专利名称：具有宽空位的天线射束图的制作方法
技术领域：
本发明涉及相控阵天线，特别是使用数字射束形成产生宽空位天线图的方法和装置。
常规多射束卫星或地面通信系统的容量经常受到其频率再用或代码再用能力的限制。在该系统中，由射束之间的角距决定一批同时射束范围内的频域信道化或代码分配的等级。为通过射束图旁瓣来减小同信道干扰，角距是必须的。在射束范围内相异频道和代码分配的数量被称为频率或代码再用系数。
例如，卫星通信系统可采用12信道或12代码再用方案以便在相同信道射束中实现角距。这样做是为了保证足够的信道抑制。该再用等级是通过12单元(cell)再用构造实现的。因此，12射束构造中的每个射束能够传送1/12的潜在容量。由于竞争用户产生的干扰可能相当高，在常规系统中很难达到更大的系统容量或实现比12小得多的再用系数。
卫星通信系统使用相控阵天线通过多个天线射束与多个用户通信。通常，有效的带宽调制技术与多址联接技术和频率分隔法相结合来增加用户数量。由于电子环境变得愈加稠密，需要将更尖端的技术用于无线通信系统。例如，由于所有用户争用有限频谱，在各种系统中减轻干扰是向各种系统分配频谱的关键。
射束转向和成空系统(beam steering and nulling system)主要是由军用通信和雷达操作发展起来的。然而，该系统仅能用于少量的射束和有限数量的窄空位(null)。这些限制的一个原因是潜在的信号处理的高计算成本。
需要一种增加通信系统中频率再用系数的方法和装置。还需要一种在通信系统中提供更有效的天线射束图处理的方法和装置。另外，这些需求对包括非同步卫星和同步卫星的卫星通信系统特别有意义。
在结合附图考虑的同时通过参考详细的说明书和权利要求书可得到对本发明更全面的理解，其中在整个附图中相同的参考标号表示相同部件。
图1示出其中可实施本发明的方法和装置的卫星通信系统的简化方框图；图2示出根据本发明的优选实施例包括增强的数字射束形成器的收发信机子系统的简化方框图；图3表示来自不同信号源的K个全向天线元件和J个入射平面波的线性阵列；图4表示根据本发明优选实施例的增强数字射束形成(EDBF)过程的流程图；图5示出使用EDBF技术产生的射束宽角图和一串空位(宽空位)；图6示出根据本发明优选实施例在天线射束图中靠近空位的区域的更详细的示意图；图7表示根据本发明优选实施例在接收机中使用EDBF技术的过程的流程图；和图8表示根据本发明优选实施例在发射机中使用EDBF技术的过程的流程图。
本发明提供一种提高通信系统中频率和代码再用系数的方法和装置。本发明的方法和装置还在通信系统中提供更有效的天线射束图处理。另外，本发明的方法和装置对卫星通信系统中使用的非同步卫星特别显著。本发明将增强的数字射束形成算法与基于数字信号处理器(DSP)的系统组合，以便明显改善当前和未来通信系统的容量，同时保持与现有调制技术兼容。在本发明中，通过用一串空位代替单个空位等技术来增强标准数字射束形成技术。
图1示出其中可实施本发明的方法和装置的卫星通信系统的简化方框图。图1表示在一个典型的频谱共用方案中带有数字射束形成器的三颗卫星110、120、和130。如图所示，在卫星110、120、和130与基于地面的通信设备115、125、和135之间有数条通信路径。如所希望的信号路径117所示，在卫星110和基于地面的通信设备115之间可建立一条链路。所希望的信号路径127存在于卫星120和基于地面的通信设备125之间。此外，另一个希望的信号路径137存在于卫星130和基于地面的通信设备135之间。
卫星110、120、和130可驻留在同步或非同步轨道上。在同步轨道中，卫星与地球表面上任何给定的点保持相对静止。在非同步轨道中，卫星可相对于地球表面上任何给定的点高速移动。在非同步轨道中，卫星还可相对于同步轨道中的卫星高速移动。这表明这些卫星可在不同时间相对于同步卫星和/或地球表面上的一点进入视野。基于地面的通信设备115、125、和135位于地球表面附近。
当两个或多个通信路径占用共用频谱段时，这些路径中两个或多个通信信道之间可能出现干扰。干扰路径是大多数通信系统中的问题。不希望的信号路径140存在于卫星110、120、和130与基于地面的通信设备115、125、和135之间。另外，不希望的信号路径150存在于卫星110、120、和130之间，不希望的信号路径160存在于基于地面的通信设备115、125、和135之间。
