波束成形系统和方法

专利名称：波束成形系统和方法
技术领域：
本发明涉及波束成形技术，具体地，涉及在卫星通信系统中使用 的波束成形技术。
背景技术：
不同的通信系统(如移动电话、有线电视、互联网和军用通信等) 使用围绕地球飞行的卫星传送信号。从一个或更多地面站向卫星传输 卫星上行链路通信信号，然后卫星将该信号转发到另一颗卫星或转发 到地面作为下行通信信号，以根据具体使用而覆盖期望的接收区域。 典型地，在不同的频率上传输上行链路信号和下行链路信号。
卫星通信系统可并入使用波束成形技术的多波束阵列天线。这种 阵列天线在形成覆盖广大视野的多个同时发生的波束时非常有用。接 收波束成形是以加强想要的信号并且衰减或减小不想要的信号的方式将从若干不同的天线单元接收到的信号进行合并的过程。如图la所 示，从天线单元1…n (示出了4个)到接收波束成形器的输入信号每 一个都包含一串值，通过应用一系列加权系数wl…wn将这些输入信 号进行合并，导致每一个波束成形器的输出，该波束成形器的输出产 生代表输入信号的潜在不同矢量组合的信号。通过调整应用到输入信 号的加权系数集wl…wn，波束成形器可以针对由天线阵列制造的任 何或所有波束而动态地改变方向和内容。由于输出波束的定向特性， 来自接收天线单元集的大量空间相异波束可重复使用相同的频谱。因 而，波束成形技术使得由给定的卫星在给定的业务区域上支持的用户 数目可以极大地增加。
类似地，如图lb所示，发射波束成形涉及将加权系数wl…wn 应用到针对天线阵列的每一个单元1…n的发射信号，以控制天线阵列 所发射的任何或所有波束的方向和内容。加权系数可基于多种已知用于波束成形的技术中的任何一种，并 可被应用于使用任何适合的模拟或数字设备的输入信号。模拟RF波
束成形系统对在与天线相关联的发射机和/或接收机链的RF或中频 (IF)级处的信号的相位和/或幅度进行调节，而数字波束成形系统数 字地调节信号的相位和/或幅度。在数字波束成形接收机中，在模数转 换之后对信号进行处理。在数字波束成形发射机中，在数模转换之前 对信号进行处理。由于数字信号和处理可被重复的便利性，以及波束 成形信号加权操作的数字实现的可预测和稳定的特性，数字波束成形 特别有优势。
在卫星通信系统中，存在减小总的系统复杂度并增加效率的持续 努力。典型地，在这样的系统中使用的天线阵列包括数百个单独的阵 列单元，并且因为常规的波束成形技术涉及对路由到阵列的每一个单 元的信号或从阵列的每一个单元接收的信号应用不同的加权函数，所 涉及的处理需求的复杂度随阵列的大小成比例增加。
在很多阵列系统中，由于天线系统的特性，所形成的多数波束没 有使用天线阵列的所有单元。对于阵馈反射面(AFR)天线，反馈阵 列(feed array)并未指向目标波束的位置，而是在反射来自大天线的 信号后形成波束。大反射面的效果是放大反馈阵列的外观大小以改进 波束成形处理的空间分辨率。在一些配置中，这将意味着阵列中每一 个单独的单元贡献了天线系统总的覆盖区域的一部分。在这样的系统 中，虽然典型地在波束成形处理中向未使用的天线单元分配零加权函 数，然而系统架构被设置为接收和处理来自阵列的每一个单独的单元 波束的输入。因此，尽管出现了很多阵列单元的冗余，这种系统仍然 不必要地复杂。
已知将阵列分割成预定的子阵列以使用模拟方法合并多个物理 天线单元，以使得可以减少去往数字处理器的输入的数目。这具有以 下优势针对相同数目的数字处理器输入增加了天线单元的数目，或 针对相同数目的单元减少了数字处理器输入的数目。
典型地，通常通过逆向操作相同的功能块(即，使所有的信号流 双向并取决于模式选择一个方向或另一个方向)，分别执行接收波束成形和发射波束成形。已经认识到，提供自身是单向的、但是可以最小 的自适应改变而执行接收波束成形或发射波束成形的波束成形块是有 优势的。

发明内容
本发明的一个目的在于降低与卫星通信系统中使用的波束成形 技术相关联的复杂度和处理要求。
本发明的另一个目的是改进有源天线系统中波束成形架构的效 率，在该有源天线系统中，不是所有的天线单元都为每一个波束做出贡献。
本发明的再一个目的是提供可用于发射波束成形和接收波束成
形的单个DSP设计。
第一方面，本发明在于一种波束成形系统，包括上行链路信号 信道化设备；波束成形设备，适用于对发射上行链路信道信号和接收 上行链路信道信号进行处理；以及用于对上行链路信道信号进行重组 的设备。由于可以针对接收波束成形和发射波束成形使用同一个波束 成形系统，其中存在相同的输入和输出接口并存在相同的数据流，因 此能够实现用于接收波束成形和发射波束成形的单个DSP设计。输入 和输出的数目取决于波束成形的类型(接收或发射)，然而DSP的结 构是相同的。因而，通过只改变输入和输出的数目(或通过从较大的 集合中激活所需数目的输入和输出)，单片DSP设备可用于任一类型 的波束成形。
