数字波束形成系统和方法技术方案

公开一种新的数字基带波束形成系统，包括多个数字基带波束形成通道，该多个数字基带波束形成通道配置并且可操作以用于经由通道端口来连接到与相应天线元件关联的多个天线通道，以用于经过所述多个天线元件对于对数据流进行编码的一个或多个波形信号进行传送和接收的至少一个。数字基带波束形成通道配置并且可操作以将选择性幅值的相位和时间延迟的至少一个应用于与对由多个天线元件所传送和/或接收的波形信号进行编码的数据流关联的基带信号，由此对所述波形信号进行波束形成，以便通过所述波形来产生与相应传播方向关联的一个或多个数据编码波束并且分别对所述数据流进行编码。数字基带波束形成系统可在芯片(例如硅芯片)中实现，以及可配置并且可操作以用于构成包括多个这类波束形成芯片(其可连接到天线阵列的天线元件的相应编组)的可缩放阵列，以用于执行通过天线元件的相应编组对波束形成波形信号进行传送和接收的至少一个。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】数字波束形成系统和方法
本专利技术处于天线信号的可导向波束形成领域，以及更具体来说涉及数字波束形成技术。
技术介绍
波束形成技术是一般已知的，并且通常在使用天线元件阵列的天线系统中执行，以用于创建定向天线图(波束)或者接收来自特定方向的波束。这类已知技术通常针对提供预期天线图，即，天线系统的预期增益和定向性(如与旁瓣相比的主瓣幅度)等。所指定种类的常规天线系统极大地依靠模拟信号处理，其通常工作在带通(RF)频率体系(其中通带以载波频率为中心)，以便以正确时间和/或相位延迟来致动天线元件的有源部件，以便由天线阵列来产生预期波束。
技术实现思路
基于模拟信号处理的常规天线系统采用模拟处理通道的实现是麻烦和高费用的，特别是当要求大天线阵列(具有天线辐射部件的大尺寸和/或天线元件的大数量)时。这可能归因于如下事实：RF传输线和模拟RF处理模块对经过其中传播的模拟信号引入各种伪影，并且因而其中还遭受天线元件之间的信号参数(即，增益、相位、频率参数)的失配，这使波束形成精度退化。这对大规模天线(其具有需要校准的长传输线)更为关键。本专利技术涉及一种数字系统，其例如实现为硅芯片，以用于实现多种新电子导向阵列天线(ESAA)类型，其特征在于极小尺寸、低功率消耗和低成本。该系统可配置成以数字方式工作在待传送/接收信号的基带，以用于引入已经在基带中的正确相位和/或时间延迟，同时还补偿产生于模拟RF前端(其连接在系统与天线之间)的模拟伪影。另外，该系统提供用于大规模天线的构造的可缩放架构。电子导向阵列天线(ESAA)是一种天线阵列，其中为天线馈电的相应信号的相对相位或延迟按照如下方式来设置：使得阵列的有效辐射图沿预期方向被增强，而同时沿非预期方向被抑制。天线之间的关系(相对延迟、相位、增益等)可以是固定的或者可以是可调整的。根据具体情况，按照本专利技术的实施例所理解的芯片或芯片集合允许它在ESAA内的集成，使得设计可缩放以满足所要求天线大小和波束数量。芯片和ESAA可选地还可包括自校准电路。按照本专利技术的广义方面，提供一种系统(例如数字基带波束形成芯片)，其包括：多个数字基带波束形成通道，配置并且可操作以用于经由通道端口来连接到与相应天线元件关联的多个天线通道。以用于经过多个天线元件对于对数据流进行编码的一个或多个波形信号进行传送和接收的至少一个；其中所述数字基带波束形成通道配置并且可操作以便将选择性幅值的相位和时间延迟中的至少一个应用于与对通过多个天线元件所传送和/或接收的波形信号进行编码的数据流关联的基带信号，由此对所述波形信号进行波束形成以通过所述波形来产生与相应传播方向关联的一个或多个数据编码波束，并且分别对所述数据流进行编码。数字基带波束形成通道可配置并且可操作以便将选择性真实时间延迟应用于经过其中所传递的基带信号，由此对所述波形信号进行波束形成。例如，每个数据流采取经过所述数字基带波束形成通道的一个或多个以某个取样率串行传递的符号流形式在基带信号中编码。