專利名稱：無線通信系統(tǒng)中數(shù)字波束形成方法、模塊及其陣列接收機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線通信系統(tǒng)的陣列接收機中的數(shù)字波束形成方法以及波束形成模塊，還涉及到應用這種數(shù)字波束形成方法和波束形成模塊的陣列接收機。
長期以來，無線通信系統(tǒng)始終面臨著有限的頻譜資源與不斷快速增長的用戶之間的矛盾。盡管采用時分多址(TDMA)以及碼分多址(CDMA)技術的無線通信系統(tǒng)同采用頻分多址(FDMA)的無線通信系統(tǒng)相比在一定程度上提高了的系統(tǒng)容量，但這還遠不能滿足日益增長的無線業(yè)務量的需求。因此人們還利用信道的空域特性，如采用分集、扇區(qū)化以及最近采用的開關多波束和自適應天線陣等方法來提高接收系統(tǒng)的容量。這些方法在不同程度上改善了無線通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量，提高了容量。
分集技術主要利用間距大于10個載波波長的不同天線所接收的信號不相關這一性質(zhì)，采用最大比合并各天線接收的信號，使系統(tǒng)抗多徑衰落性能得到改善。
扇區(qū)化方法是將小區(qū)分成3、6、9或12個扇區(qū)，每個扇區(qū)有配套的天線和預定的頻譜范圍。扇區(qū)化在一定程度上減小了通信道干擾，因而提高了系統(tǒng)的通信質(zhì)量。
開關多波束是在小區(qū)不同方向上形成固定波束，基站檢測每個波束中期望信號的信號質(zhì)量，選擇最好的波束進行接收。之所以稱為開關多波束，其中一主要原因是，系統(tǒng)在選擇波束的過程中，每個波束與各信道接收機之間的通路上有可控的開關，即所謂“開關矩陣”。當某一波束被選中后，該波束與相應接收機之間的通路開關閉合，而其它通路的開關斷開。
自適應天線陣根據(jù)最大信噪比準則、最大似然準則以及最小均方誤差準則等，自適應地對各天線接收的信號進行加權合并，對干擾和噪聲信號進行有效地抑制，從而提高無線系統(tǒng)的整體性能。
由于采用分集方法需要天線之間的間距比較大(一般大于10個波長)，因此天線越多占用的空間越大，而基站實際能利用的空間是十分有限的。另外，采用最大比合并的分集方法雖然具有抗多徑衰落效果，但不能有效抑制干擾信號。
現(xiàn)在常見的扇區(qū)化方法是采用3扇區(qū)或6扇區(qū)，之所以沒有采用更多的扇區(qū)是因為扇區(qū)分裂得越多，每個扇區(qū)可用的頻譜資源就越少，降低了中繼效率。且扇區(qū)分裂得越多，不同扇區(qū)之間重疊的波束就越多，反而使同信道干擾增加，系統(tǒng)性能下降。
開關多波束在某種意義上也可以認為是扇區(qū)化方法，只是扇區(qū)的劃分是由不同波束動態(tài)組合而成的。由于接收時總是選擇“最佳”的波束進行接收，所以與扇區(qū)化方法不同，開關多波束的波束之間重疊得越多反而會降低波束與波束交界處的增益損失。現(xiàn)有開關多波束系統(tǒng)的波束由定向天線或采用射頻相移網(wǎng)絡(如Butler矩陣)進行場的相干疊加，形成多個指向空間不同方向的窄波束覆蓋小區(qū)。理論上講，如果波束越窄，波束開關多波束天線的空域濾波性能越好，抑制干擾能力越強。但由于定向天線的口徑限制以及射頻相移網(wǎng)絡的相移精度有限，波束寬度有限，波束之間的重疊也有限，使現(xiàn)有開關多波束系統(tǒng)在系統(tǒng)通信容量的改善能力上受到限制。另外，現(xiàn)有開關多波束系統(tǒng)的開關矩陣是由射頻開關器件實現(xiàn)的，增加了系統(tǒng)的硬件成本。
自適應天線陣根據(jù)不同準則采用自適應算法得到陣列加權系數(shù)，雖然在某種程度上可以使系統(tǒng)性能達到最優(yōu)，但性能優(yōu)良的自適應算法往往要求的計算量比較大，對數(shù)字信號處理器件的要求高，許多算法采用現(xiàn)有的高速處理芯片也無法實現(xiàn)。
