tǒng)”的專利，專利號(hào)為97202038，名稱為“用于自適應(yīng)天線的方向控制電路”，以及專利號(hào)為99105647，名稱為“用于碼分多址系統(tǒng)的預(yù)先優(yōu)化成形波束的自適應(yīng)陣列天線”的專利等。
第三種是全自適應(yīng)智能天線。這種天線的權(quán)值不需要預(yù)先設(shè)置，而是根據(jù)信號(hào)空間分布特性的變化而按一定準(zhǔn)則不斷更新權(quán)值，權(quán)值的幅度和相位都可以自由更新，當(dāng)更新算法收斂時(shí)這種方法能充分利用期望用戶信號(hào)和干擾信號(hào)的空間特性使接收到的信號(hào)的信干噪比達(dá)到最大，而部分自適應(yīng)智能天線一般不考慮干擾到達(dá)方向。這是很令人向往的結(jié)果，可以說是智能天線的最高境界，也有人申請(qǐng)了這方面的專利，如中國(guó)專利99104709(自適應(yīng)天線)。
其它與智能天線相關(guān)專利還有美國(guó)專利U.S4599734(多向時(shí)分復(fù)用的通信的空間分集通信系統(tǒng))、美國(guó)專利U.S550735(在移動(dòng)/室內(nèi)蜂窩無(wú)線通信系統(tǒng)中的分集發(fā)送)和中國(guó)專利96194112(基站設(shè)備，以及一種控制天線波束方向的發(fā)射方法)。
從上述內(nèi)容可以看出，顯然使用全自適應(yīng)天線陣列的無(wú)線通信系統(tǒng)能達(dá)到最好的系統(tǒng)性能，但目前在實(shí)際中應(yīng)用還需要解決一些關(guān)鍵的技術(shù)問題。其中自適應(yīng)更新權(quán)值算法的計(jì)算復(fù)雜度和收斂速度就是制約自適應(yīng)天線發(fā)展的難題之一。上述涉及全自適應(yīng)智能天線的專利中，要么只是提出了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的框架，沒有具體的實(shí)現(xiàn)方法；要么提出了包含矩陣求逆運(yùn)算的更新方法，但是這種方法實(shí)現(xiàn)卻是非常困難，也是很不現(xiàn)實(shí)的。這也是為什么到目前為止，雖然有許多這方面的專利和研究成果，卻仍然沒有出現(xiàn)全自適應(yīng)智能天線產(chǎn)品的根本原因之一。即使是部分自適應(yīng)系統(tǒng)，由于到達(dá)方向角估計(jì)的計(jì)算復(fù)雜度和多徑傳播的現(xiàn)實(shí)情況，仍處于理論研究階段。所以，簡(jiǎn)單有效的實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)權(quán)值更新是智能天線發(fā)展的決定性核心技術(shù)。
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是為了克服現(xiàn)有的預(yù)多波束智能天線系統(tǒng)和部分自適應(yīng)智能天線系統(tǒng)的缺點(diǎn)，同時(shí)解決全自適應(yīng)智能天線實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的問題，提出一種簡(jiǎn)潔高效的全自適應(yīng)智能天線接收裝置。本發(fā)明可以應(yīng)用于采用任何陣列方式和任何雙工方式的采用四相鍵控調(diào)制(QPSK)的碼分多址(CDMA)接入方法的通信系統(tǒng)。
本發(fā)明所述全自適應(yīng)智能天線接收裝置包括下述部分天線陣列101、射頻通道組102、數(shù)字波束賦形模塊103、解擾解擴(kuò)模塊104和權(quán)值更新模塊105。所述天線陣列101包括兩個(gè)以上的天線陣元，其輸出端接到射頻通道102的輸入端；天線陣元的輻射方向圖可以是任意的，天線陣列的排列方式也可以是任意的。