第二方面，本发明在于一种波束成形系统，包括输入设备，用
于接收多个信号的采样，每一个采样包含一段频率；开关设备，用于 将与同样波束成形的频段相关联的所有采样信号路由到预定处理块；
用于根据预定标准顺序地选择预定数目的被路由的采样信号的设备； 加权设备，用于将预定的固定数目的加权系数应用到被选信号；用于 累加所加权的信号以形成组合信号的设备；以及用于从组合信号中选 择信号并路由到适当输出的设备。该系统可用于接收波束成形，其中接收到的采样包括来自多个天 线单元中的每一个所接收的多个波束的组合信号，并且根据被路由的 信号为之做出贡献的波束来选择被路由的信号。备选地，该波束成形 系统可用于发射波束成形，其中接收到的采样包括来自将被多个天线 单元中的每一个发射的多个波束的信号，并且根据将对被路由的信号 进行发射的天线单元来选择被路由的信号。
本发明的波束成形技术的优势在于，传统上针对天线阵列中每一 个单独的单元所必需的分离的不同加权函数被适于只选择对每一个波 束或对每一个单元所发射的信号做出贡献的信号的开关函数
(switching function)所替代。由于在相同的处理块中针对所有单元 执行针对单个频率的处理，应用于所选信号的加权函数的固定数目要 小得多。这充分地减小了波束成形处理的复杂度并简化了频率再利用。 还使得对更高效算法的使用变得容易。此外，开关功能的并入促进了 对用于后续波束成形处理的阵列的天线单元的任何子集进行选择的完 全灵活性。
本发明还在于一种波束成形方法，包括以下步骤(a)接收多个 信号的采样，每一个采样包含一段频率；(b)将与同样波束成形的频 段相关联的所有采样信号路由到预定处理块；(c)根据预定标准顺序 地选择预定数目的被路由采样信号;(d)将预定的固定数目的加权系 数应用到被选信号；(e)累加被加权的信号以形成组合信号；以预定 次数重复步骤(c)到(e);以及(f)从组合信号中选择信号并路由 到适当输出。该方法可用于接收波束成形，其中，步骤(a)包括接收 来自多个天线单元中每一个所接收的多个波束的组合信号的采样，并 且步骤(c)包括根据信号对其做出贡献的波束来选择信号。备选地， 该方法可用于发射波束成形，其中，步骤(a)包括接收来自多个天线 单元中每一个所要发射的多个波束的信号的采样，并且步骤(c)包括 根据将对信号进行发射的天线单元来选择信号。
本发明还在于一种接收波束成形系统，包括输入设备，用于接 收来自多个天线单元中每一个所接收的多个波束的组合信号的采样， 每一个采样包含一段频率；开关设备，用于将与相同波束成形的频段相关联的所有采样信号路由到预定处理块；用于根据预定数目的被路 由采样信号对其做出贡献的波束来顺序地选择预定数目的被路由采样 信号的设备；加权设备，用于将预定的固定数目的加权系数应用到被 选信号；用于对所加权的信号进行累加以形成组合信号的设备；以及 用于从组合信号中选择信号并路由到适当输出的设备。
再一方面，本发明在于一种发射波束成形系统，包括输入设备， 用于接收来自多个天线单元中每一个所要发射的多个波束的信号的采 样，每一个采样包含一段频率；开关设备，用于将与相同波束成形的 频段相关联的所有采样信号路由到预定处理块；用于根据将对预定数 目的被路由采样信号进行发射的天线单元来顺序地选择预定数目的被 路由采样信号的设备；加权设备，用于将预定的固定数目的加权系数 应用到被选信号；用于对所加权的信号进行累加以形成组合信号的设 备；以及用于从组合信号中选择信号并路由到适当输出的设备。


本发明的实施例将以示例的方式参照附图进行描述，在附图中 图la和lb是已知的接收和发射波束成形系统的简化示意图； 图2是根据本发明在卫星中使用的接收系统的方框图表示； 图3是图2中示出的数字接收波束成形系统的优选实施例的方框 图表示；
图4是在卫星中使用的、包括图3所示类型的波束成形系统的发 射系统的方框图表示；
图5是可在接收和发射系统中使用的、图3所示类型的波束成形 系统的方框图表示；
图6是本发明备选实施例的方框图表示，其示出了接收波束成形 系统，其中，去往波束成形系统的每一个输入来自两个天线单元；
图7是包含多个接收波束成形系统的本发明的另一个实施例的方 框图表示，每一个接收波束成形系统都是图3所示的类型但是完整的 核心处理器功能集并未被并入相同的输入和输出帧交换机(frame switch)内；以及图8是包含多个接收波束成形系统的本发明的再一个实施例的方 框图表示，每一个波束成形系统用于处理与多个天线单元的子集相关 联的信号。