基于上述原因，并結合開關多波束和自適應天線陣技術，本發(fā)明的目的在于提供一種用于無線通信系統(tǒng)的陣列接收機中數(shù)字波束的形成方法，這種方法具有算法簡便、計算量較小的特點，因此，實現(xiàn)的硬件成本低、系統(tǒng)性能佳。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種無線通信系統(tǒng)的陣列接收機中數(shù)字波束形成模塊，這種數(shù)字波束形成模塊所使用的算法具有性能穩(wěn)定、計算量小的優(yōu)點，因此，硬件成本低，系統(tǒng)性能佳。
本發(fā)明的再一個目的在于提供一種無線通信系統(tǒng)的陣列接收機，其中所使用的數(shù)字波束形成模塊采用本發(fā)明上述的數(shù)字波束形成方法，具有算法性能穩(wěn)定、計算量小的優(yōu)點，因此，實現(xiàn)的硬件成本低、系統(tǒng)性能佳。
根據(jù)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明提供的數(shù)字波束形成方法包括下列步驟(a)接收陣列數(shù)字信號；(b)把所述陣列數(shù)字信號與NB組加權向量進行加權運算，得到NB組數(shù)字波束輸出信號
(c)根據(jù)數(shù)字波束輸出信號 和參考信號，估計反映每個波束中期望信號能量的相關系數(shù)(Coeffi)；其估計公式為Coeffi＝‖E[SBi(t)s*(t)]‖2Coeffi(k)＝Coeffi(k)+αCoeffi(k-1)其中，上標“*”表示復共軛運算，s(t)為所述參考信號；Coeffi(k)表示第k次相參積累得到的反映波束i中期望信號能量的相關系數(shù)，α是進行非相參積累時的遺忘因子；(d)比較獲得的反映各個波束中期望信號能量的相關系數(shù)(Coeffi(k))，得到最大的相關系數(shù)(Coeffmax)，輸出與所述最大相關系數(shù)(Coeffmax)相對應的數(shù)字波束輸出信號 根據(jù)上述的數(shù)字波束形成方法，在所述步驟(c)后還可以包括下列步驟(c1)比較獲得的各個波束中期望信號能量的相關系數(shù)(Coeffi(k))，將大于一相關系數(shù)閾值(β)的相關系數(shù)從大到小排序；(c2)以從大到小的順序選擇輸出與所述相關系數(shù)相對應的數(shù)字波束輸出信號 (c3)判斷輸出信號的質(zhì)量是否滿足要求，如果不滿足，則返回上述步驟(c2)。
根據(jù)本發(fā)明的另一目的，本發(fā)明提供一種數(shù)字波束形成模塊，包括數(shù)字多波束形成器，接收陣列數(shù)字信號，將所述陣列數(shù)字信號與NB組加權向量進行加權運算，輸出NB組數(shù)字波束輸出信號 分路器，把所述數(shù)字多波束形成器輸出的所述NB組數(shù)字波束輸出信號 形成對應多個信道的數(shù)字波束；多波束選擇模塊，接收所述分路器輸出的數(shù)字波束，根據(jù)數(shù)字波束輸出信號 和參考信號，估計反映每個波束中期望信號能量的相關系數(shù)(Coeffi)，并輸出選擇指令，以選擇與最大的所述相關系數(shù)相對應的數(shù)字波束輸出信號；所述估計公式為Coeffi＝‖E[SBi(t)s*(t)]‖2Coeffi(k)＝Coeffi(k)+αCoeffi(k-1)其中，上標“*”表示復共軛運算，s(t)為所述參考信號；Coeffi(k)表示第k次相參積累得到的反映波束i中期望信號能量的相關系數(shù)，α是進行非相參積累時的遺忘因子；
數(shù)字開關矩陣，分別與所述分路器和所述多波速選擇模塊相連，接收所述多波束選擇模塊輸出的選擇指令，輸出與最大的所述相關系數(shù)相對應的數(shù)字波束輸出信號。
