CN107017931B - 一种波束旁瓣抑制的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波束旁瓣抑制的方法及装置，首先根据主波束期望方向，确定智能天线的第一赋形权值；根据所述第一赋形权值，确定主波束赋形方向图；然后根据所述主波束赋形方向图，确定待抑制旁瓣的波束抑制特征量；其中，所述波束抑制特征量中的相位与所述待抑制旁瓣的相位相反；根据所述波束抑制特征量，确定第二赋形权值；最后根据所述第一赋形权值和所述第二赋形权值，生成所述智能天线的波束赋形权值，通过副波束对应的第二赋形权值与主波对应的第一赋形权值的加权，达到抑制主波束旁瓣的效果，本发明实施例提供的旁瓣抑制方法不会展宽主瓣，实用性和可靠性较高。

Description

一种波束旁瓣抑制的方法及装置

技术领域

本发明涉及通讯技术领域，尤其涉及一种波束旁瓣抑制的方法及装置。

背景技术

随着无线通信技术的发展，越多越多的无线通信系统中引入智能天线技术以提升系统容量、覆盖范围和系统吞吐。

波束赋形是智能天线中的关键技术，通过设置智能天线各阵元上的发射功率权重，形成指向被估计用户的波束。波束形成算法将天线算法与数字信号处理算法相结合，是提高雷达、通讯、声纳等系统中天线性能的强有力手段。它对各阵元接收信号进行加权，即通过空域滤波，来达到增强期望信号、抑制干扰信号的目的，同时它可以根据信号环境的变化自适应改变阵元的加权因子，最终实现输出波束的有效性。而在波束形成中，对干扰抑制能力的一个直观表征就是波束的旁瓣级。过高的旁瓣级会提高虚警概率，低的旁瓣级可以有效地抑制旁瓣区域的干扰。

现有的旁瓣抑制技术中，通常利用窗函数来改变各个阵元的权重，从而达到旁瓣抑制的效果，但是以主瓣展宽为代价。例如，汉宁窗、汉明窗和布莱克曼窗计算过程简单，但不能根据需要改变旁瓣抑制比。此外，切比雪夫综合法和泰勒综合法，可以实现不同的旁瓣抑制效果，但是设计比较复杂，且在阵元数比较多时，阵元两端的激励电平相差较大，不利于馈电网络的设计。

