CN1198045A - 自适应接收分集设备和自适应发射分集设备 - Google Patents

Abstract

通过估计通信伙伴的移动方向,强迫旋转方向图,由此构成正确的辐射方向图。具体地说,本发明的一种设备包括:用于由第一控制信号以第一接收辐射方向提供来自天线的接收信号的接收辐射方向图控制部分;用于根据估计发射方的移动方向估计部分地输出,由第二控制信号以第二接收辐射方向图提供上述接收信号的辐射方向控制部分;以及具有乘法部分,用于将上述接收信号乘以第一控制信号和第二控制信号的接收信号处理系统。结果,即使当发射有或者接收方的移动速度较高,通过使接收辐射方向图控制器或者发射辐射方向图控制器响应于移动,由此构成正确的辐射方向的图,可以改善发射和接收性能。

Description

自适应接收分集设备和自适应发射分集设备

本发明涉及一种用于数字通信的自适应分集设备。

下面将参考图1和图2描述一种位流的自适应分集设备。图1是这种传统自适应分集设备的方框图。图2是辐射方向图，它是用来帮助解释接收发射辐射方向的。在图1中，由接收天线1、2、3和4在时刻t接收、经过A/D转换以及准相干检波的复数信号分别表示多S₁(t)，S₂(t)，S₃(t)和S₄(t)。

接收辐射方向控制9将复数权重W₁(t)，W₂(t)，W₃(t)和W₄(t)传送到乘法器5、6、7和8。乘法器5、6、7和8以复数权重与上述复数信号相乘。经相乘的复数信号通过加至器12相加。与此同时，当接收轴射方向图控制器9的输出是S(t)时，则该输出S(t)可以用下面的公式表示： $S\left(t\right)={\mathrm{\Σ}}_1^4{W}_i\left(t\right)S_i\left(t\right)----\left(1\right)$

通过在将其乘以适当的复数之后如此构成来自多个天线的接收信号，可以在一个平面上给所有的天线提供如图2所示的辐射方向图。例如，在图2中，当一想要的信号从箭头21的方向到来，而一干扰信号从箭头22的方向到来时，则图2的标号23所示，接收辐射方向图控制器9控制辐射方向图。即，控制由9如此控制辐射方向图，从而以高强度接收想要的信号，而以低强度接收干扰信号。由此，可以改进接收特性。

判定器11输出组合信号S(t)的硬判定的位置D(t)。误差检测器10输出组合信号S(t)和检测得的位置D(t)之间的差S(t)-D(t)。接收辐射方向图控制器9根据误差检测器的输出和S₁(t)，S₂(t)，S₃(t)和S₄(t)，更新它的输出复数权重W₁(t)，W₂(t)，W₃(t)和W₄(t)。

例如，当把接收信号矢量表示为S_i9(t)＝(S₁(t)，S₂(t)，S₃(t)，S₄(t))^T，而把接收辐射方向控制器的输出表示为W(t)＝(W₁(t)，W₂(t)，W₃(t)，W₄(t))^T，则经过更新的复数权重可以表示为下面的公式(2)：

W(t+1)＝W(t)+μ(S(t)+D(t)^TS_i9(t)    (2)

这里，μ是步系数(step fator)。

在上述传统的自适应分集设备中，通过连续更新权重(它用来自天线的输入信号相乘)，即使当发射方有移动，仍能根据该移动形成方向辐射图。

在位流设备中，当发射方的移动速度较低时，辐射方向图可以根据移动而形成；但是，当发射方的移动速度较高时，由于复数权重不收敛，故由接收辐射方向图控制器进行的处理无法响应于该移动，从而无法形成正确的辐射方向图。

本发明的一个目的是提供一种自适应分集设备，在这种设备中，通过使接收辐射方向图控制器或发射辐射方向图控制器响应于发射方向或者接收方的移动，由此即使在发射方或者接收方的移动速度较高时也形成正确的辐射方向图，来改进发射和接收性能。