根據(jù)本發(fā)明的再一目的，本發(fā)明還提供一種陣列接收機，包括由多個天線組成的天線陣列；陣列數(shù)字信號生成模塊，與所述天線陣列相連，用于將所述天線陣列接收到的天線陣列模擬信號轉換成陣列數(shù)字信號；數(shù)字波束形成模塊，與所述陣列數(shù)字信號生成模塊相連，用于對所述陣列數(shù)字信號生成模塊的陣列數(shù)字信號在每個信道上形成一個或多個信號波束；數(shù)字接收機模塊，與所述數(shù)字波束形成模塊相連，用于接收所述數(shù)字波束形成的模塊在每個信道上形成的一個或多個信號波束，在時域上對所述信號波束進行合并；所述數(shù)字波束形成模塊，包括數(shù)字多波束形成器，接收陣列數(shù)字信號，將所述陣列數(shù)字信號與NB組加權向量進行加權運算，輸出NB組數(shù)字波束輸出信號 分路器，把所述數(shù)字多波束形成器輸出的所述NB組數(shù)字波束輸出信號 形成對應多個信道的數(shù)字波束；多波束選擇模塊，接收所述分路器輸出的數(shù)字波束，根據(jù)數(shù)字波束輸出信號 和參考信號，估計反映每個波束中期望信號能量的相關系數(shù)(Coeffi)，并輸出選擇指令，以選擇與最大的所述相關系數(shù)相對應的數(shù)字波束輸出信號；所述估計公式為Coeffi＝‖E[SBi(t)s*(t)]‖2Coeffi(k)＝Coeffi(k)+αCoeffi(k-1)其中，上標“*”表示復共軛運算，s(t)為所述參考信號；Coeffi(k)表示第k次相參積累得到的反映波束i中期望信號能量的相關系數(shù)，α是進行非相參積累時的遺忘因子；數(shù)字開關矩陣，分別與所述分路器和所述多波速選擇模塊相連，接收所述多波束選擇模塊輸出的選擇指令，輸出與最大的所述相關系數(shù)相對應的數(shù)字波束輸出信號。
如上所述，由于本發(fā)明的數(shù)字波束形成方法采用了一種新的簡便的算法，從而可簡化硬件結構，并同時提供較佳的系統(tǒng)性能。
下面結合附圖詳細描述本發(fā)明的實施例。


圖1是本發(fā)明的陣列接收機的功能框圖；圖2示出了覆蓋小區(qū)的波束示意圖；圖3示出了圖1中的數(shù)字波束形成模塊104的內(nèi)部功能框圖；圖4示出了數(shù)字開關矩陣的原理圖；圖5示出了數(shù)字多波束形成器的基本原理圖；圖6示出了本發(fā)明的數(shù)字波束形成方法的流程圖；圖7示出了本發(fā)明應用于CDMA系統(tǒng)時的仿真結果。
圖1是本發(fā)明的陣列接收機原理圖。該接收機主要包括天線陣列102、陣列數(shù)字信號生成模塊103、數(shù)字波束形成模塊104以及數(shù)字接收機模塊105。陣列數(shù)字信號生成模塊103的主要作用是將從天線陣列102接收到的天線陣列模擬信號轉換成可供數(shù)字處理的陣列數(shù)字信號，其中包括有接收單元(RX)106及模擬到數(shù)字轉換單元(A/D)107。數(shù)字波束形成模塊104可以對一個信道形成一個或多個數(shù)字波束，例如對CDMA系統(tǒng)的一個碼道，數(shù)字波束形成模塊104可以對相同碼道的不同多徑信號分別形成波束，波束形成后的信號送到數(shù)字接收機模塊105(可以采用Rake接收機)相應的手指，由數(shù)字接收機模塊105在時域?qū)π盘栠M行合并。由于將模擬信號轉換到數(shù)字信號，數(shù)字波束形成模塊104可以根據(jù)系統(tǒng)不同的要求靈活變化。
對于1圖所示的數(shù)字波束形成模塊104運用陣列處理算法對接收的信號進行處理，形成所謂波束，使波束中輸出的信號質(zhì)量得到改善，從而提高整個接收機的性能。因此，數(shù)字波束形成模塊104所采用的陣列處理方法以及實現(xiàn)的復雜度、穩(wěn)定性等直接關系到系統(tǒng)性能的好壞。本發(fā)明提出一種簡單、可靠、易于實現(xiàn)的多波束陣列接收方法。
