CN111181617A - 一种发射波束的形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供的一种发射波束的形成方法，现在通信中普遍采用多波束技术增加系统的容量。多波束天线系统采用波束形成网络在空间形成多个不同指向的波束，从而实现空分复用，增加通信容量。波束可以分为模拟和数字两种实现方式，其中数字波束形成具有波束灵活可控、旁瓣电平低以及自适应零点等优点。

Description

一种发射波束的形成方法

技术领域

本发明涉及发射波束形成技术领域，特别是涉及一种发射波束的形成方法。

背景技术

波束形成实际上是一种应用到由多个阵元组成的天线阵列上的数字信号处理技术。它利用有用信号和干扰信号在波达(波离)角度等空间信道特性上的差异。现有技术无法在空间上隔离期望信号和干扰信号实现对期望信号的增强和对干扰信号的抑制，进而导致通信的容量较小以及通信质量较差。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种发射波束的形成方法，以提高通信的容量和质量。具体技术方案如下：

本发明实施例提供了一种发射波束的形成方法，包括：

构建具有几何形状的天线阵列；

接收信号源，将所述信号源输入至所述天线阵列中；

利用所述天线阵列分离所述信号源，得到期望信号和干扰信号；

利用自适应算法和加权计算法分别为所述期望信号和所述干扰信号加权；

在所述期望信号加权，以形成窄的主波束；在所述干扰信号加权以形成零陷，实现对所述干扰信号的抑制或抵消；

将加权后的所述期望信号和加权后的所述干扰信号作为发射波束。

可选的，所述天线阵列包括多个阵元，相邻的两个阵元之间的距离为λ/2；其中，λ为信号源的波长。

可选的，各所述阵元之间无耦合。

可选的，还包括对所述发射波束进行校正。

可选的，所述校正方法为远场校正方法或基于正交码的校正方法。

可选的，加权后的所述期望信号的强度表达式为：

P(θ)＝|W^Ha(θ)|

式中，P(θ)为加权后的所述期望信号的强度；aθ为期望信号在θ方向上的导向矢量；W^H为所述期望信号的加权值。

可选的，还包括对所述发射波束进行优化；所述优化的表达式为：

约束条件1：W^Ha(θ_i)＝0,i＝1,2,…,(N-1)

约束条件2：W^HW＝1

式中，θ₀为期望用户方向。θ_i为第i个干扰用户方向，系统共包括N个用户。目标函数是为了保证在期望用户方向上形成主瓣。第一个约束条件是为了在其它N-1个干扰用户方向上形成零陷，从而降低对其它用户的干扰。第二个约束条件则是为了保证系统总的发射功率恒定。

本发明实施例提供的一种发射波束的形成方法，现在通信中普遍采用多波束技术增加系统的容量。多波束天线系统采用波束形成网络在空间形成多个不同指向的波束，从而实现空分复用，增加通信容量。波束可以分为模拟和数字两种实现方式，其中数字波束形成具有波束灵活可控、旁瓣电平低以及自适应零点等优点。

在仰角覆盖范围内配置多个互相重迭的锐波束，各个波束在垂直面内分层电扫描(方位上机械扫描)，并有各自的信道处理通道的雷达。装在舰上的这种雷达称舰载多波束雷达。这种雷达可以根据目标处在各重叠波束中的位置，由计算机算出其高度(即仰角)，所以多波束雷达属于三坐标雷达体质，具有作用距离远，抗干扰能力强，精度和数据率也较高的优点。但这种雷达需要多路收发装置，使设备复杂笨重，成本较高。另外为了满足测高要求，各个波束还要符合一定的形状要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例提供的一种发射波束的形成方法的方法流程图；

图2为本发明实施例提供的一种发射波束形成的基本结构图；

图3为本发明实施例提供的一种基于正交码的校正方法的原理图；

图4为本发明实施例提供的一种理想状态的发射波束图；

图5为本发明实施例提供的一种校正前的波束图；

图6为本发明实施例提供的一种校正后的波束图；

图7为本发明实施例提供的一种理想状态的发射波束图与矫正后的发射波束图；

图8为本发明实施例提供的一种相同静态方向，不同阵元数所对应的不同的波束图；

图9为本发明实施例提供的一种相同阵元数，不同干扰度所对应的不同的波束图；

图10为本发明实施例提供的一种相同阵元数，不同半径波长比所对应的不同的波束图；

图11为本发明实施例提供的一种理想状态的发射波束图与有误差的发射波束图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述。

