CN1237808A - 以空间滤波器群构造的智慧型天线系统 - Google Patents
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Abstract
一种以空间滤波器群构造的智慧型天线系统，其可对各种不同频道的波束进行同时处理，其发射/接收系统以空间滤波器群以及阵列天线所组成，该空间滤波器群由数字波束成型器及累加器构成，并归纳整理出各个天线元所需的信号，而进行多个指向同时发射，并按输入信号的性质进行分类累加，获得各分离波束的回迹，再送入站台进行后续处理，通过其可对各波束进行高增益与低旁波准位的处理，不但能简化软硬件复杂度，更能提高通讯品质。
Description
本发明为一种以空间滤波器群构造的智慧型天线系统。
现今的智慧型天线(SMART ANTENNA SYSTEM)(SAS)，大约可区分为波束切换(SWITCHED BEAM)系统以及自适调零(ADAPTIVE NULLING)系统两大类，该波束切换系统方面，是以分时(TIME SHARING)方式作空间分割，而使得多种波束依序进行发射/接收的动作，然而当波束的数量大幅增加时，即导致各波束所分配的时间不足，使得运用的弹性受到极大限制，而不符合高效率的要求。
对于自适调零的智慧型天线系统，其可自动追踪用户的使用情况，根据环境与用户位置，以自订(CUSTOMIZED)的方式，采用动态方式调整天线轴射场范围，达到对干扰进行动态调零(NULLING)工作，发挥最佳的发射/接收效率，若以设置八个天线单元所形成的自适调零的典型场型图为如图7所示(摘录自GloMo/Virginia Tech)，而以下即归纳其所衍生的缺点如下：
1．于图面中即显示天线的增益因调零而做一些牺牲，调零附近场型的变率极大，小小的角度差异，衰减的效果即有巨大的变化，在环境影响下，用户精确定位极为不易，使调零的效果受限。
2．为达到前述动态调整的机能，其硬件的线性、均匀性、精度的需求相当苛刻，导致成本高昂。
3．多用户定位与场型调零所需的运算法则(algorithm)相当复杂，天线场型的更新率高，需较高的计算负荷。
4．于有限空间滤波器的频道下，对多用户的分配适应性不佳。
5．系统可控制波束零点的数目少于天线元的数目，若用户数量多时，调零无法与用户量匹配，而导致分配不均。
6．于无线通信而言，基地台的发射与接收采用独立配置，由于上、下链路的频率差距很大，收发的最佳路径间几乎无关联，导致对发射天线场型的估算不易。
故以前述对现有自适调零的智慧型天线系统而言，即在用户众多以及环境均充满不确定性下，不仅有着软硬件结构过于复杂、负荷量过大外，其效果亦受限，因此，无论采用波束切换或是自适调零的天线系统，均无法同时提供高效率与结构简化的优点，显有加以解决的必要。
本发明的主要目的在于提供一种以空间滤波器群构造的智慧型天线系统，以改善现有波束切换系统效率欠佳的问题外，提供一种结构简化的智慧型天线系统。
本发明的次一目的在于提供一种以空间滤波器群构造的智慧型天线系统，可增加天线的增益与提高载波信号强度，亦具有降低旁波瓣与降低干扰的效果，达到提高效率的优点，并可适时关闭无用户的空间滤波频道。
本发明的另一目的在于提供一种以空间滤波器群构造的智慧型天线系统，可令波束可涵盖全空域，使得多用户波束分配较为简单而容易达成。
本发明的又一目的在于提供一种以空间滤波器群构造的智慧型天线系统，使其对硬件的精度要求较低，可通过较低成本的方式建置。
本发明的再一目的在于提供一种以空间滤波器群构造的智慧型天线系统，不但可适用于线性、环形或平面等阵列天线结构，若采用线性阵列天线，各个天线单元的场型可集中在涵盖方位，可达到提高增益的效果，而且也可适用于电磁波、音波、超声波等多种形式的信号源，亦同样可适用于FDMA、TDMA、CDMA等多工方式与多样的信号调变，其应用层面不仅在信息传输上，更可扩及量测、定位等用途。