圖1所示的陣列接收機中的陣列數(shù)字信號生成模塊103輸出的數(shù)字信號可以表示為X(t)=Σl=1La(θ1)h1(t)s(t-τ1)+n(t)----(1)]]>式中，l＝1，2，...，L為多徑數(shù)，a(θl)是M*1維向量，表示與方向θ有關的第l條多徑信號在M個天線陣元上的陣列響應，θi是第l條多徑的波達方向；hl(t)是第l條多徑信號經(jīng)歷的衰落；s(t)是發(fā)射的期望信號，τl是第l條多徑信號的時延；n(t)是陣列干擾和噪聲信號；
根據(jù)天線陣列102的形式，如均勻直線陣、圓形陣等，可以預先確定陣列對不同方向上的信號具有的陣列響應a(θi)(i＝1，2，...，NB)。用Wi＝aH(θi)(上標H表示共軛轉子運算)作為陣列各天線單元接收信號的加權，相當于陣列在θi方向形成波束，對接收的陣列數(shù)字信號X(t)進行空域濾波。為了兼顧空域匹配濾波的效果和系統(tǒng)數(shù)字信號處理能力，NB的取值應使aH(θi)形成的波束與波束之間交會點201的增益與所有波束中的最大增益相差-4至0dB，即圖2中的標線202在-4至0dB之間。
圖3示出了圖1中的數(shù)字波束形成模塊104的內(nèi)部功能框圖。如圖3所示，數(shù)字波束形成模塊104包括有數(shù)字多波束形成器401、分路器402、多波束選擇模塊403以及數(shù)字開關矩陣404。數(shù)字多波束形成器401內(nèi)有NB組加權向量Wi＝aH(θi)，它接收陣列數(shù)字信號生成模塊103輸出的數(shù)字陣列信號X(t)，用NB組加權向量Wi對數(shù)字陣列信號X(t)進行加權，得到NB個數(shù)字波束輸出信號 ，其加權結果可以用下式表示SBi(t)＝Wi*X(t)＝aH(θi)a(θd)hd(t)S(t)+aH(θi)n(t) i＝1，2，3...NB； (2)數(shù)字多波束形成器401輸出的NB個數(shù)字波束輸出信號 通過分路器402形成對應多個信道的數(shù)字波束，即對于Nc個信道，NB個數(shù)字波束通過一組分路器402后共生成Nc*NB個波束。這些波束分別傳送給多波束選擇模塊403和數(shù)字開關矩陣404。
在大多數(shù)通信系統(tǒng)中，發(fā)射的信號中都包含預先為接收端已知的訓練序列、導頻符號等已知信息。例如在GSM系統(tǒng)中，每個正常(Norma)l突發(fā)脈沖中有26比特的已知訓練序列；在WCDMA系統(tǒng)中，DPCCH的每個時隙(Slot)中有已知導頻符號。接收端可以利用這些已知信息直接或間接得到所謂參考信號s(t)。根據(jù)參考信號s(t)與數(shù)字波束輸出信號 的相關性，得到反映每個波束輸出信號中期望信號能量的相關系數(shù)Coeffi，其具體運算方式如下Coeffi＝‖E[SBi(t)s*(t)]‖2＝‖aH(θi)a(θd)E[hd(t)]‖2+‖E[aH(θi)n(t)s*(t)]‖2。
(3)上式中的E表示求均值運算，上標″*″表示復共軛運算。
從公式(3)中可以看出，當參考信號與波束輸出信號的互相關時間足夠長時，E[hd(t)]＝0，E[n(t)s*(t)]＝0。因此，參考信號與波束輸出信號的互相關積累時間不能太長。為了提高反映波束中期望信號能量大小的公式(3)右邊第一項的值，并降低公式(3)右邊第二項(噪聲擾動項)的值，本發(fā)明提出采用在信道相干時間內(nèi)進行相參積累后，再進行非相參積累的方法，即Coffi(k)＝Coeffi(k)+αCoeffi(k-1) (4)
Coeffi(k)表示第k次相參積累得到的反映波束i中期望信號能量的相關系數(shù)，α是進行非相參積累時的遺忘因子，它與小區(qū)內(nèi)移動臺的移動速度等因素有關，一般取0≤α≤1。從公式(4)中不難看出；NB個相關系數(shù)中最大的系數(shù)Coeffmax所對應的方向θmax即是與期望信號最接近的方向，因此，可以選擇陣列加權為W＝aH(θmax)的數(shù)字波束輸出信號輸出，以獲得最大增益。