具体实施例方式
下面本发明关注于卫星天线系统的实施例的讨论绝不是旨在对 本发明、其应用和使用进行限制。
图2示出了根据本发明的优选实施例的卫星接收机系统20的方 框图。虽然将参考卫星对该方框图进行描述，该系统还可应用于基站 或雷达系统的接收机。如图2所示，RF前端包括N个天线单元22,… 22N，用于接收所发射的RF信号，众所周知，每一个单元都耦合到低 噪声放大器(LNA)(未示出)，在LNA中将接收到的RF信号进行放 大。将每一个被放大的单元信号馈入下变频混频器24，在下变频混频 器24中使用来自本地振荡器(未示出)的各个信号执行向中频(IF) 的变换。然后通过A/D变换器26将IF信号转变成数字信号并馈入数 字信道器(channeliser) 28。
数字信道器28实现信道滤波器组，以将下变频后的组合数字信 号分离成预定数目(N)的数字信道信号，该组合数字信号包含来自 天线阵列中每一个单元的单独信号。数字信道器28可被视为分析数字 滤波器组，每一个滤波器具有预定带宽。数字信道器28包含巻积数字 滤波器组和快速傅里叶变换(FFT)处理器。巻积数字滤波器使用多 速率数字滤波器技术(如重叠和相加，或多相)通过以下方式高效地 实现数字滤波器组将下变频信号的釆样组合在一起，将采样组合与 巻积函数相乘，然后将采样转发到FFT以转变成N个单独的信道信号。 然而，应该理解的是，可以使用若干不同技术中的任何技术来实现该 滤波器组。
因此，信道器28用于将包含在频率、相位和电子幅度上彼此独 立的单独IF信号的输入带宽分隔成多个时间并发的(time-concurrent) 频率输出信道。换言之，信道器将组合IF带宽内的不同频率进行频率分割或分类选择，形成编号为1到N的固定信道带宽或频率点(bin)。 应该理解，信道器还可以直接在RF输入带宽上进行操作，对于该处 理来说变换到IF不是必需的。
在该实施例中，可将从信道器28到波束成形器30的N个输入视 为采样的时分复用(TDM)。该上下文中的TDM意味着沿着相同的信 号路径在时间上连续地发送单独的数据信号，以使得可以在多个信号 间共享一个信号路径。因而，每一个TDM包含来自针对多个频率的 天线单元22,…22w的其中之一的采样，并且对各个TDM中的采样在 输入上的定时进行选择，以使得同一频段或同一单元22「"22w不会同 时出现在多于一个的输入中。然而，应该理解，TDM实现不是必需的， 可设想到各种其他的传输方案。
现将参考图3对图2的波束成形器组件30的配置和操作进行描 述。波束成形器30包括接收与iV个不同的天线单元22,…22w相对应 的N个输入信号的输入帧交换机32。在TDM帧周期ltdm期间，所 接收的单元信号内的不同频率在不同时间出现在整个输入集合上，单 个时间上的所有信号具有不同的频率。输入帧交换机32对来自阵列单 元22r-22N的信号进行路由，以使得将来自所有天线单元22r"22N 的同样地波束成形的频率的信号指向F个核心处理块34,…34f中具体 的一个。应该理解，此处的"频率"意味着来自信道器28的单个频段。 被输入帧交换机32的每一个TDM采样经历不同的开关函数，并且在 每一个采样时间将来自N个输入中最多F个输入的信号每一个都路由 到不同的核心处理器34,…34p。在某些采样时间，被路由的输入的数 目可以小于尸，但从不大于,。当尸<^时，因为不是每一个频率都被 用于波束成形，因而不对所有的信道进行开关操作。如果在波束成形 中使用每一个频率，那么F必须至少是7V。在每一个帧上重复开关操 作，以使得在每一个帧中将相同的开关函数应用于相同的时隙。针对 TDM帧中的每一个时隙，每一个输出信号是在iV个输入之一上呈现 的信号之一的副本。
在每一个核心处理块34r"34F中，将处理块所处理的特定频率处 的每一个被路由的信号采样复制成多个被路由到定时开关36^*36M的TDM信号，其中开关的数目M是取决于被波束成形的单元22,… 22N的数目以及平均来说用于每一个波束的单元的数目的预定参数。 定时开关36r"36M的功能是允许帧交换机32输出的信号被重新排序 为用于后续处理所需的任意时隙顺序，并允许复制不同时间处的输入 采样。定时开关36,…36m中的每一个把输入TDM帧的整个内容存储 在表中。然后在所编程的时间处将数据从表中读出以执行所需要的时 间重排序。