本发明之技术方案在于：提供一种以空间滤波器群构造的智慧型天线系统，其特征在于包括：一发射天线系统，以一空间滤波器群、阵列天线以及天线控制器组成，空间滤波器以多数个数字波束成型器以及多数累加器构成，而阵列天线为包括有多数天线单元，而天线控制器为赋予空间滤波器群所需的各项参数，一接收天线系统，以一空间滤波器群、阵列天线以及天线控制器组成，空间滤波器以多数个数字波束成型器构成，阵列天线包括有多数个天线单元，天线控制器为控制空间滤波器群的滤波参数，构成一种可对欲发射/接收的信号进行多波束平行处理，并可由天线控制器弹性地控制其发射/接收品质。
前述的以空间滤波器群构造的智慧型天线系统，其特征在于：该发射天线系统各个天线单元为包括有数字类比转换器、中频放大器及射频放大器。
前述的以空间滤波器群构造的智慧型天线系统，其特征在于：该接收天线系统的各个天线单元包括有射频放大器、中频放大器、类比数字转换器以及数字降频器。
前述的以空间滤波器群构造的智慧型天线系统，其特征在于：该等阵列天线可使用线性天线结构。
前述的以空间滤波器群构造的智慧型天线系统，其特征在于：该等阵列天线可使用环形天线。
前述的以空间滤波器群构造的智慧型天线系统，其特征在于：该等阵列天线可使用平面天线。
前述的以空间滤波器群构造的智慧型天线系统，其特征在于：该系统可适用于电磁波、音波及超音波的信号源，也适用于FDMA、TDMA及CDMA的信号调变型态。
前述的以空间滤波器群构造的智慧型天线系统，其特征在于：该等天线控制器更可及时关闭无用户的空间滤波频道。
前述的以空间滤波器群构造的智慧型天线系统，其特征在于：该等天线控制器可对固定或较大的干扰源进行预置调零。
由于采用了上述的技术解决方案，使得，第一由多个空间滤波器所建构的空间滤波器群以及由多数天线构成的阵列天线组成本发明的发射及接收系统，通过空间滤波器群内的各个空间滤波器对阵列天线中的相应的各天线单位进行振幅及相位的分别独立控制，获得足够低的旁波准位，而多数波束可同时平行处理，据以改善现有波束切换系统效率欠佳的问题外，亦由于结构单纯与无需复杂的运算法则，更可同时解决现有自适调零系统的软硬件结构过于复杂的缺点，提供一种结构简化的智慧型天线系统。第二以其可单独对各频道或波束进行平行处理之下，可增加天线的增益与提高载波信号强度，亦具有降低旁波瓣与降低干扰的效果，达到提升效率的优点，也可通过基地台经天线控制器控制该空间滤波器群的各项参数，适时关闭无用户的空间滤波频道。第三即使在相当大的振幅与相位误差状况下，充其量仅令旁波瓣准位略微增加而已，使其对硬件的精度要求较低，可通过较低成本的方式建置。第四可适用于线性、环形或平面等阵列天线结构，若采用线性阵列天线，各个天线单元的场型可集中在涵盖方位，可达到提升增益的效果。第五可适用于电磁波、音波、超声波等多种形式的信号源，亦同样可适用于FDMA、TDMA、CDMA等多工方式与多样的信号调变，其应用层面不仅在信息传输上，更可扩及量测、定位等用途。
以下结合附图进一步说明本发明的具体结构特征及目的。
附图简要说明：
图1：是本发明的天线系统的典型实施例示意图。
图2：是本发明的发射天线系统的方块图。
图3：是本发明的接收天线系统的方块图。
图4：是本发明以8个天线单元形成单一空间滤波的场型图。
图5：是本发明的空间滤波器群的典型性能图表。
图6：是本发明为在振幅及相位误差下的性能图表。
图7：是现有自适调零天线系统的典型场型图。