所述射頻通道組102包括兩個(gè)以上的射頻通道，該多個(gè)射頻通道與所述多個(gè)天線陣元一一對(duì)應(yīng)，每個(gè)射頻通道輸入端接一個(gè)天線陣元的輸出端，所有射頻通道的輸出端接到所述數(shù)字波束賦形模塊103的輸入端，同時(shí)將信號(hào)輸入到所述權(quán)值更新模塊105中；所述數(shù)字波束賦形模塊103用權(quán)值對(duì)射頻通道過來(lái)的信號(hào)進(jìn)行復(fù)數(shù)加權(quán)求和；其輸入端一方面接收所述射頻通道組102發(fā)送的數(shù)字信號(hào)，另一方面與所述權(quán)值更新模塊105的權(quán)值輸出端相連，其輸出端連到所述解擾解擴(kuò)模塊104的輸入端和所述權(quán)值更新模塊105的輸入端；所述解擾解擴(kuò)模塊104接收所述數(shù)字波束賦形模塊103送來(lái)的輸出信號(hào)，并對(duì)加權(quán)求和后的數(shù)據(jù)進(jìn)行解擾解擴(kuò)，解擾解擴(kuò)后的輸出I路和Q路數(shù)據(jù)一方面送到其它后續(xù)常規(guī)處理模塊，另一方面Q路數(shù)據(jù)送入所述權(quán)值更新模塊104；所述權(quán)值更新模塊105的輸入信號(hào)包括所述射頻通道組中各個(gè)射頻通道的輸出信號(hào)、所述數(shù)字波束賦形模塊105的輸出信號(hào)、復(fù)數(shù)擾碼、Q路擴(kuò)頻碼和導(dǎo)頻符號(hào)，所述權(quán)值更新模塊105用于實(shí)現(xiàn)權(quán)值更新并得到一組新復(fù)數(shù)權(quán)值，然后將該組復(fù)數(shù)權(quán)值輸出送往所述數(shù)字波束賦形模塊103。
所述射頻通道組102完成低噪聲放大、自動(dòng)增益控制、解調(diào)、通道校正、基帶轉(zhuǎn)換、A/D采樣以及匹配濾波等功能。
如上所述的權(quán)值更新模塊105包括誤差信號(hào)生成模塊201和權(quán)值分量更新模塊組202；所述誤差信號(hào)生成模塊201接收所述射頻通道組102、數(shù)字波束賦形模塊103和解擾解擴(kuò)模塊104發(fā)送來(lái)的信號(hào)，并進(jìn)行擴(kuò)頻加擾，將產(chǎn)生的誤差信號(hào)發(fā)送到所述權(quán)值分量更新模塊組202；所述權(quán)值分量更新模塊組202中的各權(quán)值分量更新模塊與所述天線陣元一一對(duì)應(yīng)，各權(quán)值分量更新模塊輸入誤差信號(hào)生成器輸出的誤差信號(hào)和對(duì)應(yīng)射頻通道的輸出信號(hào)，輸出更新后的復(fù)數(shù)權(quán)值分量。
當(dāng)所述解擾解擴(kuò)模塊104輸出的Q路的擴(kuò)頻碼為全1碼，所述誤差信號(hào)生成模塊201的輸入信號(hào)有所述解擾解擴(kuò)模塊104輸出的Q路信號(hào)、導(dǎo)頻符號(hào)、復(fù)數(shù)擾碼、所述數(shù)字波束賦形模塊103的輸出信號(hào)。在有導(dǎo)頻符號(hào)的符號(hào)周期內(nèi)，所述誤差信號(hào)生成模塊201把所述數(shù)字波束賦形模塊103發(fā)送的信號(hào)減去導(dǎo)頻符號(hào)與復(fù)數(shù)擾碼乘積，把相減得到的復(fù)數(shù)差值輸出送到所述權(quán)值分量更新模塊組202。在沒有導(dǎo)頻符號(hào)的符號(hào)周期內(nèi)，對(duì)所述解擾解擴(kuò)模塊104輸出的Q路信號(hào)進(jìn)行符號(hào)判決，把判決后的信號(hào)乘上復(fù)數(shù)擾碼，然后用所述數(shù)字波束賦形模塊103的輸出信號(hào)減去這個(gè)乘積，差值輸出送到所述權(quán)值分量更新模塊組202。上面與擾碼相乘的過程就相當(dāng)于擴(kuò)頻加擾的過程。在有專用導(dǎo)頻信道的系統(tǒng)中，隨時(shí)都有導(dǎo)頻符號(hào)，直接用導(dǎo)頻符號(hào)擴(kuò)頻加擾，然后和所述波束賦形模塊103的輸出信號(hào)求差送到各權(quán)值分量模塊中即可。
當(dāng)所述解擾解擴(kuò)模塊104中的Q路擴(kuò)頻碼不是全1碼，所述誤差信號(hào)生成模塊201的輸入信號(hào)有所述解擾解擴(kuò)模塊104輸出的Q路信號(hào)、導(dǎo)頻符號(hào)、Q路擴(kuò)頻碼、復(fù)數(shù)擾碼、所述數(shù)字波束賦形模塊103的輸出信號(hào)。在有導(dǎo)頻符號(hào)的符號(hào)周期內(nèi)，所述誤差信號(hào)生成模塊201把所述數(shù)字波束賦形模塊103過來(lái)的信號(hào)減去導(dǎo)頻符號(hào)與Q路擴(kuò)頻碼和復(fù)數(shù)擾碼乘積，把相減得到的復(fù)數(shù)差值輸出送到所述權(quán)值分量更新模塊組202。在沒有導(dǎo)頻符號(hào)的符號(hào)周期內(nèi)，對(duì)所述解擾解擴(kuò)模塊104輸出的Q路信號(hào)進(jìn)行符號(hào)判決，把判決后的信號(hào)乘上Q路擴(kuò)頻碼和復(fù)數(shù)擾碼，然后用所述數(shù)字波束賦形模塊103的輸出信號(hào)減去這個(gè)乘積，差值輸出送到所述權(quán)值分量更新模塊組202。上面與擴(kuò)頻碼擾碼相乘的過程就相當(dāng)于擴(kuò)頻加擾的過程。在有專用導(dǎo)頻信道的系統(tǒng)中，隨時(shí)都有導(dǎo)頻符號(hào)，直接用導(dǎo)頻符號(hào)擴(kuò)頻加擾，然后和所述數(shù)字波束賦形模塊103的輸出信號(hào)求差送到各權(quán)值分量模塊中即可。
