專利名稱：車域網(wǎng)中環(huán)形陣列波束形成的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種利用信號的循環(huán)平穩(wěn)特性，將環(huán)形天線陣列盲自適應(yīng)波束形成技術(shù)應(yīng)用于車域網(wǎng)通信中，屬于移動通信的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
循環(huán)平穩(wěn)信號是一類非常重要的非平穩(wěn)信號，其2階統(tǒng)計特性即信號的均值和自相關(guān)函數(shù)是周期變化的。由于移動通信系統(tǒng)中應(yīng)用的信號絕大多數(shù)都具有獨特的循環(huán)平穩(wěn)特性，故可利用它實現(xiàn)盲波束形成。
移動臺發(fā)出的信號從某個方向到達(dá)天線陣列，這個方向可以稱為波達(dá)方向(DOA)。自適應(yīng)天線是智能天線的主要類型，可以實現(xiàn)全向跟蹤，完成用戶信號的接收和發(fā)送。自適應(yīng)陣天線系統(tǒng)采用數(shù)字信號處理技術(shù)識別用戶信號到達(dá)方向，并在此方向形成天線主波束。自適應(yīng)陣天線根據(jù)用戶信號的不同空間傳播方向提供不同的空間信號，可以有效克服干擾對系統(tǒng)的影響。
天線接收系統(tǒng)可以采取一定的算法，主要在基帶實現(xiàn)把不同波達(dá)方向的信號區(qū)分開來，從而降低干擾，增強系統(tǒng)性能。智能天線系統(tǒng)的性能主要取決于基帶算法和陣列結(jié)構(gòu)，因此在探索高效的基帶算法的同時也很有必要設(shè)計合理的智能天線陣列結(jié)構(gòu)。陣列結(jié)構(gòu)的優(yōu)化也是智能天線領(lǐng)域的一個關(guān)鍵問題。環(huán)形陣列具有良好的全向掃描特性，可以為智能天線的快速賦形創(chuàng)造條件。
波束形成是一種可以有效降低共信道干擾的方法，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、個人通信系統(tǒng)等方面。傳統(tǒng)的波束形成方法需要信號的波達(dá)方向、導(dǎo)引矢量、訓(xùn)練序列等先驗知識，已提出了基于用戶傳輸訓(xùn)練序列和基于信號到達(dá)方向這兩類方法，如圖1所示。但前者需要對訓(xùn)練序列同步并占用較多信道，后者需要對到達(dá)陣列的數(shù)據(jù)流進(jìn)行校驗，運算量大，實現(xiàn)上較為復(fù)雜，因此均尚難應(yīng)用。
通過對信號特性進(jìn)行深入研究而提出的盲自適應(yīng)波束形成算法能在很大程度上克服上述缺點。由于移動通信中的絕大多數(shù)信號是循環(huán)平穩(wěn)的，而且得到不同循環(huán)頻率比較容易，因此前人已提出多種利用循環(huán)平穩(wěn)特性進(jìn)行盲自適應(yīng)波束形成的方法，例如頻譜自相干恢復(fù)(SCORE)算法和循環(huán)自適應(yīng)波束形成(CAB)算法等。
車域網(wǎng)應(yīng)用必須解決高速移動時的有效、可靠通信問題，這要求所應(yīng)用的算法具有很強的實時性，因此很有必要研究開發(fā)出一種運算量、收斂速度以及性能都比較好的方法。
在車域網(wǎng)中，車內(nèi)各個設(shè)備間構(gòu)成無線個域網(wǎng)，通過車載天線，它們可以和車外的公眾移動通信系統(tǒng)以及廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等進(jìn)行數(shù)據(jù)和話音的通信。它是一種車內(nèi)微功率、車外大功率的系統(tǒng)。但是目前單個全向接收天線已經(jīng)不能滿足惡劣環(huán)境下對高質(zhì)量數(shù)據(jù)、語音和圖形的高速傳輸需求。如何在車輛上設(shè)計安裝多個天線元組成的陣列，并且采用快速收斂的、計算量適中的波束形成方法非常有實際意義。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是設(shè)計一種車域網(wǎng)中環(huán)形陣列波束形成的裝置，實現(xiàn)降低共信道干擾，同時節(jié)約信道資源。