本发明以空间滤波器群构造的智慧型天线系统典型的应用为如图1所示，基地台10将进行编码或调变后的信号经过该配置有多数发射天线及内含设置有空间滤波器的发射天线系统20送出至各分站40、50或反射体，而各分站40、50回送的信号则通过设置有多数接收天线的接收天线系统30接收，并通过内部的空间滤波器进行对应波束或频道的筛选与整理后，再返回基地台10，进行后续处理。
而本发明的发射天线系统20以及接收天线系统30为建构成可对多数欲发射或接收的波束进行单独空间滤波处理(平行处理)，而欲发射出多数信号，即通过内部的多数空间滤波器处理后，处理后的信号各分量则再通过不同的累加器予以汇整，最后则由不同的天线单元进行转换/射频调变与载波发射，而通过接收天线系统的各元线单元所接收的信号，也依照信号的分布进行个别累加与通过指定的数字波束成型器处理，然后再送回至基地台中，通过发射天线系统20与接收天线系统30内部的由多数数字波束成型器形成空间滤波器群，即可提供较低的硬件精密度要求与较低软件复杂度的效果。
关于发射天线系统的构造，为如图2所示，为以一空间滤波器群23以及一阵列天线25以及一天线控制器28所组成，其中，该空间滤波器群23为以多数个数字波束成型器21以及多数累加器22组成，而接收由基地台10的系统汇流排27送入的信号进行处理，此空间滤波器群23通过该天线控制器28掌握，控制各数字波束成型器21的工作参数，亦可及时关闭无用户的空间滤波频道，而各累加器22送出的信号则通过一发射总线24而再馈送至阵列天线25中，此阵列天线25为由多数个天线单元26组成，各天线单元26内部为设置有数字类比转换器DAC、中频放大器以及射频放大器以及发射天线261，据以组成所谓的阵列天线结构。
欲送入至特定分站40或50的信号，为经基地台10进行编码作业，并按照设定为属于该分站的数字波束成型器21进行空间滤波处理，通过数字波束成型器21计算出各天线单元26设定的分量，送入相应的各累加器22中，而对于欲同时送入至其他分站的信号，亦为通过前述方式处理，而将信号分配至累加器22中进行加总，然后通过位在各累加器22输出端的各个天线单元26进行数字类比转换/中频放大以及射频/功率放大后，辐射至空气中。
如前述，即由于该空间滤波器群23中的各个数字波束成型器21可个别地对基地台10送入的信号单独与平行方式的处理，故而不致对其他数字波束成型器21造成不良影响，且无造成系统负荷过重的问题，且前述该用以控制各数字波束成型器21的天线控制器28，除了赋予操作参数之外，更可对已知的相邻辐射源，进行预置(PRESET)调零的动作，达到避免干扰的目的。
对于本发明的接收天线系统方面，为如图3所示，亦为以一与基地台10的系统总线37连接的空间滤波器群34、一阵列天线31以及一天线控制器36所组成，该空间滤波器群34由多数个数字波束成型器35构成，而通过系统总线37与基地台10连接，而在系统总线37上亦传送有分站定位信号，此信号送入至图面下方的天线控制器36中，通过天线控制器36控制送入至各个数字波束成型器35的工作参数，并决定分站与数字波束成型器35之间的配对关系，且可如前述可预先进行硬件误差补偿或对固定干扰进行调零处理，也可关闭无用户空间滤波频道，而阵列天线31由多数天线单元32构成，各天线单元32设置有接收天线321、射频放大器、中频放大器、类比数字转换器ADC以及数字降频转换器DDC(DIGITALDOWN CONVERTER)，分站40或50送入的信号为通过天线单元32接收以及如前述方式进行射频放大/中频放大/类比至数字转换以及数字降频处理后，送出呈基频(BASEBAND)复数形式同相(与90度相差的信号)的输出信号，然后置于接收总线33上，然后由各个数字波束成型器35由接收汇流33处取得各天线单元32的输出，分别以复数的衡重(WEIGHTING)作累加形成特定的空间滤波输出复数形式的信号乘上复数的衡重即为信号的振幅与相位，最后为送交至基地台10进行后续处理。