卫星110、120、和130最好采用增强的数字射束形成器(EDBF)。另外，基于地面的通信设备115、125、和135最好采用增强的数字射束形成器。可将卫星110、120、和130以及基于地面的通信设备115、12、和135看作是卫星通信系统100中的节点。下面讨论的本发明优选实施例的特性可在卫星通信系统100的任何节点或其它射频(RF)通信系统的任何节点实现。
基于地面的通信设备115、125、和135使用在如由希望的信号路径117、127、和137所示的希望的信号方向中建立的RF通信链路与通信卫星110、120、和130通信。基于地面的通信设备115、125、和135使用基于地面的链路(未示出)与象通信设备115、125、和135一样的其它基于地面的通信设备通信，卫星110、120、和130使用交叉链路(未示出)与象卫星110、120、和130一样的其它卫星通信。
在接收模式，增强的数字射束形成器的接收部分设定卫星的天线射束，以便最好将其主要通信射束指向一个特定的基于地面的通信设备，同时最好在任何干扰信号发射机的方向在天线的接收图中提供宽空位。因此，明显减小了在不希望的信号路径上接收的任何干扰。最好是，卫星的接收机天线图中的宽空位对准并跟踪在该卫星视野内发射的每个干扰信号。
为实现这一目的，定期调节增强数字射束形成器的控制矩阵，以便随着卫星和/或干扰信号发射机的移动而使空位保持在干扰信号发射机的方向。因此，动态地控制接收模式宽空位而不使用连续的更新策略。宽空位允许更新速度从连续更新速度减缓到定期更新速度。
在发射模式，增强的数字射束形成器的发射机部分设定卫星的天线射束，以便最好将其主要通信射束指向一个特定的基于地面的通信设备，同时最好在任何已知的干扰信号接收机的方向在发射的天线图中提供宽空位。因此，明显减小了在不希望的信号路径上可由干扰信号接收机接收的任何信号能量。最好是，天线的发射图中的宽空位对准并跟踪该卫星视野内的每个干扰信号接收机。
为实现这一目的，定期调节增强数字射束形成器的控制矩阵，以便随着卫星和/或干扰信号接收机的移动而使空位基本保持在干扰信号接收机的方向。另外，还动态地控制发射模式宽空位而不使用连续的更新策略。在发射模式中建立的宽空位允许更新速度从连续更新速度减缓到定期的更新速度。
在一个优选实施例中，在指向干扰信号发射机或接收机的任何天线图中放置宽空位。通常，仅当视线路径存在于两个节点之间时在RF通信系统中的两个节点之间建立通信信道。对于移动节点，建立视野。在卫星到地面通信信道的情况下，卫星在头上时通常出现视野中心。
因此，可根据其它节点来接通和断开一个节点的发射和接收天线图中的任何或所有宽空位。在RF通信设备(节点)的接收和发射天线图中定位一个宽空位允许两个或更多通信系统更有效地共用频谱。在本发明的优选实施例中，在相似的方向放置发射和接收宽空位。
当在基于地面的通信设备115、125、和135中采用时，增强的数字形成器最好调节其发射和接收天线射束特性，以使其主要天线射束指向希望的卫星，同时使宽空位对准干扰信号方向。可使用与基于地面的通信设备的位置有关的信息及其它信息确定到达方向。
当在卫星110、120、和130中采用时，增强的数字形成器最好调节其发射和接收天线射束特性，以使其主要天线射束指向希望的基于地面的通信设备，同时使宽空位对准其它基于地面的通信设备的干扰方向。可使用与卫星的位置有关的信息等信息确定到达方向。
图2示出包括根据本发明优选实施例的增强数字射束形成器的收发信机子系统的简化方框图。收发信机子系统200包括阵列天线220，多个接收机模块226，多个模拟数字(A/D)转换器228，多个数字模拟(D/A)转换器244，多个发射机模块246，数据处理器250，和增强的数字射束形成器210。增强的数字射束形成器210包括一个接收数字射束形成(RDBF)网络232，发射数字射束形成(TDBF)网络240，和控制器242。
增强的数字射束形成器210实现了形成具有希望特性的天线射束图所需的射束转向和控制功能。来自RDBF网络232的数字数据发送到数据处理器250。TDBF网络240从数据处理器获得数字数据。数字数据包括发射数据以及控制数据。
阵列天线220包括最好以线性二维阵列排列的元件222；然而，其它阵列构造也适用。在该元件一级检测和数字化接收的射频(RF)信号。
响应接收的信号，接收机模块226产生模拟基带信号。接收机模块226对功率电平进行下变频、滤波、和放大到与A/D转换器228相匹配的功率电平。使用同相(I)和正交(Q)A/D转换器将模拟基带信号转换成数字数据。I和Q分量分别表示复数模拟信号包络的实部和虚部。在元件222与接收机模块226之间最好存在一一对应的关系。