技術(shù)方案本發(fā)明是一種基于信號循環(huán)平穩(wěn)特性的自適應(yīng)波束形成方法，它不需要參考信號、波達(dá)方向等，并且天線陣列采用環(huán)形陣列。此外，它將設(shè)計的環(huán)形陣列波束形成方法應(yīng)用于車域網(wǎng)，裝載于交通工具上。
本發(fā)明不但采取了有效、新穎的基帶自適應(yīng)波束形成方式，即利用信號循環(huán)平穩(wěn)特性的自適應(yīng)波束形成方法，還采用了一種有利于全向接收信號的環(huán)形陣列結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明由環(huán)形天線陣列接收部分、接收信號預(yù)處理模塊、波束形成模塊、車域網(wǎng)轉(zhuǎn)換和接收模塊依次串聯(lián)而成，電源向該四部分供電；其中，接收信號預(yù)處理模塊由多組與環(huán)形天線陣列接收部分的天線個數(shù)相同處理電路組成，每組處理電路由低噪聲功率放大器、基帶轉(zhuǎn)換器、低通濾波器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器依次串聯(lián)而成，同步器分別與每組的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器相接；波束形成模塊由數(shù)字信號處理部分、解擴(kuò)器和均衡器依次串聯(lián)而成；車域網(wǎng)轉(zhuǎn)換和接收模塊由網(wǎng)間轉(zhuǎn)換部分、低功率發(fā)射模塊和低功率接收模塊、解密器和譯碼器、接收終端依次串聯(lián)而成，其中，網(wǎng)間轉(zhuǎn)換部分包括功率轉(zhuǎn)換、協(xié)議轉(zhuǎn)換、工作電源轉(zhuǎn)換。
波束形成模塊中的數(shù)字信號處理部分由信號空間投影變換器、存儲器、互相關(guān)計算部分、自適應(yīng)權(quán)值計算部分依次串聯(lián)而成；其中，互相關(guān)計算部分由時偏器、頻偏器、同步器、互相關(guān)器、自相關(guān)器構(gòu)成，自適應(yīng)權(quán)值計算部分由自適應(yīng)最大相關(guān)運算器、權(quán)值調(diào)整器、權(quán)值生成器構(gòu)成；存儲器的第一輸出端接時偏器的輸入端，時偏器、頻偏器、互相關(guān)器、自適應(yīng)最大相關(guān)運算器、權(quán)值調(diào)整器、權(quán)值生成器相串聯(lián)；存儲器的第二輸出端接同步器，互相關(guān)器、權(quán)值生成器相串聯(lián)；存儲器的第三輸出端接自相關(guān)器的輸入端，自相關(guān)器的輸出端接權(quán)值生成器，由權(quán)值生成器輸出權(quán)值w1(n)，w2(n)，…，wM(n)；數(shù)字信號處理部分的輸入信號為數(shù)字接收信號(x1(n)，x2(n)，…，xM(n))、波束形成信號(y(n))、同步信號(T(n))和循環(huán)頻率(α)，輸出信號為權(quán)值w1(n)，w2(n)，…，wN(n)。車載環(huán)形天線陣列裝載于移動車輛頂端。
環(huán)形天線陣列接收部分是由8個各向同性的天線陣元均勻分布在一定半徑的圓周上，從移動通信網(wǎng)中接收近似平面波的信號。接收信號預(yù)處理模塊的功能是去除部分噪聲、將信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字基帶信號，在設(shè)計中是為以后的波束形成器準(zhǔn)備的。
波束形成模塊是由數(shù)字信號處理器實現(xiàn)的，它通過一定算法將各個接收信號的權(quán)值調(diào)整到最優(yōu)值。自適應(yīng)波束形成器的輸入信號是8個預(yù)處理后的基帶數(shù)字信號以及有用信號的循環(huán)頻率，輸出信號為乘以最優(yōu)權(quán)值后的數(shù)字信號。最終的效果是將形成的波束主瓣對準(zhǔn)有用信號，同時盡量將波束的零陷對向干擾信號，使輸出信號達(dá)到最大信噪比。
數(shù)字信號處理器的輸入除了有數(shù)字信號以外，還包括了循環(huán)頻率、同步信號以及波束形成器的輸出信號。它與傳統(tǒng)波束形成器的區(qū)別在于沒有要求輸入波達(dá)方向、導(dǎo)引矢量或是訓(xùn)練序列，只是另外輸入了循環(huán)頻率。由于大多數(shù)通信信號具有循環(huán)平穩(wěn)特性，也就是其統(tǒng)計量是有周期性規(guī)律的，此周期性規(guī)律比一般非平穩(wěn)信號容易研究，又比平穩(wěn)信號多了可利用的統(tǒng)計性規(guī)律，因此，該自適應(yīng)波束形成方法不但可以減少輸入的先驗信息量，還可以達(dá)到收斂快、計算量適中的效果，應(yīng)用在工程中容易實現(xiàn)。