對于圖3所示的數(shù)字波束形成模塊來說，多波束選擇模塊403對由分路器402輸入的波束進行如公式(3)和(4)所示進行運算，獲得相關系數(shù)Coeffi(k)。然后，如上所述，比較獲得的各個波束中期望號能量的相關系數(shù)，選擇其中最大的相關系數(shù)Coeffmax，并向數(shù)字開關矩陣404輸出選擇指令，由數(shù)字開關矩陣404輸出與最大相關系數(shù)相對應的數(shù)字波束輸出信號。
數(shù)字開關矩陣404的原理圖可以參見圖4。由于本技術人員的一般人員根據(jù)上述要求都可以實現(xiàn)數(shù)字開關矩陣404，因此，在此僅對圖4所示的數(shù)字開關矩陣404作一簡單的介紹。
數(shù)字開關矩陣404主要由波束數(shù)據(jù)線601、輸出數(shù)據(jù)線109、數(shù)字開關602以及開關控制信號線603組成。由圖4可以看出，每條波束數(shù)據(jù)線601可以通過開關602與對應不同信道的輸出數(shù)據(jù)線109相連，多波束選擇模塊403輸出的控制信號(前面稱為選擇指令)通過開關控制信號線603控制數(shù)字開關的閉合和斷開。控制信號可以用控制矩陣C表示。C=C11C12···C1NcC21C22···C2Nc············CNB1CNB2···CNBNc---(5)]]>可以設定矩陣C中的元素Cij為1時表明數(shù)字開關閉合，第i個波束數(shù)據(jù)線與第j條輸出數(shù)據(jù)線導通；Cij為0時數(shù)字開關斷開，第i個波束數(shù)據(jù)線與第j條數(shù)據(jù)線斷開。這樣多波束選擇模塊403可以方便地控制數(shù)字開關矩陣404，選擇合適的波束到指定的輸出端。
數(shù)字多波束形成器401的基本原理如圖5所示。它主要乘法器502和加法器503組成。進入數(shù)字多波束形成器401的信號首先與預先設定的NB個加權向量Wi(501)通過乘法器502進行復乘法運算，然后通過加法器503完成復信號合并。合并后的信號即為數(shù)字波束的輸出。由于數(shù)字多波束形成器401主要由乘法器502和加法器503組成，所以它可以通過FPGA方便地實現(xiàn)。當然數(shù)字多波束形成器401也可以通過采用其他能夠完成乘加運算的數(shù)字器件構成。
上面詳細描述了本發(fā)明的陣列接收機的組成結構以及工作原理，尤其著重描述了本發(fā)明有獨創(chuàng)之處的數(shù)字波束形成模塊104的構成以及工作原理。從上面的揭示中可以看出，本發(fā)明的數(shù)字波束形成模塊104實現(xiàn)上利用了一種新的數(shù)字波束形成方法，在這種方法，為獲得數(shù)字波束，利用了上述的公式(3)和(4)獲得反映每個波束中期望信號能量的相關系數(shù)，然后根據(jù)相關系數(shù)來選擇確定數(shù)字波束。為使該方法更為清楚，圖6示出了本發(fā)明的數(shù)字波束形成方法的流程圖。
如圖6所示，首先，在步驟S1接收陣列數(shù)字信號X(t)，對應于圖1來說，即數(shù)字波束形成模塊104從陣列數(shù)字信號生成模塊103接收陣列數(shù)字信號X(t)。
然后，在步驟S2，把陣列數(shù)字信號與NB組加權向量進行加權運算，得到NB組數(shù)字波束輸出信號 。該步驟S2對應于圖3中數(shù)字多波束形成器401所完成的工作。
接著在步驟S3，根據(jù)數(shù)字波束輸出信號 和參考信號，估計反映每個波束中期望信號能量的相關系數(shù)Coeffi；其估計是依據(jù)公式(3)和(4)進行的，具體的方法可以參考上面的描述。