在此接收天线系统的结构下，于该空间滤波器群34为以多数连接在接收总线33的数字波束成型器35构成之下，即可使得各个数字波束成型器35可同时取得总线上的资料而进行平行方式的处理，而可提供良好的操作效率。
以前述发射天线系统以及接收天线系统的结构，使得可对各元线单元的振幅及相位进行独立控制，而天线单元数量为8的空间滤波频道下，如图4的空间滤波场型图所示，显示可极易地达到减少旁波瓣(SIDE LOBE)位准的效果，而运用多个数字波束成型器所形成的空间滤波器群进行多波束的处理下，所形成的场型图为如图5所示，亦显示在多波束同时进行的状况下，各波束为维持在良好的状态，并无相互干扰的问题，且各个旁波瓣的位准亦保持在相当低的情况下，可充分证明本发明的效果，此外，更如图6所示，当处于振幅及相位误差相当大的场合，亦可大概维持在类似的效果，更进一步证明本案对于硬件方面的较大误差，仍在容许范围以内，故而对硬件精密度的要求较低，仅需以较低廉的硬件成本便可达到目的。
故以前述说明可知，本发明的空间滤波器群构造的智慧型天线系统，可同时在对多波束进行平行处理下，达到降低软硬件的复杂度的优点外，更以其可由天线控制器对空间滤波器群中的各个空间滤波器(数字波束成型器)进行参数设定、或预置调零并及时关闭不用的频道，令实际使用上更具灵活与降低杂讯干扰与提高通讯质量的优点。
Claims (9)
1．一种以空间滤波器群构造的智慧型天线系统，其特征在于包括：一发射天线系统，以一空间滤波器群、阵列天线以及天线控制器组成，空间滤波器以多数个数字波束成型器以及多数累加器构成，而阵列天线为包括有多数天线单元，而天线控制器为赋予空间滤波器群所需的各项参数，一接收天线系统，以一空间滤波器群、阵列天线以及天线控制器组成，空间滤波器以多数个数字波束成型器构成，阵列天线包括有多数个天线单元，天线控制器为控制空间滤波器群的滤波参数，构成一种可对欲发射或接收的信号进行多波束平行处理，并可由天线控制器弹性地控制其发射或接收品质。
2．根据权利要求1所述的以空间滤波器群构造的智慧型天线系统，其特征在于：该发射天线系统各个天线单元为包括有数字类比转换器、中频放大器及射频放大器。
3．根据权利要求1所述的以空间滤波器群构造的智慧型天线系统，其特征在于：该接收天线系统的各个天线单元包括有射频放大器、中频放大器、类比数字转换器以及数字降频器。
4．根据权利要求1所述的以空间滤波器群构造的智慧型天线系统，其特征在于：该等阵列天线可使用线性天线结构。
5．根据权利要求1所述的以空间滤波器群构造的智慧型天线系统，其特征在于：该等阵列天线可使用环形天线。
6．根据权利要求1所述的以空间滤波器群构造的智慧型天线系统，其特征在于：该等阵列天线可使用平面天线。
7．根据权利要求1所述的以空间滤波器群构造的智慧型天线系统，其特征在于：该系统可适用于电磁波、音波及超音波的信号源，也适用于FDMA、TDMA及CDMA的信号调变型态。
8．根据权利要求1所述的以空间滤波器群构造的智慧型天线系统，其特征在于：该等天线控制器更可及时关闭无用户的空间滤波频道。
9．根据权利要求1所述的以空间滤波器群构造的智慧型天线系统，其特征在于：该等天线控制器可对固定或较大的干扰源进行预置调零。
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- 1998-05-28 CN CN 98109623 patent/CN1237808A/zh active Pending
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