专利名称：一种能补偿多普勒效应的自适应阵列天线系统的制作方法
技术领域：
本发明属于天线工程技术领域，特别涉及一种能补偿多普勒效应的自适应阵列天线系统。
背景技术：
随着高速铁路的大范围建设，能满足高速通信要求的通信方式和系统的需求也越来越迫切。在通信过程中，高速移动的终端接收到的信号会产生多普勒频移，其对通信的影响主要体现在1、引起载频的偏移；2、由于多径产生的多普勒扩展。在下一代移动通信系统(LTE、Wimax等)中，为提高通信信道的利用率，广泛采用正交频分复用(OFDM)技术，OFDM技术对频偏变化较为敏感。因此，补偿高速通信中的多普勒效应成为亟需解决的问题。
传统的补偿多普勒效应引起的频偏的方法是通过算法估计多普勒频移量，然后通过在信道估计中进行估计、跟踪和补偿。如中兴公司提出的，专利申请号200810104654. 3的中国专利“一种频偏补偿的方法和装置”通过基站对上行信号的多普勒频移进行估计，并将其作为下行信号多普勒频移补偿的参考。但目前的专利的频偏补偿算法均是在基站端完成，需要对现有通信系统进行升级或重新设计。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种能补偿多普勒效应的自适应阵列天线系统，在射频前端即对多普勒频移进行补偿，并可以抑制产生多普勒扩展的多径。本发明的原理是由于自适应阵列天线是一种能根据工作环境要求，能灵活调整天线波束及零陷位置的天线系统，通过控制阵列天线各通道的幅度和相位实现。基于高速射频开关的时间调制阵列能综合出自适应阵列天线进行波束控制的幅度和相位，实现天线波束的自适应控制。本发明的技术解决方案如下—种能补偿多普勒效应的自适应阵列天线系统，特点在于其构成包括多个天线阵列，用于接收移动台发来的无线信号并输入射频带通滤波器或者用于接收射频带通滤波器发出的信号并辐射给基站；高速射频开关，用于决定信号被接收或者发射后，载频相对于接收或者发射前的偏移量;控制电路，用于周期性控制高速射频开关的控制频率fp，实现天线阵列的波束指向和用于调节射频开关的控制周期来补偿多普勒频移。本发明还包括射频带通滤波器、双工器、低噪放大器、合路器、下变频器、中频滤波器、本振、中频放大器、功率分配器、射频放大器和上变频器；上述元件的连接关系如下当所述的双工器处于接收状态时，由多个天线阵元接收移动台发来的无线信号后分别依次输入对应的射频滤波器和高速射频开关、双工器和低噪放大器进入合路器，各阵元支路信号合成一路中频信号后经过下变频器下变频至中频段，再被中频滤波器滤波后进入信号处理模块；当所述的双工器处于发射状态时，天线处于发射状态，中频信号经中频放大器放大后，由上变频器上变频至射频段进入功率分配器，经功率分配器分配给各射频放大器放大后，各射频信号分别依次输入到对应的双工器、高速射频开关和射频滤波器后，各天线阵元分别接收对应的信号并辐射给基站。所述的控制电路包括信号收集器，用于获取移动物体的速度和位置信息并将信息传输给控制模块；控制模块，用于周期性地控制高速射频开关的状态；数字频率合成器，用于控制高速射频开关工作的参考时钟源；
存储器，用于存储闻速射频开关的控制时序、闻速射频开关的状态切换周期和射频带通滤波器的截止频率。与现有技术相比，本发明的优点是在射频前端对由于高速移动产生的多普勒效应进行补偿和抑制，使得传统的应用在低速系统的通信方式和系统在应用于高速环境时能直接应用，而无需改进其内部算法。具有更低的硬件复杂度。
图I为本发明能补偿多普勒效应的自适应阵列天线系统的结构示意图；图2为移动台与基站发射和接收的射频信号的载频关系示意图。其中(a)表示移动台和基站在收发时由于相对运动产生的多普勒效应，(b)表示在收发状态下经过射频开关后信号频谱的相对关系。图3为具有多普勒效应补偿功能的自适应阵列天线系统的工作流程图。图4a为实施例I中一个控制周期内各高速射频开关的各个开关打开的时序图。图4b为在这种打开时序控制下整个天线的波束方向图。图5为实施例I中基站端接收到的信号的功率谱。图6a为实施例2中一个控制周期内各闻速射频开关打开/关闭的时序图。图6b为在这种开关状态下天线阵列的方向图。图7为实施例2中基站端接收到的经过时间调制的16QAM信号的功率谱。图8为实施例2中基站接收到的16QAM符号与移动台发射的16QAM符号的比较关系图。