为了解决上述问题，根据本发明，通过估计通信伙伴的移动方向，强制地旋转辐射方向图，由此形成正确的辐射方向图。

具体地说，本发明的自适应分集设备包括：用于由第一控制信号以第一接收辐射方向图提供来自天线的接收信号的接收辐射方向图控制装置；根据用于估计发射方移动方向的移动方向估计装置的输出，用于由第二控制信号以第二接收辐射方向图向接收信号提供接收信号的辐射方向图控制装置；以及具有乘法装置的接收信号处理系统，用于将上述接收信号乘以上述第一控制信号和第二控制信号。

根据这个特点，由于可以较高速度地根据发射方的移动校正从接收信号提取和产生的接收辐射方向，故予以显著地改善接收性能。

另外，在本发明的自适应分集设备中，辐射方向图控制装置输出第二控制信号，用于根据移动方向的估计装置的输出控制第一接收辐射方向图的旋转。根据这一特点，通过旋转第一接收辐射方向图相位，能确实并容易地校正接收辐射方向图。

另外，在本发明的自适应分集设备中，辐射方向图控制装置产生第二控制信号，从而抵消由到达方向位移而获得的相位变化。根据这一特点，由于通过根据接收信号估计到达方向能够计算来自通信伙伴的相对角度，故能以低成本实现辐射方向图控制。

另外，在本发明的自适应分集设备，独立地提供接收辐射方向图控制装置和发射辐射方向图控制装置，并且接收信号、第一控制信号和第二控制信号由单个乘法装置相乘。由此，简化了电路，从而便于将辐射方向图控制装置归率到或安装在现有电路中。

另外，具体而言，在将本发明应用于自适应接收分集设备时，所使用的一种结构包括：多个天线；用于判断发射方移动方向的移动方向估计装置；用于以接收辐射方向提供来自天线的接收辐射方向图控制装置；用于组合多个来自上述天线的输入的相加装置；用于根据上述移动方向估计装置的输出，控制上述接收辐射方向图旋转的辐射方向图旋转装置；用于执行上述相加装置的输出的硬判定的判定装置；以及用于检测判定装置的输出和上述相加装置的输出之间的误差，以将该误差反馈给上述接收辐射方向图控制装置。

另外，在本发明的自适应分集设备中，辐射方向图校正控制装置根据移动方向估计装置的输出，在设备的多个天线的每个天线处得到由于发射方的移动引起的相对相位的变化，并且根据每个相位变化产生第二控制信号。另外，在本发明的自适应分集设备中，辐射方向图控制装置根据移动方向估计装置的输出，在设置的多个天线的每个天线处得到由于接收方的移动引起的相对相位变化，并根据每个相位变化产生第二控制信号。根据这些特点，显著改进了接收辐射方向的一致，从而改进了设备的总的接收准确度。从改变准确度的角度看，提供更多数量的天线导致更高的准确度。

另外，在本发明的自适应分集设备中，提供了下面的装置：用于由第一控制信号以第一发射辐射方向提供来自一个天线的发射信号的发射辐射方向图控制装置；根据用于估计接收方的移动方向的移动方向估计装置的输出，由第二控制信号以第二发射辐射方向图提供上述发射信号的辐射方向图控制装置；以及具有乘法装置的发射信号处理系统，用于将上述发射信号乘以第一控制信号和第二控制信号。根据这一特点，由于根据接收方的移动能快速校正构成发射信号的发射辐射方向图，故能显著地改进发射性能。

另外，在本发明的自适应分集设备中，辐射方向图控制装置根据移动方向估计装置的输出，输出用于控制第一发射辐射方向图旋转的第二控制信号。根据这个特点，通过旋转第一发射辐射方向的相位，可以确实和容易地校正发射辐射方向。

另外，在本发明的自适应分集设备中，辐射方向图控制装置产生第二控制信号，从而抵消由接收波到达方向的位移而得到的相位变化。根据这个特点，由于通过从接收信号估计接收波到达的方向，能够算出来自通信伙伴的相对角度，故可以用较低的成本实现辐射方向图的校正。

另外，在本发明自还应分集设备中，相互独立地提供发射辐射方向图控制装置和一辐射方向图控制装置，而且发射信号、第一控制信号和第二控制信号由单个乘法装置相乘。由此，简化了电路，从而便于将辐射方向装置归并到或者安装到现有的电路中。