A/D转换器228对模拟基带信号取样并将其数字化以产生数字I和Q信号。每个A/D转换器最好专用于处理其相应阵列元件产生的信号。A/D转换后，由RDBF网络232处理数字I和Q信号。
通过利用带有阵列天线的EDBF可实现增加容量、减少干扰、和改善性能。通常，数字射束形成是指在通过数字信号处理控制的基带产生多个、同时的、单独控制的射束。在上面标出的相关发明No.5-8的待审美国专利申请中描述了数字射束形成的实施。
通过增强的数字射束形成能力，通信系统可采用将射束分配给信号源以优化服务总容量和服务质量的资源分配策略。设计射束具有根据业务密度改变的射束宽度和空位宽度。使用频率分配和EDBF技术使同信道干扰最小。
在优选实施例中，由许多可控制的接收/发射元件构成的阵列天线与增强的数字射束形成技术一起使用。通过跨越阵列应用线性相位加权可操纵来自阵列的射束图。通过对单个元件的输出进行幅度和相位加权可以整形该阵列图。
加权值以矩阵形式通过控制器242传送到RDBF网络232。RDBF网络232使用适当的算法自适应地确定每个辐射元件222的适当加权。与天线系统的整个数据通过量相比，这可以以相对慢的速度进行。控制器242以取决于系统动态性的速度进行下面讨论的过程和处理。
RDBF网络232向数据处理器250提供表示从每个辐射元件222接收的信号的数字I和Q信号。数字信号包括表示由每个元件接收的信号的幅度和相位信息的同相(I)和正交(Q)信息。数据处理器250转换该数字I和Q数据供其它子系统使用。
数据处理器250向TDBF网络240和控制器242提供数字数据。控制器242以矩阵形式向TDBF网络240提供发射射束加权。TDBF网络240使用适当的算法自适应地确定每个辐射元件222的适当加权。最好与阵列天线220的每个发射辐射元件222对应提供发射射束加权。控制器242使用如下面讨论的过程自适应地确定发射和接收处理二者的适当加权。
D/A转换器244把TDBF网络240的每个辐射元件的数字输出信号转换成每个辐射元件222的对应模拟信号。发射机模块246产生适合于由辐射元件222发射的信号。发射机模块246最好执行上变频、滤波、和放大操作。
由于其自适应地调节射束图和响应干扰数据产生宽空位等，图2所示的收发信机子系统200具有优于带有固定射束天线的常规系统的优点。另外，收发信机子系统200响应通信服务的要求提供天线射束图，并且提供不想要的RF信号的改善空位。这些特性是通过控制器242和数据处理器250中植入的适当软件实现的。
可采用一个或多个处理器实现数据处理器250。数据处理器250存储作为其指令的数据，并在数据处理器250执行时使收发信机子系统200执行下面讨论的过程。
数据处理器250提供管理和控制功能。数据处理器250最好还为收发信机子系统200之间的链路提供频率分配和时隙分配。
控制器242也可采用一个或多个并行处理器实现。控制器242还存储作为其指令的数据，并在控制器242执行时使增强的数字射束形成器210执行下面讨论的过程。也可采用数字信号处理器实现控制器242。控制器242也可使用包括对数转换器、反对数转换器、和并行处理器的特殊处理器实现。
在优选实施例中，在收发信机子系统200中使用许多增强的数字射束形成器210。收发信机子系统200加入到通信系统100中的至少一个低地轨道(LEO)卫星(图1)。然而，本发明可应用到包括具有低地球、中地球或高地球轨道卫星的系统，或包括在不同高度的卫星的系统。另外，它可应用到具有任何倾斜角度的轨道。本领域的技术人员可以理解，在收发信机子系统200和增强的数字射束形成器210中可采用许多不同结构。
在优选实施例中，在基于地面的通信设备中也使用一些增强的数字射束形成器210。随着越来越多的卫星投入服务，要求基于地面的通信设备在越来越密的干扰环境中工作。在某些情况下，这些卫星是同一个通信系统中的一部分，在其它情况下，卫星是不同通信系统的一部分。
由于窄空位，标准数字射束形成在射束中增加隔离使之超出旁瓣结构的隔离中是有效的。通常，每个形成的射束可对干扰射束的预定面对方向呈现单个空位。然而，若考虑到对指向误差、带宽、和轨道动态性的灵敏度，特别是在粘滞(sticky)射束的情况下，标准数字射束形成受到了限制。粘滞射束是卫星在头顶移动时有一端基本上保持固定在地球表面上的射束。当所分配的射束方向偏离实际射束方向时，很尖空位会与实际方向不一致。这是因为分配的射束方向不再是以射束为中心而出现的。结果是，标准数字射束形成提供了边际益处(marginal benefit)。