具体实施例方式下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。请先参阅图1，图I为本发明能补偿多普勒效应的自适应阵列天线系统的结构示意图，如图所示，一种能补偿多普勒效应的自适应阵列天线系统，其结构组成包括天线阵列
I、射频带通滤波器2、高速射频开关3、双工器4、低噪放大器5、合路器6、下变频器7、中频滤波器8、本振9、中频放大器10、功率分配器11、射频放大器12、上变频器17和控制电路，该控制电路由信号收集器13、控制模块14、数字频率合成器15和存储器16构成。当所述的双工器4处于接收状态时，由多个天线阵元I接收移动台发来的无线信号后分别依次输入对应的射频滤波器2和高速射频开关3、双工器4和低噪放大器5进入合路器6，各阵元支路信号合成一路中频信号后经过下变频器7下变频至中频段，再被中频滤波器8滤波后进入信号处理模块(图中未示)；当所述的双工器4处于发射状态时，中频信号经中频放大器10放大后，由上变频器17上变频至射频段进入功率分配器11，经功率分配器11分配给各射频放大器12放大后，各射频信号分别依次输入到对应的双工器4、高速射频开关3和射频滤波器2后，各天线阵元I分别接收对应的信号并辐射给基站。图3为具有多普勒效应补偿功能的自适应阵列天线系统的工作流程图，本发明的工作过程如图3所示，通过信号收集器13获取移动物体的位置/速度信息，并传输给控制模块14，控制模块14计算所需补偿的多普勒频移值，再用该频移值计算数字频率合成器15的频率控制值，改变高速射频开关的控制周期，实现多普勒频移的补偿。同时控制模块14 根据位置信息计算移动台与天线载体之间的角度信息，将角度信息作为查找表的寻址值，在存储器16中读取该角度对应的各高速射频开关的控制时序，使得移动台的运动过程中波束方向始终对准天线载体，以抑制从其他角度入射的多径，从而达到抑制多普勒扩展的目的。本发明能补偿多普勒效应的自适应阵列天线系统的信号处理流程是对于上行链路，本发明的系统处于发射工作状态，移动台将待传输的信息经基带调制并进行数模转换，将中频信号上变频至射频信号，并经过功率分配器馈送至每个天线单元对应的功率放大器。同时，根据信号收集器测量得到的位置/速度信息值调整高速射频开关的控制周期和开关时序，以使得射频信号被调制到f>fd上，即预先在发射机上附加一个多普勒频移量，并使得阵列天线的波束对准基站。这样，对于基站端，接收信号的载频仍是f。。对于下行链路，基站此时作为发射机，本发明的系统处于接收工作状态，基站发射信号的载频为f。，由于相对运动产生的多普勒频移，在移动台接收到的信号的载频为f；+fd。经过高速射频开关、低噪放大、合路并进行下变频，可将接收信号的载频变换到与发射信号的中频上。在通信过程中，发射信号的中频和接收信号的中频是一致的。由于在高速移动台预先对多普勒频移量进行补偿，基站端处理的方式与移动台静止或慢速移动时是一致的。移动台和基站端处理的信号的载频以及天线阵列的波束指向关系如图2所示。本发明提出的具有多普勒效应补偿功能的自适应阵列天线系统，其相应的算法如下I、多普勒频移补偿设高速射频开关的控制周期为Tp，控制频率fp = 1/Tp。由于信号的周期性，其频谱成分包括直流以及以fp为间隔的各次谐波。实现多普勒频移补偿通过改变fp实现(通过改变数字频率合成器的频率控制字)。对于上行链路，设系统工作的中频载频为fm，本振频率为。，射频信号的载频为f。。移动台运动速度为V，光速为C，根据移动台的位置信息获得的移动台与基站的连续与移动方向的夹角为Θ，并加上移动性与基站之间是处于相向运动关系。则由于移动台运动产生的多普勒频移量为Γπvsin^ 广fd=-fc
c射频信号在经过上变频后，其载频为t+fV。。再经过高速射频开关后，信号的频谱成分包括fm+f1()，以及以fp为重复周期的各次谐波。本实施例选择正第一边带的谐波分量fm+f1()+fp，用射频带通滤波器过滤掉其他的谐波分量。为实现多普勒频移的预先补偿，应满足如下关系fc-fd = fm+fi0+fp由上式可以计算出射频开关的控制频率
I， ι π O fp = fc -fd-fm-flo =-fm-flo
C类似的，对于下行链路(这里我们讨论收发方式为时分双工的方式，即TDD，该方式也是目前LTE中占主导的双工方式)。设接收的射频信号的载频为f。，下变频的本振频率为fioJ中频为乙，则可以导出射频开关的控制频率/ =X +Jd - Jm — Jio = (I + ~~)fc -fm — fd