如上所述的權(quán)值分量更新模塊組202包括下述部分復(fù)數(shù)乘法器401、兩個(gè)實(shí)數(shù)積分器402、403、步長(zhǎng)因子存儲(chǔ)單元404、權(quán)值實(shí)部存儲(chǔ)單元405、權(quán)值虛部存儲(chǔ)單元406、兩個(gè)實(shí)數(shù)乘法器407、408、兩個(gè)實(shí)數(shù)減法器409、409’。
所述復(fù)數(shù)乘法器401輸入復(fù)數(shù)誤差信號(hào)和對(duì)應(yīng)一個(gè)射頻通道的復(fù)數(shù)輸出信號(hào)；對(duì)這兩路信號(hào)進(jìn)行復(fù)數(shù)相乘，乘積結(jié)果的實(shí)部和虛部分別送入所述實(shí)數(shù)乘法器407和實(shí)數(shù)乘法器408；所述兩個(gè)實(shí)數(shù)積分器402和403分別對(duì)所述復(fù)數(shù)乘法器401輸出的實(shí)部和虛部在一個(gè)權(quán)值更新周期內(nèi)進(jìn)行積分，積分結(jié)果分別送到兩個(gè)實(shí)數(shù)乘法器407和408中；所述兩個(gè)實(shí)數(shù)乘法器402和403的輸入信號(hào)分別為所述復(fù)數(shù)乘法器401輸出的實(shí)部和虛部。
所述步長(zhǎng)因子存儲(chǔ)單元404存儲(chǔ)一個(gè)實(shí)數(shù)，這個(gè)實(shí)數(shù)的值可以事先設(shè)定也可以通過指令來(lái)更新。這個(gè)數(shù)值供所述兩個(gè)實(shí)數(shù)乘法器407和408調(diào)用。
所述權(quán)值實(shí)部存儲(chǔ)單元405存儲(chǔ)波束賦形權(quán)值的實(shí)部，其輸入為一個(gè)實(shí)數(shù)減法器409的輸出，其輸出當(dāng)作被減數(shù)送回該實(shí)數(shù)減法器409。
所述權(quán)值虛部存儲(chǔ)單元406存儲(chǔ)波束賦形權(quán)值的虛部，其輸入為一個(gè)實(shí)數(shù)減法器409’的輸出，其輸出作被減數(shù)送回該實(shí)數(shù)減法器409’。
所述兩個(gè)實(shí)數(shù)乘法器407和408分別把兩個(gè)實(shí)數(shù)積分器402和403輸出的結(jié)果和步長(zhǎng)因子相乘，乘積分別當(dāng)作減數(shù)分別送入兩個(gè)實(shí)數(shù)減法器409和409’。
所述實(shí)數(shù)減法器409處理權(quán)值實(shí)部，其輸入為所述權(quán)值實(shí)部存儲(chǔ)單元405的數(shù)值和相應(yīng)實(shí)部的實(shí)數(shù)乘法器407的乘積，從實(shí)部權(quán)值減去實(shí)數(shù)乘法器407的乘積，得到的差值一方面作為一個(gè)權(quán)值分量實(shí)部的更新結(jié)果送到所述波束賦形模塊103中去，一方面送入所述權(quán)值實(shí)部存儲(chǔ)單元405。
所述實(shí)數(shù)減法器409’處理權(quán)值虛部，其輸入為權(quán)值虛部存儲(chǔ)單元406的數(shù)值和相應(yīng)虛部的實(shí)數(shù)乘法器408的乘積，從虛部權(quán)值減去所述實(shí)數(shù)乘法器408的乘積，得到的差值一方面作為一個(gè)權(quán)值分量虛部的更新結(jié)果送到所述波束賦形模塊103中去，一方面送入所述權(quán)值虛部存儲(chǔ)單元406。