综上所述，现有的智能天线系统的旁瓣抑制技术或以主瓣展宽为代价，或设计复杂不利于馈电网络的设计，因此亟需一种简单可靠的旁瓣抑制方法。

发明内容

本发明提供一种波束旁瓣抑制的方法及装置，用以解决现有技术中现有的智能天线系统的旁瓣抑制技术或以主瓣展宽为代价，或设计复杂不利于馈电网络的设计束的问题。

本发明实施例提供一种波束旁瓣抑制的方法，包括：

根据主波束期望方向，确定智能天线的第一赋形权值；

根据所述第一赋形权值，确定主波束赋形方向图；

根据所述主波束赋形方向图，确定待抑制旁瓣的波束抑制特征量；其中，所述波束抑制特征量中的相位与所述待抑制旁瓣的相位相反；

根据所述波束抑制特征量，确定第二赋形权值；

根据所述第一赋形权值和所述第二赋形权值，生成所述智能天线的波束赋形权值。

较佳地，根据所述主波束赋形方向图，确定待抑制旁瓣的波束抑制特征量，包括：

根据所述主波束赋形方向图，确定待抑制旁瓣；

根据所述待抑制旁瓣的波束特征量，确定所述波束抑制特征量。

较佳地，所述波束抑制特征量还包括下倾角、振幅；

根据所述待抑制旁瓣的波束特征量，确定所述波束抑制特征量，包括：

将所述待抑制旁瓣的方向确定为所述波束抑制特征量中的下倾角，将所述待抑制旁瓣的振幅确定为所述波束抑制特征量中的振幅；

较佳地，所述波束抑制特征量还包括波束宽度，所述波束抑制特征量中的波束宽度不大于所述主波束的波束宽度。

较佳地，根据所述波束抑制特征量，确定第二赋形权值，包括：

根据所述波束抑制特征量及虚拟阵元技术，确定所述第二赋形权值；

所述根据所述第一赋形权值和所述第二赋形权值，生成所述智能天线的波束的赋形权值，包括：

将所述第一赋形权值和所述第二赋形权值进行加权，得到所述智能天线的波束赋形权值。

本发明实施例还提供一种波束旁瓣抑制的装置，包括：

第一权值确定单元：用于根据主波束期望方向，确定智能天线的第一赋形权值；根据所述第一赋形权值，确定主波束赋形方向图；

第二权值确定单元：用于根据所述主波束赋形方向图，确定待抑制旁瓣的波束抑制特征量；其中，所述波束抑制特征量中的相位与所述待抑制旁瓣的相位相反；根据所述波束抑制特征量，确定第二赋形权值；

生成单元：用于根据所述第一赋形权值和所述第二赋形权值，生成所述智能天线的波束赋形权值。

较佳地，所述第二权值确定单元，具体用于：

根据所述主波束赋形方向图，确定待抑制旁瓣；

根据所述待抑制旁瓣的波束特征量，确定所述波束抑制特征量。

较佳地，所述波束抑制特征量还包括下倾角、振幅；

所述第二权值确定单元，具体用于：

将所述待抑制旁瓣的方向确定为所述波束抑制特征量中的下倾角，将所述待抑制旁瓣的振幅确定为所述波束抑制特征量中的振幅；

较佳地，所述波束抑制特征量还包括波束宽度，所述波束抑制特征量中的波束宽度不大于所述主波束的波束宽度。

较佳地，所述第二权值确定单元，具体用于：

根据所述波束抑制特征量及虚拟阵元技术，确定所述第二赋形权值；

将所述第一赋形权值和所述第二赋形权值进行加权，得到所述智能天线的波束赋形权值。

本发明实施例提供一种波束旁瓣抑制的方法及装置，首先根据主波束期望方向，确定智能天线的第一赋形权值；根据所述第一赋形权值，确定主波束赋形方向图；然后根据所述主波束赋形方向图，确定待抑制旁瓣的波束抑制特征量；其中，所述波束抑制特征量中的相位与所述待抑制旁瓣的相位相反；根据所述波束抑制特征量，确定第二赋形权值；最后根据所述第一赋形权值和所述第二赋形权值，生成所述智能天线的波束赋形权值。本发明实施例在主波束的待抑制旁瓣的位置生成与待抑制旁瓣的振幅和方向相同但相位相反的副波束，通过副波束对应的第二赋形权值与主波对应的第一赋形权值的加权，达到抑制主波束旁瓣的效果，本发明实施例提供的旁瓣抑制方法不会展宽主瓣，实用性和可靠性较高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种波束旁瓣抑制的方法流程示意图；

图2a为本发明实施例提供的一种主波束方向图示意图；

图2b为本发明实施例提供的一种副波束方向图示意图；

图3为本发明实施例提供的一种波束旁瓣抑制的装置结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部份实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的智能天线是一种安装在基站现场的双向天线，通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元获取方向性，并可以同时获取基站和移动台之间各个链路的方向特性。包括实现信号空间过采样的天线阵、对各阵元输出进行加权合并的波束成型网络、重新合并权值的控制系统三个组成部分。在移动通信应用中，为便于分析、旁瓣控制和DOA(Direction Of Arrival，到达方向)估计，天线阵一般采用均匀线阵或均匀圆阵；此外，通过控制系统依据信号环境，选择规则和算法计算权值。