将在下面描述到，波束成形在每一个频段上被单独执行，并通过 从该表中以可编程的顺序连续地选择项目而实现，该顺序使得对特定 波束做出贡献的所有单独的单元22,…22N进行选择和处理，如下文将 要描述的。由于针对单个频率形成的总的波束集合很可能使用所有的 天线单元22r**22N，因此需要将针对该单个频率的所有单元信号一起 进行处理，使得可以形成所有需要的单元组合。
首先，在每一个TDM帧时隙LTDM上顺序地选择针对第一波束的 所有单元信号(一次M个)，使得可以提供足够的数据以形成第一波 束。将定时开关36,…36M针对第一波束的输出馈入一组乘法器38,… 38M，其中将可编程加权系数应用到每一个信号。针对第一波束的定 时开关36r*，36M独立地选择采样，使得特定时间上每一个乘法器 38i…38M上的信号未发生重复。如前所述，每一个加权系数将适当的 相位和幅度权重应用到该信号，并通过调节应用到每M个输入信号的 加权系数集，可以动态地改变输出波束的方向和内容。然后，在加法 器40中把核心处理器34r"34F内的乘法器38广.38m的输出相加在一 起，以针对TDM中的每个采样形成单个值。
接下来，通过定时开关36,…36M顺序地选择针对第二波束的所有 单元信号，而且当进行选择时，对针对第二波束的所有单元信号进行 加权，并在增加对该波束做出贡献的最后的单元22的信号后，将针对 第二波束的结果求和以作为输出。针对将被形成的波束的总数，重复 该过程。
如果形成波束所需的单元信号的数目大于每一个TDM帧时隙 LTDM中执行的乘法操作的数目M，那么在累加器42中执行下一阶段的累加。该累加发生在每一个帧的J个时隙的连续周期上，以使得可 以选择总共个信号采样并累加所加权的单元信号。^的值是可 编程的，并取决于形成波束所需的单元信号的数目。可在一定程度上
根据业务量来动态地确定J的值。由于总的TDM帧长度是固定的， 大量的采样将减少可以形成的不同输出的数目。^的值的变化不会改 变所需的硬件数量，然而，M的值的变化涉及所需的定时开关和乘法 器的数目的改变。
当己对形成具有期望特性的足够的单元信号采样Afxj进行加权 时，将所产生的总和传递给用于对TDM内的波束信号进行重新排序 的输出定时开关44。该输出定时开关44的主要作用是只从乘法/加法 函数中选择有用信号，并在允许将该有用信号路由到所需的目的地时 输出该有用信号。将来自输出定时开关级44的输出信号馈送到输出帧 交换机46，在输出帧交换机46处将该输出信号路由到适当的信道合 并器44 (图2所示)以形成来自波束成形处理器的输出信号。
如图3所示，波束成形器包括尸个核心处理器，每一个核心处理 器产生针对特定频率的波束集。虽然针对每一个处理块来说M的值是 固定的，然而针对所有F个核心处理器来说M值无需相同。此外， 是可编程的，并且针对所有的核心处理器是潜在不同的。例如，全局 波束覆盖整个卫星覆盖区域，该卫星覆盖区域典型地被卫星运营者用 于向终端发送信令以发起呼叫或终止呼叫。由于波束覆盖所有的覆盖 区域，这意味着在该波束中使用的频率不能在其它波束中再利用，因 为这些频率可能交叠和干扰。典型地，这导致使用相同频率的大量波 束，每一个使用少量的单元，或导致使用很多或全部单元的少量波束 (或许只有一个)。在这种情况下，如果TDM长度小于单元的数目， 那么M4是足够的。然而，针对形成全局波束的处理块，A的值需要 更大，因为使用了更多的单元。大量的频率再利用将趋向于每波束使 用更少的单元，因而对于相同的M， A更小。对于其中使用了更多单 元的较少数量的频率再利用，A必须更大。
针对单个频率使用固定数目的加权函数相当程度地简化了处理， 因为避免了涉及多于一个频率之间的资源共享(乘法操作)的复杂性。应该意识到，在少量频率之间共享固定数目的加权函数或针对单个频 率使用该固定数目的倍数是可能的。通过保持该数目固定，在不需要 互连的情况下能够实现多个这种函数，这避免了复杂性。
信道器28和波束成形器30之后可跟随解调器以对数字信号进行 解调，可将解调后的信号比特转变成数据分组并将其路由到适当的目 的地，该适当的目的地可以是另外的用户链路、交叉链路或馈线链路。 对数据分组进行路由，然后进行上述的下行链路处理，该下行链路处 理取决于所使用的链路的类型(如用户链路、交叉链路或馈线链路) 而变化。
如前所述，本发明允许针对每一个频率使用固定数目的加权函 数。可针对具有对每一个波束做出贡献的少量单元的大量波束或具有 对每一个波束做出贡献的大量甚至全部单元的少量波束而使用本发 明。即使不是所有的单元都对全部波束覆盖区域做出贡献，在多数情 况下，存在波束使用所有单元的情况。再次地，如前所述，由于全局 波束覆盖所有的覆盖区域，在该波束中使用的频率不能在其它波束中 重新使用，因为这些频率可能交叠和干扰。典型地，这导致使用相同 频率的大量波束，每一个使用少量的单元，或导致使用很多或全部单 元的少量波束(或许只有一个)。
