CN105871433A - 一种基于高速移动通信的虚拟阵列天线信号产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于高速移动通信的虚拟阵列天线信号产生方法，其将单天线接收到的单组I、Q信号，通过移相和均匀相位间隔抽样，获得了N个阵元的虚拟阵列天线信号，然后通过对虚拟的阵列信号进行波束合成，使得通信系统在不添加硬件资源的情况下获得了阵列增益，同时也补偿了多普勒频移。本发明利于实现优化高速移动通信性能，而又不需要增加硬件负担的方法，具有高增益和高抗干扰能力的特征。

Description

一种基于高速移动通信的虚拟阵列天线信号产生方法

技术领域

本发明涉及高速移动通信技术领域，具体涉及一种基于高速移动通信的虚拟阵列天线信号产生方法。

背景技术

多普勒频移现象被Christian Johann Doppler发现于1842年，证明了只要辐射源与观测之间存在相对移动的时候，被观测信号的频率就会发生改变。对无线通信而言，多普勒频移使得载波频率的估计产生误差，导致通信系统性能下降，例如正交频分复用(OFDM)系统对频率偏移非常敏感。高速移动环境下多普勒频移和多普勒扩展更加显著，频率偏移使OFDM系统子载波间的正交性遭到破坏，产生子载波间干扰(ICI)，严重影响系统的性能。无线网络通信应用中，多普勒频移对通信速率的提高提出了严峻的挑战。

虽然通过增加接收天线的个数能够有效降低多普勒频移对通信系统性能所产生的影响。但是基于通信设备小型化的发展趋势，对通信设备的体积有着严格的要求，常见的移动通信设备都只能采用单接收天线。可见，在高速移动通信中，如何能够在兼顾通信设备体积的前提下，降低多普勒频移，是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有高速移动通信中存在多普勒频移，从而使得通信系统性能下降的问题，提供一种基于高速移动通信的虚拟阵列天线信号产生方法。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于高速移动通信的虚拟阵列天线信号产生方法，包括步骤如下：

步骤1、设定虚拟阵列天线阵元的个数N、相邻阵元信号的相位差Δψ和相邻相位点间的相位差Δφ；

步骤2、将接收天线接收到的原始信号进行采样后，输入给数字锁相环进行频率跟踪，得到含有多普勒频移的载波信号的相同分量I_r(n)和正交分量Q_r(n)；

步骤3、根据所得的相同分量I_r(n)和正交分量Q_r(n)，计算出当前采样值的瞬时相位φ(n)：

$\mathrm{\φ}\left(n\right)=arctg\frac{Q_r\left(n\right)}{I_r\left(n\right)}---\left(1\right)$

步骤4、根据步骤1所设定的相邻阵元信号的相位差Δψ和步骤3所计算 出的瞬时相位φ(n)，确定N个虚拟阵列天线信号的初始相位：

${\mathrm{\φ}}_0^k=k\mathrm{\Δ}\mathrm{\ψ}+\mathrm{\φ}\left(n\right),k=1,2,...,N---\left(2\right)$

步骤5、将初始相位所对应的N个相同分量和正交分量作为N个虚拟阵列天线信号的第一组抽样点；并重复以相邻相位点间的相位差Δφ为间隔，对相同分量I_r(n)和正交分量Q_r(n)持续进行均匀相位间隔抽样；所有的抽样点存入缓存，最终经过均匀时间间隔读出，构成N阵元的虚拟阵列天线信号；

步骤6，将所得的N阵元的虚拟阵列天线信号通过波束成形合成为一个具有阵列天线系统增益的原始信号，提供给后续使用和处理。

上述方案中，步骤1中，设定的相邻相位点间的相位差Δφ为：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}=\frac{2\mathrm{\π}}{M}---\left(3\right)$

式中，M为设定每个周期均匀相位间隔抽取点的个数。

与现有技术相比，本发明将单天线接收到的单组I、Q信号，通过移相和均匀相位间隔抽样，获得了N个阵元的虚拟阵列天线信号，然后通过对虚拟的阵列信号进行波束合成，使得通信系统在不添加硬件资源的情况下获得了阵列增益，同时也补偿了多普勒频移。本发明利于实现优化高速移动通信性能，而又不需要增加硬件负担的方法，具有高增益和高抗干扰能力的特征。

附图说明

图1为一种基于高速移动通信的虚拟阵列天线信号产生方法的流程图。

具体实施方式

一种基于高速移动通信的虚拟阵列天线信号产生方法，如图1所示，具体实施步骤如下：

步骤1、确定合适的虚拟阵列天线信号参数，设N个虚拟阵列天线阵元，相邻阵元信号的相位差为Δψ。

步骤2、将采样后的原始信号输入给数字锁相环芯片进行频率跟踪，得到含有多普勒频移的载波信号的相同分量I_r(n)和正交分量Q_r(n)。

步骤3、根据所得的相同分量I_r(n)和正交分量Q_r(n)，计算出瞬时相位φ(n)：

$\mathrm{\φ}\left(n\right)=arctg\frac{Q_r\left(n\right)}{I_r\left(n\right)}---\left(1\right)$

本步骤在实际操作时，可以预先在FPGA中将所有正交分量Q_r(n)和相同分量I_r(n)相除的arctg值存储在表中，之后可以根据所得的相同分量I_r(n)和正交分量Q_r(n)，通过查表获得瞬时相位φ(n)。

步骤4、根据步骤1所设定的相邻阵元信号的相位差Δψ和步骤3所计算出的瞬时相位φ(n)，确定N个虚拟阵列天线的信号初始相位

${\mathrm{\φ}}_0^k=k\mathrm{\Δ}\mathrm{\ψ}+\mathrm{\φ}\left(n\right),k=1,2,...,N---\left(2\right)$

这样，就能使满足即相当于确定了均匀相位间隔抽样的初始抽样点。

步骤5、分别对相同分量I_r(n)和正交分量Q_r(n)进行均匀相位间隔抽样。

首先，将初始相位所对应的N个相同分量和正交分量作为N个虚拟阵列天线信号的第一组抽样点；

然后，以相邻相位点间的相位差Δφ为间隔，对相同分量I_r(n)和正交分量Q_r(n)进行均匀相位间隔抽样，即相位所对应的N个相同分量和正交分量作为N个虚拟阵列天线信号的第二组抽样点；

重复以相邻相位点间的相位差Δφ为间隔，对相同分量I_r(n)和正交分量Q_r(n)进行均匀相位间隔抽样，即相位所对应的N个相同分量和正交分量作为N个虚拟阵列天线信号的第m+1组抽样点；其中m＝1,2,...,∞；

上述所有的抽样点持续输出，并最终构成N个虚拟阵列天线信号。

在进行实际操作时，设对每个周期均匀相位间隔抽取M个点，则相邻相位点间的相位差N个相位增量计数器根据原始采样信号的瞬时相位φ(n)和各自虚拟阵元的初相位计算出相位增量与Δφ相比较相等时，触发抽取器对I_r(n)和Q_r(n)进行抽样；

(5a)第一组抽样点由步骤4确定，即以为初始相位对原始采样信号进行抽样，具体实现由步骤3所计算出的φ(n)与相比较，相等时抽取第一组抽样点

(5b)再次计算下一个原始采样信号的瞬时相位值φ(n+1)；

(5c)根据相邻两次采样信号的瞬时相位计算其相位差Δ＝φ(n+1)-φ(n)，并且计算出N个相位增量计数器的计数值使能相位增量计数器开始计数且此时计数值s′＝1，每读取一个采样值计数器计数值s′+1；

(5d)当N个计数器计数值各自达到s′＝s时，对原始采样信号进行第二次抽样，得到第二组抽样点 并且将数据送入缓存，清零相位增量计数器；

(5e)每经过L(L的取值取决于系统精度要求和硬件的速度)个采样周期重复步骤(5b)～(5d)；

(5f)将缓存中的信号均匀时间间隔读出，即得到N个阵元的虚拟阵列天线信号：

$I_r({\mathrm{\φ}}_0^1+m\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}),I_r({\mathrm{\φ}}_0^2+m\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}),...,I_r({\mathrm{\φ}}_0^N+m\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ});$

$Q_r({\mathrm{\φ}}_0^1+m\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}),Q_r({\mathrm{\φ}}_0^2+m\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}),...,Q_r({\mathrm{\φ}}_0^N+m\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ});$

步骤6，将所得的N个虚拟阵列天线信号通过波束成形算法合成，从而能够获得系统增益并提高误码性能。

Claims (2)

1.一种基于高速移动通信的虚拟阵列天线信号产生方法，其特征是，包括步骤如下：

步骤1、设定虚拟阵列天线阵元的个数N、相邻阵元信号的相位差Δψ和相邻相位点间的相位差Δφ；

步骤2、将接收天线接收到的原始信号进行采样后，输入给数字锁相环进行频率跟踪，得到含有多普勒频移的载波信号的相同分量I_r(n)和正交分量Q_r(n)；

步骤3、根据所得的相同分量I_r(n)和正交分量Q_r(n)，计算出当前采样值的瞬时相位φ(n)：

$\mathrm{\φ}\left(n\right)=arctg\frac{Q_r\left(n\right)}{I_r\left(n\right)}---\left(1\right)$

步骤4、根据步骤1所设定的相邻阵元信号的相位差Δψ和步骤3所计算出的瞬时相位φ(n)，确定N个虚拟阵列天线信号的初始相位

${\mathrm{\φ}}_0^k=k\mathrm{\Δ}\mathrm{\ψ}+\mathrm{\φ}\left(n\right),k=1,2,...,N---\left(2\right)$

步骤5、将初始相位所对应的N个相同分量和正交分量作为N阵元的虚拟阵列天线信号的第一组抽样点；并重复以相邻相位点间的相位差Δφ为间隔，对相同分量I_r(n)和正交分量Q_r(n)持续进行均匀相位间隔抽样；所有的抽样点存入缓存，最终经过均匀时间间隔读出，构成N阵元的虚拟阵列天线信号；

步骤6，将所得的N阵元的虚拟阵列天线信号通过波束成形合成为一个具有阵列天线系统增益的原始信号，提供给后续使用和处理。

2.根据权利要求1所述的一种基于高速移动通信的虚拟阵列天线信号产生方法，其特征是，步骤1中，设定的相邻相位点间的相位差Δφ为：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}=\frac{2\mathrm{\π}}{M}---\left(3\right)$

式中，M为设定每个周期均匀相位间隔抽取点的个数。