DE4317152C2 - Phase shifter for adaptive array antennas - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Phasenschieber für adaptive Gruppenantennen, der diskret optimiert als Komponente einer phasengesteuerten Gruppenantenne mit digitalisierten Einzelelementsignalen zur Ausbildung einer an die jeweilige Empfangssituation angepaßten Richtcharakteristik betreibbar ist.The invention relates to a phase shifter for adaptive array antennas that are discretely optimized as Component of a phased array with digitized single element signals for training one adapted to the respective reception situation Directional characteristic is operable.
Mehrelementige adaptive Antennen bieten u. a. den Vor teil eines erhöhten Gewinns gegenüber einer Empfangs antenne mit Rundumcharakteristik. Weiterhin kann sich eine solche Antenne auf eine gegebene Signalsituation einstellen. Die Verfügbarkeit preiswerter und schneller Analog-Digital-Umsetzer implementiert den Gedanken, bereits die Signale der einzelnen Antennenelemente zu digitalisieren und digital weiterzuverarbeiten. Univer selle Signalprozessoren sind dabei überfordert, so daß nur eine spezielle Lösung in Betracht kommt, deren Aufwand möglichst gering gehalten werden soll.Multi-element adaptive antennas offer u. a. the pros part of an increased profit over a receipt antenna with all-round characteristics. It can continue such an antenna on a given signal situation to adjust. The availability cheaper and faster Analog-to-digital converter implements the idea already the signals of the individual antenna elements Digitize and digitally process. Univer Signal processors are overstrained, so that only a special solution comes into consideration whose Effort should be kept as low as possible.
Zur Ausbildung einer an die jeweilige Signalsituation angepaßten Richtcharakteristik müssen die Einzelele mentsignale phasenrichtig addiert werden. Es ist nach Monzingo, R. A.; Miller, T. W.: Introduction to Adapti ve Arrays, John Wiley & Sons, New York 1980 bekannt, daß die dazu notwendigen Phasenschieber auf analoge Signale hin ausgelegt werden.To train one to the respective signal situation matched directivity must the individual ment signals are added in the correct phase. It is after Monzingo, R. A .; Miller, T.W .: Introduction to Adapti Arrays, John Wiley & Sons, New York 1980, that the necessary phase shifter on analog Signals are interpreted towards.
Zwei Vertreter dieser Gattung sind Laufzeitleitungen und Vektormodulatoren. Über Laufzeitleitungen berichtet Grabow, W. in "Numerische und experimentelle Untersu chungen zum Mobilen Satellitenempfang zirkular pola risierter Wellen mit adaptiven Planarantennen"; Disser tation D 14-34, Universität Paderborn 1990.Two representatives of this genus are delay lines and vector modulators. Reported about delay lines Grabow, W. in "Numerical and Experimental Subs Mobile Satellite Reception Circular Pola rized waves with adaptive planar antennas "; Disser D 14-34, University of Paderborn 1990.
Vektormodulatoren sind Gegenstand der Patentanmeldung DE-A-35 11 762 der Robert Bosch GmbH Stuttgart. Obwohl ihre Wirkungsweise analoger Natur ist, werden sie als digitale Phasenschieber bezeichnet, weil sie aufgrund ihrer Werteabstufung über ein digitales Codewort einge stellt werden können.Vector modulators are the subject of the patent application DE-A-35 11 762 of Robert Bosch GmbH Stuttgart. Even though their mode of action is analogous in nature, they are called Digital phase shifters are called because they are due their value grading via a digital codeword can be made.
Diese von ihrer Wirkungsweise her analogen Komponenten sind Fertigungstoleranzen unterworfen. Mit der Phasen verschiebung geht, abhängig von der eingestellten Pha se, zum Teil eine unerwünschte Dämpfung einher. These components are analogous in their effect are subject to manufacturing tolerances. With the phases shift, depending on the Pha se, in part associated with unwanted attenuation.
Soll eine gezielte Amplitudengewichtung vorgenommen werden, so sind dazu in der Regel zusätzliche Däm pfungsglieder notwendig. Eine weitere, bekannte Mög lichkeit zur Phasengewichtung besteht darin, das em pfangene Teilsignal zunächst mit analoger Technik in eine Inphasen- und eine Quadraturkomponente zu zerle gen.Is a targeted amplitude weighting made are, so are usually additional Däm necessary. Another, well-known possibility The importance of phase weighting is that the em pfangene partial signal first with analog technology in to break down an in-phase and a quadrature component gene.
