TDMA通信系统中阵列天线多波束成形方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种用于时分多址(TDMA)通信系统的阵列天线多波束成形的装置及方法；解决现有波束成形技术需要采用训练序列、复杂度高、时变特性差等问题。该装置包括：N阵元的阵列天线、N个射频及基带信号处理通道、M个自适应波束成形计算单元。该装置基于接收信号实现指向M个移动用户的波束成形，发送端利用同一组权系数进行发射波束成形。其自适应波束成形方法的特征在于：N个权系数在进行自适应更新时，其中某一个始终等于1，而其余N‑1个的模值保持为1。它不仅不需训练序列，也不必对帧头进行除同步以外的信号处理；因此其复杂度低、收敛速度快、波束跟踪移动用户的实时性好，而且各个波束都能获得完全的阵列处理增益。

Multibeam Forming Method and Device of Array Antenna in TDMA Communication System

【技术实现步骤摘要】
TDMA通信系统中阵列天线多波束成形方法及装置
本专利技术属于通信
，更进一步说，涉及一种基于时分多址(TDMA)通信系统中阵列天线多波束成形方法及其装置。
技术介绍
波束成形作为阵列信号处理的关键技术之一，在通信、雷达和声呐等领域有着广泛的应用。波束成形就是对感兴趣方向的信号形成波束的主波瓣且衰减其它方向的干扰。在蜂窝网式移动通信、地空通信、多用户协作通信等领域，智能型阵列天线技术的重要性十分显著，其中阵列天线波束成形技术是最重要的基本技术。自适应波束成形，可提高天线增益改善链路特性，可通过快速跟踪对准目标方向，扩大通信覆盖范围，扩展用户容量，因此其意义十分重大。国家专利技术专利“一种多波束相控天线系统”(申请公布号：CN105896079A)公开了一种多波束相控阵天线系统，该系统由M阵元天线阵列、M选N开关组件，N通道滤波组件、N通道功放、低噪声组件、N通道变频组件和N通道基带处理组件组成。该系统利用平面定向天线组成圆阵，结合天线选择进行波束赋形，可生成M个波束实现水平3600覆盖。该专利技术具有多波束全覆盖，瞬时点波束互通的功能，体积小，重量轻。但其采用利用开关组件波束扫描的方法实现多波束全覆盖，跟踪和对准移动用户的实时性、灵活性不足。此外，目前已有的阵列天线在实现多个波束同时对准移动用户时其硬件复杂度可能很高；而且同时跟踪多个目标的自适应波束成形方法，通常都需要有训练序列，需要付出较大的频带利用率代价。针对以上问题，本专利技术提出一种不依赖训练序列、能适时地跟踪对准多个移动用户、低复杂度、易于硬件实现的多波束成形方法及装置。
技术实现思路
针对以上现有技术的不足，本专利技术提出一种时分多址(TDMA)通信系统中阵列天线多波束成形方法及装置，解决现有自适应波束成形技术需要依赖训练序列、设备复杂度高、时变特性差等问题，具有无需训练序列开销、设备和计算复杂度都很低、波束跟踪移动用户实时性好、各个波束均可获得完全阵列处理增益等优点。A.总体结构原理和方法描述本专利技术是一种用于TDMA通信系统中阵列天线多波束成形的方法及装置，对于给定的通信频带B，每帧时长为Tfrm，每帧划分为M个时隙(M＝4～32)，M个用户分别在指定的时隙中采用N阵元(N＝2～16)的收发共享天线发送和接收信号。该系统接收端包括有：N个射频-中频-基带信号处理单元(101)、N个正交下变频及采样量化单元(102)、N个时分分接单元(103)、K个自适应波束成形计算单元(104)；其多波束自适应成形的信号处理步骤如下：步骤101：N个天线阵元所接收到的N路信号，分别通过相应的101单元和102单元处理后，输出N个基带复数字信号，送到相应的103单元。