如上面結合圖3所作的描述，然后的步驟是比較獲得的反映各個波束中期望信號能量的相關系數(shù)Coeffi(k)，得到最大的相關系數(shù)Coeffmax，輸出與最大相關系數(shù)Coeffmax相對應的數(shù)字波束輸出信號 但是，當輸入陣列數(shù)字信號的信號干擾噪聲比(SINR)較小時，由于積累時間短可能出現(xiàn)最強波束的方向并不是期望信號的方向。這時可根據(jù)由數(shù)字接收機105通過數(shù)據(jù)通路109反饋解調(diào)信號的信號質(zhì)量作進一步選擇(參見圖1)。因此，在這里提供另一個實施例，即，如圖6所示，在步驟S3之后，比較獲得的各個波束中期望信號能量的相關系數(shù)Coeffi(k)，將大于一相關系數(shù)閾值(β，β可根據(jù)服務區(qū)域內(nèi)可能的用戶數(shù)確定)的相關系數(shù)從大到小排序(步驟S4)；然后以從大到小的順序選擇輸出與相關系數(shù)相對應的數(shù)字波束輸出信號 (步驟S5)；在步驟S6根據(jù)數(shù)字接收機模塊105反饋的信號，判斷輸出信號的質(zhì)量是否滿足要求，如果不滿足，則返回上述步驟S5，直到得到質(zhì)量滿足的信號為止。
對應于這里描述的方法實施例中，步驟S4和S6可以由圖3所示的數(shù)字波束形成模塊104中的多波束選擇模塊403來實現(xiàn)，步驟S5可以由數(shù)字開關矩陣404根據(jù)多波束選擇模塊403的選擇指令來實現(xiàn)。從圖3中可以看出，多波束選擇模塊403通過反饋線109與數(shù)字接收機模塊105相連，以便從數(shù)字接收機模塊105獲取表示信號質(zhì)量的信號，如果信號質(zhì)量信號表示信號質(zhì)量不滿足要求，則多波束選擇模塊403輸出選擇指令，以選擇與其次大的相關系數(shù)相對應的數(shù)字波束輸出信號，直到信號質(zhì)量滿足要求或者相關系數(shù)小于相關系數(shù)閾值(β)。對于數(shù)字接收機模塊105輸出的信號質(zhì)量信號，在已有的陣列接收機中都會有該信號的輸出，本發(fā)明只是利用了該信號。因此，在此不再具體和詳細地描述該信號的產(chǎn)生方法和原理。
本發(fā)明人針對CDMA系統(tǒng)的上行鏈路用本發(fā)明提供的數(shù)字波束形成方法進行了仿真實驗，其結果如圖7所示，其多路徑的環(huán)境參數(shù)可以參見下表。
可以看出，對于4陣元陣列接收機采用本發(fā)明，在輸入信噪比為2.2dB左右時，數(shù)字接收機模塊輸出信號的誤碼率可在10-3附近，而單天線數(shù)字接收機模塊需要天線端輸入信號的信噪比為8.2dB左右時才可以使輸出信號的誤碼率達到10-3。顯然采用本發(fā)明提供的方法，系統(tǒng)性能得到顯著提高。
權利要求
1.一種數(shù)字波束形成方法，包括下列步驟(a)接收陣列數(shù)字信號；(b)把所述陣列數(shù)字信號與NB組加權向量進行加權運算，得到NB組數(shù)字波束輸出信號 (c)根據(jù)數(shù)字波束輸出信號 和參考信號，估計反映每個波束中期望信號能量的相關系數(shù)(Coeffi)；其估計公式為Coeffi＝‖E[SBi(t)s*(t)]‖2Coeffi(k)＝Coeffi(k)+αCoeffi(k-1)其中，上標“*”表示復共軛運算，s(t)為所述參考信號；Coeffi(k)表示第k次相參積累得到的反映波束i中期望信號能量的相關系數(shù)，α是進行非相參積累時的遺忘因子；(d)比較獲得的反映各個波束中期望信號能量的相關系數(shù)(Coeffi(k))，得到最大的相關系數(shù)(Coeffmax)，輸出與所述最大相關系數(shù)(Coeffmax)相對應的數(shù)字波束輸出信號
2.如權利要求1所述的數(shù)字波束形成方法，其特征在于，在所述步驟(c)后還包括下列步驟(c1)比較獲得的各個波束中期望信號能量的相關系數(shù)(Coeffi(k))，將大于一相關系數(shù)閾值(β)的相關系數(shù)從大到小排序；(c2)以從大到小的順序選擇輸出與所述相關系數(shù)相對應的數(shù)字波束輸出信號 (c3)判斷輸出信號的質(zhì)量是否滿足要求，如果不滿足，則返回上述步驟(c2)。
