專利名稱：一種到達角度型智能天線裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及智能天線裝置，更具體地說，涉及一種無線蜂窩通信系統(tǒng)中，采用陣列天線的自適應(yīng)控制天線波束進行所需信號的接收和發(fā)送的裝置。
現(xiàn)在采用CDMA方法的系統(tǒng)主要有IS-95Q-CDMA)系統(tǒng)，WCDMA系統(tǒng)，Cdma2000系統(tǒng)，TD-SCDMA系統(tǒng)，TD-CDMA系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)中采用了多碼擴頻技術(shù)或稱雙層擴頻碼分配技術(shù)，也就是說在這些CDMA系統(tǒng)中，從移動用戶到基站的上行鏈路的擴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)(Walsh函數(shù)，OVSF碼)作為信道碼擴頻，本文中不妨把這一步稱作加擴，對應(yīng)接收端的恢復(fù)過程稱作解擴；第二步使用每個用戶唯一分配的自相關(guān)性能較好的偽隨機碼(PN序列，M序列，Gold序列)進一步擴頻，本文中可以把第二步稱作加擾，對應(yīng)接收端的恢復(fù)過程稱作解擾，上述的偽隨機碼稱作擾碼，用擾碼來區(qū)分不同的移動用戶。同樣，這些系統(tǒng)中從基站到移動用戶的下行鏈路的擴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區(qū)分基站或小區(qū)。不同的基站或小區(qū)的擾碼不同。在數(shù)字無線通訊系統(tǒng)中，由于空間信道中存在各種噪聲、多徑以及衰落的干擾，所以接收機所接收到的信號的性質(zhì)不十分理想。為了有效地接收信號，接收機系統(tǒng)中采用了多種技術(shù)來提高系統(tǒng)的接收性能，如CDMA系統(tǒng)中的RAKE合并技術(shù)等。
在CDMA系統(tǒng)中，許多用戶使用同一頻帶進行通信。由于不可能設(shè)計出完全互不相關(guān)的擴頻碼集合，所以不同用戶之間仍存在相互干擾。一般來說，在一個頻帶內(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)是一個干擾受限的無線通信系統(tǒng)，其每一個規(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，要想超過這個限度則必須增加其他的資源?？臻g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。
現(xiàn)有CDMA系統(tǒng)中，通常采用了導(dǎo)頻信道傳送導(dǎo)頻符號，其中有兩種方式，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。另一種是插入導(dǎo)頻信道方式，這種方式把導(dǎo)頻符號和其它信息符號在時間上復(fù)用，有的時間段內(nèi)發(fā)送導(dǎo)頻符號，有的時間段內(nèi)沒有導(dǎo)頻被發(fā)送。
為了進一步利用不同信號的不同空間特性提高系統(tǒng)性能，人們研究了智能天線技術(shù)，也叫陣列天線技術(shù)。智能天線采用兩個以上的單天線陣元組成天線陣，每個陣元接收到的信號經(jīng)過射頻處理后進行用適當(dāng)?shù)臋?quán)值進行加權(quán)求和，就能達到定向接收的效果，一個權(quán)值矢量對應(yīng)著一定的波束方向圖。加權(quán)的實質(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，并通過數(shù)字信號處理進行數(shù)字波束賦形(DBF)，使所需信號的信噪比最大。這是通過調(diào)整天線陣列所接收的信號的相位和幅度使所需信號通過相加求和得到加強，而其它干擾信號通過相加求和得到削弱實現(xiàn)的。
一般的智能天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如

圖1所示，各個天線陣元的輸出信號以及智能天線的輸出通過智能天線方法的處理，獲得各個天線陣列相對應(yīng)的一組權(quán)值；這一組權(quán)值乘以天線輸出之后，將各個結(jié)果相加就可以得到智能天線系統(tǒng)的輸出。無線信號通過天線陣列10進入系統(tǒng)，其中天線陣列10由多個天線陣元101_10N構(gòu)成。天線輸出的信號分別通過各自的射頻通道110_11N，在信號合成單元12進行加權(quán)求和，形成一維信號后輸入以后的系統(tǒng)進行處理。而信號合成單元12中的權(quán)值系數(shù)，由智能天線方法模塊13提供。
