TWI407704B - Cascade beamformer and receiver system using multi - order factors - Google Patents

Description

利用多階因子之串級波束合成器及接收系統

本發明是有關於一種波束合成技術，特別是指一種利用多階因子之串級(cascade)波束合成器及接收系統。

受多重傳輸路徑影響，傳統天線常受限於波束涵蓋範圍而產生收訊死角。而智慧型天線(smart antenna)利用一適應性的相位調整方法，適時地改變波束方向來接收傳送端所發出的載波信號，以期獲取較佳的通信品質。

在接收端中，智慧型天線常是以複數個全向性天線(isotropic antenna)來接收載波信號，然後再對每一全向性天線的收訊信號乘上一個經適應性調整後且呈現複數(complex)型態的權重值。如此，便可依據該權重的相位來調整波束方向，更可依據該權重的幅度來改變增益。然而，接收端多以數位方式處理，權重的量化誤差通常會相當程度地影響系統穩定度(譬如：zero(零點))，導致通信品質低落。

參閱圖1，傳送端發出的信號是以一偏離角度θ進入智慧型天線8，該智慧型天線8具有N個全向性天線，且收訊信號分別是1、u ¹ 、u ² ...u ^{N -1} 。個別乘上權重w ₀ 、w ₁ 、w ₂ ...w _{N -1} 並進行波束合成後，可得陣列場型(array pattern)為

假設陣列場型P (u )具有N-1個一階零點z ₁ 、z ₂ ...z _{N -1} ，那麼也可以將陣列場型P (u )表示為。因為如方程式(1)所示，且如方程式(2)所示，所以可以將表示為方程式(3)，其中，n =0,1,2,...,N -1且i =0,1,2,...,N -1。

因此，若定義習知波束合成技術的干擾指標Q _prior ：因權重量化誤差△w _n 所產生的全部零點z ₁ ~z _{N- 1} 之位移絕對值∣△z _i │，則干擾指標Q _prior 可表示為方程式(4)。

由方程式(4)可明顯觀察出，當該等零點z ₁ ~z _{N -1} 群聚(cluster)時，會造成干擾指標Q _prior 的極大變化。所以，零點位移△z _i 對於權重量化誤差△w _n 的敏感度極高，容易危害通訊品質，也難以吻合系統要求規格。

因此，本發明之目的，即在提供一種可以提升通訊品質的利用多階因子之串級波束合成器及接收系統，能在權重為相同量化長度的前提下，降低零點對於權重量化誤差的敏感度。

於是，本發明接收系統，包含：一天線陣列，包括複數個等距間隔排列的天線單元，且該等天線單元所輸出的複數筆收訊信號彼此呈相位線性相關；一權重產生器，產生複數個權重；及一波束合成器，依序經由複數級逐步地合成該等收訊信號而輸出一陣列場型，而最後一級包括一個匯聚單元，其他每一級都包括複數個匯聚單元，且每一級包括的匯聚單元數目逐級減少；第一級中的每一匯聚單元基於該等權重將至少三筆收訊信號加權相加並輸出，下一級中的每一匯聚單元基於該等權重將至少三筆前一級之匯聚單元的輸出信號加權相加並輸出，最後一級中的匯聚單元基於該等權重將前一級之匯聚單元的所有輸出信號加權相加以產生該陣列場型。

而本發明波束合成器，適用於接收來自一天線陣列的複數筆彼此呈相位線性相關的收訊信號，並接收複數權重，該波束合成器包含：多個匯聚單元；其中，該波束合成器依序經由複數級逐步地合成該等收訊信號而輸出一陣列場型，而最後一級包括一個匯聚單元，其他每一級都包括複數個匯聚單元，且每一級包括的匯聚單元數目逐級減少；第一級中的每一匯聚單元基於該等權重將至少三筆收訊信號加權相加並輸出，下一級中的每一匯聚單元基於該等 權重將至少三筆前一級之匯聚單元的輸出信號加權相加並輸出，最後一級中的匯聚單元基於該等權重將前一級之匯聚單元的所有輸出信號加權相加以產生該陣列場型。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖2與圖3，本發明接收系統之較佳實施例，適用於接收來自一傳送端5的載波信號，且該載波信號是以一偏離角度θ進入接收系統。本較佳實施例包含一線性的天線陣列1、一波束合成器2，及一權重產生器3。天線陣列1包括N個等距間隔排列的天線單元11，使得分別由該等天線單元11輸出的N筆收訊信號彼此呈相位線性相關的階數關係，且分別是1、u ¹ 、u ² ...u ^{N- 1} ，其中u (θ)=exp[j 2πd sin(θ)/λ]，d 為天線單元11的間距，λ為載波信號的波長。