另外，將此環(huán)形陣列波束形成方案應(yīng)用于車域網(wǎng)中十分有意義。環(huán)形陣列可以安裝在車輛的頂端，不但可以全方位地接收移動通信網(wǎng)基站給出的信號，并且還有不受移動臺天線體積的限制和不直接對人體產(chǎn)生輻射的優(yōu)點。車內(nèi)實現(xiàn)無線車域網(wǎng)，車內(nèi)的移動終端通過低功率無線車域網(wǎng)接入轉(zhuǎn)換器，再由轉(zhuǎn)換器通過環(huán)形天線接入移動通信網(wǎng)中。環(huán)形陣列不但可以全方位接收信號，而且在需要節(jié)省電力時能夠轉(zhuǎn)換為半圓或弧形天線陣列。
有益效果本發(fā)明的方法利用了大多數(shù)通信信號都是循環(huán)平穩(wěn)的這一特性，通過在移動通信的接收端，建立環(huán)形天線陣列接收的循環(huán)平穩(wěn)信號模型，然后實現(xiàn)盲自適應(yīng)波束形成。它不需要陣列校驗、波達(dá)方向、訓(xùn)練序列、干擾和噪聲的空間自相關(guān)矩陣等先驗知識，只需要發(fā)射端信號的循環(huán)頻率。相比較于其他盲自適應(yīng)波束方法，它的收斂速度較快，運算量適中。同時，環(huán)形陣列具有良好的全向掃描特性，可以為智能天線的快速賦形創(chuàng)造條件。
該方法在提高通信系統(tǒng)容量、降低計算復(fù)雜度方面具有一定意義，而且由于不需要波達(dá)方向、訓(xùn)練序列等先驗信息，具體應(yīng)用時更加符合實際。它應(yīng)用于車域網(wǎng)中可以支持高速移動的交通工具進(jìn)行高質(zhì)量、高速率的實時數(shù)據(jù)、圖像及各種多媒體消息的通信。此外，將環(huán)形陣列應(yīng)用于車輛頂端，不影響車輛的實用功能和美觀，并且具有不受移動臺天線體積限制和不直接對人體產(chǎn)生輻射的優(yōu)點，是一種切實可行的方案。
本設(shè)計在車域網(wǎng)中環(huán)形陣列波束形成實現(xiàn)的具體方法和裝置，如圖3和圖4所示。優(yōu)點是實現(xiàn)框圖中波束形成模塊中的數(shù)字信號處理部分沒有參考信號或波達(dá)方向的輸入，實現(xiàn)了降低共信道干擾，同時節(jié)約了信道資源。
車載接收天線陣列選用8個天線元組成的環(huán)形陣列實現(xiàn)，優(yōu)點是具有良好的全面掃描特性，可全方位接收信號；在需要節(jié)省電力時也能夠轉(zhuǎn)換為半圓或弧形陣列；將環(huán)形天線陣列安裝于車輛頂端，實用且不影響美觀。


圖1是基于波達(dá)方向(DOA)的自適應(yīng)波束形成示意圖。其中，圖1a是基本自適應(yīng)波束形成示意圖；圖1b是圖1a中的自適應(yīng)波束形成算法部分的框圖。
圖2是一個環(huán)形天線陣列，它由8個天線陣元組成的示意圖。
圖3是本發(fā)明的總體系統(tǒng)實現(xiàn)框圖，即車載環(huán)形陣列波束形成及接收系統(tǒng)框圖。x1(n)，x2(n)，…，xM(n)表示接收信號預(yù)處理后的數(shù)字信號，y(n)表示經(jīng)過波束形成模塊處理后的輸出信號。
圖4是本發(fā)明圖3的總體實現(xiàn)框圖中的數(shù)字信號處理器框圖。
圖5是本發(fā)明在車域網(wǎng)中應(yīng)用的示意圖。
以上的圖中有環(huán)形天線陣列接收部分31、低噪聲功率放大器32、基帶轉(zhuǎn)換器33、低通濾波器34、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器35、同步器36、數(shù)字信號處理部分37、解擴(kuò)器和均衡器38、功率轉(zhuǎn)換39、協(xié)議轉(zhuǎn)換310、工作電源轉(zhuǎn)換311，低功率發(fā)射模塊312、低功率接收模塊313、解密器和譯碼器314、接收終端315、電源316、接收信號預(yù)處理模塊317、波束形成模塊318、車域網(wǎng)轉(zhuǎn)換和接收模塊319、網(wǎng)間轉(zhuǎn)換部分320。