为了示出通过本发明的系统所实现的复杂度减小，下面给出示例。
卫星具有带有120 (N)个单元的天线并在20个频段中的每一个 上形成总共30个波束。对于将波束加权应用到每一个单元的常规数字 波束成形器，加权操作的总数将会是
120x30x20=72,000
对于本发明的波束成形器，如果从不多于24个单元形成每一个 波束，那么加权操作的数目为 24x30x20=14，440
这可通过具有M-4个在每一帧的前A=6个时隙上选择采样的定 时开关的波束成形器来实现，使得每个波束有24 (AxM)个单元，并 得到20 (F)个频道(每个频段一个)以及TDM长度LTDM为180 (30个波束xA-TDM长度)。
图4示出根据本发明的优选实施例的用户单元的发射机系统50 的方框图。该发射机系统包括下变频混频器52，在下变频混频器52 中，使用来自本地振荡器(未示出)的各个信号来执行RF发射信号 到中频(IF)信号的变换。然后，通过A/D变换器54，将IF信号转 变成馈入信道合并器56并继而馈送到波束成形器58的数字信号。在 波束成形后，将波束馈送到各个数字信道合并器，在其中将组合数字 信号分成预定数目N的数字信道信号，该组合数字信号包含将被天线 阵列中的每一个单元发射的单独信号。在D/A变换器中将这些信道信 号转变成模拟信号，并在被天线60的各个单元60,…60w发射之前上 变频成RF信号。
现在将再次参考图3对根据本发明的优选实施例的发射波束成形 进行描述。如前所述，发射波束成形将加权系数应用于阵列中的每一 个单元的发射信号。波束成形器30的输入是将被发送的不同信道信 号，通过输入帧交换机32将在阵列单元输出60「，60w处的单个频段 的所有信道信号路由到预定的核心处理块34r*，34F。
在适当的处理块34广'34f内，以上述与涉及接收波束成形器30 相类似的方式，在很多定时开关36r"36M中对所路由的信号进行复 制。在这种情况下，开关M的数目是取决于来自每一个单元在单个 频率上形成的波束的数目的参数。再次地，和上文与接收波束成形器 有关的描述一样，对信号进行重新排序。
针对TDM中的每一个采样，顺序地对所有来自将对第一天线单 元60,做出贡献的定时开关36r"36M的信号进行选择，并馈送到一组 乘法器38,…38m，在乘法器38「"38m中对该信号进行加权然后在相加 器40中求和。然后，针对对单个天线单元602…60n中的每一个做出 贡献的信号，重复该操作。在该情况下，如前文在接收波束成形中所 描述的，与单元合并相比，针对每一个单元的加权信号的求和使得频 率再利用变得容易。
如果将在每一个单元6(V"60N上发射的单个频率上的波束数目 超过在每一个TDM帧时隙ltdm上执行的乘法操作的数目M，则需要在J个采样的时间段上进行累加，因而累加总共^XM个加权单元信 号。J的值是可编程的，并取决于将由每一个单元60!…60N发射的波
束的数目。该第二级累加的输出是包含针对所有阵列单元60,…60w的 发射信号的TDM。将所产生的TDM馈送到用于对TDM内的波束信 号进行重新排序的输出定时开关44。在这种情况下，对信号的重新排 序确保可将频率信号路由到适当的单元60r**60N以使得在任何TDM 帧时隙中，不能对每一个单元和每一个频率进行复制。将来自输出定 时开关级44的输出信号馈送到输出帧交换机46，在输出帧交换机46 中将该输出信号路由到适当的信号合并器44，以形成来自波束成形处 理器的输出信号。
例如，如图5所示，由于针对接收波束成形和发射波束成形的波 束成形器是相同的，因此实现用于发射波束成形和接收波束成形的单 个DSP设计是有可能的。输入和输出的数目取决于波束成形的类型 (接收或发射)，然而DSP的结构是相同的。因而，通过只改变输入 和输出的数目(或通过从较大的集合中激活所需数目的输入和输出)， 可针对任一类型的波束成形使用单片DSP设备。然而，只有当波束成 形器针对接收和发射的情况具有相同的输入和输出接口并使用相同的 数据流工作时，单片DSP的实现才是可能的。
应该意识到，可将该DSP同时用于发射波束成形和接收波束成 形。 一些输入来自天线阵列， 一些输入来自馈线上行链路，而一些输 出将去往天线阵列且一些输出去往馈线下行链路。可将这种情况下的 单个波束成形器同时用于从天线阵列到馈线链路的接收波束成形和从 馈线链路到天线阵列的发射波束成形。然而，波束成形不会在所有的 输入和所有的输出上发生，并且不存在从波束成形的输入到波束成形 的输出的连接。F个核心处理块中的一些可被用于接收，而一些可被 用于发射。