智能天線大體可分三種，一種是預(yù)多波束智能天線。這種方法是預(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比較好的那些波束權(quán)值加權(quán)結(jié)果進行后續(xù)處理。這種方法的結(jié)構(gòu)簡單，不涉及矩陣運算，便于硬件實現(xiàn)。第二種是部分自適應(yīng)智能天線，這種實現(xiàn)方案通常從接收的陣列信號中提取期望用戶信號到達方向角信息，然后形成指向到達方向角的波束，到達方向角(DOA)變化則權(quán)值跟著變化。這種方法的準(zhǔn)則是使接收到的期望用戶信號能量最大，同時有限的壓制其它方向的干擾。另一種是全自適應(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的更新，當(dāng)更新方法收斂時這種方法能充分利用期望用戶信號和干擾信號的空間特性使接收到的信號的信干噪比達到最大。
到達角度型智能天線在這三種結(jié)構(gòu)中，具有以下優(yōu)勢這種算法的準(zhǔn)則是使接收到的期望用戶信號能量最大，同時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。在完成接收波束形成同時，該方法也提供了相對精確的用戶多徑到達角度信息。這些信息可以在定位等高端復(fù)位中得到應(yīng)用。由于自適應(yīng)智能天線得到的權(quán)值系數(shù)與用戶到達角度之間無明顯對應(yīng)關(guān)系，所以對定位等服務(wù)的應(yīng)用無法提供達方向角判斷型智能天線那么多有用的信息。
到達角度型智能天線的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。各個天線陣元的輸出進入預(yù)處理單元20。在對各個輸入分別進行解擴解擾處理(在201_20N中完成)之后，進入判向單元21，得到用戶到達角度信息。解擴解擾器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。輸入信號在相關(guān)器30中與系統(tǒng)偽隨機序列碼進行復(fù)數(shù)乘法(相關(guān)運算)。其結(jié)果進入累加器31進行累加運算。累加器31由加法器311和存儲器312構(gòu)成，分別完成加法運算和中間結(jié)果存儲的功能。當(dāng)累加進行了一定長度的時間之后，作為輸出進入其他單元完成系統(tǒng)功能。
可以看到，現(xiàn)有到達角度型智能天線，在實際工程實現(xiàn)過程中，由于需要對各個天線陣元的輸出同時進行解擴解擾，需要的硬件成本相對較高。假設(shè)天線陣列中共有N個天線陣元，這在硬件實現(xiàn)時，需要N個解擴解擾器。在實際的智能天線系統(tǒng)中，一般需要對多條多徑進行聯(lián)合時-空處理。假設(shè)對M條多徑進行處理，則整個系統(tǒng)中總共需要M×N個解擴解擾器。這種系統(tǒng)的規(guī)模是十分巨大的，硬件成本十分巨大。
本發(fā)明的核心思想是利用時分復(fù)用技術(shù)，復(fù)用預(yù)處理單元中的各解擴解擾器，降低系統(tǒng)的硬件規(guī)模。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的。一種到達角度型型智能天線裝置，包括天線陣列，射頻通道，預(yù)處理單元和判向單元；所述天線陣列包括兩個或兩個以上的天線陣元，其輸出端接到射頻通道的輸入端；所述射頻通道接收來自天線陣列的信號并完成低噪聲放大，自動增益控制，解調(diào)，通道校正，基帶轉(zhuǎn)換，A/D采樣，匹配濾波；所述預(yù)處理單元接收來自射頻通道的輸出，對之進行解擾解擴處理，并將處理后的結(jié)果送入判向單元得到用戶的到達角度信息；所述的預(yù)處理單元包括運算模塊40、存儲模塊41和通道選擇模塊42；所述通道選擇模塊42接收來自射頻通道的信號，有選擇地將某一通道的信號送入運算模塊40進行相關(guān)和累加運算；運算模塊40將運算結(jié)果通過通道選擇模塊42送入存儲模塊41進行存儲；存儲模塊41存儲運算的結(jié)果，通過通道選擇模塊42為運算模塊40提供運算所需的數(shù)據(jù)，并將最終結(jié)果輸出到判向單元。