信號空間投影變換器41、存儲器42、時偏器43、頻偏器44、同步器45、互相關(guān)器46、自相關(guān)器47、自適應(yīng)最大相關(guān)運算器48、權(quán)值調(diào)整器49、權(quán)值生成器410、互相關(guān)計算部分411、自適應(yīng)權(quán)值計算部分412。輸入信號為數(shù)字接收信號x1(n)，x2(n)，…，xM(n)、波束形成信號y(n)、同步信號T(n)和循環(huán)頻率α，輸出信號為權(quán)值w1(n)，w2(n)，…，wM(n)。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明方案設(shè)計作出如下具體描述。
1.模塊組成本發(fā)明設(shè)計的主要實現(xiàn)框圖是圖3，具體的自適應(yīng)波束形成方式由圖4描述。
圖3描述的是車載環(huán)形陣列波束形成及接收系統(tǒng)框圖。它屬于移動通信的接收端設(shè)計，包括了環(huán)形天線陣列接收部分31、接收信號預(yù)處理模塊317、波束形成模塊318、車域網(wǎng)轉(zhuǎn)換和接收模塊319和電源316五個部分。
最左邊是由8個天線陣元組成的環(huán)形天線陣列，此環(huán)的半徑為R，8個天線陣元均勻分布在圓上。由每個天線陣元接收的連續(xù)信號分別為u1(t)，u2(t)，…，uM(t)，它們分別通過低噪聲功率放大器以消除部分噪聲，然后通過基帶轉(zhuǎn)換器將連續(xù)信號從頻帶轉(zhuǎn)換為基帶信號。得到8個天線分別接收的基帶信號后，再分別通過低通濾波器濾除頻帶外的干擾信號。隨后將經(jīng)過低通濾波器的各個模擬信號通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，即通過抽樣、量化及同步后將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。這樣設(shè)計的理由是后面的波束形成模塊就可以用數(shù)字信號處理計算得到，速度會更快，實現(xiàn)也比較簡單。經(jīng)過以上幾個步驟處理后8個信號轉(zhuǎn)換為x1(n)，x2(n)，…，xM(n)數(shù)字信號，它們同時也是波束形成模塊的輸入信號。
模/數(shù)轉(zhuǎn)換器后連接的就是波束形成模塊，它的輸入信號是x1(n)，x2(n)，…，xM(n)，輸出信號是y(n)。其中，輸入信號x1(n)，x2(n)，…，xM(n)分別乘以各自的權(quán)值w1(n)，w2(n)，…，wM(n)后得到所需的輸出信號y(n)。波束形成模塊的主要部分是數(shù)字信號處理部分，它的輸入有x1(n)，x2(n)，…，xM(n)，y(n)和同步信號T(n)，輸出的是權(quán)值w1(n)，w2(n)，…，wM(n)。
具體的自適應(yīng)波束形成方式在圖4中已經(jīng)有了具體的描述。主要的思想是此自適應(yīng)波束形成模塊不需要波達(dá)方向、訓(xùn)練序列和矩陣校驗，只是需要發(fā)射端有用信號的循環(huán)頻率就可以采用相應(yīng)的自適應(yīng)算法，經(jīng)過數(shù)字信號處理的自適應(yīng)波束形成計算后得到最優(yōu)權(quán)值。此最優(yōu)權(quán)值與輸入信號相乘后就得到去除干擾和噪聲后的信號。其中，將通信信號建模為循環(huán)平穩(wěn)信號是非常重要的。循環(huán)平穩(wěn)信號的統(tǒng)計特性具有周期性，在本發(fā)明中采用的盲自適應(yīng)算法就是利用了周期性的二階統(tǒng)計特性，運用較小的計算量就可以實現(xiàn)盲自適應(yīng)波束形成，然后將輸出信號進(jìn)行解擴(kuò)和均衡處理。
最后，將波束形成處理后的輸出信號y(n)通過網(wǎng)間轉(zhuǎn)換部分，包括將大功率的通信信號轉(zhuǎn)換為小功率的，將移動通信的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為無線個域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)(其中包括傳輸速率轉(zhuǎn)換)，將工作電源進(jìn)行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的通信信號通過低功率發(fā)射模塊、低功率接收模塊和解密和譯碼模塊后，使接收終端收到信號。
電源向其它四個模塊部分供應(yīng)電源。