现将针对接收波束成形描述本发明的替代实施例，当TDM帧长 度大于波束的数目乘以时隙的数目A时，可以使用该替代实施例。将 每一个核心处理块用于处理针对多于一个频段的信号。对于之前的示 例，TDM帧长度是180 (Ax30 (相同频率上波束的数目))，那么只可以使用单个频率。然而如果TDM帧长度是360，那么两个频段可以共 享单个核心处理器， 一个使用TDM帧的前一半，另一个使用TDM帧 的后一半。在这种情况下，去往输入帧交换机32的多个输入上的每一 个时隙禁止包含与将被路由到相同核心处理器的任意其他输入相同的 频率。
针对发射波束成形，等同的条件是TDM帧长度大于单元的数目 乘以时隙的数目^。这样，将每一个核心处理块用于在两个或更多频 段上产生单元信号。应该理解，取决于系统参数，单个核心处理器可 以处理任意适当数目的频率。在这种情况下，来自输出帧交换机46 的多个输出上的每一个时隙禁止包含相同的频率。
针对接收波束成形还应该遵循，如果TDM帧长度小于单个频率 所需的时隙数(如，卯而不是180)，由于每一个波束占用^:6个TDM 时隙，因此没有充足的时间在帧内形成所有的30个波束。如果将相同 的输入信号馈送到两个核心处理器，每一个核心处理器将会形成针对 所有单元的波束的一半。没有涉及额外的加权操作，唯一的区别是将 操作在核心处理器之间分割。针对发射波束成形，把将要发射的完整 的波束信号集复制到两个核心处理器，每一个核心处理器产生针对一 半单元的所有波束。应该理解，取决于系统参数，可以使用任意适当 数目的核心处理器来处理单个频率。
图6示出本发明的另一个实施例，在该实施例中使用单个波束成 形器。如图2和图3所示，针对接收波束成形，去往输入帧交换机32 的N个输入中的每一个来自两个单元，而不是来自单个单元。将来自 两个单元的信号馈送到双信道器，在双信道器中，信号的IF频段内的 不同频率是被分为从1到N编号的固定信道带宽或频率点的频率。该 配置将改变输入帧交换机32处信号上的TDM约束，然而波束成形器 中的处理是相同的。与多个输入上的每一个时隙不包含来自相同单元 的相同频率不同，现在禁止包含来自与相同输入连接的单元组中的任 何元件的相同频率。这是针对每一个时隙在N个输入上必须只出现一 次的输入源与核心处理器的结合。在所示出的实施例中，虽然每个去 往输入帧交换机的输入使用两个单元，应该理解，每个输入可以使用任意适当数目的单元。针对发射波束成形，将波束成形器的输出路由 到单元组而不是单个单元。
将参考图7描述本发明的另一个实施例。在该实现中，提供了多 个波束成形器，每一个都具有图3所示的类型，但是完整的核心处理 器功能集并未被并入相同的输入和输出帧交换机内。针对接收波束成 形，每一个信道器必须将其信号中的一些路由到每一个波束成形器， 然而在波束成形器的输出，不需要有任何互连。针对发射波束成形， 去往波束成形器的输入可以来自单独的源，然而必须将输出合并在相 同的信道合并器中。虽然图7只示出了两个波束成形器，应该理解， 取决于系统参数，可以使用任意适当数目的波束成形器来处理完整的 信道集。当不可能在物理上在单个物理块内(集成电路)包含所需数 量的算法(乘法和加法级)和存储(定时开关级)时，可使用该实现。 因而，可以使用多个IC，每一个IC处理被波束成形的频率的一部分。
将参考图8描述本发明的另一个实施例，其中，提供了多个波束 成形器，将每一个波束成形器用于处理与单元的子集相关联的信号。 如果波束成形器的容量不足以处理具有特定数目单元的阵列(例如， 由于物理输入不足)，那么可以每个波束成形器输入对应多个单元。
在这种情况下，针对接收波束成形，去往帧交换机32的N个输 入与共享公共处理的天线单元的N个不同的组相对应。在较前描述的 示例中，具有带有120个单元的天线的卫星在20个频段的每一个上形 成总共30个波束，针对每一个波束的单元的一半被送往第一波束成形 器，而另一半被送往第二波束成形器。与每一个波束成形器针对每一 个频率执行720次加权不同(每波束24个单元x30个波束)，其执行 12 (每波束的最大单元数)x30 (波束数目)次加权。然后将两个波 束成形器的输出加在一起，以数字地给出与针对具有相同数目的加权 和最小数量的外部硬件的原始波束成形器一样的结果。这要求进一步 的处理级以合并多个波束成形器功能，以处理所有的单元。该实施例 要求复制所有的波束成形器组件，而不仅是核心处理块。可将每一个 完整的波束成形器用于处理针对一半的天线单元的信号，所需的唯一 结合是求和，而不是实现上更为复杂的加权。针对发射波束成形，将输入信号复制到两个波束成形器，并且每个波束成形器处理针对一半 单元的所有波束。将输出处的求和替换为输入处的复制。
