CN102544751A

CN102544751A - 多目标中频数字相控阵天线

Info

Publication number: CN102544751A
Application number: CN2011103017689A
Authority: CN
Inventors: 何海丹; 曾浩; 张云; 任燕飞; 胡根根
Original assignee: CETC 10 Research Institute
Current assignee: CETC 10 Research Institute
Priority date: 2011-09-28
Filing date: 2011-09-28
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明提出的一种多目标中频数字相控阵天线，提供一种资源消耗小，所需ddc模块数量少，每个目标只需要一个ddc模块的相控阵天线，本发明通过下述技术方案予以实现，在由个阵元构成的天线阵面中，个阵元的射频前端对应各自相连的adc单元（3），adc单元（3）将输出的模拟中频信号转换为数字中频信号，个目标对应的个dbf单元（4）把上述adc单元输出的数字中频信号转换为解析信号，并同对应连接的权值产生单元（5）生成的个复数权矢量相乘，完成波束合成，个波束合成输出信号经过对应连接的信道化带通滤波器单元（6）滤波，获得个目标的数字中频信号，该中频信号传递给各自的ddc单元（7），输出个目标的基带信号。

Description

多目标中频数字相控阵天线

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及无线接收机中的多目标中频数字相控阵天线。

背景技术

相控阵天线通过调整每个阵元接收信号的相位，实现阵列方向图调整，使主瓣始终对准期望信号波达方向(Direction of Arrival，DOA)，从而在无需机械转动天线的条件下，获得阵列增益。对于超外差结构的无线通信接收机，目前基本都采用中频数字化的软件无线电结构。在此接收机结构中，通常的数字相控阵天线相位调整是在基带实现的，即数字波束合成(Digital Beamforming，DBF)在基带完成。该基带实现的方法，虽然信号速率较低，可靠性高，实现简单，但是，由于在DBF之前，接收机每个阵元都需要一个接收通道，所以，该基带实现的方法需要较多数字下变频器模块(Digital Down Convertor，DDC)。由于基带实现数字相控阵天线，造成所需的DDC模块过多，资源消耗过大，尤其对于多目标的数字相控阵天线，所需DDC模块非常多，需要大量硬件资源，造成了多目标数字相控阵天线实现的高成本。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足之处，提供一种在无线接收机中资源消耗小，所需DDC模块数量少，每个目标只需要一个DDC模块的多目标中频数字相控阵天线。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种多目标中频数字相控阵天线，包括天线阵面单元1，射频前端单元2，模拟/数字转换器(ADC)单元3，数字波束合成器(DBF)单元4，信道化带通滤波器单元6，权值产生单元5和数字下变频器(DDC)单元7，其特征在于，在由N个阵元构成的天线阵面面中，在由N个阵元构成的天线阵面中，n个阵元的射频前端对应各自相连的ADC单元3，ADC单元3将输出的模拟中频信号转换为数字中频信号，M个目标对应的M个DBF单元4把上述ADC单元输出的数字中频信号转换为解析信号，并同对应连接的权值产生单元5生成的M个复数权矢量相乘，完成波束合成，M个波束合成输出信号经过对应连接的信道化带通滤波器单元6滤波，获得M个目标的数字中频信号，该中频信号传递给各自的DDC单元7，输出M个目标的基带信号，上述M、N为自然数1，2，3...。

本发明的优势在于相控阵天线的DBF实现在中频完成，从而使得接收机每个目标只需要一个DDC模块，相比传统基带实现DBF的方法，减少了资源消耗，节约了成本。本发明可以广泛应用于蜂窝通信，卫星通信，雷达等接收设备中。