2.核心部分說明本發(fā)明的實現(xiàn)框圖中的核心部分是環(huán)形天線陣列接收部分31、數(shù)字信號處理部分37和車域網(wǎng)轉(zhuǎn)換和接收模塊319，分別如圖2、圖4和圖3的右下角部分所示。
(1)環(huán)形天線陣列接收部分實現(xiàn)時采用了一種有利于全向接收信號的環(huán)形陣列結(jié)構(gòu)。圖2是均勻環(huán)陣的示意圖。假設(shè)有M個陣元均勻排列在半徑為R的圓周上。相對天線陣列尺寸來說，信號源離天線陣比較遠(yuǎn)，則可以認(rèn)為信號以平面波形式到達(dá)，而且到達(dá)各個陣元時的能量一樣。由于到達(dá)各個陣元的波程差不同，各陣元上信號的相位是不同的。設(shè)信號的波長為λ，波達(dá)方向角為θ。各個方向的導(dǎo)引矢量的集合就構(gòu)成了天線陣列的陣列流形。不同的天線陣列有不同的陣列流形，陣列流形很大程度上決定著智能天線系統(tǒng)的性能。
對于環(huán)形陣列，一般選取圓形0為相位參考點，以最右邊的陣元作為第一各陣元，按順時針方向各個陣元分別為第二陣元、第三陣元等。對于波達(dá)方向角為θ的信號可以得到第l個陣元上的相對相位φi＝βRcos(θ+2π(l-1)/m)，β＝2π/λ，l＝1，2，…，M得到環(huán)形陣列在波達(dá)方向角θ的導(dǎo)引矢量為a(θ)=ejφ1ejφ2···ejφM=ejβRcosθejβRcos(θ+2π/M)···ejβRcos(θ+2π(M-1)/M),]]>其中M=8(2)數(shù)字信號處理部分a.原理波束形成主要是指對特定方向的有用信號形成波束的波瓣，而將波束的零陷對向干擾信號以衰減其他方向的共信道干擾。
循環(huán)平穩(wěn)特性是指當(dāng)一個信號表現(xiàn)出循環(huán)平穩(wěn)性時，在頻域就存在一定程度的頻譜相關(guān)性。當(dāng)時延一定時，信號的循環(huán)頻率與信號傳輸?shù)牟ㄌ芈视嘘P(guān)，而平穩(wěn)噪聲信號的循環(huán)頻率為零?；谛盘柕难h(huán)平穩(wěn)特性的盲波束形成算法就是在假設(shè)期望信號的循環(huán)頻率不同于干擾信號的循環(huán)頻率且噪聲信號是平穩(wěn)信號條件下，利用信號的循環(huán)頻率進(jìn)行自適應(yīng)波束形成。
假定各個陣元為理想的、各向同性的，接收的數(shù)字信號x(n)為M×1維復(fù)矢量。有用信號和干擾信號為窄帶平面波，存在K個信號，x(n)可以用矢量表示為x(n)=Σk=1Ma(θk)sk(n)+i(n)+i(n)+v(n).]]>其中，sk(n)為有用信號，a(θk)為第k個到達(dá)信號的導(dǎo)引矢量，i(n)為干擾信號，v(n)為M維白噪聲。
波束形成的方法就是根據(jù)某種準(zhǔn)則找到權(quán)值矢量，使輸出的有用信號為y(n)＝wHx(n)，本文采用的算法的代價函數(shù)為J＝<|y(n)-r(n)|2>T，其中r(n)＝cHx(n-τ)ej2παn，c為任意控制矢量，這個代價函數(shù)可以看作是求陣列輸出y(n)與r(n，τ)的最小二乘問題，實際上是取x(n)與其自身時頻偏的最大相關(guān)。因此，只要知道循環(huán)頻率α，就可以使代價函數(shù)最小，達(dá)到波束形成提取有用信號的目的。得到最優(yōu)權(quán)值矢量為WSC=RXX-1RXr]]>理想情況下，它可以收斂到最大輸出SINR意義上的波束形成器，得到優(yōu)化解。但是實際中不可能達(dá)到理想條件，存在指向誤差和陣元擾動等?？傊瑏碜栽肼曌涌臻g分量的影響比較大?？梢圆捎米涌臻g分解的方法，將信號導(dǎo)引矢量投影到信號子空間，將原來的基本算法修正。設(shè)計出的新方法可以運用到實際工程中，使它的收斂速度和性能令人滿意。
b.實現(xiàn)模塊本發(fā)明的數(shù)字信號處理部分的實現(xiàn)如圖4所示。數(shù)字信號處理部分的輸入信號有數(shù)字輸入信號x1(n)，x2(n)，…，xM(n)，波束形成模塊的輸出信號y(n)，同步信號T(n)和通信信號的循環(huán)頻率α。同步信號用于同步數(shù)字處理模塊中的信號，循環(huán)頻率α可以頻移輸入信號，然后利用通信信號的循環(huán)平穩(wěn)統(tǒng)計特性有效調(diào)整權(quán)值。