应该理解，虽然用于针对每一个将被形成的波束顺序选择单元信 号的定时开关操作对余下的处理进行了补充，有很多其它可执行该操
作的方式。例如，与TDM和定时开关不同，纵横(或其它)开关(crossbar switch)可执行信道的重新排列。在这种情况下，该重新排列在不同 的输出之间而不是在相同输出的不同时隙之间进行。在模拟实现中， 由于以模拟方式形成TDM的问题，该排列可以是有优势的。
还应该理解，虽然上述实施例中使用了数字波束成形系统，本发 明同样可用于模拟波束成形系统。此外，还可将本发明用于除了 RF 的频率，例如使用音频频率的声纳系统中。
权利要求
1、一种波束成形系统，包括上行链路信号信道化设备；波束成形设备，适用于在单个数字信号处理器中对发射上行链路信道信号和接收上行链路信道信号进行处理；以及用于对下行链路信道信号进行重组的设备。
2、 根据权利要求1所述的波束成形系统，其中，所述波束成形设备适用于同时对发射上行链路信道信号和接收上行链路信道信号进行处理。
3、 根据权利要求1或2所述的波束成形系统，其中，所述波束成形设备包括输入设备，用于接收多个信号的采样，每一个采样包含一段频率；开关设备，用于将与所述被波束成形的相同频段相关联的所有采样信号路由到预定的处理块；用于根据预定标准顺序地选择预定数目的被路由采样信号的设备；加权设备，用于将预定的固定数目的加权系数应用到所述被选信号；用于累加所加权的信号以形成组合信号的设备；以及用于从所述组合信号中选择信号并路由到适当输出的设备。
4、 根据权利要求3所述的波束成形系统，其中，所述接收的采样包括来自多个天线单元中的每一个接收到的多个波束的组合信号，并且根据被路由的信号为其做出贡献的波束来选择所述被路由的信
5、 根据权利要求3所述的波束成形系统，其中，所述接收的采样中的每一个包括来自多个天线单元接收到的多个波束的组合信号，并且根据被路由的信号为其做出贡献的波束来选择所述被路由的信号。
6、 根据权利要求3所述的波束成形系统，其中，所述接收的采样包括来自将被多个天线单元中的每一个发射的多个波束的信号，并且根据将对所述被路由的信号进行发射的天线单元来选择所述被路由的信号。
7、 根据权利要求3所述的波束成形系统，其中，所述接收的采样包括来自将被多个天线单元发射的多个波束的信号，并且根据将对所述被路由的信号进行发射的天线单元的数目来选择所述被路由的信号。
8、 根据权利要求4或5所述的波束成形系统，其中，所述备选信号的预定数目取决于天线单元的数目和每波束的平均单元数。
9、 根据权利要求6或7所述的波束成形系统，其中，所述被选信号的预定数目取决于将在来自每一个天线单元的单个频率上形成的波束的数目。
10、 根据权利要求4到9中任意一项所述的波束成形系统，其中，将对预定数目(M)的信号采样的选择重复预定次数(A)，在A次重复的每一次中，选择一组不同的M个信号采样。
11、 根据权利要求10所述的波束成形系统，其中，信号选择的重复次数取决于形成波束所需的单元信号的数目。
12、 根据权利要求10所述的波束成形系统，其中，信号选择的重复次数取决于将被每一个单元60卜.6(^发射的波束的数目。
13、 根据权利要求3、 4、 5、 8、 IO或11中任意一项所述的波束成形系统，还包括多个处理块，每一个处理块产生针对特定频段的波束集。
14、 根据权利要求3、 6、 7、 9、 IO或12中任意一项所述的波束成形系统，还包括多个处理块，每一个处理块产生针对特定频段的天线单元信号集。
15、 根据权利要求13或14所述的波束成形系统，其中，在一个或更多个所述处理块中，所述被选择的被路由采样信号的预定数目是不同的。
16、 根据权利要求13、 14或15所述的波束成形系统，其中，在一个或更多个所述处理块中，应用于被选信号的加权系数的所述预定的固定数目是不同的。
17、 根据权利要求3至16中任意一项所述的波束成形系统，其 中，所述输入设备用于接收信号采样的TDM帧的流，并且所述开关 设备用于向每一个TDM帧的每一个时隙应用不同的开关函数。
18、 根据权利要求3至17中任意一项所述的波束成形系统，其 中，所述开关设备用于将与多个频段相关联的所有采样信号路由到预 定的处理块。
19、 根据权利要求3至17中任意一项所述的波束成形系统，其 中，所述开关设备用于将与所述相同地被波束成形的频段相关联的所 有采样信号路由到多个处理块。
