专利名称：一种到达角度型智能天线装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及智能天线装置，更具体地说，涉及一种无线蜂窝通信系统中，采用阵列天线的自适应控制天线波束进行所需信号的接收和发送的装置。
现在采用CDMA方法的系统主要有IS-95Q-CDMA)系统，WCDMA系统，Cdma2000系统，TD-SCDMA系统，TD-CDMA系统等。这些系统中采用了多码扩频技术或称双层扩频码分配技术，也就是说在这些CDMA系统中，从移动用户到基站的上行链路的扩频方式可以分为两步，第一步是用互相关性能很好的正交函数(Walsh函数，OVSF码)作为信道码扩频，本文中不妨把这一步称作加扩，对应接收端的恢复过程称作解扩；第二步使用每个用户唯一分配的自相关性能较好的伪随机码(PN序列，M序列，Gold序列)进一步扩频，本文中可以把第二步称作加扰，对应接收端的恢复过程称作解扰，上述的伪随机码称作扰码，用扰码来区分不同的移动用户。同样，这些系统中从基站到移动用户的下行链路的扩频方式也分同样的两步，唯一的区别是前向链路中的扰码用来区分基站或小区。不同的基站或小区的扰码不同。在数字无线通讯系统中，由于空间信道中存在各种噪声、多径以及衰落的干扰，所以接收机所接收到的信号的性质不十分理想。为了有效地接收信号，接收机系统中采用了多种技术来提高系统的接收性能，如CDMA系统中的RAKE合并技术等。
在CDMA系统中，许多用户使用同一频带进行通信。由于不可能设计出完全互不相关的扩频码集合，所以不同用户之间仍存在相互干扰。一般来说，在一个频带内的用户数越多，干扰水平就越高，链路的通信质量就越差。因此，CDMA系统是一个干扰受限的无线通信系统，其每一个规定宽度的频带所能容纳的信道数是有限度的，所以前述的各种技术手段只能将通信系统的容量提高到一定程度，要想超过这个限度则必须增加其他的资源。空间分集是增加系统容量与改善系统性能的最新发展技术，理论上分析表明只要正确地使用一组天线，形成新的自由度和空间，就能较大地增加系统容量。此外，采用空间分集还可以降低功耗、增加抗衰落和抗干扰能力，更有效地切换以及更好的安全性和系统鲁棒性。
现有CDMA系统中，通常采用了导频信道传送导频符号，其中有两种方式，一种是专用导频信道方式，这种方式连续发送导频符号。另一种是插入导频信道方式，这种方式把导频符号和其它信息符号在时间上复用，有的时间段内发送导频符号，有的时间段内没有导频被发送。
为了进一步利用不同信号的不同空间特性提高系统性能，人们研究了智能天线技术，也叫阵列天线技术。智能天线采用两个以上的单天线阵元组成天线阵，每个阵元接收到的信号经过射频处理后进行用适当的权值进行加权求和，就能达到定向接收的效果，一个权值矢量对应着一定的波束方向图。加权的实质是一种空间滤波，智能天线也可以认为是一种空分多址(SDMA)技术。在SDMA中通过天线阵列接收信号，并通过数字信号处理进行数字波束赋形(DBF)，使所需信号的信噪比最大。这是通过调整天线阵列所接收的信号的相位和幅度使所需信号通过相加求和得到加强，而其它干扰信号通过相加求和得到削弱实现的。
一般的智能天线系统结构如
图1所示，各个天线阵元的输出信号以及智能天线的输出通过智能天线方法的处理，获得各个天线阵列相对应的一组权值；这一组权值乘以天线输出之后，将各个结果相加就可以得到智能天线系统的输出。无线信号通过天线阵列10进入系统，其中天线阵列10由多个天线阵元101_10N构成。天线输出的信号分别通过各自的射频通道110_11N，在信号合成单元12进行加权求和，形成一维信号后输入以后的系统进行处理。而信号合成单元12中的权值系数，由智能天线方法模块13提供。
智能天线大体可分三种，一种是预多波束智能天线。这种方法是预先设定一些指向不同方向的波束权值，在通信过程中选择接收信号比较好的那些波束权值加权结果进行后续处理。这种方法的结构简单，不涉及矩阵运算，便于硬件实现。第二种是部分自适应智能天线，这种实现方案通常从接收的阵列信号中提取期望用户信号到达方向角信息，然后形成指向到达方向角的波束，到达方向角(DOA)变化则权值跟着变化。这种方法的准则是使接收到的期望用户信号能量最大，同时有限的压制其它方向的干扰。另一种是全自适应智能天线，这种天线的权值不需要预先设置，而是根据信号空间分布特性的变化而按一定准则不断更新权值，权值的幅度和相位都可以自由的更新，当更新方法收敛时这种方法能充分利用期望用户信号和干扰信号的空间特性使接收到的信号的信干噪比达到最大。