對比圖4和圖1b可以看出，本發(fā)明采用的波束形成實現(xiàn)方式?jīng)]有訓(xùn)練序列(或波達(dá)方向)，而只有信號的循環(huán)頻率。由于循環(huán)頻率只占用很少的帶寬，因此可以支持第三代移動通信的高速率、高質(zhì)量信號傳輸?shù)囊?。?shù)字信號處理部分的輸出信號就是自適應(yīng)計算出的權(quán)值系數(shù)。參考圖3，權(quán)值系數(shù)w1(n)，w2(n)，…，wM(n)和數(shù)字輸入信號x1(n)，x2(n)，…，xM(n)相乘之后，得到的就是波束形成器的輸出信號y(n)。
數(shù)字信號處理器模塊由以下幾個部分組成信號空間投影變換器41、存儲器42、互相關(guān)器46、互相關(guān)計算部分411、自適應(yīng)權(quán)值計算部分412。
如圖4所示，數(shù)字輸入信號x1(n)，x2(n)，…，xM(n)首先經(jīng)過信號空間投影變換后，將導(dǎo)引矢量投影到信號子空間(但不需要輸入導(dǎo)引矢量)，可以消除部分來自噪聲的影響。然后將處理后的信號輸入到存儲器中，以方便計算之后的互相關(guān)矩陣和自相關(guān)矩陣。
互相關(guān)計算部分的原理如上描述，實現(xiàn)方法如圖4所示。存儲器中的輸入信號分為兩路，一路通過時偏器、頻偏器，另一路通過同步器。兩路信號同時輸入互相關(guān)器計算出互相關(guān)函數(shù)。其中，頻偏部分需要輸入信號的循環(huán)頻率α。
然后，數(shù)字信號處理進(jìn)入了自適應(yīng)權(quán)值計算部分。它分為三個過程首先由互相關(guān)矩陣和自相關(guān)矩陣計算出當(dāng)前的權(quán)值系數(shù)，然后采用自適應(yīng)算法自適應(yīng)選擇最大相關(guān)函數(shù)并進(jìn)行相關(guān)計算。自適應(yīng)計算過程中隨時利用權(quán)值調(diào)整器自適應(yīng)調(diào)整權(quán)值系數(shù)，直到自適應(yīng)收斂到最優(yōu)權(quán)值。
整個自適應(yīng)波束形成的計算并不需要訓(xùn)練序列(或波達(dá)方向)，這種方法具有很好的優(yōu)越性，可以有效的節(jié)約帶寬并且在實際應(yīng)用中合理可行。
(3)車域網(wǎng)轉(zhuǎn)換和接收模塊這一部分的設(shè)計主要是應(yīng)用于車域網(wǎng)中，目的是通過車載裝置來實現(xiàn)高速率、高質(zhì)量的信號通信，車輛可以在高速運行時在接收終端安全可靠地接收到通信信號。具體的設(shè)計如圖3右下部分所示。
在無線車域網(wǎng)中，包括了網(wǎng)間轉(zhuǎn)換部分320、低功率發(fā)射模塊312、低功率接收模塊313、解密器和譯碼器314、接收終端315。
網(wǎng)間轉(zhuǎn)換部分有功率轉(zhuǎn)換(由大功率轉(zhuǎn)換為小功率)、協(xié)議轉(zhuǎn)換(由移動通信標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為IEEE 802.11相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn))以及工作電源轉(zhuǎn)換。協(xié)議轉(zhuǎn)換中包括了傳輸速率變換等網(wǎng)間轉(zhuǎn)換。無線車域網(wǎng)中低功率的發(fā)射和接收模塊保證了高速運行中的車載天線接收的大功率信號經(jīng)處理后不對人體產(chǎn)生影響，同時可以正常接收高速率寬帶信號。由于前面已經(jīng)進(jìn)行了均衡和解擴(kuò)，這里的無線接收模塊后只有解密和譯碼運算。最后，數(shù)字信號由接收終端接收。此接收終端是指在車內(nèi)使用的各種通信終端，如手機(jī)、筆記本電腦等。
3.車域網(wǎng)應(yīng)用的實現(xiàn)裝置環(huán)形陣列的波束形成方法的實現(xiàn)可以應(yīng)用在無線車域網(wǎng)中，如圖5所示。在車外，環(huán)形天線陣列安裝在車頂上，可以方便地全方向接收信號。在車內(nèi)，移動終端(如手機(jī))和設(shè)備(筆記本、PDA等)組成了車內(nèi)的無線個域網(wǎng)。環(huán)形智能天線和蜂窩網(wǎng)的基站以及其他移動通信系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。車內(nèi)的移動終端除了可以和車內(nèi)設(shè)備通過無線車域網(wǎng)通信以外，還可以通過接口轉(zhuǎn)換與外部的蜂窩網(wǎng)通信。