在优选实施例中，通过增强产生更宽空位的基础算法消除标准射束形成的窄空位的有限效用。在某些情况下，这些更宽的空位是射束宽度的若干分之一，在其它情况下它们更宽。所得到增强数字射束形成技术更能容许与射束指向、扫描、和带宽有关的误差。
已在标准DBF应用中使用的一种算法是一种最佳线性无偏估算量(BLUE)。该算法调节阵列的加权系数，以便在所希望的信号估算中达到最小变化。BLUE算法迫使深空位在每个射束的所有其它用户的方向，因而对指向误差比较灵敏。EDBF技术可与BLUE算法一起使用以增加其有效性。
下面为线性天线阵列列出增强的数字射束形成算法的公式。给出一组所希望的面向方向，得到一个复数值转换矩阵T，该转换矩阵的行是关于天线元件的加权。在本发明的优选实施例中，优化T矩阵以便沿所希望的方向产生射束，同时在它们当中互相呈现宽空间点上的光偏振都在其中某一个方向上。于是出现了偏振方向不确定的问题。由于对于给定的运动方向来说，两种偏振方向会使两个正交的偏振探测器给出相反的相位差，所以在需进行方向探测的系统中使用VCSEL将会出现问题。
根据图19D所示的布局，假定光源的偏振方向为620或垂直于620(来示出)。则在没有波片612的情况下，例如偏振器614将或者挡住或者透过本地振荡光。于是根据不同的光源偏振方向，探测器522的输出将或者是高的，或者是低的，这个探测器输出可能被用来控制信号相对相位与运动方向之间的转换(例如作为一个确定零点交叉计数值正负号的旗标)。
除了用于探测运动的探测器之外，只需使用一个这样的偏振探测器(根据偏振方向输出高或低)就够了。不过，如果使用两个探测器(522和520)，则不论是哪个偏振方向总有一个探测器输出是高的，而另一个探测器将测量表面反射光，可以用于Er2成份补偿在上述方案中，另加的探测器被有来解决VCSEL的偏振方向不确定问题。或者，也可以让VCSEL相对于它的“最佳”偏振方向稍微旋转一下。假定VCSEL偏振的“最佳”方向为α，从而优势偏振方向为α或α+π/2，则两个探测器的直径电压的比值Rp为
于是，对于α+π/4的最佳VCSEL取向(例如沿626方向)，则不论VCSEL的偏振方向如何，例如图19D中的两个正交偏振探测器所探测到的直流成份都将是相同的。
然而，如果α+π/4+β(弧形)，则当VCSEL的输出在一个偏振方向上时Rp≌1+2β，在另一个偏振方向上时Rp≌1-2β。于是当VCSEL以一个偏振方向发光时Rp＞1，以另一个偏振方向发光时Rp＜1。所以，如果把VCSEL相对于“最佳”取向旋转，用于平移测量的两个探测器直流电压之间的比较结果就可指明偏振的方向，而不再需要额外的专在K个天线元件上造成的相位阴影。
数字射束形成的目的是得到对接收信号矢量
操作以产生入射信号矢量s的优化估算值的转换矩阵T。换句话说，必须获得给定的r，满足适当优化标准的s的估算值。具体地说，一个适合的估算值s是将使下列量度最小的的值。E(s)=||Rnn-1/2(As-r~)||2.---(4)]]>设定(4)的梯度为零▿sE(s)=A*TRnn-1(As-r~)=0---(5)]]>产生所希望的估算值s^=(A*TRnn-1A)-1A*TRnn-1r~---(6)]]>其中，定义J×K转换矩阵为T=(A*TRnn-1A)-1A*TRnn-1---(7)]]>产生s^=Tr~,---(8)]]>入射信号矢量的优化估算值。(6)中的估算值有时被称为最佳线性无偏估算量(BLUE)。这种情况下，最佳指的是最理想的；线性指的是该估算值包含在(8)中所看到的线性算子，无偏突出了误差量度(4)由噪声协方差归一化的事实。
当假设与天线元件有关的噪声矢量分量是统计独立、零平均、和等方差(equal variance)，σ2n，噪声协方差矩阵变为Rnn=σn2I---(9)]]>通过(6)可将转换矩阵简化成T=(A*TA)-1A*T.---(10)]]>这样导出s^=Tr~]]>＝(A*TA)-1A*T(As+n)＝s+Tn (11)表示估算值中的误差是Tn。该估算误差的相关幅度明显与估算值的质量有关。在适当的统计假设下，例如假设T中的行与n不相关，可以表示该估算值由下式近似给出s^=s+nK---(12)]]>值得注意的是，在无噪声的情况下，估算值与实际的入射信号矢量s相同。鉴于(2)和(8)，这样导出s＝Tr，(13)其中r是接收的信号矢量
无噪声的情况。很显然，T的作用象一个滤波器，能够从接收的信号矢量r，入射信号矢量分量的复数组合提取入射信号矢量s。最好是，一行T和r的每个标量积提取对应的入射信号，同时完全滤除所有其它信号。这等于说T的J行沿对应的到达角度φ形成空间带通滤波器，或射束，同时在它们中互相保持空位。