为了提高通信的容量和质量，本发明实施例提供了一种发射波束的形成方法。

实施例1

第一方面，请参见图1，本发明实施例提供了一种发射波束的形成方法，包括：

S110.构建具有几何形状的天线阵列；

S120.接收信号源，将所述信号源输入至所述天线阵列中；

S130.利用所述天线阵列分离所述信号源，得到期望信号和干扰信号；

S140.利用自适应算法和加权计算法分别为所述期望信号和所述干扰信号加权；

S150.在所述期望信号加权，以形成窄的主波束；在所述干扰信号加权以形成零陷，实现对所述干扰信号的抑制或抵消；

S160.将加权后的所述期望信号和加权后的所述干扰信号作为发射波束。

具体的，本发明实施例提供的一种发射波束的形成方法，现在通信中普遍采用多波束技术增加系统的容量。多波束天线系统采用波束形成网络在空间形成多个不同指向的波束，从而实现空分复用，增加通信容量。波束可以分为模拟和数字两种实现方式，其中数字波束形成具有波束灵活可控、旁瓣电平低以及自适应零点等优点。

在仰角覆盖范围内配置多个互相重迭的锐波束，各个波束在垂直面内分层电扫描(方位上机械扫描)，并有各自的信道处理通道的雷达。装在舰上的这种雷达称舰载多波束雷达。这种雷达可以根据目标处在各重叠波束中的位置，由计算机算出其高度(即仰角)，所以多波束雷达属于三坐标雷达体质，具有作用距离远，抗干扰能力强，精度和数据率也较高的优点。但这种雷达需要多路收发装置，使设备复杂笨重，成本较高。另外为了满足测高要求，各个波束还要符合一定的形状要求。

请参见图2-图11，需要说明的是，波束形成实际上是一种应用到由多个阵元组成的天线阵列上的数字信号处理技术。它利用有用信号和干扰信号在波达(波离)角度等空间信道特性上的差异，通过对天线阵列适当加权，在空间上隔离期望信号和干扰信号实现对期望信号的增强和对干扰信号的抑制，进而提高通信的容量和质量。归纳起来，它主要包括这样四个技术要点：

(1)使用在空间上构成一定几何形状的多个天线元组成的天线阵列；

(2)期望信号和干扰信号在空间上是可分的；

(3)需要采用某种自适应算法和数字信号处理技术计算加载到各阵元上的权值，而且权值可以用软件更新；

(4)阵列天线上形成的发射或接收波束在期望方向上形成窄的主波束，以增强期望信号，同时在干扰方向上形成零陷，实现对干扰信号的抑制或抵消。

发射波束形成的基本结构：

以均匀线阵为例对发射波束形成技术的基本原理进行说明。均匀线阵发射波束形成器的结构如图2所示。

(1)发射端阵列阵元数为M，该阵列阵元间距足够小，一般取为；

(2)阵元之间无耦合；

(3)阵列口径上的入射信号频带相对载频来说较小。为期望用户方向。为第个干扰方向。

W＝[w₀,w₁,…,w_M-1]为发射端的天线阵列的加权向量。

假设期望用户和干扰用户都处于天线阵列的远区时，在不考虑接收机噪声且假定各发射天线发射功率恒定的情况下，在θ方向上的归一化电场强度可以表示为：

P(θ)＝|W^Ha(θ)|

a(θ)为阵列在θ方向上的导向矢量。

发射波束形成的波束图与接收波束形成的波束图表达是完全相同的，所以接收波束形成的许多最佳加权系数优化准则都可以在发射波束形成中得到应用。但也要认识到发射波束形成与接收波束形成也是存在一些差别的，主要表现在：

(1)获得信道特征信息的方式不同接收波束形成可以较容易的获得准确的上行信道特征信息，而发射波束形成却很难获知下行信道的特征信息。目前已有三种方法来解决这一问题：一种方法是利用上行信道信息来估计下行信道，这在TDD(时分双工系统)中是行得通的；第二种方法是针对FDD系统的，是将上行信道信息过一个频率校正后在用做下行信道信息的估计；第三种方法则是做成闭环结构。最后一种方案因为将浪费系统资源、附加延时和易受上行信道干扰等并不被看好。

(2)处理接收机噪声发射不同发射波束形成在发射端完成，只作用在发射信号上面，而不会放大接收机噪声。因此，在研究发射波束形成时，可以不用考虑波束形成算法对接收噪声的影响。

(3)对发射功率的要求不同发射波束形成应该保证总发射功率的恒定。对无线通信系统来说，系统的总发射功率是有一定限制的，因此发射波束形成必须保证不会增加系统的发射功率。

由此，可以将发射波束形成映射为如下的优化问题：

约束条件1：W^Ha(θ_i)＝0,i＝1,2,…,(N-1)