另外，能把本发明的自适应分级设备应用于每个接收部分和发射部分，以构成自适应分集发射和接收设备。由此，当用户在移动时使用便携式无线电通信设备(它是时分的并且交替地具有发射时隙和接收时隙)发射和接收准确度改善。

图1是一种传统的发射分集设备的方框图。

图2是一种接收发射辐射方向图案的图。

图3是根据本发明第一实施例的自适应接收分集设备的方框图。

图4是本发明的接收发射辐射方向图。

图5是本发明的接收发射相位旋转的例示图。

图6是根据本发明的第二实施例的自适应发射分集设备的方框图。

下面，将参考图3到图6描述本发明的最佳实施例。

(第一实施例)

图3是显示了根据本发明的第一实施例的自适应接收分集设备的方框图。图4是示出本发明中接收(发射)辐射方向图。图5是本发明的接收(发射)相位旋转的例示图。

自适应接收分集设备包括多个天线101、102、103和104；用于控制来自各个天线的输入，从而将它们组合而具有辐射方向图的接收辐射方向图和控制器109；用于把来自接收辐射方向图控器的输出和来自各个天线的输入相乘的乘法器105、106、107和108；用于把乘法器的输出加以组合的加法器113，用于对加法器113输出的作硬判定的判定器112；用于检测加法器113的输出和判定器112输出之间的误差的误差检测器111；用于估计发射方移动方向的移动方向估计器110；用于根据移动方向估计器110的输出旋转辐射方向图的辐射方向图旋转器114。下面将描述这些部件的工作。

接收天线101、102、103和104接收传统的无线电极。天线的数量不限于四，而可以是除了四之外的数量。来自各个天线的输入和接收辐射方向图案控制器109的输出(权重)分别由乘法器105、106和107和108相乘，并且加法器113组合。

这里，以矢量形式把在时刻t来自天线的输入信号表示为S(t)＝{S₁(t)，S₂(t)，S₃(t)，S₄(t)}^T，而把要与来自各个天线的信号相乘的接收辐射方向图控制器的输出(权重)表示为W(t)＝{W₁(t)，W₂(t)，W₃(t)，W₄(t)}^T。然后，加法器113的输出S(t)可以用下面的公式(3)表示： $S\left(t\right)={\mathrm{\Σ}}_1^4{W}_i^{*}{\left(t\right)}^T{S}_i\left(t\right)----\left(3\right)$

判定器112执行加法器113的输出的硬判定。当判定位置是D(t)时，误差检测器111输出D(t)和S(t)之间的差值，并将该差值提供给接收辐射方向图控制器109。根据差值，接收辐射方向控制器107更新权重的值，那些值将与来自天线的输入信号相乘。本发明第一实施例中的接收辐射方向图最终并不由更新算法决定。但是、例如，接收辐射方向图控制器109根据下面的公式(4)更新输出：

W(t+1)＝W(t)+μ(D(t)-Sig(t))^T·Sig(t)    (4)

移动方向估计器110估计发射方的移动方向。可以通过任何方法执行移动方向估计。这些方法的例子包括：在发射方使用GPS接收机，并发射位置信息的方法；在接收方使用GPS，并检测相对移动方向的方法；和下面将描述的，使用根据接收波产生接收辐射方向图的方法。

辐射方向图旋转器114根据发射方的估计出的移动方向旋转接收辐射方向。如图5所示，当从接收方看去的发射方的方向是θ301，而关于每个天线元件的参考点用波长归一的位置是(xi，yi)，则在天线位置305(在x-y面上处于(xi，yi)处的从参考点306予以表示为下面的公式(5)： $\sqrt{x_i^2+y_i^2}\cos (\mathrm{\φ}+\mathrm{\θ})----\left(5\right)$

这里，φ是天线位置305和参考图306之间的角度302。角度302可以是Xicosθ-Yisinθ。

以弧度来表示，用公式(5)表示相移304为2λ(Xicosθ-Yisinθ)。这是在天线位置305处自参考点306的相位变化。可以通过任何方法得到入射角θ。这些方法的例子包括：在发射方使用GPS接收机，使用在接收信号中测得的位置信息来获得入射角度的方法；使用获得由接收辐射方向图控制器形成的辐射方向图最大增益的方向的方法；以及使用不管接收功率如何，想要的信号功率与干扰信号功率之比都很大的方向的方法。这些方法在降低成本方面是有利的，因为来自通信伙伴的相对角度予以通过从接收信号估计接收后沿该方向发射而计算出来。