在带有大天线阵列的通信卫星上的增强数字射束形成需要来自星载数字信号处理(DSP)子系统的充分计算支持。轨道的动态性和快速移动的需求或粉滞射束可能明显增加了计算负担。随着卫星在其轨道中行进，可能希望在地球表面上的一个特定点保持射束。希望向与希望的和不希望的信号有关的角度(方向)加入适合的行进相位增量(progressive phase increments)来实现。
在优选实施例中，通过用以原始角度为中心的密集角度簇(cluster)替换原始到达角度φ来实现互宽空位。这样迫使多个紧密隔开的空位，并且这样围绕原始角度有效地达到了更宽的角度抑制。这些簇(cluster)最好包括三个到达角度，第二个到达角度与原始角度中的一个相同。通常，连续簇的角度之间的角距是一个阵列的射束宽度的一小部分，虽然不需要该间隔一致。使用所有簇的角度集合作为到达角度的合法集合，形成具有宽互空位的射束。
对基本成簇方案的一种小改进可实现宽空位。在优选实施例中，第一个原始到达角度φ1与所有其它原始到达角度有关的簇组合到一个到达角度Ψ的表中。然后，将标准DBF技术应用到该放大的到达角度表，由于在此不存在一个串，在原始方向(φ1)产生了一个良好的射束。称之为增强的数字射束形成(EDBF)。对每个原始到达角度重复该过程对称地产生具有宽互空位的所需射束。
图4说明了根据本发明优选实施例的EDBF过程的流程图。过程400在步骤402开始。
在步骤404，确定到达角度。到达角度描述为
在步骤406，为每个到达角度生成一簇空位。该簇空位被描述为
在步骤408，将增强的转换矩阵设定到空表，如下面所示Te＝{}.
在步骤410，将计数变量(N)初始化成1。在步骤412，使用第N个到达角度和来自所有其它信号的角度串生成一个展开表。换句话说，第一个原始到达角度与除第一角度串外的全部角度串组合表示如下
其中L＝(J-1)(2I-1)-1。
在步骤414，使用下式计算转向矩阵(steering matrix)A={{τjejπkcosχj}k=1K}j=1J,]]>在步骤416，从下式计算标准转换矩阵的第一行Ts＝(A*TA)-1A*T.
在步骤418，将第一行添加到增强的转换矩阵Te。在步骤420，将计数变量N加1。
在步骤422，进行询问以确定是否要计算附加的希望信号。当已计算了所有希望的信号时，过程400分路到步骤430并结束。换句话说，如果φ＝{}，返回Te并结束该过程。当仍未计算所有希望的信号时，过程400则分路到步骤424。
在步骤424，转动该簇。这表明去掉φ的第一元素并向左转动x。在步骤424之后，过程400返回步骤412并如图4所示重复。
如上所示，增强的转换矩阵Te以一个空表开始，并在φ中为每个原始到达角度循环地一次建立一行。对于步骤412-424的每个循环，把标准DBF矩阵Ts的第一行添加到Te，去掉φ的领示元素(leading element)，向左转动角串表φ。因此，当已使用φ中的所有元素时，过程400返回一个增强的转换矩阵，该算法过程结束。
图5示出使用EDBF技术产生射束510的宽角视图和一簇空位(宽空位)520。使用EDBF和标准DBF对16元素的线性阵列和两个到达角度进行计算。在该实例中，所希望的射束(信号)在45度，不希望的信号在135度。
图6示出根据本发明的优选实施例在天线射束图中空位附近的区域的更详细示意图。图6中，示出四个刻度的区段(来自图5)以进一步说明使用本发明的EDBF技术获得的宽空位610的有效性。示出窄空位620用于比较。窄空位620是使用标准DBF技术的结果。如图所示，窄空位620仅在一个单一的角度有效。窄空位620跨越一度的一小部分；就是说，它在一个唯一的点达到了-60分贝的等级。从EDBF技术得到的宽空位610为数十度宽；就是说，它在一个较宽的范围达到-60分贝等级。可更有效地使用宽空位610以使不希望的信号产生的干扰最小。
已进行了附加计算，其中用0.5度来扫描相同的16元素阵列实例的两个预形成的射束。该模拟结果表明宽空位跟踪0.5度相同量的射束。这些结果还表明增强的数字射束形成相比常规可扫描射束的范围能提供性能裕量。
已为单一的工作频率(预假设为通信系统工作带宽的中心频率)推导出数字射束形成公式。对于窄带宽系统，带宽B是载频fc的一小部分，所以能在整个频带内安全地应用在fc的DBF公式，而只在频带边缘产生非常小的性能降低。然而，随着分数带宽B/fc的增加，空位移动增加，性能降低进一步明显。这是一个不幸的现象，因为这对于具有大分数带宽的系统，降低了标准DBF的性能。