本发明实施例提供一种波束旁瓣抑制的方法，如图1所示，为本发明实施例提供的一种波束旁瓣抑制的方法流程示意图，包括：

步骤S101：根据主波束期望方向，确定智能天线的第一赋形权值。

具体地，根据天线结构(天线阵元数量N及间距d)及主波束的期望方向等天线特性参数，通过粒子群优化算法或软件等方式生成智能天线的第一赋形权值W1。其中，主波束的期望方向为主波束的期望下倾角ω，此外天线特性参数还可以包括旁瓣抑制比、主波束的波束宽度等，在此不做限制。

例如，对于天线阵元数量N＝8，间距d＝λ/2(λ为载波信号波长)，主波束的期望下倾角α＝4度°，旁瓣抑制为17dB，通过粒子群优化算法得到主波束对应的第一赋形权值W1＝[7，16，76，83，108，137，150，189]。

需要说明的是，本发明实施例中“第一赋形权值”、“第二赋形权值”均为波束赋形权值，其中的“第一”和“第二”术语仅仅为了区别具有不同波束的赋形权值。本发明实施例所指的“第一赋形权值”指的是主波束的波束的赋形权值，“第二赋形权值”指的是副波束的波束的赋形权值。

步骤S102：根据第一赋形权值，确定主波束赋形方向图。

具体地，根据第一赋形权值W1，通过实验测试或者仿真等方式获取主波束方向图。

步骤S103：根据主波束赋形方向图，确定待抑制旁瓣的波束抑制特征量。其中，波束抑制特征量中的相位与待抑制旁瓣的相位相反。

具体地，首先根据主波束赋形方向图，确定待抑制旁瓣；然后根据待抑制旁瓣的波束特征量，确定波束抑制特征量。本发明实施例通过在主波束的待抑制旁瓣的位置生成与待抑制旁瓣的振幅和方向相同但相位相反的副波束，进而抑制主波束的待抑制旁瓣。

其中，待抑制旁瓣的波束特征量包括待抑制旁瓣的振幅A、相位φ、方向θ，以及待抑制旁瓣的波束宽度ω，表示与待抑制旁瓣功率3dB功率差值的指向宽度。波束抑制特征量包括副波束的主瓣振幅A’、相位φ’、下倾角α’，以及副波束的波束宽度ω’。因此，待抑制旁瓣的波束特征量集合 波束抑制特征量

进一步地，波束抑制特征量中的相位与待抑制旁瓣的相位相反即 将待抑制旁瓣的振幅A确定为波束抑制特征量中的振幅A’，即A＝A’；将待抑制旁瓣的方向θ确定为所述波束抑制特征量中的下倾角α’，即θ＝α’；此外，波束抑制特征量中的副波束的主瓣波束宽度ω’不大于待抑制旁瓣的波束宽度ω，即ω’≤ω。

进一步地，根据主波束赋形方向图计算待抑制旁瓣的振幅A、相位方向θ及待抑制旁瓣的波束宽度ω等旁瓣波束特征量集合可参照如下空间形成的波束信号公式(1)：

其中，Wi代表第i个阵列单元波束赋形权值，d代表阵列单元之间间距，α代表主波束的期望下倾角，λ代表载波信号的波长，θ代表对-90°～90°方向角度的遍历。某个方向角θ_k的信号的振幅和相位可根据公式(2)确定：

具体地，如图2a和图2b所示，图2a为本发明实施例提供的一种主波束方向图示意图，图2b为本发明实施例提供的一种副波束方向图示意图。其中，图2a中的曲线1表示主波束方向图，图2b中的曲线2表示副波束方向图。首先根据主波束方向图1确定出待抑制旁瓣为第一上旁瓣N1，假设第一上旁瓣N1的方向为-6°，待抑制旁瓣的波束宽度ω＝20°，将-6代入公式(1)和公式(2)，得到第一上旁瓣N1的A＝-15dB，则待抑制旁瓣的波束特征量集合S1＝{-15dB，10°，-6，20°}，又ω’＜ω，设置ω’＝10°，得到波束抑制特征量S2＝{-15dB，-10°，-6，10°}。

