一种低成本数字阵列天线接收系统及信号接收方法与流程

1.本发明涉及无线电阵列天线领域，更为具体的，涉及一种低成本数字阵列天线接收系统及信号接收方法。


背景技术：

2.阵列天线是利用一定数量的辐射阵元，通过调整每个阵元辐射/接收信号的相位与幅度，实现合成波束指向期望的空间方向。阵列天线具有集成度高、容错性好、波束扫描灵活、馈线损耗小等突出优点，顺应了设备小型化、轻量化、多功能、智能化的发展潮流，具有广阔的应用前景。随着各类无线电系统的不断发展，下一代移动通信、物联网、无人驾驶以及电磁医疗等应用对阵列天线提出了更多新的要求，如低副瓣、多波束、高增益、可重构、小型化、智能化等，未来各类无线电系统的性能在很大程度上取决于能否突破现有阵列天线架构，设计出高性能、易于工程化的新型阵列天线系统，
3.与传统的模拟阵列天线相比，数字阵列天线是一种更新体制的天线系统。数字阵列天线的独特优势很早就受到关注，因其可对各天线接收信号进行全数字处理，不仅可以非常方便的与mimo技术相结合，并且还拥有波束数量多、分辨能力强、信号增益高、抗干扰能力显著以及波束控制灵活等诸多优势，随着大规模mimo、毫米波雷达等技术在5g移动通信与自动驾驶等系统中的应用，数字阵列天线成为当前天线领域的研究热点。
4.虽然数字阵列天线具有上述诸多优点，但由于器件、工艺、成本等因素的限制，应用范围有限。数字阵列天线包含多个独立的收发通道，每个通道都需要进行变频、滤波、采样，所需器件数量多，导致数字阵列天线的实现复杂度与研制费用较高。近年来，随着集成电路、微系统、毫米波等技术迅速发展，提高了数字阵列天线的集成度与可靠性，减小了体积与重量，但成本仍然是制约数字阵列天线进一步广泛应用的首要因素，需要进一步采取低成本设计方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种低成本数字阵列天线接收系统及信号接收方法，可以显著降低数字阵列天线的实现复杂度与生产成本，同时减小设备体积功耗等。
6.本发明的目的是通过以下方案实现的：
7.一种低成本数字阵列天线接收系统，包括接收天线、放大器、混频器、频率综合器、信号合路器、模拟滤波器、模/数转换器、基带信号处理器；接收天线与放大器连接，放大器与混频器连接，混频器分别与频率综合器、信号合路器连接，信号合路器与模拟滤波器连接，模拟滤波器与模/数转换器连接，模/数转换器与基带信号处理器连接。
8.进一步地，在所述频率综合器中设有本振信号产生单元，用于产生n路不同频率的本振信号，分别对应f1～fn，n为大于1的正整数，且所述n路不同频率的本振信号分别连接到n个混频器，使得n个混频器输出的信号频谱互不交叠。
9.进一步地，在所述基带信号处理器设有通道分离处理单元，用于从ad采样信号中分离出n个接收天线对应的基带信号。
10.进一步地，所述基带信号处理器包括数字混频器、数字频率合成器和数字低通滤波器，数字混频器分别与所述模/数转换器、数字频率合成器、数字低通滤波器连接，由数字低通滤波器输出基带信号。
11.一种低成本数字阵列天线信号接收方法，包括步骤：不同接收天线接收到的无线电信号经过放大器连接到混频器；由频率综合器产生n路不同频率的本振信号，分别对应f～fn，n为大于的正整数，并分别连接到n个混频器，使得n个混频器输出的信号频谱互不交叠，混频后的n路接收信号在信号合路器中进行合并，合并后的模拟信号经过模拟滤波器连接到模/数转换器，模/数转换器对合并后的模拟信号进行ad采样，转换为数字信号后送入基带信号处理器进行通道分离处理。
12.进一步地，在所述模/数转换器中对合并后的多天线接收信号进行ad采样，转换为数字信号后，在所述基带信号处理器中通过软件方式实现对不同天线接收信号的通道分离处理。
13.进一步地，在所述基带信号处理器中进行通道分离处理包括如下子步骤：首先将ad采样数字信号分为n路，分别输入n个数字混频器，与数字频率合成器产生的不同频率数字本振信号分别进行数字混频，混频后的数字信号通过数字低通滤波器，即可得到n个接收天线对应的基带信号。
14.进一步地，所述模拟滤波器的数量为一个。
15.进一步地，所述模/数转换器的数量为一个。
16.进一步地，所述信号合路器的数量为一个。
17.本发明的有益效果是：
18.常规数字阵列天线(如附图3所示)各个接收通道需要单独的模拟滤波器与模/数转换器等器件，本发明提出的低成本数字阵列天线接收系统，所需模拟滤波器与模/数转换器数量远少于常规数字阵列天线接收系统，硬件上仅仅增加了一个信号合路器，多个天线的接收信号合并后通过同一个模/数转换器进行采样，转换为数字信号后，再通过软件方式实现对各天线接收信号的通道分离处理，可以显著降低数字阵列天线的实现复杂度与生产成本，同时减小设备体积功耗，特别适合用于数字阵列天线的设计与研制。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本发明实施例所提出的低成本数字阵列天线接收系统框图；
21.图2为图1中所示基带信号处理器的一个示例性实施框图；
22.图3为常规数字阵列天线接收系统框图；
23.图中，接收天线101、放大器102、混频器103、频率综合器104、信号合路器105、模拟滤波器106、模/数转换器107、基带信号处理器108、数字混频器201、数字频率合成器202、数
字低通滤波器203。
具体实施方式
24.本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
25.若本发明中出现使用“第一”、“第二”等术语来描述各种元件，但是这些元件不应当由这些术语所限制。这些术语仅用来区分一个元件和另一个元件。因此，下文所讨论的“第一”元件也可以被称为“第二”元件而不偏离本发明的教导。
26.当在本说明书中使用术语“包括”和/或“包括有”时，这些术语指明了所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是也不排除一个以上其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在和/或附加。