当发射方移动时，通过当从接收机看得的角度是θ+α时和当从接收机看得的角度是θ时得到距离变化量Δl_i，和将该距离变化转换为以弧度表示的值，可以得到影响各个天线的相位变化Δθ_i。通过将每个输入乘以抵消相位变化Δθ_i的值之后组合各个天线的输入，可以旋转天线辐射方向图的方向。具体而言，由于当角度是θ+α时，自参考点的距离差例如可以表示为下面的公式(6)，则由发射方的移动所引起的距离变化Δl_i可以表示为下面的公式(7)： $\sqrt{x_i^2+y_i^2}\cos (\mathrm{\φ}+\mathrm{\θ}+\mathrm{\α})----\left(6\right)$ $\sqrt{x_i^2+y_i^2}\cos (\mathrm{\φ}+\mathrm{\θ})-\sqrt{x_i^2+y_i^2}\cos (\mathrm{\φ}+\mathrm{\θ}+\mathrm{\α})----\left(7\right)$

重改写这个公式，得到下面的公式(8)； ${\mathrm{\Δl}}_i=-2\sqrt{x_i^2+y_i^2}\{\cos (\mathrm{\φ}-\mathrm{\α}/2)\sin \mathrm{\θ}+\sin (\mathrm{\φ}+\mathrm{\α}/2)\cos \mathrm{\θ}\}\sin \mathrm{\α}/2----\left(8\right)$

得到相位变化Δθ_i，将距离的变化转换为用弧度表示的，相位变化Δθ_i方以表示为下面的公式(9)： ${\mathrm{\Δ\θ}}_i=-4\sqrt{x_i^2+y_i^2}\{\cos (\mathrm{\φ}-\mathrm{\α}/2)\sin \mathrm{\θ}+\sin (\mathrm{\φ}+\mathrm{\α}/2)\cos \mathrm{\θ}\}\sin \mathrm{\α}/2----\left(9\right)$

因此，由于移动台移动了角度α，将每个天线的权重乘以抵消变化的共轭复数，而使天线的相位移动了Δθ_i，因此可以组合来自各个天线的信号，从而信号的相位在参考点上相互一致，即，辐射方向图沿移动台移动角度α的方形成。结果，可以改善接收性能。要与这相乘的共轭复数例如示于下面的公式(10)中：

ΔW_i＝cos(Δθ_i)-jsin(Δθ_i)    (10)

不管i如何，当针一预定值加到或乘以距离变化Δl_i相位变化Δθ_i和共轭复数Δw_i时得到相同的结果。

如上所述，根据本发明的第一实施例，由于接收辐射方向图能根据发射方向移动而旋转，即使当发射方或接收方的移动速度较高时，接收辐射方向图控制器或发射方向图控制器能与移动一致。结果，可以形成正确的辐射方向图，从而可以改善发射和接收性能。

(第二实施例)

图6是根据本发明的第二实施例的自适应发射分集设备的方框图，该实施中将本发明应用于发射机。

图6所示的第二实施例包括：用于产生发射信号的发射信号发生器401；接收天线402；用于估计移动方向的移动方向估计器403；用于形成发射辐射方向的发射轭射方向图控制器405；用于根据移动方向估计器的输出旋转辐射方向图的辐射方向旋转器404；用于把发射辐射方向图控制器输出和发射信号相乘的乘法器406、407、408和409；和多个发射天线410、411、412和413。可以设置多个接收天线。

按下面的方式改变天线的辐射方向图：当接收方移动时，通过在当从发射机看得角度为θ+α和当从发射机看得角度为θ之间的得到距离变化Δl_i将该距离变化转化为用弧度表示的值，得到影响各个天线的相位变化Δθ_i。在把每个输入乘以抵消了相位变化Δθ_i的值之后，通过组合各个天线的输入，旋转天线辐射方向图的方向。