步骤S104：根据波束抑制特征量，确定第二赋形权值。

由于ω’为副波束的波束宽，度其值要小于待抑制旁瓣的波束宽度ω。可利用虚拟阵元技术来获得相对于待抑制旁瓣来说波束宽度更窄的副波束。其中虚拟阵元技术是为在原阵列基线上虚拟多根接收天线，虚拟扩大阵列天线的阵元数量N，从而获得更加窄的波束宽度，提高角度分辨率。

根据得到波束抑制特征量S2以及虚拟阵元技术，得到副波束对应的第二赋形权值W2，从而在第一上旁瓣N1的位置生成副波束从而抑制第一上旁瓣N1。

步骤S105：根据第一赋形权值和第二赋形权值，生成智能天线的波束赋形权值。

具体地，将第一赋形权值W1和第二赋形权值W2进行加权，得到智能天线的波束赋形权值W＝W1+W2，通过对数字基带信号进行加权处理后的实现对旁瓣方向深度抑制。

通过本发明实施例得到智能天线的波束赋形权值W，因此，在对智能天线进行波束赋形权值设置的时候，直接将W设置为该智能天线的波束赋形权值，此时在主波束的待抑制旁瓣的位置生成与待抑制旁瓣的振幅和方向相同但相位相反的副波束，通过副波束对应的第二赋形权值与主波对应的第一赋形权值的加权，达到抑制主波束旁瓣的效果，本发明实施例提供的旁瓣抑制的方法不会展宽主瓣，该方法简单实用，可靠性较高。

需要说明的是，在有多个旁瓣需要抑制时，则需要计算多个待抑制旁瓣的波束抑制特征量，根据各待抑制旁瓣的波束抑制特征量生成第N波束赋形权值，然后将得到的所有波束赋形权值对数字基带信号进行加权处理获得满足波束旁瓣抑制的方向图。

例如，假设待抑制旁瓣有5个，计算每个待抑制旁瓣的波束抑制特征量，分别生成权值W2，W3，W4，W5，最后与主波束的权值W1相加，得到智能天线的波束赋形权值W＝W1+W2+W3+W4+W5。

基于同样的发明构思，本发明实施例还提供一种波束旁瓣抑制的装置，如图3所示，包括：

第一权值确定单元301：用于根据主波束期望方向，确定智能天线的第一赋形权值；根据所述第一赋形权值，确定主波束赋形方向图；

第二权值确定单元302：用于根据所述主波束赋形方向图，确定待抑制旁瓣的波束抑制特征量；其中，所述波束抑制特征量中的相位与所述待抑制旁瓣的相位相反；根据所述波束抑制特征量，确定第二赋形权值；