在總統(tǒng)結(jié)構(gòu)上車域網(wǎng)中形成環(huán)形陣列波束的裝置由環(huán)形天線陣列接收部分31、接收信號預(yù)處理模塊317、波束形成模塊318、車域網(wǎng)轉(zhuǎn)換和接收模塊319依次串聯(lián)而成，電源316向該四部分供電；其中，接收信號預(yù)處理模塊317由多組與環(huán)形天線陣列接收部分(31)的天線個數(shù)相同處理電路組成，每組處理電路由低噪聲功率放大器32、基帶轉(zhuǎn)換器33、低通濾波器34、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器35依次串聯(lián)而成，同步器36分別與每組的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器35相接；波束形成模塊318由數(shù)字信號處理部分37、解擴(kuò)器和均衡器38依次串聯(lián)而成；車域網(wǎng)轉(zhuǎn)換和接收模塊319由網(wǎng)間轉(zhuǎn)換部分320、低功率發(fā)射模塊312和低功率接收模塊313、解密器和譯碼器314、接收終端315依次串聯(lián)而成，其中，網(wǎng)間轉(zhuǎn)換部分320包括功率轉(zhuǎn)換39、協(xié)議轉(zhuǎn)換310、工作電源轉(zhuǎn)換311。波束形成模塊318中的數(shù)字信號處理部分37由信號空間投影變換器41、存儲器42、互相關(guān)計算部分411、自適應(yīng)權(quán)值計算部分412依次串聯(lián)而成；其中，互相關(guān)計算部分411由時偏器43、頻偏器44、同步器45、互相關(guān)器46、自相關(guān)器47構(gòu)成，自適應(yīng)權(quán)值計算部分412由自適應(yīng)最大相關(guān)運算器48、權(quán)值調(diào)整器49、權(quán)值生成器410構(gòu)成；存儲器42的第一輸出端接時偏器43的輸入端，時偏器43、頻偏器44、互相關(guān)器46、自適應(yīng)最大相關(guān)運算器48、權(quán)值調(diào)整器49、權(quán)值生成器410相串聯(lián)；存儲器42的第二輸出端接同步器45，互相關(guān)器46、權(quán)值生成器410相串聯(lián)；存儲器42的第三輸出端接自相關(guān)器47的輸入端，自相關(guān)器47的輸出端接權(quán)值生成器410，由權(quán)值生成器410輸出權(quán)值w1(n)，w2(n)，…，wM(n)；數(shù)字信號處理部分37的輸入信號為數(shù)字接收信號x1(n)，x2(n)，…，xM(n)、波束形成信號y(n)、同步信號T(n)和循環(huán)頻率α，輸出信號為權(quán)值w1(n)，w2(n)，…，wM(n)。
因此，在高速行駛的移動車輛中使用手機(jī)等移動終端就可以減少發(fā)射功率，利用的是無線車域網(wǎng)。車成了移動通信系統(tǒng)的終端，它相當(dāng)于手機(jī)的中轉(zhuǎn)站，由它來代替手機(jī)接收大功率的信號。同時，車頂上安裝的環(huán)形陣列又可以全方位接收信號，為智能天線的快速賦形創(chuàng)造條件。
這個設(shè)計方案可以解決在手機(jī)上使用智能天線所面臨的困難，還可以減少大功率對人體的危害。環(huán)形天線陣列應(yīng)用于車頂?shù)暮锰幨墙邮招盘栃Ч?，設(shè)計的方案不但容易實現(xiàn)，而且不影響車子的外形設(shè)計。若車輛需要節(jié)省功耗，可以很方便地將環(huán)形陣列變?yōu)榘雸A形陣列或是弧形陣列。
權(quán)利要求
1.一種車域網(wǎng)中環(huán)形陣列波束形成的裝置，其特征在于該裝置由環(huán)形天線陣列接收部分(31)、接收信號預(yù)處理模塊(317)、波束形成模塊(318)、車域網(wǎng)轉(zhuǎn)換和接收模塊(319)依次串聯(lián)而成，電源(316)向該四部分供電；其中，接收信號預(yù)處理模塊(317)由多組與環(huán)形天線陣列接收部分的天線個數(shù)相同處理電路組成，每組處理電路由低噪聲功率放大器(32)、基帶轉(zhuǎn)換器(33)、低通濾波器(34)、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