以上所述結(jié)構(gòu)模塊，可以是硬件模塊，也可以是軟件模塊，可以把這些模塊做在專用芯片或FPGA中，也把一部分模塊在DSP中用軟件實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明所述裝置，與現(xiàn)有智能天線技術(shù)相比，一方面避免了矩陣求逆等很難實(shí)現(xiàn)的計(jì)算，也不必進(jìn)行波束綜合算法，更不必進(jìn)行復(fù)雜的信號(hào)到達(dá)方向角判定計(jì)算，從上述結(jié)構(gòu)可見，本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度是很低的；另一方面本發(fā)明直接實(shí)現(xiàn)了接收信號(hào)性能最優(yōu)的全自適應(yīng)智能天線方案，不僅能在期望用戶信號(hào)的到達(dá)方向形成很強(qiáng)的波束增益，而且能適應(yīng)無(wú)線信號(hào)環(huán)境，對(duì)干擾信號(hào)作很客觀的壓制。
圖2是

圖1中所述權(quán)值更新模塊的詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖。
圖3是圖2中所述誤差信號(hào)生成模塊的詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖。
圖4是圖2中所述權(quán)值分量更新模塊的詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖。
圖5是圖4中所述復(fù)數(shù)乘法器的詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖。
圖6是圖4中所述實(shí)數(shù)積分器的詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖。
圖7是蜂窩系統(tǒng)的多徑傳播現(xiàn)象示意圖。
圖8是根據(jù)本發(fā)明所述裝置得到的波束示意圖。
圖9是應(yīng)用在WCDMA系統(tǒng)中的誤差信號(hào)生成模塊的詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖。
圖1是本發(fā)明接收裝置的總體結(jié)構(gòu)圖，本發(fā)明所述全自適應(yīng)智能天線接收裝置包括下述部分天線陣列101、射頻通道組102、數(shù)字波束賦形模塊103、解擾解擴(kuò)模塊104和權(quán)值更新模塊105。
由于接收系統(tǒng)中的擾碼產(chǎn)生、擴(kuò)頻碼產(chǎn)生、碼同步、解擾解擴(kuò)、時(shí)鐘控制等模塊的功能并不是本發(fā)明關(guān)心的內(nèi)容，在本發(fā)明中一般不描述這些模塊，需要時(shí)直接引用這些模塊或其輸出信號(hào)。參考附圖可以看到以下描述內(nèi)容的清晰結(jié)構(gòu)。
天線陣列101由M個(gè)天線陣元101.1、101.2、…、101.M組成，這些天線陣元接收的信號(hào)分別經(jīng)過M個(gè)射頻通道102.1、102.2、…、102.M處理形成M路復(fù)數(shù)基帶信號(hào)X.1、X.2、…、X.M。數(shù)字波束賦形模塊103由M個(gè)復(fù)數(shù)乘法器103.1、103.2、…、103.M和一個(gè)復(fù)數(shù)求和器103.a組成，基帶信號(hào)X和權(quán)值W相乘求和得到輸出信號(hào)Din。解擾解擴(kuò)模塊104把信號(hào)Din解擾解擴(kuò)輸出實(shí)數(shù)信號(hào)Q路信號(hào)DQ和I路信號(hào)DI?；鶐盘?hào)X、信號(hào)Din、解擾解擴(kuò)得到的數(shù)據(jù)DQ、導(dǎo)頻數(shù)據(jù)Pilot、Q路擴(kuò)頻碼CQ和用戶擾碼S輸入權(quán)值更新模塊105，權(quán)值更新模塊105計(jì)算出新權(quán)值W送給數(shù)字波束賦形模塊103。新權(quán)值W由M個(gè)復(fù)數(shù)分量W.1、W.2、…、W.M組成。這個(gè)接收結(jié)構(gòu)的核心是權(quán)值更新模塊105，如何適應(yīng)信道環(huán)境快速的更新權(quán)值，是智能天線系統(tǒng)性能好差的關(guān)鍵因素。為了利用信道環(huán)境的信息和期望用戶信號(hào)特征，權(quán)值更新模塊105需要輸入比較多的信號(hào)，射頻通道輸出的信號(hào)X中包含了整個(gè)信道環(huán)境的信息特征，信號(hào)DQ和Pilot則是期望用戶信號(hào)可靠的應(yīng)該具備的特征。