所述的運算模塊40包括相關(guān)器401和累加器402，相關(guān)器401完成輸入信號和系統(tǒng)偽隨機序列碼的相關(guān)運算并將結(jié)果送入累加器402進行累加，累加器402將累加結(jié)果通過通道選擇模塊42輸出到存儲模塊41中進行存儲和輸出。
所述存儲模塊41包括若干與射頻通道互相一一對應(yīng)的存儲器，用于存儲對應(yīng)通道的信號數(shù)據(jù)。
所述通道選擇模塊42包括第一選擇器421、第二選擇器422、第三選擇器423和通道選擇控制器424；所述第一選擇器421負(fù)責(zé)選擇適當(dāng)?shù)纳漕l通道輸出信號將之輸出到運算模塊40；所述第二選擇器422負(fù)責(zé)從存儲模塊41中選擇運算模塊40所需的數(shù)據(jù)并將之輸出到運算模塊40的累加器402中；所述第三選擇器423負(fù)責(zé)將運算模塊40的累加器402的輸出送入存儲模塊41中與通道相對應(yīng)的存儲器中進行存儲和輸出；通道選擇控制器424負(fù)責(zé)對三個選擇器的控制，保證在一定的周期內(nèi)，控制運算模塊40對每一個通道的信號都進行一次運算，并將運算的中間結(jié)果存儲到與通道相對應(yīng)的存儲器中。
所述的預(yù)處理單元可以用FPGA和專用集成電路芯片實現(xiàn)。
本發(fā)明提出的到達角度型智能天線裝置，與現(xiàn)有智能天線相比，如現(xiàn)有智能天線中需要MN個解擴解擾器，采用本發(fā)明提出的裝置僅僅需要M個解擴解擾器，極大地降低了系統(tǒng)的硬件規(guī)模，也就大大降低了系統(tǒng)的實現(xiàn)成本。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的詳細(xì)說明。
圖1、圖2和圖3在前面已經(jīng)進行過解釋和說明。
圖4是本發(fā)明提出的到達角度型智能天線裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖4所示，所述裝置包括天線陣列，射頻通道，預(yù)處理單元和判向單元。天線陣列包括兩個或兩個以上的天線陣元，其輸出端接到射頻通道的輸入端。射頻通道接收來自天線陣列的信號并完成低噪聲放大，自動增益控制，解調(diào)，通道校正，基帶轉(zhuǎn)換，A/D采樣，匹配濾波的功能。預(yù)處理單元接收來自射頻通道的輸出，對接收到的信號進行解擴解擾處理，并將處理后的結(jié)果送入判向單元得到用戶的到達角度信息。預(yù)處理單元包括運算模塊40、存儲模塊41和通道選擇模塊42。通道選擇模塊42接收來自射頻通道的信號，有選擇地將某一通道的信號送入運算模塊40進行相關(guān)和累加運算。運算模塊40將運算結(jié)果通過通道選擇模塊42送入存儲模塊41進行存儲。存儲模塊41存儲運算的結(jié)果，通過通道選擇模塊42為運算模塊40提供運算所需的數(shù)據(jù)，并將最終結(jié)果輸出到判向單元。
運算模塊40包括相關(guān)器401和累加器402，相關(guān)器401完成輸入信號和系統(tǒng)偽隨機序列碼的相關(guān)運算并將結(jié)果送入累加器402進行累加，累加器402將累加結(jié)果通過通道選擇模塊42輸出到存儲模塊41中進行存儲和輸出。
存儲模塊41包括若干與射頻通道互相一一對應(yīng)的存儲器，用于存儲對應(yīng)通道的信號數(shù)據(jù)。
通道選擇模塊42包括第一選擇器421、第二選擇器422、第三選擇器423和通道選擇控制器424。第一選擇器421負(fù)責(zé)選擇適當(dāng)?shù)纳漕l通道輸出信號將之輸出到運算模塊40。第二選擇器422負(fù)責(zé)從存儲模塊41中選擇運算模塊40所需的數(shù)據(jù)并將之輸出到運算模塊40的累加器402中。第三選擇器423負(fù)責(zé)將運算模塊40的累加器402的輸出送入存儲模塊41中與通道相對應(yīng)的存儲器中進行存儲和輸出。通道選擇控制器424負(fù)責(zé)對三個選擇器的控制，保證在一定的周期內(nèi)，控制運算模塊40對每一個通道的信號都進行一次運算，并將運算的中間結(jié)果存儲到與通道相對應(yīng)的存儲器中。