附图说明

图1是本发明多目标中频数字相控阵天线结构框图。

图2是本发明均匀线阵空间位置示意图。

图3是本发明第n个阵元的射频前端结构框图。

图4是本发明中频解析信号转换流程图。

图5是本发明第m个通道的DBF结构图。

具体实施方式

参阅图1。多目标中频数字相控阵天线包括了相互连接的天线阵面单元1，射频前端单元2，ADC单元3，DBF单元4，信道化带通滤波器单元6，权值产生单元5，DDC单元7。N个阵元构成的天线阵面依次对应连接射频前端单元2，ADC单元3，DBF单元4，信道化带通滤波器单元6，DDC单元7。权值产生单元5和DBF单元4相连。天线阵面单元1将接收的信号传输给各自相连的射频前端单元2，射频前端单元2输出的中频模拟信号经ADC单元3转换为中频数字信号，M个目标对应的M个DBF单元把ADC输出的数字中频信号s(k)转换为解析信号并利用该解析信号和权值产生单元5生成的M个复数权矢量相乘后完成波束合成，波束合成后的M个输出经过信道化带通滤波器单元6滤波，得到每个目标波束合成后的数字中频输出信号，并传递给各自的DDC单元7。

参阅图2。阵列为均匀线阵，由N个相同的阵元构成，阵元间距为d，空间存在M个期望信号，第m个信号载波频率为ω_m，波达方向为θ_m，其中m＝1，...，M。每个信号占据相同的带宽，其载波频率ω_m等间隔分布，则ω₁＜...＜ω_M。第n个阵元接收信号为x_n(t)，n＝1，...，N，该信号由空间存在的M个期望信号叠加而成，其中心频率为

ω₁表示所有期望信号中最小载波频率，ω_M表示所有期望信号中最大载波频率

参阅图3。对于第n个阵元，其对应射频前端把接收信号x_n(t)进行低噪声放大(Low Noise Amplify，LNA)，带通滤波，下变频，低通滤波，得到中频模拟信号s_n(t)，中频频率为ω_IF。射频前端中，每个射频前端结构功能相同，下变频器本振相同，所有射频前端共用一个本振。本振产生一个频率为

的正弦波。中频信号s_n(t)经过ADC采样，把模拟信号转换为数字信号s_n(k)，该信号为实信号，其中k＝1，2，...，为采样序号。对于整个阵列接收信号，可以用矢量表示为s(k)＝[s₁(k)...s_N(k)]^T。

参阅图4和图5。由于系统中具有M个目标，即M个信号，所以，每个目标信号采用一个DBF单元。对于第m个DBF单元，其需要完成两个功能：

根据图4，第一个功能是把实信号s(k)＝[s₁(k)...s_N(k)]^T通过延迟模块和Hilbert滤波器转换为其解析信号，即复信号

具体转换方法为：对于第n个阵元接收的数字中频信号s_n(k)，其对应解析信号

的实部为输入信号经过L个采样时钟延迟的输出信号

虚部则是输入信号经过Hilbert滤波器后的输出

其中L是Hilbert滤波器传输函数h(k)的群时延。上述表示中，Re[]表示取实部，Im[]表示取虚部。Hilbert滤波器h(k)可以通过MATLAB的滤波器设计工具产生。不同目标的DBF，由于输入信号是相同频谱特性的数字中频信号，所以解析变换的功能模块是相同的，可以复用。

根据图5，第二个功能是对复信号进行DBF，即加权求和，其中权矢量w_m＝[w₁(k)...w_M(k)]^T由权值产生单元根据该目标信号DOA参数θ_m获得。根据相控阵天线的基本理论，DBF是一个复数矢量相乘的运算，即

但由于是中频进行DBF，输出信号只需要保留实部而不需要虚部，所以每个复数乘法仅仅需要两个乘法器。从而，第m个目标的DBF输出信号z_m(k)可以表示为

z_{m} (k) = Re [w_{m}^{H} \hat{s} (k)] = Σ_{n = 1}^{N} {Re [w_{mn}] Re [s_{n} (k)] + Im [w_{mn}] Im [s_{n} (k)]},

其中w_mn为权矢量w_m的第n个元素。不同目标的DBF，仅仅是权值大小不同，实现结构均如图5所示。

DBF以后的信号，经过每个目标信号的信道化带通滤波器，从而滤除其他目标信号，输出仅含本目标信号的数字中频信号y_m(k)，并进一步传递给各自DDC单元。

本发明为多目标接收机中的一种中频数字相控阵天线，波束合成在中频段通过数字方式实现，相对应传统基带实现方式，每个目标仅仅需要一个数字下变频模块就可以得到基带信号，大大减少了资源开销，节约了成本。