(35)依次串聯(lián)而成，同步器(36)分別與每組的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(35)相接；波束形成模塊(318)由數(shù)字信號處理部分(37)、解擴(kuò)器和均衡器(38)依次串聯(lián)而成；車域網(wǎng)轉(zhuǎn)換和接收模塊(319)由網(wǎng)間轉(zhuǎn)換部分(320)、低功率發(fā)射模塊(312)和低功率接收模塊(313)、解密器和譯碼器(314)、接收終端(315)依次串聯(lián)而成，其中，網(wǎng)間轉(zhuǎn)換部分(320)包括功率轉(zhuǎn)換(39)、協(xié)議轉(zhuǎn)換(310)、工作電源轉(zhuǎn)換(311)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車域網(wǎng)中環(huán)形陣列波束形成的裝置，其特征在于波束形成模塊(318)中的數(shù)字信號處理部分(37)由信號空間投影變換器(41)、存儲器(42)、互相關(guān)計算部分(411)、自適應(yīng)權(quán)值計算部分(412)依次串聯(lián)而成；其中，互相關(guān)計算部分(411)由時偏器(43)、頻偏器(44)、同步器(45)、互相關(guān)器(46)、自相關(guān)器(47)構(gòu)成，自適應(yīng)權(quán)值計算部分(412)由自適應(yīng)最大相關(guān)運算器(48)、權(quán)值調(diào)整器(49)、權(quán)值生成器(410)構(gòu)成；存儲器(42)的第一輸出端接時偏器(43)的輸入端，時偏器(43)、頻偏器(44)、互相關(guān)器(46)、自適應(yīng)最大相關(guān)運算器(48)、權(quán)值調(diào)整器(49)、權(quán)值生成器(410)相串聯(lián)；存儲器(42)的第二輸出端接同步器(45)，互相關(guān)器(46)、權(quán)值生成器(410)相串聯(lián)；存儲器(42)的第三輸出端接自相關(guān)器(47)的輸入端，自相關(guān)器(47)的輸出端接權(quán)值生成器(410)，由權(quán)值生成器(410)輸出權(quán)值w1(n)，w2(n)，…，wM(n)；數(shù)字信號處理部分(37)的輸入信號為數(shù)字接收信號(x1(n)，x2(n)，…，xM(n))、波束形成信號(y(n))、同步信號(T(n))和循環(huán)頻率(α)，輸出信號為權(quán)值w1(n)，w2(n)，…，wM(n)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車域網(wǎng)中環(huán)形陣列波束形成的裝置，其特征在于，車載環(huán)形天線陣列裝載于移動車輛頂端。
全文摘要
車域網(wǎng)中環(huán)形陣列波束形成的裝置是一種利用信號的循環(huán)平穩(wěn)特性，將環(huán)形天線陣列盲自適應(yīng)波束形成技術(shù)應(yīng)用于車域網(wǎng)通信中，接收信號預(yù)處理模塊(317)由多組與環(huán)形天線陣列接收部分(31)的天線個數(shù)相同處理電路組成，每組處理電路由低噪聲功率放大器(32)、基帶轉(zhuǎn)換器(33)、低通濾波器(34)、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(35)依次串聯(lián)而成，同步器(36)分別與每組的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(35)相接；波束形成模塊(318)由數(shù)字信號處理部分(37)、解擴(kuò)器和均衡器(38)依次串聯(lián)而成；車域網(wǎng)轉(zhuǎn)換和接收模塊(319)由網(wǎng)間轉(zhuǎn)換部分(320)、低功率發(fā)射模塊(312)和低功率接收模塊(313)、解密器和譯碼器(314)、接收終端(315)依次串聯(lián)而成。
文檔編號H01Q3/00GK1731706SQ200510094198
公開日2006年2月8日 申請日期2005年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月2日
發(fā)明者沈連豐, 郭潔, 葉芝慧, 宋鐵成, 夏瑋瑋 申請人:東南大學(xué)