到达角度型智能天线在这三种结构中，具有以下优势这种算法的准则是使接收到的期望用户信号能量最大，同时有限的压制其它方向的干扰。相控阵就属于这样的技术，相控阵的所有幅度一样，不能改变，只有相位能自适应的改变。部分自适应智能天线的性能比预多波束智能天线要好。在完成接收波束形成同时，该方法也提供了相对精确的用户多径到达角度信息。这些信息可以在定位等高端复位中得到应用。由于自适应智能天线得到的权值系数与用户到达角度之间无明显对应关系，所以对定位等服务的应用无法提供达方向角判断型智能天线那么多有用的信息。
到达角度型智能天线的基本结构如图2所示。各个天线阵元的输出进入预处理单元20。在对各个输入分别进行解扩解扰处理(在201_20N中完成)之后，进入判向单元21，得到用户到达角度信息。解扩解扰器的结构如图3所示。输入信号在相关器30中与系统伪随机序列码进行复数乘法(相关运算)。其结果进入累加器31进行累加运算。累加器31由加法器311和存储器312构成，分别完成加法运算和中间结果存储的功能。当累加进行了一定长度的时间之后，作为输出进入其他单元完成系统功能。
可以看到，现有到达角度型智能天线，在实际工程实现过程中，由于需要对各个天线阵元的输出同时进行解扩解扰，需要的硬件成本相对较高。假设天线阵列中共有N个天线阵元，这在硬件实现时，需要N个解扩解扰器。在实际的智能天线系统中，一般需要对多条多径进行联合时-空处理。假设对M条多径进行处理，则整个系统中总共需要M×N个解扩解扰器。这种系统的规模是十分巨大的，硬件成本十分巨大。
本发明的核心思想是利用时分复用技术，复用预处理单元中的各解扩解扰器，降低系统的硬件规模。
本发明的技术方案是这样实现的。一种到达角度型型智能天线装置，包括天线阵列，射频通道，预处理单元和判向单元；所述天线阵列包括两个或两个以上的天线阵元，其输出端接到射频通道的输入端；所述射频通道接收来自天线阵列的信号并完成低噪声放大，自动增益控制，解调，通道校正，基带转换，A/D采样，匹配滤波；所述预处理单元接收来自射频通道的输出，对之进行解扰解扩处理，并将处理后的结果送入判向单元得到用户的到达角度信息；所述的预处理单元包括运算模块40、存储模块41和通道选择模块42；所述通道选择模块42接收来自射频通道的信号，有选择地将某一通道的信号送入运算模块40进行相关和累加运算；运算模块40将运算结果通过通道选择模块42送入存储模块41进行存储；存储模块41存储运算的结果，通过通道选择模块42为运算模块40提供运算所需的数据，并将最终结果输出到判向单元。
所述的运算模块40包括相关器401和累加器402，相关器401完成输入信号和系统伪随机序列码的相关运算并将结果送入累加器402进行累加，累加器402将累加结果通过通道选择模块42输出到存储模块41中进行存储和输出。
所述存储模块41包括若干与射频通道互相一一对应的存储器，用于存储对应通道的信号数据。
所述通道选择模块42包括第一选择器421、第二选择器422、第三选择器423和通道选择控制器424；所述第一选择器421负责选择适当的射频通道输出信号将之输出到运算模块40；所述第二选择器422负责从存储模块41中选择运算模块40所需的数据并将之输出到运算模块40的累加器402中；所述第三选择器423负责将运算模块40的累加器402的输出送入存储模块41中与通道相对应的存储器中进行存储和输出；通道选择控制器424负责对三个选择器的控制，保证在一定的周期内，控制运算模块40对每一个通道的信号都进行一次运算，并将运算的中间结果存储到与通道相对应的存储器中。
所述的预处理单元可以用FPGA和专用集成电路芯片实现。
本发明提出的到达角度型智能天线装置，与现有智能天线相比，如现有智能天线中需要MN个解扩解扰器，采用本发明提出的装置仅仅需要M个解扩解扰器，极大地降低了系统的硬件规模，也就大大降低了系统的实现成本。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的详细说明。
图1、图2和图3在前面已经进行过解释和说明。
图4是本发明提出的到达角度型智能天线装置的结构示意图。如图4所示，所述装置包括天线阵列，射频通道，预处理单元和判向单元。天线阵列包括两个或两个以上的天线阵元，其输出端接到射频通道的输入端。射频通道接收来自天线阵列的信号并完成低噪声放大，自动增益控制，解调，通道校正，基带转换，A/D采样，匹配滤波的功能。预处理单元接收来自射频通道的输出，对接收到的信号进行解扩解扰处理，并将处理后的结果送入判向单元得到用户的到达角度信息。预处理单元包括运算模块40、存储模块41和通道选择模块42。通道选择模块42接收来自射频通道的信号，有选择地将某一通道的信号送入运算模块40进行相关和累加运算。运算模块40将运算结果通过通道选择模块42送入存储模块41进行存储。存储模块41存储运算的结果，通过通道选择模块42为运算模块40提供运算所需的数据，并将最终结果输出到判向单元。