约束条件2：W^HW＝1

式中，θ₀为期望用户方向。θ_i为第i个干扰用户方向，系统共包括N个用户。目标函数是为了保证在期望用户方向上形成主瓣。第一个约束条件是为了在其它N-1个干扰用户方向上形成零陷，从而降低对其它用户的干扰。第二个约束条件则是为了保证系统总的发射功率恒定。

对这一优化问题的求解可以在假设基站发射端已知下行信号波离角信息的情况下，通过对接收波束形成中的最大信噪比方法和线性约束最小方差(LCMV)方法的稍加改进来实现求解。因为这些方法在物理意义上讲都是为了实现输出“期望/干扰”比最大，因此它们所能实现的最优解应该是等效的。

进一步的，所述天线阵列包括多个阵元，相邻的两个阵元之间的距离为λ/2；其中，λ为信号源的波长。

进一步的，各所述阵元之间无耦合。

进一步的，还包括对所述发射波束进行校正。

进一步的，所述校正方法为远场校正方法或基于正交码的校正方法。

请参见图3，具体的，发射波形的校正方法有两种，方法一：REV(Rotating Elementelectric fieldVector)的远场校正方法。

校正原理：校正有远场校正和内部校正两种,远场校正可以将发射通道、天线引入的误差彻底消除,在实际测量时我们让每个通道信号依次通过天线发射出去,远场接收发射信号与参考信号比较,得到各通道发射支路的幅相误差。将此误差代入DDS中,即将各路发射支路幅相误差修正掉了。内部校正是将发射信号从天线耦合端耦合出来,经矩阵开关依次切换各路信号,矩阵开关的输出与参考信号比较即得到发射通道的幅相误差。此误差再加上天线、矩阵开关等固定误差,即得到等效于远场校正误差。

DDS是一种把一系列数字量信号通过D/A变换器转化成模拟信号的信号合成技术。

然而此方法校正因子的获得需要逐个阵元测量，忽略了各阵元间的互偶特性，而且校正所需的时间较长。

方法二：基于正交码的校正方法

该方法采用在DBF(数字波束形成)网络之后注入校正测试信号，在天线阵列输入端口处接收所有阵元信号的和，然后利用正交码信号的时间相关性和IDFT并行处理技术同时获得所有通道的校正因子，并将所获得的校正因子对参考通道做了归一化处理，避免获得的校正因子对射频通道非线性器件的影响，适合于快速频繁地校正处理以补偿发射射频通道幅相不一致性对DBF系统性能的影响。

在实际的DBF天线系统中，由于随机幅度误差与相位误差的存在，将这些误差分为非时变误差和时变误差，这些误差最终结果都表现为阵列通道间的幅相误差，因此下面的分析均以幅相误差来表示由各种原因引起的误差，阵列通道间的幅相误差可表示为：

(1+δ_n)exp(jΦ_n) n＝1,2…,N

其中δ_n为第n个阵元上的幅度误差，Φ_n为其相位误差。

图2为带有校正系统的数字定向发射阵列天线系统框图，其中N为阵列天线的阵元数，{C₁,C₂,…,C_N-1,C_N}为射频通道的误差，{C'₁,C'₂,…,C'_N-1,C'_N}为系统的校正因子。校正网络由射频处理单元，A/D，数字下变频和校正算法单元组成。

校正步骤如下所示：

(1)产生N个复合正交码信号s_k(l)，k＝1,2…,N；l＝1,2…,L，N，L分别为阵元数和正交码的长度。这可以事先算好存储在存储器中。s_k(l)经过DFT变换产生N个校正测试信号test_n(l)n＝1,2…,N；l＝1,2…,L。

(2)N个校正测试信号test_n(l)同时进入N个发射通道，乘上射频通道引入的误差{C₁,C₂,…,C_N-1,C_N}。经过合路器后的信号为：

合路器输出的信号经过校正网络。s_k为第k个正交码信号，有：

可以看出，

和C_n为一DFT变换对。对

作IDFT得：

校正系数C'_n：

考虑到校正系数的送入对发射系统每个射频通道中器件非线性的影响，特别是对功放的影响，因此对校正系数进行归一化处理：

同理，可求得整个系统的校正系数A'_n，则得到非时变误差的校正系数B'_n＝A_n/C'_n，并将B'_n或B_n通过建库等方法存储在存储器中。在系统工作时，实时校正出时变误差的校正系数C'_n，然后乘上事先校正好并存储在存储器中的非时变误差的校正系数B'_n，就得到整个系统的校正系数A'_n。求得的校正系数A'_n被乘到每个射频通道上来补偿通道和阵元的不一致性对发射系统的影响。

