CN113985349A - 基于功率检测的低复杂度波束角度估计装置及方法 - Google Patents

基于功率检测的低复杂度波束角度估计装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于功率检测的低复杂度波束角度估计装置及方法，包括：阵列天线、移相器、功率合成器、功率测量单元和角度估计单元等。不同于传统的基于空间谱估计的角度估计技术，本发明通过两个天线阵元检测接收信号的功率来估计波束的角度。由于只需要检测信号功率而不需要使用传统方法中如求解相关矩阵等运算，所以本发明具有极低的复杂度。同时，本发明具有很强的抗噪声能力，仿真和实际测试结果表明，本发明提出的角度估计方法具有较高的精度和鲁棒性。相比于传统的方法本发明还有一个显著的优点就是不需要获取每一个阵元对应的信息，因此适用于现在被广泛使用的模拟波束赋形和混合波束赋形架构的无线系统。

Description

基于功率检测的低复杂度波束角度估计装置及方法
技术领域
以下描述涉及无线通信技术领域和雷达信号处理领域。更具体的，以下描述涉及基于功率检测的低复杂度波束角度估计技术。
背景技术
为了应对人们急剧增长的对于通信速率的要求，第五代移动(5G)通信系统应运而生。其中多天线波束成型和波束赋形技术由于能高效的实现空分复用受到广泛关注。本技术的一个关键点在于如何快速高效的在接收端获取入射波束的角度信息从而调整天线阵阵元的相位。
DOA(Direction of arrival)波达方向估计技术被广泛研究并应用于雷达信号处理等诸多领域。其中经典的例如MUSIC(Multiple Signal Classification)算法由于具有角度分辨率高等诸多优点在阵列信号处理领域受到广泛使用，但是在5G波束角度估计中由于若干缺点限制了其应用。在5G波束赋形技术中，尤其在毫米波频段。天线阵元的数量可高达数百个且带宽高达数百MHz。所以传统的数字波束赋形技术即为每一个天线阵元分配一个数字通道难以实现。取而代之的是使用模拟波束赋形和混合波束赋形技术。即把若干个阵元的信号经过各自对应的移相等操作后合为一路信号共同使用一个数字通道。这显著降低了数字通道的数量，但是随之而来的缺点是无法获得每一个阵元对应的接收信号从而限制了诸如MUSIC等算法的应用。同时，传统的DOA算法的计算复杂度较高较为消耗硬件资源不利于实现。
发明内容
技术问题：针对传统的波束角度估计算法在移动通信中或雷达信号处理中的限制，本发明提出了一种基于功率检测的低复杂度波束角度估计装置及方法，通过调整阵元的相位偏移而后多次测量间接获得接收信号的角度信息。由于只需要获取信号的功率信息，所以复杂度很低。同时考虑到接收机射频前端通常有用于自动增益控制的功率检测电路，直接使用功率检测电路的输出也可完成波束角度估计，这极大地降低了波束角度估计的复杂度。
技术方案：为达到此目的，本发明的一种基于功率检测的低复杂度波束角度估计装置采用以下技术方案：
该装置包括阵列天线、移相器、功率合成器、功率测量单元和角度估计单元；其中，功率测量单元包括变频模块和ADC采样模块；移相器包括第一移相器、第二移相器；阵列天线包括第一阵元、第二阵元；阵列天线的第一阵元和第二阵元分别通过第一移相器和第二移相器接功率合成器的输入端，功率合成器输出端接功率测量单元，通过功率测量单元中的变频模块和ADC采样模块接角度估计单元。
所述的阵列天线中的两个天线阵元，其中第一天线阵元和第二天线阵元接收到的两路射频信号，其对应的基带信号为x1(n)、x2(n)，x1(n)、x2(n)分别经过第一移相器、第二移相器移相Φ1、Φ2后再输入功率合成器，功率合成后的信号输入功率测量单元进行变频和ADC采样并计算平均功率，最后功率值输入角度估计单元进行角度估计。
第一天线阵元、第二天线阵元接收到的基带信号x1(n)、x2(n)，
Figure BDA0003344807020000021
Figure BDA0003344807020000022
其中
Figure BDA0003344807020000023
为波束到达两个阵元的波程差所导致的相位偏移。
本发明的基于功率检测的波束角度估计装置的波束角度估计方法包括以下步骤：
S1：固定第一移相器相位Φ1，调整第二移相器相位Φ2，使得Φ2＝Φ1，功率合成后的射频信号变频为基带信号
Figure BDA0003344807020000024
ADC采样模块采集N点y1(n)信号，计算功率为
Figure BDA0003344807020000025
其中
Figure BDA0003344807020000026
N为采样点数，
S2：固定第一移相器相位Φ1，调整第二移相器相位Φ2，使得
Figure BDA0003344807020000027
功率合成后的射频信号变频为基带信号
Figure BDA0003344807020000028
ADC采样模块采集N点y2(n)信号，计算功率为
Figure BDA0003344807020000029
S3：固定第一移相器相位Φ1，调整第二移相器相位Φ2，使得Φ2＝Φ1+π，功率合成后的射频信号变频为基带信号
Figure BDA00033448070200000210
ADC采样模块采集N点y3(n)信号，计算功率为
Figure BDA00033448070200000211
S4：固定第一移相器相位Φ1，调整第二移相器位Φ2，使得
Figure BDA00033448070200000212
功率合成后的射频信号变频为基带信号
Figure BDA00033448070200000213
ADC采样模块采集N点y4(n)信号，计算功率为
Figure BDA0003344807020000031
S5：使用以上四个功率值估计出
Figure BDA0003344807020000032
S6：估计波束的入射角度θ，