20、 多个根据权利要求3至19中任意一项所述的波束成形系统， 其中，每一个波束成形系统对完整的被波束成形的频段集的子集进行 处理，以使得完整的波束成形系统集可以对所有被波束成形的频段进 行处理。
21、 多个根据权利要求3、 4、 5、 8、 10、 11、 13以及15到20中任意一项所述的波束成形系统，其中，每一个波束成形系统的输入 设备用于从所述多个天线单元的预定子集接收到的多个波束接收采样 信号，并且所述多个波束成形系统还包括用于将每一个波束成形系统 的输出进行合并的设备。
22、 多个根据权利要求3、 6、 7、 9、 10、 12以及14到20中任 意一项所述的波束成形系统，其中，每一个波束成形系统的每一个输 入设备用于针对多个波束接收多个信号的相同采样，并且每一个波束 成形系统用于对单元的子集将要发送的波束进行处理。
23、 一种波束成形方法，包括步骤(a) 接收多个信号的采样，每一个采样包含一段频率；(b) 将与所述相同的波束成形频段相关联的所有采样信号路由 到预定处理块；(c) 根据预定标准顺序地选择预定数目的被路由采样信号；(d) 将预定的固定数目的加权系数应用到所述备选信号；(e) 将所加权的信号累加以形成组合信号；以预定次数重复步 骤(c)到(e)，以及(f)从所述组合信号中选择信号并路由到适当的输出。
24、 根据权利要求23所述的波束成形方法，其中，步骤(a)包括从多个天线单元中的每一个接收到的多个波束接收组合信号的采样，并且步骤(c)包括根据信号为其做出贡献的波束来选择所述信号。
25、 根据权利要求23所述的波束成形方法，其中，步骤(a)包括从多个天线单元中的每一个将要发射的多个波束接收信号的采样，并且步骤(c)包括根据将要发射信号的天线单元来选择所述信号。
26、 一种波束成形系统，包括输入设备，用于接收多个信号的采样，每一个采样包含一段频率;开关设备，用于将与所述相同地被波束成形的频段相关联的所有采样信号路由到预定处理块；用于根据预定标准顺序地选择预定数目的被路由采样信号的设备；加权设备，用于将预定的固定数目的加权系数应用到所述被选信号 用于对所述加权的信号进行累加以形成组合信号的设备；以及用于从所述组合信号中选择信号并路由到适当输出的设备。
27、 根据权利要求26所述的波束成形系统，其中，所述接收的采样包括来自多个天线单元中的每一个接收到的多个波束的组合信号，并且根据被路由的信号为其做出贡献的波束来选择所述被路由的信号。
28、 根据权利要求26所述的波束成形系统，其中，所述接收的采样包括来自将被多个天线单元中的每一个发射的多个波束的信号，并且根据将对所述被路由的信号进行发射的天线单元来选择所述被路由的信号。
29、 一种接收波束成形系统，包括输入设备，用于从多个信号的多个天线单元的每一个所接收的多个波束接收组合信号的采样，每一个采样包含一段频率；开关设备，用于将与所述相同地被波束成的形频段相关联的所有采样信号路由到预定处理块；用于根据预定数目的被路由采样信号对其做出贡献的波束，顺序 地选择所述预定数目的被路由采样信号；加权设备，用于将预定的固定数目的加权系数应用到所述被选信用于对所述加权的信号进行累加以形成组合信号的设备；以及用于从所述组合信号中选择信号并路由到适当输出的设备。
30、 一种发射波束成形系统，包括输入设备，用于从将由多个天线单元中的每一个所发射的多个波束接收信号的釆样，每一个采样包含一段频率；开关设备，用于将与所述相同地被波束成形的频段相关联的所有 采样信号路由到预定处理块；用于根据将对预定数目的被路由采样信号进行发射的天线单元 来顺序地选择所述预设数目的被路由采样信号的设备；加权设备，用于将预定的固定数目的加权系数应用到所述被选信号；用于对所述加权的信号进行累加以形成组合信号的设备；以及 用于从所述组合信号中选择信号并路由到适当输出的设备。
全文摘要
提供了一种可被用于接收波束成形和发射波束成形的波束成形系统。该系统接收多个信号的采样，每一个采样包含一段频率，并将与被同样地波束成形的频段相关联的所有采样信号路由到预定处理块。根据预定标准对预定数目的被路由采样信号进行选择，并进行加权和累加以形成组合信号。从组合信号中选择单独信号并路由到适当的输出。由于在相同的处理块中执行针对单个频率的处理，该系统使用数目比常规需求少很多的加权函数，这充分地减小了波束成形处理的复杂度并简化了频率再利用。此外，可实现用于发射波束成形以及接收波束成形的单个DSP设计。
文档编号H04B7/185GK101606333SQ200780047408
公开日2009年12月16日 申请日期2007年12月17日 优先权日2006年12月20日
发明者安德鲁·马克·毕绍普 申请人:阿斯特里姆有限公司