由把发射信号发生器401产生的发射信号乘以发射辐射方向图信号(该信号是发射辐射方向图控制器405的输出)，然后，从发射天线410、411、412和413发射。在这种情况下，当接收器方移动时，轴射方向图旋转器404考虑到接收方的移动方向(该移动方向由移动方向估计器403估计)而旋转轴射方向图。由此，可以处理接收方的突然移动。

从上面给出的描述显而易见，根据本发明，即使移动的速度较高时，在接收时刻的辐射方向图也能高度准确地和发射方的移动一致。另外，即使当移动速度较高时，在发射时刻的辐射方向图案也能响应于接收方的移动。

另外，通过将本发明应用于每个接收部分发射部分，当用户在移动时使用便携式通信设备(该设备是时分的和交替地具有发射时隙和接收时隙)时，改善了发射和接收准确。

Claims (11)

1.一种自适应接收分集设备，其特征在于包括：

用于由第一控制信号以第一接收辐射方向图提供来自天线的接收信号的接收辐射方向图控制装置；

用于根据估计发射方移动方向的移动方向估计装置的输出由第二控制信号以第二接收辐射方向图提供所述接收信号的辐射方向图控制装置；以及

具有乘法装置用于将所述接收信号乘以所述第一控制信号和所述第二控制信号的接收信号处理系统。

2.如权利要求1所述的自适应接收分集设备，其特征在于所述辐射方向图控制装置输出所述第二控制信号，用于根据所述移动方向估计装置的输出控制所述第一接收辐射方向的旋转。

3.如权利要求1所述的自适应接收分集设备，其特征在于所述辐射方向图控制装置产生所述第二控制信号，从而抵消由接收到达方向的位移而移动的相位变化。

4.如权利要求1所述的自适应接收分集设备，其特征在于相互独立地设置所述接收辐射方向图控制装置和所述辐射方向装置，并且所述接收信号、所述第一控制信号和所述第二控制信号由单个乘法装置相乘。

5.一种自还应接收分集设备，其特征在于包括：

多个天线；

用于估计发射方的移动方向的移动方向估计装置；

用于以接收辐射方向图提供来自天线的接收信号的接收辐射方向图控制装置；

用于把多个来自所述天线的输入以组合的加法装置；

用于所述所述移动方向估计装置的输出控制所述接收辐射方向图旋转的辐射方向控制装置；

用于执行所述加法装置的输出的硬判定的判定装置；以及

用于检测所述判定装置的输出和所述加法装置的输出之间的误差，并将所述误差反馈给所述接收辐射方向图控制装置的误差检测装置。

6.如权利要求5所述的自适应接收分集设备，其特征在于所述辐射方向图控制装置根据移动方向估计装置的输出得出在所述多个设置的天线的每个天线处由于发射方的移动所引起的相对相位变化，并根据每个相位变化产生第二控制信号。

7.一种自适应发射分集设备，其特征在于包括：

用于第一控制信号以第一发射辐射方向图提供来自天线的发射信号的发射辐射方向图控制装置；

用于根据估计接收方移动方向的移动方向估计装置的输出，由第二控制信号以第二发射辐射方向图提供所述发射信号的辐射方向图校正控制装置，以及

具有乘法装置用于将所述发射信号乘以所述控制信号和所述第二控制信号的发射信号处理系统。

8.如权利要求7所述的自适应接收分集设备，其特征在于所述辐射方向图控制装置输出所述第二控制信号，用于根据所述移动方向估计装置的输出控制所述第一发射辐射方向图的旋转。

9.如权利要求7所述的自适应接收分集设备，其特征在于所述辐射方向图控制装置产生所述第二控制信号，从而抵消由接收波到达方向的位移而得到的相位变化。

10.如权利要求10所述的自适应接收分集设备，其特征在于相互地设置所述发射辐射方向图控制装置和所述辐射方向图控制装置，并且所述发射信号、所述第一控制信号和所述第二控制信号用单个乘法装置相乘。

11.如权利要求7所述的自适应接收分集设备，其特征在于，所述辐射方向图控制装置根据移动方向估计装置的输出得到所述设置的多个天线的每个天线处由于接收方的移动引起的相对相位变化，并根据每个相位变化产生第二控制信号。

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