生成单元303：用于根据所述第一赋形权值和所述第二赋形权值，生成所述智能天线的波束赋形权值。

较佳地，所述第二权值确定单元302，具体用于：

根据所述主波束赋形方向图，确定待抑制旁瓣；

根据所述待抑制旁瓣的波束特征量，确定所述波束抑制特征量。

较佳地，所述波束抑制特征量还包括下倾角、振幅；

所述第二权值确定单元302，具体用于：

将所述待抑制旁瓣的方向确定为所述波束抑制特征量中的下倾角，将所述待抑制旁瓣的振幅确定为所述波束抑制特征量中的振幅；

较佳地，所述波束抑制特征量还包括波束宽度，所述波束抑制特征量中的波束宽度不大于所述主波束的波束宽度。

较佳地，所述第二权值确定单元302，具体用于：

根据所述波束抑制特征量及虚拟阵元技术，确定所述第二赋形权值；

将所述第一赋形权值和所述第二赋形权值进行加权，得到所述智能天线的波束赋形权值。

本发明实施例提供一种波束旁瓣抑制的装置，首先根据主波束期望方向，确定智能天线的第一赋形权值；根据所述第一赋形权值，确定主波束赋形方向图；然后根据所述主波束赋形方向图，确定待抑制旁瓣的波束抑制特征量；其中，所述波束抑制特征量中的相位与所述待抑制旁瓣的相位相反；根据所述波束抑制特征量，确定第二赋形权值；最后根据所述第一赋形权值和所述第二赋形权值，生成所述智能天线的波束赋形权值。本发明实施例在主波束的待抑制旁瓣的位置生成与待抑制旁瓣的振幅和方向相同但相位相反的副波束，通过副波束对应的第二赋形权值与主波对应的第一赋形权值的加权，达到抑制主波束旁瓣的效果，本发明实施例提供的旁瓣抑制方法不会展宽主瓣，实用性和可靠性较高。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的系统。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令系统的制造品，该指令系统实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种波束旁瓣抑制的方法，其特征在于，包括：

根据主波束期望方向，确定智能天线的第一赋形权值；

根据所述第一赋形权值，确定主波束赋形方向图；

根据所述主波束赋形方向图，确定待抑制旁瓣的波束抑制特征量；其中，所述波束抑制特征量中的相位与所述待抑制旁瓣的相位相反；

根据所述波束抑制特征量，确定第二赋形权值；

根据所述第一赋形权值和所述第二赋形权值，生成所述智能天线的波束赋形权值；

所述根据所述第一赋形权值和所述第二赋形权值，生成所述智能天线的波束的赋形权值，包括：

将所述第一赋形权值和所述第二赋形权值进行加权，得到所述智能天线的波束赋形权值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述主波束赋形方向图，确定待抑制旁瓣的波束抑制特征量，包括：

根据所述主波束赋形方向图，确定待抑制旁瓣；

根据所述待抑制旁瓣的波束特征量，确定所述波束抑制特征量。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述波束抑制特征量还包括下倾角、振幅；

根据所述待抑制旁瓣的波束特征量，确定所述波束抑制特征量，包括：

将所述待抑制旁瓣的方向确定为所述波束抑制特征量中的下倾角，将所述待抑制旁瓣的振幅确定为所述波束抑制特征量中的振幅。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述波束抑制特征量还包括波束宽度，所述波束抑制特征量中的波束宽度不大于所述主波束的波束宽度。

5.如权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，根据所述波束抑制特征量，确定第二赋形权值，包括：

根据所述波束抑制特征量及虚拟阵元技术，确定所述第二赋形权值。

6.一种波束旁瓣抑制的装置，其特征在于，包括：

第一权值确定单元：用于根据主波束期望方向，确定智能天线的第一赋形权值；根据所述第一赋形权值，确定主波束赋形方向图；

第二权值确定单元：用于根据所述主波束赋形方向图，确定待抑制旁瓣的波束抑制特征量；其中，所述波束抑制特征量中的相位与所述待抑制旁瓣的相位相反；根据所述波束抑制特征量，确定第二赋形权值；

生成单元：用于根据所述第一赋形权值和所述第二赋形权值，生成所述智能天线的波束赋形权值；

所述第二权值确定单元，具体用于：

将所述第一赋形权值和所述第二赋形权值进行加权，得到所述智能天线的波束赋形权值。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二权值确定单元，具体用于：

根据所述主波束赋形方向图，确定待抑制旁瓣；

根据所述待抑制旁瓣的波束特征量，确定所述波束抑制特征量。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述波束抑制特征量还包括下倾角、振幅；

所述第二权值确定单元，具体用于：

将所述待抑制旁瓣的方向确定为所述波束抑制特征量中的下倾角，将所述待抑制旁瓣的振幅确定为所述波束抑制特征量中的振幅。

9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述波束抑制特征量还包括波束宽度，所述波束抑制特征量中的波束宽度不大于所述主波束的波束宽度。

10.如权利要求6至9任一项所述的装置，其特征在于，所述第二权值确定单元，具体用于：

根据所述波束抑制特征量及虚拟阵元技术，确定所述第二赋形权值。