與圖2中的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，圖4中的預(yù)處理單元進行了時分復(fù)用的處理?？紤]到硬件實現(xiàn)上的難易程度、處理速度要求以及資源消耗成本，可以將預(yù)處理單元集成在一塊專用的集成電路芯片中或一片F(xiàn)PGA中實現(xiàn)。這塊專用的集成電路芯片或FPGA完成多通路/多徑/多用戶預(yù)處理功能。多個天線陣元的輸入信號輸入到專用的集成電路芯片或FPGA中，經(jīng)過預(yù)處理之后，通過中斷的形式，輸出到判向單元得到用戶的到達角度信息。在系統(tǒng)初始運行時，或系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時，可以向?qū)Ｓ玫募呻娐沸酒騀PGA配置相關(guān)的參數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種到達角度型型智能天線裝置，包括天線陣列，射頻通道，預(yù)處理單元和判向單元；所述天線陣列包括兩個或兩個以上的天線陣元，其輸出端接到射頻通道的輸入端；所述射頻通道接收來自天線陣列的信號并完成低噪聲放大，自動增益控制，解調(diào)，通道校正，基帶轉(zhuǎn)換，A/D采樣，匹配濾波；所述預(yù)處理單元接收來自射頻通道的輸出，對之進行解擾解擴處理，并將處理后的結(jié)果送入判向單元得到用戶的到達角度信息，其特征在于所述的預(yù)處理單元包括運算模塊(40)、存儲模塊(41)和通道選擇模塊(42)；所述通道選擇模塊(42)接收來自射頻通道的信號，有選擇地將某一通道的信號送入運算模塊(40)進行相關(guān)和累加運算；運算模塊(40)將運算結(jié)果通過通道選擇模塊(42)送入存儲模塊(41)進行存儲；存儲模塊(41)存儲運算的結(jié)果，通過通道選擇模塊(42)為運算模塊(40)提供運算所需的數(shù)據(jù)，并將最終結(jié)果輸出到判向單元。
2.如權(quán)利要求1所述的一種到達角度型型智能天線裝置，其特征在于所述的運算模塊(40)包括相關(guān)器(401)和累加器(402)，相關(guān)器(401)完成輸入信號和系統(tǒng)偽隨機序列碼的相關(guān)運算并將結(jié)果送入累加器(402)進行累加，累加器(402)將累加結(jié)果通過通道選擇模塊(42)輸出到存儲模塊(41)中進行存儲和輸出。
3.如權(quán)利要求1所述的一種到達角度型型智能天線裝置，其特征在于所述存儲模塊(41)包括若干與射頻通道互相一一對應(yīng)的存儲器，用于存儲對應(yīng)通道的信號數(shù)據(jù)。
4.如權(quán)利要求1所述的一種到達角度型型智能天線裝置，其特征在于所述通道選擇模塊(42)包括選擇器1(421)、選擇器2(422)、選擇器3(423)和通道選擇控制器(424)；所述選擇器1(421)負(fù)責(zé)選擇適當(dāng)?shù)纳漕l通道輸出信號將之輸出到運算模塊(40)；所述選擇器2(422)負(fù)責(zé)從存儲模塊(41)中選擇運算模塊(40)所需的數(shù)據(jù)并將之輸出到運算模塊(40)的累加器(402)中；所述選擇器3(423)負(fù)責(zé)將運算模塊(40)的累加器(402)的輸出送入存儲模塊(41)中與通道相對應(yīng)的存儲器中進行存儲和輸出；通道選擇控制器(424)負(fù)責(zé)對三個選擇器的控制，保證在一定的周期內(nèi)，控制運算模塊(40)對每一個通道的信號都進行一次運算，并將運算的中間結(jié)果存儲到與通道相對應(yīng)的存儲器中。
5.如權(quán)利要求1所述的一種到達角度型型智能天線裝置，其特征在于所述的預(yù)處理單元是用FPGA和專用集成電路芯片實現(xiàn)的。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種到達角度型型智能天線裝置，包括天線陣列，射頻通道，預(yù)處理單元和判向單元。預(yù)處理單元包括運算模塊、存儲模塊和通道選擇模塊。通道選擇模塊接收來自射頻通道的信號，有選擇地將某一通道的信號送入運算模塊進行相關(guān)和累加運算；運算模塊將運算結(jié)果通過通道選擇模塊送入存儲模塊進行存儲；存儲模塊存儲運算的結(jié)果，通過通道選擇模塊為運算模塊提供運算所需的數(shù)據(jù)，并將最終結(jié)果輸出到判向單元。本發(fā)明提出的裝置，與現(xiàn)有智能天線相比，極大地降低了系統(tǒng)的硬件規(guī)模和實現(xiàn)成本。
文檔編號H04B7/02GK1430365SQ0113166
公開日2003年7月16日 申請日期2001年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月29日
發(fā)明者吳濤, 丁杰偉, 謝瀾濤 申請人:深圳市中興通訊股份有限公司上海第二研究所