Eine solche Vorgehensweise wird in Tsui, J. B.: Digital Microwave Receivers Artech House, Inc., 685 Canton Street Norwood, MA 02062, 1989 beschrieben. Anschlie ßend erfolgt eine getrennte Analog/Digital-Umsetzung der beiden Signalkomponenten und deren Gewichtung. Die Nachteile dieses Verfahrens sind in der vorgenannten Literatursstelle dargestellt.Such an approach is described in Tsui, J. B .: Digital Microwave Receivers Artech House, Inc., 685 Canton Street Norwood, MA 02062, 1989. subsequently, ßend takes place a separate analog / digital conversion the two signal components and their weighting. The Disadvantages of this method are in the aforementioned Literature site shown.
Zwischen mehreren möglichen Verfahren zur Phasenbewer tung eines abgetasteten und digitalisierten Signals - z. B. durch einen Quadraturmischer oder einen Hilbert transformator in jedem Signalzweig und anschließender Gewichtung der Ausgangssignale - benötigt die Lösung nach Klostermeyer, R.: Ein Verfahren zum mobilen Em pfang von Signalen direktstrahlender Satelliten, Dis sertation D 14-21, Universität Paderborn, Fortschr.- Ber. VDI Reihe 10 Nr. 93, Düsseldorf; VDI-Verlag 1988 den geringsten Aufwand.Between several possible methods for phase estimation a sampled and digitized signal - z. B. by a quadrature mixer or a Hilbert transformer in each signal branch and subsequent Weighting of the output signals - requires the solution to Klostermeyer, R .: A method for mobile em pfang of signals from direct-beam satellites, Dis sertation D 14-21, University of Paderborn, cont. Ber. VDI Series 10 No. 93, Dusseldorf; VDI-Verlag 1988 the least effort.
Hier wird jedes Einzelelementsignal zunächst nur mit zwei Faktoren gewichtet. Fig. 1 zeigt das Blockschalt bild eines Phasenschiebers einer solchermaßen betriebe nen Gruppenantenne, von dem die Erfindung ausgeht.Here, each single element signal is initially weighted with only two factors. Fig. 1 shows the block diagram of a phase shifter such a plant nen group antenna, from which the invention proceeds.
Aus dem Buch "Ein Verfahren zum mobilen Empfang von Signalen direkt strahlender Satelliten", aus der Reihe Fortschrittsberichte VDI von R. Klostermeyer, Reihe 10, Nr. 93, VDI-Verlag 1988, Seite 10-15 sowie Seite 32-44, geht eine mathematische Darstellung des Prinzips eines Phasenschiebers hervor. Die hier vorgestellte Phasen verschiebung bedient sich der Multiplikation der fre quenzversetzten und digitalisierten Antennenelements signale mit komplexen Gewichtsfaktoren, wodurch eine gewünschte Gewichtcharakteristik realisiert werden kann. Die komplexen Gewichtsfaktoren sind variabel, da sie der jeweiligen Empfangsbedingung angepaßt werden müssen.From the book "A method for mobile reception of Signals from direct radiating satellites ", from the series Progress Reports VDI by R. Klostermeyer, Series 10, No. 93, VDI-Verlag 1988, pages 10-15 and pages 32-44, goes a mathematical representation of the principle of a Phase shifter forth. The phases presented here shift uses the multiplication of fre offset and digitized antenna element signals with complex weight factors, causing a desired weight characteristic can be realized can. The complex weight factors are variable because they are adapted to the respective reception condition have to.
Weitergehende Ausführungen bezüglich der physikalischen Ausgestaltung eines Phasenschiebers sowie Angaben zur Optimierung der für die Phasentransformation er forderlichen Koeffizienten sind dieser Druckschrift jedoch nicht zu entnehmen. Überdies wird auf Seite 12 der angegebenen Druckschrift ausgeführt, daß zur Ver arbeitung der Einzelelementsignale die Aufteilung in unterschiedliche Signalkomponenten durchgeführt wird, die sogenannten Inphasen- und Quadraturphasenkompenten, wordurch die Signal-Verarbeitungsgeschwindigkeit und damit die Abtastraste unnötig herabgesetzt wird.Further explanations regarding the physical Design of a phase shifter and information on Optimization of the phase transformation he required coefficients are this document but not to be seen. Moreover, on page 12 the specified document stated that the Ver processing the single element signals the division into different signal components is performed, the so-called in-phase and quadrature-phase components, because of the signal processing speed and so that the sampling rate is unnecessarily lowered.
Ebenso beschreibt die britische Druckschrift GB-2 181 907 ein Phasenschieberprinzip, bei dem die Ein gangssignale in Quadratkomponenten zerlegt werden, die nach einer Digitalisierung mit Hilfe einer PROM-Tabelle transformiert werden. Eine PROM-Tabelle zählt jedoch zu den aufwendigsten Formen von Signalstellenverdrahtun gen, so daß auf diese Weise eine Reduzierung der Signal-Ver arbeitungsgeschwindigkeit nicht erreicht werden kann. Auch trägt nicht zuletzt die Notwendigkeit von Speichern dazu bei, die Verarbeitungsgeschwindigkeit der Signale we sentlich mitzubestimmen.Likewise, British document GB-2 181 907 describes a phase shifter principle, in which the Ein be broken down into square components, the after digitization using a PROM table be transformed. However, a PROM table counts the most elaborate forms of Signalstellenwirrahtun gene, so that in this way a reduction of the signal Ver processing speed can not be achieved. Also Last but not least, it adds the need for storage at, the processing speed of the signals we to contribute significantly.
Ein dem vorstehend beschriebenen Phasenschieberprinzip ähnliches Verfahren geht auch aus der US-4 807 171 hervor, bei dem der Einsatz von Speicherelementen eben falls unumgänglich ist.A the phase shifter principle described above Similar process is also known from US Pat. No. 4,807,171 in which the use of memory elements even if it is unavoidable.
Der Vollständigkeit halber sei auch auf den Artikel von Proakis und Manolakis hingewiesen, der in "Introduction to Digital Signal Processing", New York, Maxmillan Publishing Company, 1988, Seiten 875 bis 877 (ISBN 0-02-396810-9), enthalten ist, in dem beschrieben wird, wie Ausgangssignale von Gruppenantennen mit Hilfe adaptiver Filter zu bearbeiten sind. Angaben zur Ste igerung der Verarbeitungsgeschwindigkeit bzw. konkrete Ansätze durch Steigerung der Abtastrate sind aus dieser Druckschrift nicht zu entnehmen.For the sake of completeness, please also refer to the article by Proakis and Manolakis referred to in "Introduction to Digital Signal Processing, New York, Maxmillan Publishing Company, 1988, pages 875-877 (ISBN 0-02-396810-9), which describes like output signals from group antennas with help adaptive filter to edit. Information on the Ste increase in processing speed or concrete Approaches by increasing the sampling rate are out of this Reference not to be taken.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch digita le Signalverarbeitung bei der Ausbildung der Richt charakteristik die aufgezeigten Nachteile der analogen Komponenten zu vermeiden und die Signal-Ver arbeitungsgeschwindigkeiten sowie die Abtastraten zu erhöhen. Insbesondere sollen Verzerrungen der Empfangscharakteristik durch Vermeidung von Fertigungstoleranzen, wie sie vom Einsatz analoger Bauelemente bekannt sind, ausgeschlossen werden. Weiterhin ist eine Realisierungsform mit möglichst geringem Aufwand für die notwendigen Rechenoperationen zu finden. Diese soll außerdem keinen Einfluß auf die durch die gewählte Chiptechnologie und die davon abhän gige Gatterlaufzeit vorgegebene maximale Abtastrate nehmen. Die Vorteile der digitalen Ansteuerbarkeit des Phasenschiebers sollen erhalten bleiben.The invention is based on the object by digita le signal processing in the training of Richt characteristic of the identified disadvantages of the analog Components to avoid and the signal ver processing speeds and sampling rates too increase. In particular, distortions of the Receiving characteristic by avoidance of Manufacturing tolerances, such as the use of analog Components are known to be excluded. Furthermore, a realization form with possible little effort for the necessary arithmetic operations to find. This should also have no effect on the through the chosen chip technology and the depended on it gige gate running time given maximum sampling rate to take. The advantages of the digital controllability of the Phase shifters should be preserved.
Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfin dung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.An inventive solution to this problem is in Claim 1 specified. Further developments of the invent The claims are characterized in the subclaims.
Durch die Erfindung wird eine Lösung geschaffen, die eine Beeinflussung einer an die jeweilige Empfangssitu ation angepaßten Richtcharakteristik erlaubt.The invention provides a solution that an influence on the respective Empfangssitu Ation adapted directional characteristics allowed.
Erfindungsgemäß wird ein Phasenschieber für adaptive Gruppenantennen, der diskret optimiert als Komponente einer phasengesteuerten Gruppenantenne mit digitalisierten Einzelelementsignalen zur Ausbildung einer an die jeweilige Empfangssituation angepaßten Richtcharakteristik betreibbar ist, derart weiterge bildet, daß die digitalisierten Ein zelelementsignale durch entsprechende Verdrahtung von Binärstellen repräsentierenden Signalleitungen mit Faktoren 2-k, k = 0, 1, 2, . . . multiplizierbar sind, daß für eine Phasengewichtung erforderliche Koeffizienten durch Verschieben der durch Phasenschieber erzeugten Signale von mehr als zwei Bit Auflösung addiert oder voneinander substrahiert werden und daß eine für eine gewünschte Richtcharakteristik getrennt nach Real- und Imaginärteil vor zunehmende Gewichtung mit Hilfe von Multiplexern vornehmbar ist, die getrennt für Real- und Imaginärteil eines gewichteten Ein zelelementsignals einstellbar sind.According to the invention, a phase shifter for adaptive array antennas, which is discretely optimized as a component of a phased array antenna with digitized single element signals to form a matched to the respective receiving situation directional characteristic is operable, such weiterge forms that the digitized A zelelementsignale by appropriate wiring of binary representative signal lines with factors. 2 -k , k = 0, 1, 2 ,. , , can be multiplied such that coefficients required for a phase weighting are added or subtracted from one another by shifting the signals generated by phase shifters of more than two bits resolution and that one for a desired directional characteristic separated into real and imaginary parts before increasing weighting by means of multiplexers, which are separately adjustable for real and imaginary part of a weighted A zelelementsignals.
Auf dieser Weise bedarf der erfindungsgemäße Phasenschieber keinen Speicher, so daß die Signalverar beitungsgeschwindigkeit wesentlich gesteigert werden kann. In this way, the invention requires Phase shifter no memory, so that the Signalverar processing speed can be significantly increased can.
Vorzugsweise werden die für die Gewichtung notwendigen Additionen bzw. Subtraktionen mit der anschließenden Teilsignaladdition zusammen in rechenzeitgünstiger Carry-Save-Arithmetik durchgeführt, wobei die maximal realisierbare Abtastrate nur durch die Gatterlaufzeit eines 1-bit-Volladdierers begrenzt ist.Preferably, those necessary for the weighting Additions or subtractions with the subsequent Partial signal addition together in rechenzeitgünstiger Carry-save arithmetic is performed, with the maximum realizable sampling rate only by the gate transit time a 1-bit full adder is limited.
Gemäß Anspruch 3 ist zur Gewährleistung der notwendigen Rechenoperationen der Phasenschieber mit einem Speicher gekoppelt, in dem Register mit vorausbere chnetem Inhalt vorhanden sind.According to claim 3 is to ensure the necessary Arithmetic operations of the phase shifter with a Memory coupled, in the register with vorausbere content is available.
Schließlich nach Anspruch 4 für jedes Teilsignal (1) das Verschiebe- und Additionsnetzwerk (2, 3) einmal, der Multiplexer (4) zweimal, je einer für den Real- und Imaginärteil, vorgesehen.Finally, according to claim 4 for each sub-signal ( 1 ) the shift and addition network ( 2 , 3 ) once, the multiplexer ( 4 ) twice, one each for the real and imaginary part provided.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungs beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exempla risch beschrieben. Es zeigen:The invention will be described below with reference to embodiment Examples with reference to the drawing exempla described. Show it:
Fig. 1 einen Phasenschieber nach dem Stand der Technik, Fig. 1 shows a phase shifter according to the prior art,
Fig. 2 Blockschaltbild des gesamten Phasenschiebers mit Addition weiterer Teilsignale; Fig. 2 block diagram of the entire phase shifter with the addition of further sub-signals;
Fig. 3 Darstellung von Koeffizientenkombinationen in der komplexen Ebene Fig. 3 representation of coefficient combinations in the complex plane
Fig. 4 Blockschaltbild eines Koeffizientenmultipli zierers zum Einstellen der diskret optimierten Gewichtsfaktoren ejn; Fig. 4 is block diagram of a Koeffizientenmultipli action element for adjusting the discrete optimized weighting factors e jn;
Fig. 5 Blockschaltbild des erweiterten Koeffizienten multiplizierers. Fig. 5 block diagram of the extended coefficient multiplier.
Das Funktionsprinzip eines bekannten Phasenschiebers, von dem die Erfindung ausgeht, kann durch das in Fig. 1 dargestellte Blockschaltbild wiedergegeben werden. Dort wird von einer Quadraturzerlegung durch ein digitales Rechenwerk ausgegangen. xn (k) stellt das vom Analog/Di gital-Umsetzer bereitgestellte Signal des n-ten Anten nenelementes dar. Durch die Bewertung mit den Konstan ten an = Re{ej ϕ n} und bn = Im{ej ϕ n} wird die Phasenver schiebung des n-ten Teilsignals um den Winkel ϕn vorbe reitet. Eine allgemeine Multiplikation ist dazu nicht notwendig. Für den einzustellenden Phasenwinkel ϕn reicht im allgemeinen die bekannte Stufung von Δϕ = 22,5° aus. Durch das Mischen mit dem Oszillatorsignal s(k) = ej( π /2)k, k = 1, 2, 3, . . . und der anschließen den Tiefpaßfilterung von Real- und Imaginärteil mit einem Halbbandfilter ergibt sich das um ϕn phasenver schobene, komplexe Signal u(k). Dieses stellt die kom plexe Einhüllende des Eingangssignals Xn (k) dar. Die Halbbandfilterung ermöglicht eine Reduktion der Daten rate des Real- und Imaginärteils von u(k) auf die Hälf te derjenigen des Filtereingangssignals.The operating principle of a known phase shifter, from which the invention proceeds, can be represented by the block diagram shown in Fig. 1. There is assumed by a quadrature decomposition by a digital arithmetic unit. x n (k) represents the signal of the n-th antenna element provided by the analog / digital converter. By the evaluation with the constants a n = Re {e j φ n } and b n = Im {e j φ n } is the Phasenver shift of the n-th sub-signal by the angle φ n vorbe riding. A general multiplication is not necessary. For the phase angle φ n to be set, the known grading of Δφ = 22.5 ° is generally sufficient. By mixing with the oscillator signal s (k) = e j ( π / 2) k , k = 1, 2, 3,. , , and connecting the low-pass filtering of real and imaginary part with a half-band filter results in φ n phasenver pushed complex signal u (k). This represents the complex envelope of the input signal X n (k). The half-band filtering allows a reduction of the data rate of the real and imaginary part from u (k) to half that of the filter input signal.
Die Addition der Signale xn, n = 1 . . . N der einzelnen Elemente einer N-elementigen Antenne, getrennt nach Real-und Imaginärteil, kann bereits vor der Modulation mit s(k) erfolgen. Damit verbleibt allein der Koeffi zientenmultiplizierer als phasenbestimmende Systemkom ponente vor der Summation der Einzelelementsignale und muß so für jedes Teilsignal separat vorhanden sein.The addition of the signals x n , n = 1. , , N of the individual elements of an N-element antenna, separated according to real and imaginary part, can already be done before the modulation with s (k). Thus, only the coefficient multiplier remains as a phase-determining system component prior to the summation of the individual element signals and thus must be present separately for each component signal.
Die Aufgabe, diese Komponente mit möglichst geringem Aufwand zu realisieren, wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, d. h. Multiplikation des digitali sierten Einzelelementsignals mit den Faktoren 2-k, wobei k = 0, 1, 2, . . . beträgt, realisiert durch eine entsprechende Verdrahtung der die Binärstellen verkör pernden Signalleitungen, nachfolgende Addition bzw. Substraktion von jeweils zwei der durch Verschieben erzeugten Signale zur Gewinnung der für die Phasenge wichtung notwendigen Koffizienten und schließlich Se lektion der für die einzustellende Richtcharakteristik erforderlichen Gewichtung getrennt nach Real- und Imagi närteil durch je einen Multiplexer.The task of realizing this component with the least possible effort is achieved in a generic device by the characterizing features of claim 1, ie multiplication of digiti-based single element signal with the factors 2- k , where k = 0, 1, 2 ,. , , is realized by an appropriate wiring of the binary places verkör pernden signal lines, subsequent addition or subtraction of two of the signals generated by shifting to obtain the weighting necessary for the Phasenge weighting coefficients and finally Se lektion required for the directional weighting weighting separated according to Real and Imagi närteil by a multiplexer.
Ein solcher Phasenschieber mit seinen Komponenten kann mit der Summierung der Teilsignale rechenzeitgünstig zusammengefügt werden, indem schon die Additionen für die die Phase bestimmenden Koeffizienten an und bn in Carry-Save-Arithmetik ausgeführt werden. Hierzu muß nach einer Ausbildung der Antenne nach Anspruch 2 jeder Multiplexer Summen- und Carrybit zu der Summationsstel le aller Teilsignale weiterleiten.Such a phase shifter with its components can be joined together with the summation of the sub-signals in a computationally reasonable manner by already carrying out the additions for the phase-determining coefficients a n and b n in carry-save arithmetic. For this purpose, according to an embodiment of the antenna according to claim 2, each multiplexer sum and carry bit forward to the Summationsstel le all sub-signals.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht in der getrennten Adressierung der Multiplexer einer Teilsig nalgewichtung nach Real- und Imaginärteil gemäß An spruch 3. Dadurch lassen sich nicht nur die für eine Phasenverschiebung des n-ten Antennenelementsignals notwendigen Koeffizientenkombinationen an + jbn = ej ϕ n auf dem Einheitskreis realisieren, sondern auch Ampli tudengewichtungen vornehmen.A further embodiment of the invention consists in the separate addressing of the multiplexers of a partial weighting according to real and imaginary part according to claim 3. Thus, not only the necessary for a phase shift of the n-th antenna element signal coefficient combinations a n + jb n = e j φ n on the unit circle, but also make amplitude weightings.
Für jedes Teilsignal xn sind auf diese Weise die Ge wichtsfaktoren wn = an + jbn einstellbar, wobei eine beliebige Kombination für an und bn realisiert werden kann. Der Betrag der Gewichtsfaktoren |wn| = a²n + b²n muß hierbei nicht immer in der Umgebung von 1 liegen.For each sub-signal x n , the Ge weight factors w n = a n + jb n are adjustable in this way, with any combination for a n and b n can be realized. The amount of weight factors | w n | = a² n + b² n does not always have to be in the vicinity of 1.
Neben einer eventuellen Erweiterung des vorhandenen Multiplexers sind dazu keine weiteren Systemkomponenten notwendig. Gegenüber einer reinen Phasengewichtung können zusätzlich symmetrisch zu einem gewünschten Sender gelegene Störer ausgeblendet werden.In addition to a possible extension of the existing Multiplexers are no further system components necessary. Compared to a pure phase weighting can also be symmetrical to a desired Sender-located disturbers are hidden.
Um die Fortschritte in der Speichertechnik zu nutzen, kann die zur Einstellung der Phase nötige Koeffizien tenmultiplikation in der Ausbildung der Antenne nach Anspruch 4 durch einen Speicher realisiert werden, der durch das binär codierte Signal xn (k) sowie den Binär code der gewünschten Phaseneinstellung adressiert wird. Das entsprechende, für jede Kombination vorausberechne te und gespeicherte Ergebnis wird dann aus dem Speicher aus gelesen.To take advantage of the advances in memory technology, the necessary for adjusting the phase coefficient tenmultiplikation in the formation of the antenna according to claim 4 can be realized by a memory by the binary coded signal x n (k) and the binary code of the desired phase adjustment is addressed. The corresponding pre-calculated and stored result for each combination is then read from the memory.
Die notwendigen Rechenoperationen werden also durch einen Speicherzugriff auf Register mit vorausberechne tem Inhalt durchgeführt.The necessary arithmetic operations are so through a memory access to registers with precalculated content.
Zur weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird auf die Patentansprüche verwiesen.For further embodiment of the invention is based on the Referenced claims.
Der mit dieser Erfindung vorgeschlagene Phasenschieber ermöglicht eine schaltungstechnisch einfache Realisie rung der erfindungsgemäßen Aufgabenstellung bei hohen Abtastraten.The phase shifter proposed by this invention allows a simple circuitry Realisie tion of the task of the invention at high Sampling rates.
Es kann sowohl eine Phasen- als auch eine Amplitudenge wichtung realisiert werden.It can have both a phase and an amplitude set be realized weighting.
Für die Amplitudengewichtung sind - im Gegensatz zu Phasenschiebern für analoge Signale - keine zusätzli chen Baugruppen notwendig. Durch Pipeline - Verarbei tung und Carry-Save-Arithmetik ist die maximal reali sierbare Abtastrate nur durch die Gatterlaufzeit eines 1-bit-Volladdierers begrenzt.For the amplitude weighting are - in contrast to Phase shifters for analogue signals - no additional chen modules necessary. Through pipeline processing tion and carry-save arithmetic is the maximum reali sierbare sampling rate only by the gate transit time of a 1-bit full adder limited.
Fig. 2 zeigt ausgehend vom den Stand der Technik be schreibenden Fig. 1 den prinzipiellen Signalverlauf des Phasenschiebers. Fig. 2 shows starting from the prior art be writing Fig. 1, the basic waveform of the phase shifter.
xn (k) bezeichnet das vom Analog/Digital-Umsetzer be reitgestellte Teilsignal 1. Durch die nachfolgende Bewertung mit den Konstanten an für den Realteil und bn für den Imaginärteil wird die Phasenverschiebung des n- ten Teilsignals 1 um den Winkel ϕn gewährleistet.x n (k) denotes the be prepared by the analog / digital converter be partial signal. 1 The subsequent evaluation with the constants a n for the real part and b n for the imaginary part ensures the phase shift of the n th partial signal 1 by the angle φ n .
Vor dem Mischen 6 mit dem Oszillatorsignal s(k) und der anschließenden Tiefpaßfilterung 7 von Real- und Imagi närteil erfolgt die Addition 5 weiterer Teilsignale xn mit n = 1 . . . N der einzelnen Elemente einer N-elemen tigen Antenne, getrennt nach Real- und Imaginärteil. Aus diesem Aufbau ist abzuleiten, daß der Koeffizien tenmultiplizierer vor der Summation der Einzelsignale für jedes Teilsignal 1 separat vorhanden sein muß.Before mixing 6 with the oscillator signal s (k) and the subsequent low-pass filtering 7 of real and imaginary närteil the addition of 5 further sub-signals x n with n = 1. , , N of the individual elements of an N-element antenna, separated according to real and imaginary part. From this structure, it can be deduced that the coefficients tenmultiplizierer before the summation of the individual signals for each sub-signal 1 must be present separately.
Das Ergebnis dieses Signaldurchlaufs und der dabei durchgeführten Signalbehandlung ist das um ϕn phasen verschobene, komplexe Signal u(k).The result of this signal sweep and the signal processing performed thereby is the complex signal u (k) shifted by φ n phases.
Fig. 3 veranschaulicht die für eine Phasenverschiebung des n-ten Antennensignals notwendigen Koeffizientenkom binationen an + jbn = ej ϕ n auf dem Einheitskreis. FIG. 3 illustrates the coefficient combinations a n + j b n = e j φ n required for a phase shift of the n-th antenna signal on the unit circle.
Die für jedes Teilsignal xn einstellbaren Koordinaten zur Signalgewichtung wn = an + jbn sind durch die Kreu zungspunkte des Gitters dargestellt.The coordinates, which can be set for each partial signal x n , for the signal weighting w n = a n + j b n are represented by the crossing points of the grating.
Dabei sind einstellbar:Here are adjustable:
- - die Gewichtsfaktoren wn = ej d n für reine Phasenge wichtung, dargestellt mit durch Kreise hervorgehobene Kreuzungspunkte;the weighting factors w n = e j d n for pure phase weighting, represented by points of intersection highlighted by circles;
- - Kreuzungen durchgezogener Linien sind ohne Mehrauf wand durch Koeffizientenmultiplizierer nach Fig. 4 einstellbar;- Crossings of solid lines are wall without additional effort by coefficient multiplier of Figure 4 adjustable.
- - weitere Kreuzungspunkte durch erweiterte Selektions schalter.- further crossing points through extended selection counter.
In Fig. 4 ist anhand eines Blockschaltbildes ein Koef fizientenmultiplizierer zum Einstellen der diskret optimierten Gewichtsfaktoren ej ϕ n dargestellt.In Fig. 4 on the basis of a block diagram a coef e j φ n is represented fizientenmultiplizierer for adjusting the discrete optimized weighting factors.
Die neun zur alleinigen Phasenschiebung notwendigen Koeffizienten werden durch Verschieben des Folgewertes xn (k) durch eine entsprechende feste Anordnung der die Binärstellen repräsentierenden Signalleitungen 2 und eine - nicht für alle Koeffizienten erforderliche - Addition 3 realisiert. Die Multiplikation mit dem Fak tor -1 kann als Subtraktion auch direkt in die Kon struktion einfließen.The nine coefficients necessary for the sole phase shift are realized by shifting the following value x n (k) by a corresponding fixed arrangement of the signal lines 2 representing the binary points and an addition 3 (not required for all coefficients ) . The multiplication with the factor -1 can also be incorporated directly into the construction as a subtraction.
Die für eine Phasengewichtung der Stufung Δϕ = 22,5° notwendigen Koeffizienten sind in Tabelle 1 wiedergege ben. Für eine gegebene Signalsituation wird den Ge wichtskoeffizienten an und bn des n-ten Teilsignals xn über den jeweiligen Multiplexer 4 einer dieser Werte zugeordnet.The coefficients necessary for a phase weighting of the grading Δφ = 22.5 ° are reproduced in Table 1. For a given signal situation, the weight coefficients a n and b n of the n-th partial signal x n are assigned to one of these values via the respective multiplexer 4 .
Der Tabelle 2 sind die durch die diskrete Optimierung der Koeffizienten verursachten Fehler gegenüber einer idealen Phasengewichtung mit Δϕ = 22,5° zu entnehmen. Die in Tabelle 2 nicht aufgeführten Werte für Winkel zwischen 90° und 360° ergeben sich aus den angegebenen Werten durch Spiegelung an der reellen und imaginären Achse der komplexen Ebene.Table 2 is that through discrete optimization the coefficients caused errors over one ideal phase weighting with Δφ = 22.5 °. The values for angles not listed in Table 2 between 90 ° and 360 ° result from the specified Values by reflection on the real and imaginary Axis of the complex plane.
In Fig. 4 ist die Verschiebung durch ein Rechteck mit einem in Richtung geringwertigerer Stellen weisenden Pfeil symbolisiert. Unter dem Pfeil ist die Anzahl der Dualstellen angegeben, um die der Operand verschoben wird. Der Multiplexer 4 wählt den für die Einstellung der Richtcharakteristik notwendigen Faktor aus. Für jedes Teilsignal ist dabei das Verschiebe- und Addi tionsnetzwerk einmal, der Multiplexer zweimal (je einer für Real- und Imaginärteil) vorzusehen.In FIG. 4, the displacement is symbolized by a rectangle with an arrow pointing in the direction of lower-value places. The arrow indicates the number of dual points by which the operand is moved. The multiplexer 4 selects the factor necessary for the adjustment of the directional characteristic. For each sub-signal is the shift and Addi tion network once, the multiplexer twice (one each for real and imaginary part) provided.
Fig. 5 zeigt die Vorrichtung zur Koeffizienteneinstel lung für eine zusätzliche Amplitudengewichtung. Dazu werden die durch das Verschieben der Werte der Ein gangsfolge erzeugten, bisher aber nur für eine nachfol gende Addition 3 in der Koeffizienteneinstellung nach Fig. 4 genutzten Signale direkt zugänglich. Das mit den Faktoren ± 2-4 gewichtete Signal kann ebenfalls mitver wendet werden, bedingt jedoch eine Erweiterung der Ansteuerung der Multiplexer 4 um eine Binärstelle. Fig. 5 shows the device for coefficient setting for an additional amplitude weighting. For this purpose, the signals generated by shifting the values of the input sequence, but previously only used for a subsequent addition 3 in the coefficient setting according to FIG. 4, are directly accessible. The weighted with the factors ± 2 -4 signal can also be used mitver, but requires an extension of the control of the multiplexer 4 by one binary digit.
Die zusätzlichen Einstellmöglichkeiten im Vergleich zur Anordnung nach Fig. 4 sind durch voll ausgezogene Krei se hervorgehoben.The additional adjustment options compared to the arrangement of FIG. 4 are highlighted by fully drawn circles se.
Sollten an eine Antenne Anforderungen gestellt werden, die mit der hier vorgestellten Quantisierung von Phase und Amplitude nicht erfüllt werden können, so läßt das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip auch eine feine re Quantisierung mit entsprechend höherem Aufwand zu. Insbesondere werden dann weitere Additionen/Subtrak tionen in der Koeffizienteneinstellung notwendig.Should requirements be made of an antenna, the with the presented quantization of phase and amplitude can not be met, so lets that The principle underlying the invention also a fine re quantization with correspondingly higher effort. In particular, then further additions / subtracts necessary in the coefficient setting.
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