27.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”均是广义含义，本领域技术人员应作广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是活动连接，或整体地连接，或局部地连接，可以是机械连接，也可以是电性连接，可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接连接，还可以是两个元件内部的连通等，对于本领域的技术人员来说，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义，即，文字语言的表达与实际技术的实施可以灵活对应，本发明的说明书的文字语言(包括附图)的表达不构成对权利要求的任何单一的限制性解释。
28.下面根据附图1～图2，对本发明的技术构思、工作原理、功效和工作过程作进一步详细说明。
29.参考图1，本发明实施例提供的一种低成本数字阵列天线接收系统，包括接收天线101、放大器102、混频器103、频率综合器104、信号合路器105、模拟滤波器106、模/数转换器107、基带信号处理器108，其特征在于：不同接收天线101接收到的无线电信号经过放大器102连接到混频器103，频率综合器104产生n路不同频率的本振信号f1～fn，n为大于1的正整数，并分别连接到n个混频器103，使得n个混频器103输出的信号频谱互不交叠，混频后的n路接收信号在信号合路器105中进行合并，合并后的模拟信号经过模拟滤波器106连接到模/数转换器107，模/数转换器107对合并后的模拟信号进行ad采样，转换为数字信号后送入基带信号处理器108进行通道分离处理。
30.参考图2，所述基带信号处理器108包含数字混频器201、数字频率合成器202和数字低通滤波器203，基带信号处理器108首先将ad采样数字信号分为n路，分别输入n个数字混频器201，与数字频率合成器202产生的不同频率数字本振信号分别进行数字混频，混频后的数字信号通过数字低通滤波器203，即可得到n个接收天线对应的基带信号。
31.实施例1：一种低成本数字阵列天线接收系统，包括接收天线101、放大器102、混频器103、频率综合器104、信号合路器105、模拟滤波器106、模/数转换器107、基带信号处理器108；接收天线101与放大器102连接，放大器102与混频器103连接，混频器103分别与频率综合器104、信号合路器105连接，信号合路器105与模拟滤波器106连接，模拟滤波器106与模/数转换器107连接，模/数转换器107与基带信号处理器108连接。
32.实施例2：在实施例1的基础上，在所述频率综合器104中设有本振信号产生单元，用于产生n路不同频率的本振信号，分别对应f1～fn，n为大于1的正整数，且所述n路不同频
率的本振信号分别连接到n个混频器103，使得n个混频器103输出的信号频谱互不交叠。
33.实施例3：在实施例1的基础上，在所述基带信号处理器108设有通道分离处理单元，用于从ad采样信号中分离出n个接收天线对应的基带信号。
34.实施例4：在实施例3的基础上，所述基带信号处理器108包括数字混频器201、数字频率合成器202和数字低通滤波器203，数字混频器201分别与所述模/数转换器107、数字频率合成器202、数字低通滤波器203连接，由数字低通滤波器203输出基带信号。
35.实施例5：一种低成本数字阵列天线接收方法，基于任一实施例1～4，包括步骤：不同接收天线101接收到的无线电信号经过放大器102连接到混频器103；由频率综合器104产生n路不同频率的本振信号，分别对应f1～fn，n为大于1的正整数，并分别连接到n个混频器103，使得n个混频器103输出的信号频谱互不交叠，混频后的n路接收信号在信号合路器105中进行合并，合并后的模拟信号经过模拟滤波器106连接到模/数转换器107，模/数转换器107对合并后的模拟信号进行ad采样，转换为数字信号后送入基带信号处理器108进行通道分离处理。
36.实施例6：在实施例5的基础上，在所述模/数转换器107中对合并后的多天线接收信号进行ad采样，转换为数字信号后，在所述基带信号处理器108中通过软件方式实现对不同天线接收信号的通道分离处理。
37.实施例7：在实施例5的基础上，在所述基带信号处理器108中进行通道分离处理包括如下子步骤：首先将ad采样数字信号分为n路，分别输入n个数字混频器201，与数字频率合成器202产生的不同频率数字本振信号分别进行数字混频，混频后的数字信号通过203，即可得到n个接收天线对应的基带信号。
38.实施例8：在实施例5的基础上，所述模拟滤波器106的数量为一个。
39.实施例9：在实施例5的基础上，所述模/数转换器107的数量为一个。
40.实施例10：在实施例5的基础上，所述信号合路器105的数量为一个。
41.在本发明中出现的各种术语仅仅用于描述具体的实施方式的目的而无意作为对本发明的限定，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式意图也包括复数形式。
42.本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。在以上描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的技术，例如具体的技术细节，工作条件和其他的技术条件等。
43.本发明功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，在一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)以及相应的软件中执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、或者光盘等各种可以存储程序代码的介质，进行测试或者实际的数据在程序实现中存在于只读存储器(random access memory，ram)、随机存取存储器(random access memory，ram)等。