按照一些实施例，所述一个或多个数字基带波束形成通道的每个数字基带波束形成通道包括真实时间延迟模块，其适合有选择地将所选真实时间延迟应用于经过数字基带波束形成通道所传递的符号流，由此应用所述波束形成。按照一些实施例，真实时间延迟模块配置并且可操作以促进具有比所述数字基带波束形成通道的取样时间要低的时间分辨率的所选时间延迟，由此实现应用具有比所述取样时间要好的延迟分辨率的所述波束形成，由此实现具有改进的定向精度的波束形成。例如，真实时间延迟模块包括可调整时间延迟再取样器模块。这个模块配置并且可操作以执行下列步骤：接收表示所述符号流的数字化信号；得到指示时间延迟分数(根据其将所述数字化信号延迟)的控制指令，由此所述时间延迟分数包括比与数字基带波束形成通道的所述取样率关联的取样时间更小的时间的分量；经由内插对所述数字化信号再取样，以得到具有与数字化信号相似的符号数量的时移再取样信号；以及输出所述再取样信号，由此引入具有比取样率更高的所述时间分辨率的时间延迟。真实时间延迟模块可配置并且可操作以用于以比所述数字基带波束形成通道的取样率更高的分辨率的时间延迟将所述数字基带波束形成通道中的基带信号传播延迟，这种真实时间延迟模块包括：移位寄存器，可操作以用于将所述基带信号延迟所述时间延迟(其测量为数字基带波束形成传播的取样时间的整数倍数)的整数部分；以及可调整时间延迟再取样器模块，配置并且可操作以用于将所述基带信号延迟某个时间延迟分数，其包括比数字基带波束形成通道的取样时间的取样时间更小的时间延迟的分量。在一些实施例中，真实时间延迟模块包括复数增益模块，其配置并且可操作以用于将所述符号与复数增益(其选择成调整所述时间延迟，以补偿所述基带信号与通带信号之间的增频/降频中关联的影响)相乘。数字波束形成芯片，其中所述数字基带波束形成通道包括在下列至少一个或多个中可操作的波束形成通道：传输模式；接收模式；以及传输和接收模式。因此，TTD电路包括用于作为取样时间的整数倍的延迟的移位寄存器以及用于比取样时间更小的延迟的电路。比取样时间更小的延迟通过执行样本间内插(例如通过利用Farrow结构滤波器)来计算。该系统还包括数字补偿元件(例如数字补偿处理通道)，其配置成执行下列之中的至少一个：增益调整、相位调整、延迟调整、I/Q失配校正、均衡和数字预失真。在一些实施例中，该系统包括数字补偿通道。每个数字补偿通道可连接在数字基带波束形成通道的至少一个与芯片的通道端口的至少一个之间，以及配置并且可操作以将数字补偿应用于所述至少一个通道端口的信号，以用于对于与将所述至少一个通道端口连接到天线元件的一个或多个的模拟RF前端模块的(一个或多个)天线通道关联的模拟伪影进行补偿。例如，每个数字补偿通道在数字基带波束形成通道的所选一个或多个与芯片的至少一个通道端口之间是分别有选择可连接的。在这种情况下，芯片包括天线通道组合/分发模块，其配置并且可操作以用于接收波束形成配置指令(其指示数字基带波束形成通道的所选一个或多个和至少一个通道端口)，并且经由所述数字补偿处理通道有选择地将数字基带波束形成通道的所述所选一个或多个连接到所述至少一个通道端口。在所述数字基带波束形成通道的一个或多个可工作在至少传输模式以实现与所述基带信号对应的波形信号的一个或多个的传输的情况下，所述数字补偿处理通道的至少一部分可以可工作在传输模式，并且包括相应非线性预失真模块。每个非线性预失真模块可配置并且可操作以用于调整经过其中传递的相应符号的幅度和相位，以便补偿由耦合到相应通道端口的天线通道的放大器对符号所应用的非线性失真。非线性预失真模块可与非线性失真参考数据(其指示关联天线通道的非线性放大失真)关联。每个数字补偿处理通道还可包括相应均衡模块，其配置并且可操作以用于按照相应频率响应(其指示由耦合到通道端口的天线通道对于与所述不同频率分量对应的基带频率分量所应用的相移和增益变化)来调整在至少一个数字基带波束形成通道与至少一个通道端口(其与数字补偿处理通道关联)之间所传递的基带信号的不同频率分量的相应相位和增益。应当注意，基带信号可对符号的数据流进行编码。在这种情况下，基带信号中的频率分量与所述数据流的多个符号(序列)关联。均衡模块又与增益变化和相本文档来自技高网...