步骤102：N个信号分别在N个103单元中进行时分分接，各输出K个长度都为Lslot个样点的子帧信号{xi，n(t)；i＝1：K，t＝1：Lslot}|n＝1：N，其中Lslot为每帧每个时隙包含的样点个数，将这KN个子帧信号看作是K个N维的矢量序列，即{Xi(t)，t＝1：Lslot}|i＝1：K＝{[xi，1(t)xi，2(t)...xi，N(t)]，t＝1：Lslot}|i＝1：K各子帧信号都相继地排列为无穷长的矢量序列步骤103：将第i个矢量序列送到第i个104单元中，采用基于输出功率最大化的自适应波束成形方法进行权值的自适应迭代更新，每一采样时刻t输出一个N维的权矢量用于合成第i个波束的输出信号，即其中权矢量序列也是由各相应时隙的Lslot长权矢量序列{Wi，q(τ)，q＝0：∞；τ＝1：Lslot}相继排列而成，即则在不断的自适应迭代过程中，所得接收信号{Yi(t)}|i＝1：K收敛于K个波束的正确输出，其波束方向分别指向K个发送用户的来波方向。该系统发送端包括有：基带复信号产生单元(201)、数模转换单元(202)、正交载波调制单元(203)、射频信号放大单元(204)；其发送多波束成形的信号处理步骤如下：步骤201：对于要发送给K个用户的信息，分别送到相应的201单元，各输出一个基带复信号并将它们都划分为每段Lslot个样点的信号段，即步骤202：对于要发送给第i个用户(i＝1：K)的信号{Ui，q(τ)}，将它乘以接收端在104单元中自适应迭代权值更新所得权矢量{Wi，q(τ)，q＝0：∞；τ＝1：Lslot}，得到一个Lslot长的N维信号矢量序列即第q帧、第i个时隙所对应的矢量序列为步骤203：将送到第n个(n＝1：N)由相应的202单元、203单元、204单元构成的发送信号处理通道，变为射频信号后经双工耦合器送到第n个天线阵元在第q帧的第i时隙中进行发射。上述多波束自适应成形方法最大的优点是，其所需的射频-中频-基带信号处理通道数较少；它始终等于天线阵元数N，无论时隙数M是多大，或者进一步采用MF-TDMA体制将用户总数扩大多少倍，都是如此。因此其硬件实现的复杂度很低。B.独特的自适应波束成形方法描述本专利技术所采用的基于输出功率最大化的自适应多波束成形方法，其步骤如下：步骤301-阵列天线接收信号预处理N阵元的阵列天线各个阵元分别接收射频信号，经各个信号处理通道处理后得到N个基带复信号，可表示为一个N维矢量序列，来波方向体现在这N个复信号中隐含载波的相位差异。对于有M个时隙的TDMA系统，其中第i个时隙(即第i个用户)的各个子帧信号段按序排列成为一个N维的矢量序列下面省略下标i，将任意一个用户的接收信号矢量序列表示为{X(t)＝[x1(t)，x2(t)，…，xN(t)]，t＝1：∞}，进而描述如何形成一个指向该用户信号来波方向的天线波束，其自适应迭代过程如下。步骤302-自适应迭代过程初始化：令t＝1，W(t)|t＝1＝[w1(t)，w2(t)，…，wN(t)]|t＝1＝[1，1，…，1]；步骤303-基于权值合成输出信号：利用权值量W(t)，将输入的N阵元接收信号{X(t)}合成为一个输出信号Y(t)＝X(t)(W(t))T；步骤304-计算权矢量修改量：根据最陡梯度爬坡法计算权矢量修改值，即ΔW(t)＝＝μX(t)(Y(t))*；步骤305-权矢量初步更新：步骤306-权矢量更新回调：由回调得到修正的权矢量W(t+1)＝[w1(t+1)，w2(t+1)，…，wN(t+1)]其中w1(t+1)＝1；再令t→t+1，W(t)＝W(t+1)，然后转向步骤303继续进行迭代。上述自适应迭代波束成形算法，是基于输出信号功率最大化准则的最陡梯度爬坡法，其流程框图如图2所示。在迭代过程中各权值的模始终保持等于1，这就防止了信号功率趋向于无穷大。这种算法的收敛速度很快，只要100多个样点的迭代就能收敛到接近目标值，其计算复杂度也很低，与常规方法利用训练序列估计多个来波方向的算法相比，其计算复杂度可降低许多倍，例如几十至几百倍。本专利技术具有如下的积极效果：1.无需训练序列开销本专利技术利用阵列接收信号所具有的相位信息，采用自适应迭代方法获得波束成形权值，无需依赖训练序列，因此避免了因增加训练序列而产生的多余开销。2.