信號(hào)Din則比較適合衡量當(dāng)前權(quán)值是否恰當(dāng)?shù)摹?br> 圖2是圖1中本發(fā)明權(quán)值更新模塊105的結(jié)構(gòu)圖，由誤差信號(hào)生成模塊201和權(quán)值分量更新模塊202組成，權(quán)值分量更新模塊202又包括M個(gè)權(quán)值分量更新模塊202.1、202.2、…、202.M。圖1中的信號(hào)Din、S、CQ、DQ和Pilot輸入誤差信號(hào)生成模塊201，誤差信號(hào)形成模塊201輸出誤差信號(hào)In送入各個(gè)權(quán)值分量更新模塊中。圖1中的基帶信號(hào)X.1、X.2、…、X.M分別送入權(quán)值分量更新模塊202.1、202.2、…、202.M中，各個(gè)權(quán)值分量更新模塊分別輸出權(quán)值分量W.1、W.2、…、W.M。
圖3是圖2中誤差信號(hào)生成模塊201的結(jié)構(gòu)圖。輸入信號(hào)DQ先經(jīng)過一個(gè)符號(hào)判決模塊301進(jìn)行符號(hào)判決，然后通過選擇器302從輸入的導(dǎo)頻符號(hào)Pilot和判決結(jié)果中選擇一路形成參考信號(hào)Ref。在有導(dǎo)頻符號(hào)的時(shí)間段選擇導(dǎo)頻符號(hào)否則選擇判決結(jié)果。輸入的復(fù)數(shù)信號(hào)S在圖3中更具體的用實(shí)部S.r和虛部S.i來(lái)表示，同樣輸入信號(hào)Din也用實(shí)部Din.r和虛部Din.i來(lái)表示，輸出信號(hào)In也用實(shí)部In.r和虛部In.i表示。從圖3中很清楚可以看出，通過兩個(gè)實(shí)數(shù)乘法器和實(shí)數(shù)減法器，輸出信號(hào)In.i＝Din.i-Ref×CQ×S.i，輸出信號(hào)In.r＝Din.r-Ref×CQ×S.r?？紤]到S的實(shí)部虛部以及CQ的取值為±1，所以誤差信號(hào)生成器中的乘法器在實(shí)現(xiàn)時(shí)可以做適當(dāng)簡(jiǎn)化，比如用異或操作來(lái)代替。
圖4是圖2中第m個(gè)權(quán)值分量更新模塊202.m的結(jié)構(gòu)圖，這里的m＝1，2，…，M。復(fù)數(shù)基帶信號(hào)X.m和復(fù)數(shù)誤差信號(hào)In通過一個(gè)復(fù)數(shù)乘法器401進(jìn)行復(fù)數(shù)相乘，相乘輸出的復(fù)數(shù)信號(hào)Dout由實(shí)部Dout.r和Dout.i組成。Dout.r通過實(shí)數(shù)積分器402在一個(gè)權(quán)值更新周期內(nèi)進(jìn)行積分，積分結(jié)果和步長(zhǎng)因子存儲(chǔ)器404中的數(shù)值進(jìn)行實(shí)數(shù)相乘。從權(quán)值實(shí)部存儲(chǔ)器405中的值減去簽名的到乘積，得到的差值90W.m.r就是更新后第m個(gè)權(quán)值分量的實(shí)部。W.m.r一方面送入存儲(chǔ)器405供下一次更新用，一方面作為輸出送到波束賦形模塊中去。類似的，對(duì)于Dout.i，先通過積分器403進(jìn)行積分，然后和步長(zhǎng)因子相乘，在從權(quán)值虛部存儲(chǔ)器406中減去這個(gè)乘積，得到的差值W.m.i就是更新后第m個(gè)權(quán)值分量的虛部。W.m.i一方面送入存儲(chǔ)器406供下一次更新用，一方面作為輸出送到波束賦形模塊中去。
圖5是圖4中復(fù)數(shù)乘法器401的結(jié)構(gòu)示意圖，這個(gè)結(jié)構(gòu)圖只是實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算。從圖中可以一目了然看出其功能。
圖6是一個(gè)實(shí)數(shù)積分器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4中的實(shí)數(shù)積分器402、403都采用這種結(jié)構(gòu)。積分器中有一個(gè)存儲(chǔ)器601，一個(gè)加法器602和一個(gè)時(shí)鐘控制的開關(guān)603組成。存儲(chǔ)器601可以存儲(chǔ)一個(gè)實(shí)數(shù)。大部分時(shí)間內(nèi)，603是斷開的，積分器沒有輸出。積分器的輸入信號(hào)CDin由和存儲(chǔ)器中的值相加，得到的和送入存儲(chǔ)器601，到了需要更新權(quán)值的時(shí)刻，603閉合，輸出存儲(chǔ)器中的值，同時(shí)把存儲(chǔ)器清零。然后再把603斷開，重新進(jìn)行積分。
圖7是用來(lái)說明蜂窩系統(tǒng)中傳送的信號(hào)的典型的多徑傳播現(xiàn)象?；驹O(shè)備705與移動(dòng)臺(tái)701進(jìn)行通信。在蜂窩無(wú)線通信系統(tǒng)中，移動(dòng)臺(tái)一般以全向天線模式進(jìn)行發(fā)射。由于移動(dòng)臺(tái)的天線都比較低，往往處在許多高大物體的包圍之中，這些物體包括高大建筑物，山脈丘陵以及其它物體等。這些物體的表面能夠反射和散射無(wú)線電波。移動(dòng)臺(tái)701發(fā)出的無(wú)線電波被物體702，703的表面反射后沿不同路徑7001、7002到達(dá)基站設(shè)備705的天線。由于多徑所走的路徑不同，因而到達(dá)基站設(shè)備到達(dá)方向和傳播時(shí)延一般也不同(也可能相同或相近)。移動(dòng)臺(tái)701與基站設(shè)備705之間的物體704阻擋了基站設(shè)備705和移動(dòng)臺(tái)701之間的直接通路。
圖8說明了利用本發(fā)明的接收裝置得到的波束方向圖。在時(shí)延相近的兩個(gè)信號(hào)到達(dá)方向形成了兩個(gè)主波束801和802。在其它干擾方向上形成了零陷或較低的旁瓣803，804、805。通過本發(fā)明接收裝置可以使波束達(dá)到接收信號(hào)和參考信號(hào)之間的誤差在最小均方誤差準(zhǔn)則下最小。
圖9是Q路擴(kuò)頻碼為全1時(shí)的誤差信號(hào)生成裝置結(jié)構(gòu)圖。比如在寬帶碼分多址(WCDMA)系統(tǒng)中，控制信道(Q路)的擴(kuò)頻碼是全1碼，因此與擴(kuò)頻碼相乘這一步可以省略。所以在擴(kuò)頻碼為全1時(shí)，圖1圖2中的輸入信號(hào)CQ可以省略，誤差信號(hào)生成模塊的結(jié)構(gòu)則由圖3變成圖9。與圖3相比，圖9省略了輸入信號(hào)CQ和一個(gè)Ref與CQ的乘法器。Ref直接和S相乘。
本發(fā)明所述裝置以較少的硬件資源，完成了全自適應(yīng)的智能天線接收。本發(fā)明利用了導(dǎo)頻和解擴(kuò)后的信號(hào)作為參考信號(hào)，結(jié)合信道環(huán)境信息調(diào)整權(quán)值使波束賦形后的信號(hào)與參考信號(hào)擴(kuò)頻加擾后的信號(hào)相接近，從而能得到提高期望信號(hào)增益和壓制干擾信號(hào)的效果。
權(quán)利要求
1.一種全自適應(yīng)智能天線接收裝置，包括下述部分天線陣列(101)、射頻通道組(102)、數(shù)字波束賦形模塊(103)、解擾解擴(kuò)模塊(104)和權(quán)值更新模塊(105)；所述天線陣列(101)包括兩個(gè)以上的天線陣元，其輸出端接到射頻通道(102)的輸入端；所述射頻通道組(102)包括兩個(gè)以上的射頻通道，該多個(gè)射頻通道與所述多個(gè)天線陣元一一對(duì)應(yīng)，每個(gè)射頻通道輸入端接一個(gè)天線陣元的輸出端，所有射頻通道的輸出端接到所述數(shù)字波束賦形模塊(103)的輸入端，同時(shí)將信號(hào)輸入到所述權(quán)值更新模塊(105)中；所述數(shù)字波束賦形模塊(103)用權(quán)值對(duì)所述射頻通道過來(lái)的信號(hào)進(jìn)行復(fù)數(shù)加權(quán)求和；其輸入端一方面接收所述射頻通道組(102)發(fā)送的數(shù)字信號(hào)，另一方面與所述權(quán)值更新模塊(105)的權(quán)值輸出端相連，其輸出端連到所述解擾解擴(kuò)模塊(104)的輸入端和所述權(quán)值更新模塊(105)的輸入端；所述解擾解擴(kuò)模塊(104)接收所述數(shù)字波束賦形模塊(103)送來(lái)的輸出信號(hào)，并對(duì)加權(quán)求和后的數(shù)據(jù)進(jìn)行解擾解擴(kuò)，解擾解擴(kuò)后的輸出I路和Q路數(shù)據(jù)一方面送到其它后續(xù)常規(guī)處理模塊，另一方面Q路數(shù)據(jù)送入所述權(quán)值更新模塊(104)；所述權(quán)值更新模塊(105)的輸入信號(hào)包括所述射頻通道組中各個(gè)射頻通道的輸出信號(hào)、所述數(shù)字波束賦形模塊(105)的輸出信號(hào)、復(fù)數(shù)擾碼、Q路擴(kuò)頻碼和導(dǎo)頻符號(hào)，所述權(quán)值更新模塊(105)實(shí)現(xiàn)權(quán)值更新并得到一組新復(fù)數(shù)權(quán)值，然后將該組復(fù)數(shù)權(quán)值輸出送往所述數(shù)字波束賦形模塊(103)。