EDBF减小因带宽造成的性能降低。通过提供宽互空位以减轻干扰，EDBF增加了卫星通信系统的有效性。对于更大的带宽，信道化技术可与EDBF技术一起使用。这种情况下，将工作频带分成足够小的子频带以支持可接受的EDBF性能。
由增强的数字射束形成算法形成的射束图同样适用于接收和发射操作，并可根据要求使它们数字地转向。如果转向范围限制在射束宽度的一部分，宽空位将因此而全部转向，从而继续抑制不希望的同信道干扰。这表明增强的数字射束形成器的T矩阵不必象标准DBF的T矩阵那样经常更新。
增强的数字射束形成算法还可用于产生窄和宽互空位的组合，或者更一般地说所希望宽度的互空位的组合。这种灵活性允许具有不同射束宽度和不同空位宽度的射束共存。
图7说明了根据本发明的优选实施例在接收机中使用EDBF技术的过程的流程图。过程700以步骤702开始。
在步骤704，识别所希望信号的数量，并确定每个所希望信号的到达方向。在某些情况下，考虑单个所希望信号。在其它情况下，考虑许多所希望信号。
在步骤706，识别不希望信号的数量，确定这些不希望信号中每一个的到达方向。在某些情况下，考虑单个不希望的信号。在其它情况下，考虑许多不希望的信号。
在此公开的增强数字射束形成算法需要到达方向信息来有效运转。在优选实施例中，使用GPS辅助定位系统来得到到达方向。在替换实施例中，可用一个方向查找子系统来提供到达角度信息，该方向查找子系统使用部分或所有现有阵列来查明定位入射信号源方向。在优选实施例中，可二维地确定到达角度。在替换实施例中，可三维地确定到达角度。
在步骤708，为接收模式确定成空策略。成空策略包含特性化宽空位。宽空位包括空位簇。建立覆盖范围。覆盖范围确定宽空位的宽度。对每个不希望的信号来说，覆盖范围可能不同。
另外，还确定用于建立宽空位的窄空位的数量。在优选实施例中，一簇内窄空位的最少数量是三。在某些情况下，每个不希望的信号具有一个与其有关的宽空位。在其它情况下，某些不希望的信号没有与其有关的宽空位。
在某些实施例中，在发展成空策略时涉及到量化问题。射束数量和其相关位置也可能是成空策略中的因素。
成空策略还可能受到不知道的干扰信号源数量的影响。如果漏掉或不了解一个方向或干扰源，增强的数字射束形成器不为该方向建立不希望的信号。这种情况下，EDBF在其其它射束图中在该方向不呈现空位。这种情况可能在一个争用系统提供一个或多个射束形成器不知道并被忽略的入射信号时发生。在优选实施例中，EDBF在这些外部信号源中形成空位，当其方向变为已知时。在替换实施例中，可展宽空位以覆盖猜想的干扰信号。
在步骤710，使用图4中给出的过程确定增强的转换矩阵。在步骤712，确定天线阵列的加权系数。从增强的转换矩阵确定加权系数。
在步骤714，由接收机接收所希望的和不希望的信号并处理。使所希望信号的电平最大，并使用宽空位使至少一个不希望信号的电平最小。
图8说明了根据本发明优选实施例在发射机中使用EDBF技术的过程的流程图。过程800以步骤802开始。
在步骤804，为一些所希望信号确定信号电平和方向。在某些情况下，使用单个射束，在其它情况下，需要许多射束以支持许多所希望的信号。
在步骤806，为许多不希望的信号确定信号电平和方向。为这些不希望的信号中的每一个确定发射方向。在发射机的情况下，不希望的信号表示受该信号不利影响的已知接收机。还确定在这些已知接收机建立可接受的干扰电平的信号电平。在某些情况下，考虑单个不希望的信号。在其它情况下，考虑许多不希望的信号。
在此公开的增强数字射束形成算法还需要发射方向信息来有效地运行。在优选实施例中，使用GPS辅助定位系统来得到发射方向。在替换实施例中，可由基于地面的子系统提供发射角度的信息。
在优选实施例中，可二维地确定发射角度。在替换实施例中，可三维地确定发射角度。
在步骤808，建立成空策略。成空策略涉及特性化宽空位。宽空位包括空位簇。为每个不希望的信号建立覆盖范围。该覆盖范围确定每个宽空位的宽度。对每个不希望的信号来说，覆盖范围可能不同。覆盖范围也可根据发射机的相对位置而改变。例如在基于空间的发射机上的宽空位的覆盖范围随其相对位置的变化而改变。
另外，还确定用于建立每个宽空位的窄空位的数量。在优选实施例中，一个簇内的窄空位数量最少是三。在某些情况下，每个不希望的信号具有一个与其有关的宽空位。在其它情况下，某些不希望的信号没有与其有关的宽空位。
在某些实施例中，为发射机发展成空策略时涉及到量化问题。射束数量和其相关位置也可能是成空策略中的因素。
成空策略还可能受到尝试向在位置不明确的接收机给出空位的影响。如果不了解接收机的方向，增强的数字射束形成器不在该方向形成宽空位。这可能在多于一个的系统试图共用频谱时出现。在优选实施例中，由于不知道接收机的准确位置，EDBF不在这些未识别的接收机方向形成空位。在替换实施例中，可展宽空位以覆盖猜想的干扰信号。
在步骤810，使用图4给出的EDBF过程以发射角度替代到达角度来确定增强的转换矩阵。在步骤812，为天线阵列确定加权系数。从增强的转换矩阵确定加权系数。
在步骤814，在所需的方向发射主射束并且宽空位朝向不希望的信号接收机。使在所需信号方向发射的信号电平最大，并使用宽空位使在至少一个不希望的信号方向发射的信号电平最小。过程800在步骤806结束。
除了其它原因外，由于在射束中需要更大的间隔以确保足够的隔离，在当前的系统中发现更低的频谱效率。由于宽互空位，本发明中使用的增强数字射束形成技术在增加射束中的隔离方面是有效的。在发明的优选实施例中，由于由宽互空位提供的增加的隔离强度，同信道射束的位置被定位得更靠近。
增强的数字射束形成实质上是开环概念。所要求的到射束形成器的输入是将要形成射束的希望面向的方向的集合。因此，如果这些方向不准确，射束的指向将因此偏离实际的信号源。更重要的是，互空位将从其理想位置偏移，使整个性能降低。由于更宽的空位，采用增强的数字射束形成技术建立的天线图更能容许不准确性。
这些天线图在存在指向误差和其它不准确性的情况下具有抑制干扰信号的能力。干扰抑制量以空位的覆盖范围的程度和覆盖范围内提供的窄空位数量为基础。改变覆盖范围和空位的数量以便在射束图中建立宽空位，并把这些宽空位定位在干扰信号的方向。
根据需要进行增强的数字射束形成计算。更新速度取决于包括与所希望的和不希望的发射机和接收机相关的卫星位置中变化的许多因素。例如，如果仰角的改变速度是0.0569°/秒，假设一帧长度为90毫秒，则对应于0.005°/帧。当每0.5°需要校正射束形成器时，每隔100帧需要更新AOA信息。这可使用数字信号处理器进行。然而，这些计算仅用于形成转换矩阵T。为形成射束，必须对数据进行转换。该运算比计算线性转换简单，但由于其必须更频繁地进行因而支配着对处理速度的要求。在优选实施例中，使用专用的并行处理器实现该处理速度。不管用于为EDBF提取线性转换的方法和标准是什么，这都是这样。
在优选实施例中，处理器采用对数数字系统(LNS)运算。由于用加法器代替乘法器可实现乘法运算，基于LNS的运算可提供益处。数字加法器电路比同等的乘法器电路小得多。因此，通过引入基于LNS的计算单元可减小射束形成处理器阵列的尺寸。
基于LNS的处理器可包括对数转换器、加法电路、加权电路、和反对数(log-1)转换器。可采用上面标出的相关发明No.1-4的待审美国专利申请中描述的任何一种转换来实施对数转换器和反对数转换器。
增强的数字射束形成器算法可与天线孔径锥度一起使用或不一起使用，射束分辨率可依据锥度改变。通常，展开式天线阵列具有孔径锥度以控制和保持足够的低旁瓣结构，但这以等量的射束展宽为代价。作为抵抗预料之外的旁瓣干扰的措施，在常规的阵列设计中采用孔径锥度。
在优选实施例中，孔径锥度与增强的数字射束形成一起使用。模拟已经表明，除略微展宽的射束和更低的旁瓣结构外，孔径锥度对增强的数字射束形成几乎没有不利影响。在替换实施例中，各种孔径锥度技术有利于与增强数字射束形成器组合。
本发明的方法和装置通过采用具有宽空位的天线图可大大增加卫星通信系统的能力。对于各种任务，可优化所采用的宽空位以使干扰信号的影响最小，使用本发明的方法和装置的系统可产生附加的成本利益。
上面已参考优选实施例描述了本发明。然而，本领域技术人员将会认识到，在不脱离本发明范围的情况下可在优选实施例中做出变化和改进。例如，虽然已根据使用射束形成器的具体方框图描述了本发明的优选实施例，可以想象使用不同方框图的其它系统。因此，对于本领域技术人员很明显的这些和其它变化和改进包括在本发明的范围内。
权利要求
1.一种减轻来自K个不希望信号的干扰的方法，其中K是整数，所述方法包括步骤识别第一数量的希望信号；识别第二数量的不希望信号，所述第二数量的不希望信号包括所述的K个不希望信号；和通过提供对准所述K个不希望信号的宽空位来减轻来自所述K个不希望信号的所述干扰，所述宽空位是空位簇。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述减轻步骤进一步包括步骤确定所述第一数量的希望信号的方向；和确定所述K个不希望信号的空位方向。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述减轻步骤进一步包括步骤使用到达角度在二维中确定所述射束方向和所述空位方向。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述减轻步骤进一步包括步骤使用到达角度在三维中确定所述射束方向和所述空位方向。
5.根据权利要求2所述的方法，其中所述减轻步骤进一步包括步骤确定有关所述空位方向的覆盖范围；和在覆盖范围内提供第三数量的空位。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述减轻步骤进一步包括步骤使用增强的数字射束形成(EDBF)算法和增强的转换矩阵提供所述第三数量的空位。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述EDBF算法进一步包括步骤a)生成具有零元素的增强转换矩阵；b)确定为所述第一数量的所希望信号内的N个所希望信号识别到达角度的N个射束方向；c)识别第J个射束方向，所述第J个射束方向识别N个所希望信号内的第J个所希望信号的到达角度；d)确定为所述第二数量的不希望信号内的所述K个不希望信号识别到达角度的K个空位方向；e)构成K个角度簇，为一个空位方向构成一个簇；f)通过将所述第J个射束方向的所述到达角度与所述第K个角度串组合构成展开表(flattened list)；g)使用所述展开表计算转向矩阵；h)使用所述转向矩阵计算标准转换矩阵；i)将所述标准转换矩阵的第一行添加到所述增强转换矩阵；j)除去所述第J个射束方向；k)向左转动所述展开表；l)递增J；m)当J不大于N时返回步骤c)，并重复步骤c)至m)；和n)当J大于N时结束。
8.一种操作接收机以减轻来自多个不希望信号的干扰的方法，所述方法包括步骤在所述接收机接收信号，所述信号包括第一数量的希望信号和第二数量的不希望信号，所述第二数量的不希望信号包括所述数量的不希望信号；为所述第一数量的所希望的信号确定射束方向；和为所述数量的不希望信号确定空位方向，其中一个所希望的信号定义一个射束方向，一个不希望的信号定义一个空位方向，其中使用到达角度在二维中确定所述射束方向和所述空位方向；由所述接收机通过对准所述数量的不希望信号提供空位簇来减轻来自所述数量的不希望信号的所述干扰。
9.一种操作发射机以使用适合与阵列天线一起使用的增强的数字射束形成器减轻干扰的方法，所述阵列天线具有多个辐射元件，用于提供多个可转向的天线射束图，所述增强的数字射束形成器提供至少一个用于控制所述多个可转向天线射束图的控制矩阵，所述方法包括步骤发射至少一个可转向的射束图，所述至少一个可转向的射束图在一个所希望的信号方向包括至少一个在第一电平的射束和多个不希望的信号，其中所述多个不希望的信号确定干扰电平；使用所述增强的数字射束形成器和所述至少一个控制矩阵减少所述干扰电平；调节所述至少一个控制矩阵以增加所述第一电平；重新调节所述至少一个控制矩阵以提供至少一个空位簇，其中所述至少一个空位簇减少所述干扰电平；和重复所述调节步骤和所述重新调节步骤若干次以便增加所述第一电平和减少所述干扰电平。
10.一种收发信机子系统，包括一个适合与阵列天线一起使用的增强的数字射束形成器，所述阵列天线具有多个辐射元件，用于提供多个可转向的天线射束图，所述收发信机子系统包括一个阵列天线；多个耦合到所述阵列天线的接收机模块；多个耦合到所述多个接收机模块的模拟数字(A/D)转换器；多个耦合到所述阵列天线的发射机模块；多个耦合到所述多个发射机模块的数字模拟(D/A)转换器；一个耦合到所述多个A/D转换器并耦合到所述多个D/A转换器的增强的数字射束形成器，其中所述增强的数字形成器用于在所述多个可转向天线射束图的至少一个中产生宽空位；和一个耦合到所述增强的数字射束形成器的数据处理器。
全文摘要
提供一种在收发信机子系统(图2,200)中使用的增强的数字射束形成器(EDBF)(图2,210),以减轻通信系统中的干扰和提高频率再用系数。EDBF用来在至少一个可转向的天线射束图中产生宽空位(图5,520)。通过将宽空位对准不希望的信号,EDBF在通信系统中提供更有效的天线射束图处理。该EDBF在同步卫星,非同步卫星,和地面通信设备中使用。该EDBF将唯一算法、专用处理器、和阵列天线组合以便明显改善当前和未来通信系统的容量,同时保持与现有调制技术兼容。
文档编号G01S7/28GK1256803SQ98802271
公开日2000年6月14日 申请日期1998年11月3日 优先权日1997年11月3日
发明者萨姆·莫德查·丹尼尔, S·治洪·马, 基思·瓦克拉·瓦伯尔, 潘少为, 世平·T·王 申请人:摩托罗拉公司