3.如權利要求1或2所述的數(shù)字波束形成方法，其特征在于，所述陣列數(shù)字信號表示為X(t)=Σl=1La(θ1)h1(t)s(t-τ1)+n(t);]]>式中，l＝1，2，...，L為多徑數(shù)，a(θi)是M*1維向量，表示與方向θ有關的第l條多徑信號在M個天線陣元上的陣列響應，θi是第l條多徑的波達方向；hl(t)是第l條多徑信號經(jīng)歷的衰落；s(t)是發(fā)射的期望信號，τl是第l條多徑信號的時延；n(t)是陣列干擾和噪聲信號；所述加權向量為aH(θi)，則，SBi(t)＝aH(θi)a(θd)hd(t)S(t)+aH(θi)n(t) i＝1，2，3...NB；Coeffi＝‖E[SBi(t)s*(t)]‖2＝‖aH(θi)a(θd)E[hd(t)]‖2+‖E[aH(θi)n(t)s*(t)]‖2。
4.如權利要求1或2所述的數(shù)字波束形成方法，其特征在于，所述遺忘因子的值為0≤α≤1。
5.如權利要求3所述的數(shù)字波束形成方法，其特征在于，所述遺忘因子的值為0≤α≤1。
6.一種數(shù)字波束形成模塊，包括數(shù)字多波束形成器，接收陣列數(shù)字信號，將所述陣列數(shù)字信號與NB組加權向量進行加權運算，輸出NB組數(shù)字波束輸出信號 分路器，把所述數(shù)字多波束形成器輸出的所述NB組數(shù)字波束輸出信號 形成對應多個信道的數(shù)字波束；多波束選擇模塊，接收所述分路器輸出的數(shù)字波束，根據(jù)數(shù)字波束輸出信號 和參考信號，估計反映每個波束中期望信號能量的相關系數(shù)(Coeffi)，并輸出選擇指令，以選擇與最大的所述相關系數(shù)相對應的數(shù)字波束輸出信號；所述估計公式為Coeffi＝‖E[SBi(t)s*(t)]‖2Coeffi(k)＝Coeffi(k)+αCoeffi(k-1)其中，上標“*”表示復共軛運算，s(t)為所述參考信號；Coeffi(k)表示第k次相參積累得到的反映波束i中期望信號能量的相關系數(shù)，α是進行非相參積累時的遺忘因子；數(shù)字開關矩陣，分別與所述分路器和所述多波速選擇模塊相連，接收所述多波束選擇模塊輸出的選擇指令，輸出與最大的所述相關系數(shù)相對應的數(shù)字波束輸出信號。
7.如權利要求6所述的數(shù)字波束形成模塊，其特征在于，所述多波束選擇模塊還與數(shù)字接收機模塊相連，用于接收所述數(shù)字接收機模塊輸出的信號質(zhì)量信號，如果所述信號質(zhì)量信號表示信號質(zhì)量不滿足要求，則所述多波束選擇模塊輸出選擇指令，以選擇與其次大的所述相關系數(shù)相對應的數(shù)字波束輸出信號，直到信號質(zhì)量滿足要求或者所述相關系數(shù)小于相關系數(shù)閾值(β)。
8.如權利要求6或7所述的數(shù)字波束形成模塊，其特征在于，所述陣列數(shù)字信號表示為X(t)=Σl=0La(θ1)h1(t)s(t-τ1)+n(t);]]>式中，l＝1，2，...，L為多徑數(shù)，a(θl)是M*1維向量，表示與方向θ有關的第l條多徑信號在M個天線陣元上的陣列響應，θi是第l條多徑的波達方向；h1(t)是第l條多徑信號經(jīng)歷的衰落；s(t)是發(fā)射的期望信號，τl是第l條多徑信號的時延；n(t)是陣列干擾和噪聲信號；所述加權向量為aH(θi)，則，SBi(t)＝aH(θi)a(θd)hd(t)S(t)+aH(θi)n(t) i＝1，2，3...NB；Coeffi＝‖E[SBi(t)s*(t)]‖2＝‖aH(θi)a(θd)E[hd(t)]‖2+‖E[aH(θi)n(t)s*(t)]‖2。
9.如權利要求6或7所述的數(shù)字波束形成模塊，其特征在于，所述遺忘因子的值為0≤α≤1。
10.如權利要求8所述的數(shù)字波束形成模塊，其特征在于，所述遺忘因子的值為0≤α≤1。