【技术保护点】
1. 一种数字波束形成芯片，包括：多个数字基带波束形成通道，其配置并且可操作以用于经由通道端口来连接到与相应天线元件关联的多个天线通道，以用于经过多个天线元件对于对数据流进行编码的一个或多个波形信号进行传送和接收的至少一个；以及其中所述数字基带波束形成通道配置并且可操作以将选择性幅值的相位和时间延迟的至少一个应用于与对由所述多个天线元件所传送和/或接收的所述波形信号进行编码的数据流关联的基带信号，由此对所述波形信号进行波束形成，以便通过所述波形来产生与相应传播方向关联的一个或多个数据编码波束并且分别对所述数据流进行编码。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.07 US 62/304350;2016.03.07 US 62/304351;201.一种数字波束形成芯片，包括：多个数字基带波束形成通道，其配置并且可操作以用于经由通道端口来连接到与相应天线元件关联的多个天线通道，以用于经过多个天线元件对于对数据流进行编码的一个或多个波形信号进行传送和接收的至少一个；以及其中所述数字基带波束形成通道配置并且可操作以将选择性幅值的相位和时间延迟的至少一个应用于与对由所述多个天线元件所传送和/或接收的所述波形信号进行编码的数据流关联的基带信号，由此对所述波形信号进行波束形成，以便通过所述波形来产生与相应传播方向关联的一个或多个数据编码波束并且分别对所述数据流进行编码。2.如权利要求1所述的数字波束形成芯片，其中，所述数字基带波束形成通道配置并且可操作以便将选择性真实时间延迟应用于经过其中所传递的所述基带信号，以由此对所述波形信号进行波束形成。3.如权利要求2所述的数字波束形成芯片，其中，每个数据流采取经过所述数字基带波束形成通道中的一个或多个以取样率串行传递的符号流的形式在所述基带信号中编码；并且其中所述一个或多个数字基带波束形成通道的每个数字基带波束形成通道包括真实时间延迟模块，所述真实时间延迟模块适合有选择地将所选真实时间延迟应用于经过所述数字基带波束形成通道所传递的所述符号流，以由此应用所述波束形成；以及其中所述真实时间延迟模块配置并且可操作以促进具有比所述数字基带波束形成通道的所述取样率更高的时间分辨率的所选时间延迟，由此实现应用具有超过所述取样率的延迟分辨率的所述波束形成，由此实现具有改进的定向精度的波束形成。4.如权利要求3所述的数字波束形成芯片，其中，所述真实时间延迟模块包括可调整时间延迟再取样器模块，所述可调整时间延迟再取样器模块配置并且可操作以：-接收表示所述符号流的数字化信号；-得到指示由其来延迟所述数字化信号的时间延迟分数的控制指令，由此所述时间延迟分数包括比与所述数字基带波束形成通道的所述取样率关联的取样时间更小的时间分量；-经由内插对所述数字化信号再取样，以得到具有与所述数字化信号相似数量的符号的时移再取样信号；以及-输出所述再取样信号，由此引入具有比所述取样率更高的所述时间分辨率的时间延迟。5.如权利要求3或4所述的数字波束形成芯片，其中，所述真实时间延迟模块配置并且可操作以用于以比所述数字基带波束形成通道的所述取样率更高的分辨率的时间延迟将所述数字基带波束形成通道中的所述基带信号传播延迟，并且其中所述真实时间延迟模块包括：-移位寄存器，可操作以用于将所述基带信号延迟测量为数字基带波束形成传播的取样时间的整数倍数的所述时间延迟的整数部分；以及-可调整时间延迟再取样器模块，配置并且可操作以用于将所述基带信号延迟包括比所述数字基带波束形成通道的所述取样时间的取样时间更小的所述时间延迟的分量的时间延迟分数。6.如权利要求3至5中的任一项所述的数字波束形成芯片，其中，所述真实时间延迟模块包括复数增益模块，所述复数增益模块配置并且可操作以用于将所述符号与复数增益相乘，所述复数增益选择成调整所述时间延迟，以补偿所述基带信号与通带信号之间的增频/降频中关联的影响。7.如权利要求1至6中的任一项所述的数字波束形成芯片，其中，所述数字基带波束形成通道包括在下列至少一个或多个中可操作的波束形成通道：传输模式；接收模式；以及传输模式和接收模式两者。8.如权利要求1至7中的任一项所述的波束形成芯片，包括数字补偿通道，由此每个数字补偿通道可连接在所述数字基带波束形成通道中的至少一个与所述芯片的所述通道端口中的至少一个之间，以及配置并且可操作以将数字补偿应用于至少一个通道端口的所述信号，以用于对于与将所述至少一个通道端口连接到所述天线元件中的一个或多个的模拟RF前端模块的(一个或多个)天线通道关联的模拟伪影进行补偿。9.如权利要求8所述的数字波束形成芯片，其中，每个数字补偿通道分别有选择地可连接在所述数字基带波束形成通道中的所选一个或多个与所述芯片的至少一个通道端口之间；以及其中芯片包括天线通道组合/分发模块，所述天线通道组合/分发模块配置并且可操作以用于接收指示所述数字基带波束形成通道中的所述所选一个或多个和至少一个通道端口的波束形成配置指令，并且经由所述数字补偿处理通道有选择地将所述数字基带波束形成通道中的所述所选一个或多个连接到所述至少一个通道端口。