2.如權(quán)利要求1所述全自適應(yīng)智能天線接收裝置，其特征在于，所述天線陣列(101)的排列位置是任意的。
3.如權(quán)利要求1所述全自適應(yīng)智能天線接收裝置，其特征在于，所述射頻通道組(102)包括射頻通道(102.1——102.M)，用于完成低噪聲放大、自動(dòng)增益控制、解調(diào)、通道校正、基帶轉(zhuǎn)換、A/D采樣以及匹配濾波等功能。
4.如權(quán)利要求1所述全自適應(yīng)智能天線接收裝置，其特征在于，所述權(quán)值更新模塊(105)中包括誤差信號(hào)生成模塊(201)和權(quán)值分量更新模塊組(202)；所述誤差信號(hào)生成模塊(201)接收所述射頻通道組(102)、數(shù)字波束賦形模塊(103)和解擾解擴(kuò)模塊(104)發(fā)送來(lái)的信號(hào)，并進(jìn)行擴(kuò)頻加擾，將產(chǎn)生的誤差信號(hào)發(fā)送到所述權(quán)值分量更新模塊組(202)；所述權(quán)值分量更新模塊組(202)中的各權(quán)值分量更新模塊與所述天線陣元一一對(duì)應(yīng)，各權(quán)值分量更新模塊輸入誤差信號(hào)生成器輸出的誤差信號(hào)和對(duì)應(yīng)射頻通道的輸出信號(hào)，輸出更新后的復(fù)數(shù)權(quán)值分量。
5.如權(quán)利要求4所述全自適應(yīng)智能天線接收裝置，其特征在于，如果所述解擾解擴(kuò)模塊(104)輸出的Q路的擴(kuò)頻碼為全1碼，所述誤差信號(hào)生成模塊(201)的輸入信號(hào)包括所述解擾解擴(kuò)模塊(104)輸出的Q路信號(hào)、導(dǎo)頻符號(hào)、復(fù)數(shù)擾碼、所述數(shù)字波束賦形模塊(103)的輸出信號(hào)。
6.如權(quán)利要求4所述全自適應(yīng)智能天線接收裝置，其特征在于，如果所述解擾解擴(kuò)模塊(104)中的Q路擴(kuò)頻碼不是全1碼，所述誤差信號(hào)生成模塊(201)的輸入信號(hào)包括所述解擾解擴(kuò)模塊(104)輸出的Q路信號(hào)、導(dǎo)頻符號(hào)、Q路擴(kuò)頻碼、復(fù)數(shù)擾碼、所述數(shù)字波束賦形模塊(103)的輸出信號(hào)。
7.如權(quán)利要求5或6所述全自適應(yīng)智能天線接收裝置，其特征在于在有導(dǎo)頻符號(hào)的符號(hào)周期內(nèi)，所述誤差信號(hào)生成模塊(201)把所述數(shù)字波束賦形模塊(103)發(fā)送的信號(hào)減去導(dǎo)頻符號(hào)與復(fù)數(shù)擾碼乘積，把相減得到的復(fù)數(shù)差值輸出送到所述權(quán)值分量更新模塊組(202)；在沒有導(dǎo)頻符號(hào)的符號(hào)周期內(nèi)，對(duì)所述解擾解擴(kuò)模塊(104)輸出的Q路信號(hào)進(jìn)行符號(hào)判決，把判決后的信號(hào)乘上復(fù)數(shù)擾碼，然后用所述數(shù)字波束賦形模塊(103)的輸出信號(hào)減去這個(gè)乘積，其差值輸出送到所述權(quán)值分量更新模塊組(202)。
8.如權(quán)利要求5或6所述全自適應(yīng)智能天線接收裝置，其特征在于，在有專用導(dǎo)頻信道的系統(tǒng)中，直接用導(dǎo)頻符號(hào)擴(kuò)頻加擾，然后和所述波束賦形模塊(103)的輸出信號(hào)求差送到各權(quán)值分量模塊中。
9.如權(quán)利要求4所述全自適應(yīng)智能天線接收裝置，其特征在于，所述權(quán)值分量更新模塊組(202)包括下述部分復(fù)數(shù)乘法器(401)、兩個(gè)實(shí)數(shù)積分器(402)、(403)、步長(zhǎng)因子存儲(chǔ)單元(404)、權(quán)值實(shí)部存儲(chǔ)單元(405)、權(quán)值虛部存儲(chǔ)單元(406)、兩個(gè)實(shí)數(shù)乘法器(407)、(408)、兩個(gè)實(shí)數(shù)減法器(409)、(409’)；所述復(fù)數(shù)乘法器(401)輸入復(fù)數(shù)誤差信號(hào)和對(duì)應(yīng)一個(gè)射頻通道的復(fù)數(shù)輸出信號(hào)；對(duì)這兩路信號(hào)進(jìn)行復(fù)數(shù)相乘，乘積結(jié)果的實(shí)部和虛部分別送入所述實(shí)數(shù)乘法器(407)和實(shí)數(shù)乘法器(408)；