Figure BDA0003344807020000033
其中d为第一阵元与第二阵元的间距，λ为射频载波信号对应的波长。
其中：
所述步骤S1-步骤S4中ADC采样模块采样基带信号计算信号平均功率的方法，或使用模拟功率检波电路获取基带信号的平均功率。
可以看到，由于在计算过程中把多次测量的噪声信号的功率进行相减从而抵消，所以本发明提出的角度估计方法具有很强的抗噪声性能，在极低信噪比的环境下依然适用。
有益效果：本发明提出的一种基于功率检测的低复杂度波束角度估计装置及方法，相比于传统的方法，本发明主要有以下优点。
1)不需要获取每一个阵元的接收信号，可以用于模拟波束赋形和混合波束赋形的场景。
2)复杂度低，只需要计算信号功率即可完成角度估计，还可以直接使用功率检波电路的输出避免在数字信号处理器中计算功率。
3)抗噪声性能强，即使考虑到接收噪声，由于噪声功率在计算中被抵消而不影响计算结果，所以具有很强的鲁棒性。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中基于功率检测的低复杂度波束角度估计装置的示意图；
图2为本发明具体实施方式中不同信噪比条件下角度估计误差仿真结果。
图中有：阵列天线1、移相器2、功率合成器3、功率测量单元4、角度估计单元5；变频模块4-1、ADC采样模块4-2；第一移相器2-1、第二移相器2-2；第一阵元1-1、第二阵元1-2。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本具体实施方式公开了一种基于功率检测的低复杂度波束角度估计装置，包括阵列天线1、移相器2、功率合成器3、功率测量单元4、角度估计单元5；其中功率测量单元由变频模块4-1、ADC采样模块4-2组成。
在基于功率检测的低复杂度波束角度估计装置中，阵列天线包含多个天线阵元，其中第一阵元1-1、第二阵元1-2接收到的2路射频信号，其对应的基带信号为x1(n)和x2(n)。x1(n)和x2(n)分别经过第一移相器2-1和第二移相器2-2移相Φ1和Φ2后再输入功率合成器，功率合成后的信号经过功率测量单元进行变频和ADC采样并计算平均功率，最后功率值输入角度估计单元进行角度估计。
第一阵元1-1、第二阵元1-2接收到的基带信号x1(n)和x2(n)，
Figure BDA0003344807020000041
Figure BDA0003344807020000042
其中
Figure BDA0003344807020000043
为波束到达两个阵元的波程差所导致的相位偏移。
基于功率检测的波束角度估计方法，包括以下步骤：
S1：固定第一移相器2-1相位Φ1，调整第二移相器2-2相位Φ2，使得Φ2＝Φ1，功率合成后的射频信号变频为基带信号
Figure BDA0003344807020000044
ADC采集N点y1(n)信号，计算功率为
Figure BDA0003344807020000045
其中
Figure BDA0003344807020000046
S2：固定第一移相器2-1相位Φ1，调整第二移相器2-2相位Φ2，使得
Figure BDA0003344807020000047
Figure BDA0003344807020000048
功率合成后的射频信号变频为基带信号
Figure BDA0003344807020000049
ADC采集N点y2(n)信号，计算功率为
Figure BDA00033448070200000410
S3：固定第一移相器2-1相位Φ1，调整第二移相器2-2相位Φ2，使得Φ2＝Φ1+π，功率合成后的射频信号变频为基带信号
Figure BDA00033448070200000411
ADC采集N点y3(n)信号，计算功率为
Figure BDA00033448070200000412
S4：固定第一移相器2-1相位Φ1，调整第二移相器2-2相位Φ2，使得
Figure BDA00033448070200000413
Figure BDA00033448070200000414
功率合成后的射频信号变频为基带信号
Figure BDA00033448070200000415
ADC采集N点y4(n)信号，计算功率为
Figure BDA00033448070200000416
S5：使用以上四个功率值估计出
Figure BDA00033448070200000417
S6：估计波束的入射角度θ，
Figure BDA00033448070200000418
其中d为天线第一阵元1-1和第二阵元1-2的间距，λ载波信号波长。
S1-S4中ADC采样基带信号计算信号平均功率的方法，也可以使用模拟功率检波电路获取基带信号的平均功率。
使用MATLAB进行仿真，仿真过程中对入射角度从-85度到85度进行扫描，信噪比分别为20，5，1，仿真结果见附图2。从结果可以看到在信噪比较大的情况下，本发明具有很高的估计精度。估计精度随着信噪比的降低而下降，但是从图中可以看出，即使在信噪比低至1，估计误差也在5度内。仿真结果表明本具有很高的精度和抗噪声性能。
在实验室环境基于仪器平台对本发明进行了实施。使用罗德与施瓦信号源输出信号给一个自制的阵列天线(增益15dB，波束宽度16度，工作频率26GHz)，使用自制的相控阵射频前端，只使用其中两个阵元关闭其它通道。使用罗德与施瓦茨频谱仪观测接收信号，使用两种方式获取信号功率，一种是使用频谱仪采集1000点数据发送给电脑计算功率，用来模拟实际接收机中用ADC采集信号的场景。另一种是直接读取频谱仪观测到的功率值，用来模拟实际接收机中使用功率检波电路获得信号功率的情况。测试结果见表1，从测试结果可以看出，两种方式估计误差都可以控制在10度以内，进一步验证了本发明的实用性。
表1估计误差表
Figure BDA0003344807020000051