C若要使用频分双工的方式(即FDD)，则可在收发通路上分别使用高速射频开关，通过控制射频开关的控制周期，实现收发过程中多普勒频移的补偿。2、波束指向控制本实施例选择高速射频开关产生的第一边带谐波进行波束指向控制。考虑具有N个阵元通道的均匀线性天线阵列，第一边带的辐射方向图表示为=
κ=0其中，An为第η个单元上的激励的复系数，β为自由空间中的波数，d为阵元间距，α ln为第一次谐波分量的系数，可表示为
.wJ-,
I2 sill ~ - lU^hn^ =丄 e^d{=——丁
rP 1PwP其中tln，t2n为第η个单元通道上的高速射频开关打开和闭合的时间，5 =ψ，Tn
P
为控制每个开关脉冲的宽度，若 ；=&，则α1η可以简化为
w Tπ
^ ■ P η “
Γ πI hnZSin^^ -r hn^hn SlH-,.碼=丄e^dt =-2_^—- 丁二巧了
Tp Τ,Ρπ由第一次谐波的方向图函数，假定不进行幅度控制，即Αη=1，为使波束指向Θ，则β ι sin θ - wp ^ln ; ‘ = 2kn, k^Z考虑d= β d = π，wp = 2 π fp，简化上式
权利要求
1.一种能补偿多普勒效应的自适应阵列天线系统，特征在于其构成包括 多个天线阵列(1)，用于接收移动台发来的无线信号并输入射频带通滤波器(2)或者用于接收射频带通滤波器(2)发出的信号并辐射给基站； 高速射频开关(3)，用于决定信号被接收或者发射后，载频相对于接收或者发射前的偏移量; 控制电路，用于周期性控制高速射频开关(3)的控制频率，实现天线阵列(I)的波束指向和用于调节射频开关的控制周期来补偿多普勒频移。
2.根据权利要求I所述的能补偿多普勒效应的自适应阵列天线系统，其特征在于，还包括射频带通滤波器(2)、双工器(4)、低噪放大器(5)、合路器(6)、下变频器(7)、中频滤波器(8)、本振(9)、中频放大器(10)、功率分配器(11)、射频放大器(12)和上变频器(17)； 上述元件的连接关系如下 当所述的双工器(4)处于接收状态时，由多个天线阵元(I)接收移动台发来的无线信号后分别依次输入对应的射频滤波器(2)和高速射频开关(3)、双工器(4)和低噪放大器(5)进入合路器(6)，各阵元支路信号合成一路中频信号后经过下变频器(7)下变频至中频段，再被中频滤波器(8)滤波后进入信号处理模块； 当所述的双工器(4)处于发射状态时，中频信号经中频放大器(10)放大后，由上变频器(17)上变频至射频段进入功率分配器(11)，经功率分配器(11)分配给各射频放大器(12)放大后，各射频信号分别依次输入到对应的双工器(4)、高速射频开关(3)和射频滤波器(2 )后，各天线阵元(I)分别接收对应的信号并辐射给基站。
3.根据权利要求I所述的能补偿多普勒效应的自适应阵列天线系统，其特征在于所述的控制电路包括 信号收集器(13)，用于获取移动物体的速度和位置信息并将信息传输给控制模块(14) 控制模块(14)，用于周期性地控制高速射频开关的状态； 数字频率合成器(15)，用于控制高速射频开关工作的参考时钟源； 存储器(16)，用于存储高速射频开关的控制时序、高速射频开关的状态切换周期和射频带通滤波器的截止频率。
全文摘要
一种能补偿多普勒效应的自适应阵列天线系统，包括多个天线阵列，用于接收移动台发来的无线信号并输入射频带通滤波器或者用于接收射频带通滤波器发出的信号并辐射给基站；高速射频开关，用于决定信号被接收或者发射后，载频相对于接收或者发射前的偏移量；控制电路，用于周期性控制高速射频开关的控制频率，实现天线阵列的波束指向和用于调节射频开关的控制周期来补偿多普勒频移。本发明实现对多普勒频移的补偿的同时，实现对天线阵列波束的控制，抑制多径信号，尤其适用于高铁、飞机等高速移动台的通信。
文档编号H04B7/08GK102868435SQ20121032721
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月6日 优先权日2012年9月6日
发明者贺冲, 陈维明, 李维蒙, 张锦辉, 张晓钧, 熊发田, 连文昭, 金荣洪, 耿军平, 梁仙灵 申请人:中国铁路通信信号股份有限公司