11.一種陣列接收機包括由多個天線組成的天線陣列；陣列數(shù)字信號生成模塊，與所述天線陣列相連，用于將所述天線陣列接收到的天線陣列模擬信號轉換成陣列數(shù)字信號；數(shù)字波束形成模塊，與所述陣列數(shù)字信號生成模塊相連，用于對所述陣列數(shù)字信號生成模塊的陣列數(shù)字信號在每個信道上形成一個或多個信號波束；數(shù)字接收機模塊，與所述數(shù)字波束形成模塊相連，用于接收所述數(shù)字波束形成的模塊在每個信道上形成的一個或多個信號波束，在時域上對所述信號波束進行合并；其特征在于，所述數(shù)字波束形成模塊，包括數(shù)字多波束形成器，接收陣列數(shù)字信號，將所述陣列數(shù)字信號與NB組加權向量進行加權運算，輸出NB組數(shù)字波束輸出信號 分路器，把所述數(shù)字多波束形成器輸出的所述NB組數(shù)字波束輸出信號 形成對應多個信道的數(shù)字波束；多波束選擇模塊，接收所述分路器輸出的數(shù)字波束，根據(jù)數(shù)字波束輸出信號 和參考信號，估計反映每個波束中期望信號能量的相關系數(shù)(Coeffi)，并輸出選擇指令，以選擇與最大的所述相關系數(shù)相對應的數(shù)字波束輸出信號；所述估計公式為Coeffi＝‖E[SBi(t)s*(t)]‖2Coeffi(k)＝Coeffi(k)+αCoeffi(k-1)其中，上標“*”表示復共軛運算，s(t)為所述參考信號；Coeffi(k)表示第k次相參積累得到的反映波束i中期望信號能量的相關系數(shù)，α是進行非相參積累時的遺忘因子；數(shù)字開關矩陣，分別與所述分路器和所述多波速選擇模塊相連，接收所述多波束選擇模塊輸出的選擇指令，輸出與最大的所述相關系數(shù)相對應的數(shù)字波束輸出信號。
12.如權利要求11所述的陣列接收機，其特征在于，所述多波束選擇模塊還與數(shù)字接收機模塊相連，用于接收所述數(shù)字接收機模塊輸出的信號質(zhì)量信號，如果所述信號質(zhì)量信號表示信號質(zhì)量不滿足要求，則所述多波束選擇模塊輸出選擇指令，以選擇與其次大的所述相關系數(shù)相對應的固定數(shù)字波形成后的信號，直到信號質(zhì)量滿足要求或者所述相關系數(shù)小于相關系數(shù)閾值(β)。
13.如權利要求11或12所述的數(shù)字波束形成模塊陣列接收機，其特征在于，所述陣列數(shù)字信號表示為X(t)=Σl=1La(θ1)h1(t)s(t-τ1)+n(t);]]>式中，l＝1，2，...，L為多徑數(shù)，a(θl)是M*1維向量，表示與方向θ有關的第l條多徑信號在M個天線陣元上的陣列響應，θi是第l條多徑的波達方向；hl(t)是第1條多徑信號經(jīng)歷的衰落；s(t)是發(fā)射的期望信號，τl是第l條多徑信號的時延；n(t)是陣列干擾和噪聲信號；所述加權向量為H(θi)，則，SBi(t)＝aH(θi)a(θd)hd(t)S(t)+αH(θi)n(t) i＝1，2，3...NB；Coeffi＝‖E[SBi(t)s*(t)]‖2＝‖aH(θi)a(θd)E[hd(t)]‖2+‖E[aH(θi)n(t)s*(t)]‖2。
14.如權利要求11或12所述的陣列接收機，其特征在于，所述遺忘因子的值為0≤α≤1。
15.如權利要求13所述的陣列接收機，其特征在于，所述遺忘因子的值為0≤α≤1。
全文摘要
本發(fā)明涉及到無線通信系統(tǒng)中的數(shù)字波束形成方法。傳統(tǒng)的波束形成方法中所采用的算法的計算量較大,因此對數(shù)字信號處理器件的要求高。本發(fā)明提供的數(shù)字波束形成方法,包括下列步驟:接收陣列數(shù)字信號;對陣列數(shù)字信號加權,得到數(shù)字波束輸出信號;估計反映每個波束中期望信號能量的相關系數(shù)其估計公式為:Coeff
文檔編號H04B7/08GK1352490SQ00133919
公開日2002年6月5日 申請日期2000年11月15日 優(yōu)先權日2000年11月15日
發(fā)明者李江, 張勁林, 丁齊, 吳和兵, 郭俊峰 申請人:華為技術有限公司