进一步的，加权后的所述期望信号的强度表达式为：

P(θ)＝|W^Ha(θ)|

式中，P(θ)为加权后的所述期望信号的强度；aθ为期望信号在θ方向上的导向矢量；W^H为所述期望信号的加权值。

进一步的，还包括对所述发射波束进行优化；所述优化的表达式为：

约束条件1：W^Ha(θ_i)＝0,i＝1,2,…,(N-1)

约束条件2：W^HW＝1

式中，θ₀为期望用户方向。θ_i为第i个干扰用户方向，系统共包括N个用户。目标函数是为了保证在期望用户方向上形成主瓣。第一个约束条件是为了在其它N-1个干扰用户方向上形成零陷，从而降低对其它用户的干扰。第二个约束条件则是为了保证系统总的发射功率恒定。

本发明实施例提供的一种发射波束的形成方法，现在通信中普遍采用多波束技术增加系统的容量。多波束天线系统采用波束形成网络在空间形成多个不同指向的波束，从而实现空分复用，增加通信容量。波束可以分为模拟和数字两种实现方式，其中数字波束形成具有波束灵活可控、旁瓣电平低以及自适应零点等优点。

在仰角覆盖范围内配置多个互相重迭的锐波束，各个波束在垂直面内分层电扫描(方位上机械扫描)，并有各自的信道处理通道的雷达。装在舰上的这种雷达称舰载多波束雷达。这种雷达可以根据目标处在各重叠波束中的位置，由计算机算出其高度(即仰角)，所以多波束雷达属于三坐标雷达体质，具有作用距离远，抗干扰能力强，精度和数据率也较高的优点。但这种雷达需要多路收发装置，使设备复杂笨重，成本较高。另外为了满足测高要求，各个波束还要符合一定的形状要求。

实施例2

请参见图8，在上述实施例1的基础上，本发明实施例对上述实施例1的一种发射波束的形成方法进行仿真。

使用圆阵，阵元数的增加，其静态方向图不变，主瓣宽度不变，其分辨率不会随着阵元数的变化而变化。

半径与波长之比：0.5；期望信号：0°

2、请参见图9，由于其分辨率低，干扰方向落在主瓣内，会导致主瓣方向的偏移。

如下图仿真：阵元数：7；半径与波长之比：0.5

3、请参见图10，半径与波长的比值会影响其主瓣的宽度，其比值越大，主瓣宽度越小：

仿真如下：阵元数：7

实施例3

在上述实施例1实施例2的基础上，本发明实施例采用具体事例进行分析。

现在通信中普遍采用多波束技术增加系统的容量。多波束天线系统采用波束形成网络在空间形成多个不同指向的波束，从而实现空分复用，增加通信容量。波束可以分为模拟和数字两种实现方式，其中数字波束形成具有波束灵活可控、旁瓣电平低以及自适应零点等优点。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种发射波束的形成方法，其特征在于，包括：

构建具有几何形状的天线阵列；

接收信号源，将所述信号源输入至所述天线阵列中；

利用所述天线阵列分离所述信号源，得到期望信号和干扰信号；

利用自适应算法和加权计算法分别为所述期望信号和所述干扰信号加权；

在所述期望信号加权，以形成窄的主波束；在所述干扰信号加权以形成零陷，实现对所述干扰信号的抑制或抵消；

将加权后的所述期望信号和加权后的所述干扰信号作为发射波束。

2.根据权利要求1所述的发射波束的形成方法，其特征在于，所述天线阵列包括多个阵元，相邻的两个阵元之间的距离为λ/2；其中，λ为信号源的波长。

3.根据权利要求2所述的发射波束的形成方法，其特征在于，各所述阵元之间无耦合。

4.根据权利要求1所述的发射波束的形成方法，其特征在于，还包括对所述发射波束进行校正。

5.根据权利要求4所述的发射波束的形成方法，其特征在于，所述校正方法为远场校正方法或基于正交码的校正方法。

6.根据权利要求1所述的发射波束的形成方法，其特征在于，加权后的所述期望信号的强度表达式为：

P(θ)＝|W^Ha(θ)|

式中，P(θ)为加权后的所述期望信号的强度；aθ为期望信号在θ方向上的导向矢量；W^H为所述期望信号的加权值。

7.根据权利要求1所述的发射波束的形成方法，其特征在于，还包括对所述发射波束进行优化；所述优化的表达式为：

约束条件1：W^Ha(θ_i)＝0,i＝1,2,…,(N-1)

约束条件2：W^HW＝1

式中，θ₀为期望用户方向。θ_i为第i个干扰用户方向，系统共包括N个用户。目标函数是为了保证在期望用户方向上形成主瓣。第一个约束条件是为了在其它N-1个干扰用户方向上形成零陷，从而降低对其它用户的干扰。第二个约束条件则是为了保证系统总的发射功率恒定。

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