所述實(shí)數(shù)積分器(402)和實(shí)數(shù)積分器(403)分別對(duì)所述復(fù)數(shù)乘法器(401)輸出的實(shí)部和虛部在一個(gè)權(quán)值更新周期內(nèi)進(jìn)行積分，積分結(jié)果分別送到兩個(gè)實(shí)數(shù)乘法器(407)和(408)中；所述兩個(gè)實(shí)數(shù)乘法器(402)和(403)的輸入信號(hào)分別為所述復(fù)數(shù)乘法器(401)輸出的實(shí)部和虛部；所述步長(zhǎng)因子存儲(chǔ)單元(404)存儲(chǔ)一個(gè)實(shí)數(shù)，該實(shí)數(shù)的值可以事先設(shè)定也可以通過指令來(lái)更新，以供所述兩個(gè)實(shí)數(shù)乘法器(407)和(408)調(diào)用；所述權(quán)值實(shí)部存儲(chǔ)單元(405)存儲(chǔ)波束賦形權(quán)值的實(shí)部，其輸入為實(shí)數(shù)減法器(409)的輸出，其輸出當(dāng)作被減數(shù)送回該實(shí)數(shù)減法器(409)；所述權(quán)值虛部存儲(chǔ)單元(406)存儲(chǔ)波束賦形權(quán)值的虛部，其輸入為另一個(gè)實(shí)數(shù)減法器(409’)的輸出，其輸出作被減數(shù)送回該實(shí)數(shù)減法器(409’)；所述兩個(gè)實(shí)數(shù)乘法器(407)和(408)分別把兩個(gè)實(shí)數(shù)積分器(402)和(403)輸出的結(jié)果和步長(zhǎng)因子相乘，乘積分別當(dāng)作減數(shù)分別送入兩個(gè)實(shí)數(shù)減法器(409)和(409’)；所述實(shí)數(shù)減法器(409)處理權(quán)值實(shí)部，其輸入為所述權(quán)值實(shí)部存儲(chǔ)單元(405)的數(shù)值和相應(yīng)實(shí)部的實(shí)數(shù)乘法器(407)的乘積，從實(shí)部權(quán)值減去實(shí)數(shù)乘法器(407)的乘積，得到的差值一方面作為一個(gè)權(quán)值分量實(shí)部的更新結(jié)果送到所述波束賦形模塊(103)中去，一方面送入所述權(quán)值實(shí)部存儲(chǔ)單元(405)；所述實(shí)數(shù)減法器(409’)處理權(quán)值虛部，其輸入為權(quán)值虛部存儲(chǔ)單元(406)的數(shù)值和相應(yīng)虛部的實(shí)數(shù)乘法器(408)的乘積，從虛部權(quán)值減去所述實(shí)數(shù)乘法器(408)的乘積，得到的差值一方面作為一個(gè)權(quán)值分量虛部的更新結(jié)果送到所述波束賦形模塊(103)中去，一方面送入所述權(quán)值虛部存儲(chǔ)單元(406)。
10.如權(quán)利要求1、4或9所述全自適應(yīng)智能天線接收裝置，其特征在于，所述各模塊可以由FPGA構(gòu)造。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種全自適應(yīng)智能天線接收裝置,包括天線陣列、射頻通道組、數(shù)字波束賦形模塊、解擾解擴(kuò)模塊和權(quán)值更新模塊。天線陣列輸出端接到射頻通道組的輸入端；射頻通道組中射頻通道與天線陣元一一對(duì)應(yīng),射頻通道輸出端與數(shù)字波束賦形模塊和權(quán)值更新模塊連接；數(shù)字波束賦形模塊輸入端與射頻通道組和權(quán)值更新模塊相連,其輸出端與解擾解擴(kuò)模塊和權(quán)值更新模塊相連；解擾解擴(kuò)模塊接收數(shù)字波束賦形模塊的輸出信號(hào),處理后送入權(quán)值更新模塊和其他常規(guī)模塊；權(quán)值更新模塊輸出處理數(shù)值到數(shù)字波束賦形模塊。不僅能在期望用戶信號(hào)的到達(dá)方向形成很強(qiáng)的波束增益,適應(yīng)無(wú)線信號(hào)環(huán)境,對(duì)干擾信號(hào)作很客觀的壓制。而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低。
文檔編號(hào)H04B7/26GK1423436SQ0113230
公開日2003年6月11日 申請(qǐng)日期2001年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月22日
發(fā)明者丁杰偉 申請(qǐng)人:深圳市中興通訊股份有限公司上海第二研究所