解决了天线增益与角度覆盖范围之间的矛盾本专利技术将TDMA技术与阵列天线技术相结合，对不同时隙信号采用不同波束成形权值，各时隙波束成形权值分别进行迭代更新，互不影响，因此可精确区分多用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种时分多址(TDMA)通信系统中阵列天线多波束成形方法，对于给定的通信频带B，每帧时长为Tfrm，每帧划分为M个时隙(M＝4～32)，M个用户分别在指定的时隙中采用N阵元的收发共享天线发送和接收信号，其中任意一个用户的阵列天线形成K个波束(K＝1～M)的方法，其特征在于：(1)其接收端包括有：N个射频‑中频‑基带信号处理单元(101)、N个正交下变频及采样量化单元(102)、N个时分分接单元(103)、K个自适应波束成形计算单元(104)；其多波束自适应成形的信号处理步骤如下：步骤101：N个天线阵元所接收到的N路信号，分别通过相应的101单元和102单元处理后，输出N个基带复数字信号，送到相应的103单元；步骤102：N个信号分别在N个103单元中进行时分分接，各输出K个长度都为Lslot个样点的子帧信号{xi，n(t)；i＝1：K，t＝1：Lslot}|n＝1：N，其中Lslot为每帧每个时隙包含的样点个数；将这KN个子帧信号看作是K个N维的矢量序列，即{Xi(t)，t＝1：Lslot}|t＝1：K＝{[xi，1(t)xi，2(t)…xi，N(t)]，t＝1：Lslot}|i＝1：K各子帧信号都相继地排列为无穷长的矢量序列...

【技术特征摘要】
1.一种时分多址(TDMA)通信系统中阵列天线多波束成形方法，对于给定的通信频带B，每帧时长为Tfrm，每帧划分为M个时隙(M＝4～32)，M个用户分别在指定的时隙中采用N阵元的收发共享天线发送和接收信号，其中任意一个用户的阵列天线形成K个波束(K＝1～M)的方法，其特征在于：(1)其接收端包括有：N个射频-中频-基带信号处理单元(101)、N个正交下变频及采样量化单元(102)、N个时分分接单元(103)、K个自适应波束成形计算单元(104)；其多波束自适应成形的信号处理步骤如下：步骤101：N个天线阵元所接收到的N路信号，分别通过相应的101单元和102单元处理后，输出N个基带复数字信号，送到相应的103单元；步骤102：N个信号分别在N个103单元中进行时分分接，各输出K个长度都为Lslot个样点的子帧信号{xi，n(t)；i＝1：K，t＝1：Lslot}|n＝1：N，其中Lslot为每帧每个时隙包含的样点个数；将这KN个子帧信号看作是K个N维的矢量序列，即{Xi(t)，t＝1：Lslot}|t＝1：K＝{[xi，1(t)xi，2(t)…xi，N(t)]，t＝1：Lslot}|i＝1：K各子帧信号都相继地排列为无穷长的矢量序列步骤103：将第i个矢量序列送到第i个104单元中，采用自适应波束成形方法进行自适应迭代权值更新，每一采样时刻t输出一个N维的权矢量用于合成第i个波束的输出信号，即其中权矢量序列也是由各相应时隙的Lslot长权矢量序列{Wi，q(τ)，q＝0：∞；τ＝1：Lslot}相继排列而成，即则在不断的自适应迭代过程中，所得接收信号{Yi(t)}|i＝1：K收敛于K个波束的正确输出；(2)其发送端包括有：基带复信号产生单元(201)、数模转换单元(202)、正交载波调制单元(203)、射频信号放大单元(204)；其发送多波束成形的信号处理步骤如下：步骤201：对于要发送给K个用户的信息，分别送到相应的201单元，各输出一个基带复信号并将它们都划分为每段Lslot个样点的信号段，即步骤202：对于要发送给第i个用户(i＝1：K)的信号{Ui，q(τ)}，将它乘以接收端在104单元中自适应迭代权值更新所得权矢量{Wi，q(τ)，q＝0：∞；τ＝1：Lslot}，得到一个Lslot长的N维信号矢量序列即第q帧、第i个时隙所对应的矢量序列为步骤203：将送到第n个(n＝1：N)由相应的202单元、203单元、2...

【专利技术属性】
技术研发人员：张方，杭玉婷，易克初，
申请(专利权)人：西安英诺视通信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61