运算模块40包括相关器401和累加器402，相关器401完成输入信号和系统伪随机序列码的相关运算并将结果送入累加器402进行累加，累加器402将累加结果通过通道选择模块42输出到存储模块41中进行存储和输出。
存储模块41包括若干与射频通道互相一一对应的存储器，用于存储对应通道的信号数据。
通道选择模块42包括第一选择器421、第二选择器422、第三选择器423和通道选择控制器424。第一选择器421负责选择适当的射频通道输出信号将之输出到运算模块40。第二选择器422负责从存储模块41中选择运算模块40所需的数据并将之输出到运算模块40的累加器402中。第三选择器423负责将运算模块40的累加器402的输出送入存储模块41中与通道相对应的存储器中进行存储和输出。通道选择控制器424负责对三个选择器的控制，保证在一定的周期内，控制运算模块40对每一个通道的信号都进行一次运算，并将运算的中间结果存储到与通道相对应的存储器中。
与图2中的传统结构相比，图4中的预处理单元进行了时分复用的处理。考虑到硬件实现上的难易程度、处理速度要求以及资源消耗成本，可以将预处理单元集成在一块专用的集成电路芯片中或一片FPGA中实现。这块专用的集成电路芯片或FPGA完成多通路/多径/多用户预处理功能。多个天线阵元的输入信号输入到专用的集成电路芯片或FPGA中，经过预处理之后，通过中断的形式，输出到判向单元得到用户的到达角度信息。在系统初始运行时，或系统参数发生变化时，可以向专用的集成电路芯片或FPGA配置相关的参数。
权利要求
1.一种到达角度型型智能天线装置，包括天线阵列，射频通道，预处理单元和判向单元；所述天线阵列包括两个或两个以上的天线阵元，其输出端接到射频通道的输入端；所述射频通道接收来自天线阵列的信号并完成低噪声放大，自动增益控制，解调，通道校正，基带转换，A/D采样，匹配滤波；所述预处理单元接收来自射频通道的输出，对之进行解扰解扩处理，并将处理后的结果送入判向单元得到用户的到达角度信息，其特征在于所述的预处理单元包括运算模块(40)、存储模块(41)和通道选择模块(42)；所述通道选择模块(42)接收来自射频通道的信号，有选择地将某一通道的信号送入运算模块(40)进行相关和累加运算；运算模块(40)将运算结果通过通道选择模块(42)送入存储模块(41)进行存储；存储模块(41)存储运算的结果，通过通道选择模块(42)为运算模块(40)提供运算所需的数据，并将最终结果输出到判向单元。
2.如权利要求1所述的一种到达角度型型智能天线装置，其特征在于所述的运算模块(40)包括相关器(401)和累加器(402)，相关器(401)完成输入信号和系统伪随机序列码的相关运算并将结果送入累加器(402)进行累加，累加器(402)将累加结果通过通道选择模块(42)输出到存储模块(41)中进行存储和输出。
3.如权利要求1所述的一种到达角度型型智能天线装置，其特征在于所述存储模块(41)包括若干与射频通道互相一一对应的存储器，用于存储对应通道的信号数据。
4.如权利要求1所述的一种到达角度型型智能天线装置，其特征在于所述通道选择模块(42)包括选择器1(421)、选择器2(422)、选择器3(423)和通道选择控制器(424)；所述选择器1(421)负责选择适当的射频通道输出信号将之输出到运算模块(40)；所述选择器2(422)负责从存储模块(41)中选择运算模块(40)所需的数据并将之输出到运算模块(40)的累加器(402)中；所述选择器3(423)负责将运算模块(40)的累加器(402)的输出送入存储模块(41)中与通道相对应的存储器中进行存储和输出；通道选择控制器(424)负责对三个选择器的控制，保证在一定的周期内，控制运算模块(40)对每一个通道的信号都进行一次运算，并将运算的中间结果存储到与通道相对应的存储器中。
5.如权利要求1所述的一种到达角度型型智能天线装置，其特征在于所述的预处理单元是用FPGA和专用集成电路芯片实现的。
全文摘要
本发明公开了一种到达角度型型智能天线装置，包括天线阵列，射频通道，预处理单元和判向单元。预处理单元包括运算模块、存储模块和通道选择模块。通道选择模块接收来自射频通道的信号，有选择地将某一通道的信号送入运算模块进行相关和累加运算；运算模块将运算结果通过通道选择模块送入存储模块进行存储；存储模块存储运算的结果，通过通道选择模块为运算模块提供运算所需的数据，并将最终结果输出到判向单元。本发明提出的装置，与现有智能天线相比，极大地降低了系统的硬件规模和实现成本。
文档编号H04B7/02GK1430365SQ0113166
公开日2003年7月16日 申请日期2001年12月29日 优先权日2001年12月29日
发明者吴涛, 丁杰伟, 谢澜涛 申请人:深圳市中兴通讯股份有限公司上海第二研究所