Claims (5)

1.一种基于功率检测的低复杂度波束角度估计装置，其特征在于：该装置包括阵列天线(1)、移相器(2)、功率合成器(3)、功率测量单元(4)和角度估计单元(5)；其中，功率测量单元包括变频模块(4-1)和ADC采样模块(4-2)；移相器(2)包括第一移相器(2-1)、第二移相器(2-2)；阵列天线(1)包括第一阵元(1-1)、第二阵元(1-2)；阵列天线(1)的第一阵元(1-1)和第二阵元(1-2)分别通过第一移相器(2-1)和第二移相器(2-2)接功率合成器(3)的输入端，功率合成器(3)输出端接功率测量单元(4)，通过功率测量单元(4)中的变频模块(4-1)和ADC采样模块(4-2)接角度估计单元(5)。
2.根据权利要求1所述的基于功率检测的低复杂度波束角度估计装置，其特征在于：所述的阵列天线(1)中的两个天线阵元，其中第一天线阵元(1-1)和第二天线阵元(1-1)接收到的两路射频信号，其对应的基带信号为x1(n)、x2(n)，x1(n)、x2(n)分别经过第一移相器(2-1)、第二移相器(2-2)移相Φ1、Φ2后再输入功率合成器，功率合成后的信号输入功率测量单元进行变频和ADC采样并计算平均功率，最后功率值输入角度估计单元进行角度估计。
3.根据权利要求1所述的基于功率检测的低复杂度波束角度估计装置，其特征在于：第一天线阵元(1-1)、第二天线阵元(1-2)接收到的基带信号x1(n)、x2(n)，
Figure FDA0003344807010000011
其中
Figure FDA0003344807010000012
为波束到达两个阵元的波程差所导致的相位偏移。
4.一种如权利要求1所述基于功率检测的低复杂度波束角度估计装置的波束角度估计方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：固定第一移相器(2-1)相位Φ1，调整第二移相器(2-2)相位Φ2，使得Φ2＝Φ1，功率合成后的射频信号变频为基带信号
Figure FDA0003344807010000013
ADC采样模块(4-2)采集N点y1(n)信号，计算功率为
Figure FDA0003344807010000014
Figure FDA0003344807010000015
其中
Figure FDA0003344807010000016
N为采样点数；
S2：固定第一移相器(2-1)相位Φ1，调整第二移相器(2-2)相位Φ2，使得
Figure FDA0003344807010000017
功率合成后的射频信号变频为基带信号
Figure FDA0003344807010000018
Figure FDA0003344807010000019
ADC采样模块(4-2)采集N点y2(n)信号，计算功率为
Figure FDA00033448070100000110
Figure FDA0003344807010000021
S3：固定第一移相器(2-1)相位Φ1，调整第二移相器(2-2)相位Φ2，使得Φ2＝Φ1+π，功率合成后的射频信号变频为基带信号
Figure FDA0003344807010000022
Figure FDA0003344807010000023
ADC采样模块(4-2)采集N点y3(n)信号，计算功率为
Figure FDA0003344807010000024
Figure FDA0003344807010000025
S4：固定第一移相器(2-1)相位Φ1，调整第二移相器(2-2)相位Φ2，使得
Figure FDA0003344807010000026
功率合成后的射频信号变频为基带信号
Figure FDA0003344807010000027
Figure FDA0003344807010000028
ADC采样模块(4-2)采集N点y4(n)信号，计算功率为
Figure FDA0003344807010000029
Figure FDA00033448070100000210
S5：使用以上四个功率值估计出
Figure FDA00033448070100000211
Figure FDA00033448070100000212
S6：估计波束的入射角度θ，
Figure FDA00033448070100000213
其中d为第一阵元(1-1)与第二阵元(1-2)的间距，λ为射频载波信号对应的波长。
5.根据权利要求4所述的基于功率检测的低复杂度波束角度估计装置的波束角度估计方法，其特征在于：所述步骤S1-步骤S4中ADC采样模块(4-2)采样基带信号计算信号平均功率的方法，或使用模拟功率检波电路获取基带信号的平均功率。
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