10.如权利要求8或9所述的数字波束形成芯片，其中，所述数字基带波束形成通道中的一个或多个可操作在至少传输模式，以实现与所述基带信号对应的波形信号中的一个或多个的传输；以及其中所述数字补偿处理通道中的至少一些可操作在传输模式，并且包括相应非线性预失真模块；由此每个非线性预失真模块配置并且可操作以用于调整经过其中传递的相应符号的幅度和相位，以便补偿由耦合到相应通道端口的所述天线通道的放大器对所述符号所应用的非线性失真。11.如权利要求10所述的数字波束形成芯片，其中，所述非线性预失真模块与非线性失真参考数据关联，所述非线性失真参考数据指示所关联天线通道的非线性放大失真。12.如权利要求8至11中的任一项所述的数字波束形成芯片，其中，每个数字补偿处理通道包括相应均衡模块，所述相应均衡模块配置并且可操作以用于按照相应频率响应来调整在所述至少一个数字基带波束形成通道与关联所述数字补偿处理通道的所述至少一个通道端口之间其中所传递的所述基带信号的不同频率分量的相应相位和增益，所述相应频率响应指示由耦合到所述通道端口的天线通道对于与所述不同频率分量对应的通带频率分量所应用的相移和增益变化。13.如权利要求12所述的数字波束形成芯片，其中，所述基带信号对符号的数据流进行编码，并且其中所述基带信号中的所述频率分量与所述数据流的多个符号或符号序列关联。14.如权利要求12或13所述的数字波束形成芯片，其中，所述均衡模块与增益变化和相移参考数据关联，所述增益变化和相移参考数据指示与所关联天线通道所引入的所述不同频率分量对应的所述增益变化和相移。15.如权利要求8至14中的任一项所述的数字波束形成芯片，其中，所述数字基带波束形成通道配置并且可操作以用于处理同相和正交(I/Q)表示中的所述基带信号，以及其中每个数字补偿处理通道包括I/Q校正模块，所述I/Q校正模块配置并且可操作以用于对于所述至少一个数字基带波束形成通道与与所述数字补偿处理通道关联的所述至少一个通道端口之间其中所传递的所述基带信号的所述I/Q表示中的增益和偏斜误差中的至少一个进行补偿，以由此对所述I和Q通道中的DC偏移值进行补偿。16.如权利要求1至15中的任一项所述的数字波束形成芯片，配置成使得信号在所述数字基带波束形成通道与所关联通道端口之间采取所述基带信号的同相和正交(I/Q)表示的形式来传递。17.如权利要求1至16中的任一项所述的数字波束形成芯片，配置成使得信号在所述通道端口中采取中间(IF)频率信号、例如通带(PBF)信号的形式；以及其中每个数字基带波束形成通道包括变频器(增频和/或降频转换器)，用于在所述数字基带波束形成通道的所述基带信号与所关联天线通道的所述中间或通带频率信号之间进行转换。18.如权利要求1至17中的任一项所述的数字波束形成芯片，包括多个天线端口，以用于将所述数字波束形成芯片的所述数字基带波束形成通道连接到与相应天线元件关联的多个天线通道。19.如权利要求18所述的数字波束形成芯片，其中，所述多个天线端口适合于采用所述天线通道来传递下列至少一个：I/Q、IF信号。20.如权利要求17或18所述的数字波束形成芯片，其中，所述天线端口是模拟端口，以及其中所述数字波束形成芯片包括分别与所述天线端口关联的数字和模拟之间的多个信号转换器，以用于在所述天线端口处的模拟信号与所述数字基带波束形成通道的数字信号之间进行转换。21.如权利要求17至20中的任一项所述的数字波束形成芯片，被配置并且可操作以用于有选择地通过所述波形来产生可选择带宽和数据速率以及可选择波束宽度中的至少一个的所述一个或多个数据编码波束的所选数量；以及其中所述数字波束形成芯片包括：-所述多个数字基带波束形成通道池；以及-天线通道组合/分发电路，配置并且可操作以用于按照控制参数有选择地将所述池的基带波束形成通道连接到所述多个天线端口，所述控制参数指示波束的所述所选数量以及每个波束的预期带宽和波束宽度。22.如权利要求21所述的数字波束形成芯片，包括数据控制输入端口，所述数据控制输入端口配置并且可操作以用于接收指示所述波束的下列参数的一个或多个的控制参数：波束的所述所选数量；要共同或排他地分配给所述所选数量的波束中的每个的所选天线端口；为所述所选数量的波束中的每个所分配的所述取样率；以及其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：D赖尼什，A弗里德曼，D戈伯曼，Y加特，L本韦尼斯蒂，
申请(专利权)人：萨迪斯飞英国有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB