CN101562471B

CN101562471B - 正交调制基带信号加权波束形成方法及设备

Info

Publication number: CN101562471B
Application number: CN 200910027143
Authority: CN
Inventors: 李凡; 贾向东; 杨景; 许生; 傅海阳
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Nanjing Post and Telecommunication University; Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2009-05-22
Filing date: 2009-05-22
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2029-05-22
Also published as: CN101562471A

Abstract

正交调制基带信号加权波束形成方法及设备可用于TD-SCDMA标准智能天线的定向发送，该方法根据智能天线阵元移相馈电信号表达式、它的复数表达式和正交调制原理导出利用正交调制基带信号加权实现智能天线波束形成的数学表达式，并根据该数学表达式给出所述波束形成方法的单个CDMA用户单方向发送的设备原理图。在其基础上导出N个CDMA用户N个方向定向发信的波束形成方法和关键部分设备原理图。利用QPSK基带信号加权实现智能天线定向发送相比于中频或射频实现智能天线定向发送而言，具有易于实现的基本特点，将使设备可靠性上升、费用下降，使智能天线的推广使用成为可能。

Description

正交调制基带信号加权波束形成方法及设备

技术领域

本发明涉及一种用于智能天线定向发送的正交调制基带信号加权波束形成方法及设备，可用于TD-SCDMA标准智能天线的定向发送，实现CDMA(码分多址)信道采用QPSK调制的基带信号加权波束形成，同时还涉及使用该设备的CDMA智能天线基站发信设备，属于移动通信技术领域。

背景技术

使用智能天线的CDMA基站发信设备是移动通信领域的高科技产品。QPSK基带信号加权波束形成这种高科技设备用于CDMA系统的智能天线基站发信机，能实现定向发送并减少多用户干扰的影响，提高频谱和发信功率的资源利用率。虽然有许多资料提到可以利用基带信号加权波束形成方法实现智能天线的定向发送。但是据申请人的调研，至今还没有资料给出具体的QPSK基带信号加权波束形成方法和相应设备的原理。该方法相比于中频或射频实现的智能天线定向发送方法而言，具有易于实现的基本特点，将使设备的可靠性上升，费用下降，使智能天线的推广使用成为可能。

发明内容：

技术问题：本发明要解决的技术问题是：针对以上还没有相关技术资料说明QPSK基带信号加权波束形成方法，提出一种我们首创的用于智能天线定向发送的正交调制基带信号加权波束形成方法及设备，这种方法及设备也可用于TD-SCDMA标准QPSK调制基带信号加权波束形成，实现智能天线的定向发送，可以大幅度减少多用户干扰的影响，提高频谱和发信功率的资源利用率。

技术方案：本发明的正交调制基带信号加权波束形成方法根据智能天线阵元移相馈电信号表达式cos(wt-θ)或sin(wt-θ)、它们的复数表达式Re[e^jwte^-jθ]、Im[e^jwte^-jθ]和正交调制原理导出利用正交调制基带信号加权实现智能天线定向发送波束形成方法的相应数学表达式：Re[e^-jθ]cosωt-Im[e^-jθ]sinωt，并根据所述数学表达式给出所述波束形成方法的单个CDMA(码分多址)用户单方向发送设备；其中Re和Im分别表示取虚数e^jwt的实部或虚部。

单个CDMA用户单方向发信的设备包括串并变换电路，确定波束发信方向的加权系数产生电路，用于数据基带信号与加权系数的实部和虚部分别相乘的乘法器M₁₁、M₁₂、M₁₅和M₁₆，用于已加权基带信号正交调制的乘法器M₁₃、M₁₄、M₁₇和M₁₈，用于正交调制信号合成的加法器M₁₉、M₁₁₀和M₁₁₁，以及90度移相电路、上变频电路和天线阵元A₁₁；智能天线定向发送设备中所述串并变换电路的一路输出端通过加权系数乘法器M₁₁和M₁₂接正交载波调制乘法器M₁₃和M₁₄的输入端，所述加权系数产生电路输出加权系数的实部输出端接所述乘法器M₁₁和M₁₆的输入端，所述加权系数产生电路的虚部输出端接所述乘法器M₁₂和M₁₅的输入端，载波cosωt送至所述乘法器M₁₃和M₁₇的输入端，载波cosωt经所述90度移相电路的输出端接所述乘法器M₁₄和M₁₈的输入端；所述乘法器M₁₃和M₁₄的输出端分别接所述加法器M₁₉的两路输入端，所述乘法器M₁₇和M₁₈的输出端分别接加法器M₁₁₀的两路输入端；所述加法器M₁₉和M₁₁₀的输出端分别接至所述加法器M₁₁₁的两路输入端；所述加法器M₁₁₁的输出端通过上变频电路接天线A₁₁的输入端。

单个CDMA用户单方向发送设备中，将两路正交加权的正交调制基带信号I₁₁和I_Q1分别接加法器M₂₁的两路输入端，将两路已加权的正交调制基带信号Q₁₁和Q_Q1分别接加法器M₂₂的两路输入端，所述加法器M₂₁和M₂₂的两路输出端分别接正交调制乘法器M₂₃和M₂₄的输入端，载波cosωt接所述加法器M₂₃输入端，所述载波cosωt经90°移相电路(21)输出端接所述乘法器M₂₄的输入端；所述加法器M₂₃和M₂₄的输出端经加法器M₂₅输出端接上变频电路(22)的输入端，上变频电路的输出端接天线阵元A₂₁的输入端。

所述单个CDMA用户单方向发送设备能扩展为N个CDMA用户N个方向定向发信设备的加权波束形成设备；将已加权的正交调制基带信号I_I1、I_I2、......、I_IN，I_Q1、I_Q2、......、I_QN分别接加法器M₃₁的多个输入端；将已加权的正交调制基带信号g_I1、Q_I2、......、Q_IN，Q_Q1、Q_Q2、......、Q_QN分别接加法器M₃₂的多个输入端；所述加法器M₃₁和M₃₂的输出端经正交调制乘法器M₃₃和M₃₄的输出端接加法器M₃₅的两路输入端，载波cosωt接所述乘法器M₃₃的另一个输入端，所述载波cosωt经90°移相电路(31)的输出端接所述乘法器M₃₄的另一个输入端；所述加法器M₃₅的输出端通过上变频电路(32)接天线阵元A₃₁的输入端。

利用智能天线实现定向发送时，智能天线第n个阵元馈电信号电流相位应为

θ_n＝πcos(φ₀-φ_n) (1)

式中φ₀表示发信波束主瓣最大值的方向，φ_n与第n个阵元的位置有关，φ_n＝2π*n/N＝πn/4。

根据下述公式，可以导出利用QPSK基带信号加权实现智能天线定向发送的电路框图。

cos(ωt-θ)＝Re[e^jωte^-jθ]＝Re[(cosωt+j sinωt)(cosθ-j sinθ)]＝cosθcosωt+sinθsinωt＝Re[e^-jθ]cosωt-Im[e^-jθ]sinωt (2)

sin(ωt-θ)＝Im[e^jωte^-jθ]＝Im[(cosωt+j sinωt)(cosθ+j sinθ)]＝-sinθcosωt+cosθsinωt＝Im[e^-jθ]cosωt+Re[e^-jθ]sinωt (3)

因此可给出智能天线某阵元利用QPSK基带信号加权完成波束形成，实现智能天线定向发送的电路框图见图1，用8个阵元构成智能天线时，需8套类似电路。

本发明中用于一根天线阵元的QPSK基带信号加权完成波束形成，实现智能天线定向发送设备中的核心部分包括串并变换电路11，确定波束发信方向的加权系数产生电路12，用于数据基带信号与加权系数的实部和虚部分别相乘的乘法器M₁₁、M₁₂、M₁₅和M₁₆，用于已加权基带信号正交调制的乘法器M₁₃、M₁₄、M₁₇和M₁₈，用于正交调制信号合成的加法器M₁₉、M₁₁₀和M₁₁₁，以及90度移相电路13、上变频电路14和天线阵元A₁₁。

有益效果：由于该发明利用基带信号加权完成波束形成，使用8个阵元构成智能天线时，与中频波束形成的智能天线定向发送设备相比，约可以省去7/8的中频设备，与射频波束形成的智能天线定向发送设备相比，约可以省去7/8的中频和射频设备。由于基带波束形成的工作频率很低，还能大幅度降低实现难度和费用。

附图说明

图1为本发明用于一根天线阵元时，利用QPSK信号基带加权实现智能天线定向发送设备的核心部分原理框图。其中包括串并变换电路11，确定波束发信方向的加权系数产生电路12，用于数据基带信号与加权系数的实部和虚部分别相乘的乘法器M₁₁、M₁₂、M₁₅和M₁₆，用于已加权基带信号正交调制的乘法器M₁₃、M₁₄、M₁₇和M₁₈，用于正交调制信号合成的加法器M₁₉、M₁₁₀和M₁₁₁，以及90度移相电路13、上变频电路14和天线阵元A₁₁。

图2为图1中QPSK调制乘法器M₁₃、M₁₄、M₁₇、M₁₈和QPSK调制加法器M₁₉、M₁₁₀、M₁₁₁部分经简化得到的原理框图。其中I_I1和Q_Q1是图1中经加权系数实部加权后的基带信号，Q_I1和I_Q1分别是经加权系数虚部加权后的基带信号。此处，利用电路叠加原理省去了所述设备原理图中的一组正交调制乘法器。

图3为一根天线阵元的N路用户数据信号利用QPSK基带信号加权实现智能天线N个用户方向定向发送时、经基带信号加权后的N个用户信号求和，以及QPSK调制电路、上变频电路框图。当一副智能天线由8根阵元组成时，还需要有7套类似的电路。

具体实施方式

根据正交载波移相表达式cos(wt-θ)和sin(wt-θ)的复数表达式Re[e^jwte^-jθ]和Im[e^jwte^-jθ]可以导出用于智能天线定向发送的、本发明的QPSK基带信号加权波束形成方法，见图1。

实施例一

本实施例利用智能天线同载波、N个CDMA用户、N个方向的定向发信实现抑制多径干扰和多用户接入干扰的基本目的。为了实现N个用户已调制信号要求方向的定向发送，此处利用QPSK基带信号加权波束形成实现智能天线N个用户要求方向的定向发送。

本实施例用于智能天线定向发送的、一根天线阵元的QPSK基带信号加权电路、QPSK调制电路等核心电路原理框图见图1.主要由下列部分组成：串并变换电路11，确定波束发信方向的加权系数产生电路12，用于数据基带信号与加权系数的实部和虚部分别相乘的乘法器M₁₁、M₁₂、M₁₅和M₁₆，用于已加权基带信号正交调制的乘法器M₁₃、M₁₄、M₁₇和M₁₈，用于正交调制信号合成的加法器M₁₉、M₁₁₀和M₁₁₁，以及90度移相电路13、上变频电路14和天线阵元A₁₁。

首先应根据第n个用户要求的发信方向由加权系数产生电路给出所需复加权系数的实部和虚部，串行输入的某用户数据信号将由串并变换电路变换为I₁(t)和Q₁(t)两路数据信号，这两路数据信号分别对应于无定向发送时QPSK调制器的两路输入调制信号。I₁(t)和加权系数的实部Re(w₁)、虚部Im(w₁)分别在乘法器M₁₁和M₁₂中相乘，完成定向发送所要求的加权过程，两路乘法器送出的信号I_I1、Q_I1分别送入乘法器M₁₃、M₁₄完成QPSK调制过程，所述M₁₃、M₁₄乘法器的两路输出信号在加法器M₁₉中相加，M₁₉的输出信号为I₁cos(wt-θ)。Q₁(t)经过与上述类似的处理过程得Q₁sin(wt-θ)。从所述两路输出信号的表达式中可以看出，在表达式中引入定向发送所要求的移相因子θ。乘法器M₁₉和M₁₁₀的这两路输出信号在加法器中M₁₁₁中相加后，形成有定向发射作用的QPSK信号QPSK₁₁送上变频电路，经上变频后可送天线阵元A₁₁。

为了完成定向发送，智能天线一般由8个天线阵元组成，即所述串并变换电路11的输出I₁(t)和Q₁(t)需同时送到另外7个与上述处理单元类似的处理单元，在那些处理单元中的加权系数产生电路中应产生与天线阵元A₂、A₃、......、A₇相对应的加权系数实部Re(w₂)、Re(w₃)、......、Re(w₇)，虚部Im(w₂)、Im(w₃)、......、Im(w₇)。图1为定向发信用QPSK基带信号加权的原理电路，图1中乘法器M₁₇和M₁₈的功能可由M₁₃和M₁₄完成。图1中乘法器M₁₁、M₁₂、M₁₅和M₁₆的后续部分可简化为图2。

当多个不同方向要求的用户数据信号D₁(t)、D₂(t)、......、D_N(t)输入时，可经N个串并变换电路分别产生数据信号I₁(t)、I₂(t)、......、I_N(t)和Q₁(t)、Q₂(t)、......、Q_N(t)。由N*8个加权系数产生电路分别产生N*8套加权系数再经加权系数乘法器分别产生经过加权的基带数据信号I_I1、I_I2、......、I_IN，I_Q1、I_Q2、......、I_QN，Q_I1、Q_I2、......、Q_IN，Q_Q1、Q_Q2、......、Q_QN。这些数据信号可按图3中要求，分别送入加法器M₃₁和M₃₂。所述加法器M₃₁和M₃₂的输出信号I₁和Q₁送后续的QPSK调制器。所述QPSK调制器由乘法器M₃₃和M₃₄、加法器M₃₅及90度相移电路31组成。

除上述实施例外，本发明还可以有其它实施方式，也可以用于正交幅度信号的定向发送。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims

1.一种正交调制基带信号加权波束形成的设备，其特征在于单个CDMA用户单方向发信的设备包括串并变换电路(11)，确定波束发信方向的加权系数产生电路(12)，用于数据基带信号与加权系数的实部和虚部分别相乘的乘法器M₁₁、M₁₂、M₁₅和M₁₆，用于已加权基带信号正交调制的乘法器M₁₃、M₁₄、M₁₇和M₁₈，用于正交调制信号合成的加法器M₁₉、M₁₁₀和M₁₁₁，以及90度移相电路(13)、上变频电路(14)和天线阵元A₁₁；智能天线定向发送设备中所述串并变换电路(11)的一路输出端通过加权系数乘法器M₁₁和M₁₂接正交载波调制乘法器M₁₃和M₁₄的输入端，所述加权系数产生电路(12)输出加权系数的实部输出端接所述乘法器M₁₁和M₁₆的输入端，所述加权系数产生电路(12)的虚部输出端接所述乘法器M₁₂和M₁₅的输入端，载波cosωt送至所述乘法器M₁₃和M₁₇的输入端，载波cosωt经所述90度移相电路(13)的输出端接所述乘法器M₁₄和M₁₈的输入端；所述乘法器M₁₃和M₁₄的输出端分别接所述加法器M₁₉的两路输入端，所述乘法器M₁₇和M₁₈的输出端分别接加法器M₁₁₀的两路输入端；所述加法器M₁₉和M₁₁₀的输出端分别接至所述加法器M₁₁₁的两路输入端；所述加法器M₁₁₁的输出端通过上变频电路接天线A₁₁的输入端。

2.如权利要求1所述的正交调制基带信号加权波束形成的设备，其特征在于单个CDMA用户单方向发送设备中，将两路正交加权的正交调制基带信号I_I1和I_Q1分别接加法器M₂₁的两路输入端，将两路已加权的正交调制基带信号Q_I1和Q_Q1分别接加法器M₂₂的两路输入端，所述加法器M₂₁和M₂₂的两路输出端分别接正交调制乘法器M₂₃和M₂₄的输入端，载波cosωt接所述加法器M₂₃输入端，所述载波cosωt经90°移相电路(21)输出端接所述乘法器M₂₄的输入端；所述加法器M₂₃和M₂₄的输出端经加法器M₂₅输出端接上变频电路(22)的输入端，上变频电路的输出端接天线阵元A₂₁的输入端。

3.如权利要求2所述的正交调制基带信号加权波束形成的设备，其特征在于所述单个CDMA用户单方向发送设备能扩展为N个CDMA用户N个方向定向发信设备的加权波束形成设备；将已加权的正交调制基带信号I_I1、I_I2、......、I_IN，I_Q1、I_Q2、......、I_QN分别接加法器M₃₁的多个输入端；将已加权的正交调制基带信号Q_I1、Q_I2、......、Q_IN，Q_Q1、Q_Q2、......、Q_QN分别接加法器M₃₂的多个输入端；所述加法器M₃₁和M₃₂的输出端经正交调制乘法器M₃₃和M₃₄的输出端接加法器M₃₅的两路输入端，载波cosωt接所述乘法器M₃₃的另一个输入端，所述载波cosωt经90°移相电路(31)的输出端接所述乘法器M₃₄的另一个输入端；所述加法器M₃₅的输出端通过上变频电路(32)接天线阵元A₃₁的输入端。