由於接收系統是以數位方式來處理該等收訊信號，所以波束合成器2與權重產生器3都是以量化值來執行。波束合成器2依序以T個級來逐步串級合成該等收訊信號而輸出一陣列場型(array pattern)，而最後一級包括一個匯聚單元21，其他每一級都包括N-2i(i =1,2...(T -1))個匯聚單元21，且每一級包括的匯聚單元21數目逐級減少。當N為奇數時，最後第二級的匯聚單元21數目為三(如圖3)；當N為偶數時，最後第二級的匯聚單元21數目為二(如圖4)。

權重產生器3基於載波信號的偏離角度θ，提供每一級 中的匯聚單元21相同的一組量化過的權重、、；、、...；、、。其中，代表不大於N /2的最大整數。且每一量化過的權重~具有一振幅成分和一相位成分。每一匯聚單元21會分別基於每一振幅成分改變所輸出的幅度，且會基於每一相位成分來調整所輸出的相位。因此，完成波束合成後，波束合成器2能調整陣列場型到一適當相位，以使最大波束朝向傳送端5。

合成程序

圖3顯示波束合成器2的合成程序可分為T個級STEP₁ 、STEP₂ ...STEP_T 。第一級STEP₁ 中的每一匯聚單元21集合三個相鄰天線單元11的收訊信號，下一級STEP₂ ~STEP_T-1 中的每一匯聚單元21集合三筆前一級之匯聚單元21的輸出信號，最後一級STEP_T 中的匯聚單元21集合前一級之匯聚單元21的所有輸出信號以產生陣列場型。

並且，在級STEPt(t =1,2...T )中，所有匯聚單元21是依序以量化過的權重、、來進行二階因子(second-order factors)合成的加權相加。只是，最後一級STEP_T 中，因為N為偶數時僅集合最後第二級STEP_T-1 之二個匯聚單元21的輸出，所以=0。所謂二階因子合成是指：輸入到每一個匯聚單元21的三筆信號都呈因子u 的二階關係，亦即呈1:u ¹ :u ² 的關係。舉例來說，第一級STEP₁ 中：其中一匯聚單元21的輸出為：

另一匯聚單元21的輸出為：

而又一匯聚單元21的輸出為： 且在第二級STEP₂ 中：

其中一匯聚單元21的輸出為：

因此，匯聚單元21的三筆輸入也呈1:u ¹ :u ² 的二階因子關係。同理，其他每一匯聚單元21的三筆輸入也呈1:u ¹ :u ² 的二階因子關係。此外，這樣的合成規則會使同一級中的匯聚單元之輸出呈1、u ¹ 、u ² 、u ³ ...，亦即相位線性相關。至此，更可進一步將N為奇數的陣列場型表示為方程式(5)。

量化誤差的敏感度分析

因為每一級是以二階因子合成，故假設陣列場型具 有2T個量化零點、；、...；、，且陣列場型可以表示為方程式(6)。

在理想情況下，所有的量化誤差皆為零。也就是說， 、、，其中△w _xt =0、△z _mt =0、△P (u )=0，x =0,1,2、m =1,2、t =1,2...T 。因而可將方程式(5)、(6)分別改寫為方程式(7)、(8)。

此外，因為如方程式(9)所示，如方程式(10)，且如方程式(11)所示，所以可以將表示為方程式(12)，表示為方程式(13)。

從方程式(12)、(13)可以發現該等權重w _xt 的些微變化即會造成該等零點z _mt 的改變。而些微變化的原因例如是：該權重產生器3基於不同量化長度來產生該等量化過的權重w _xt 。又，本發明接收系統的干擾指標定義為：因權重量化誤差△w _xt 而產生的所有零點位移△z _mt 。這意謂著若是零點位移△z _mt 越大，計算所得的干擾指標將越大，此時接收系統的通訊品質會因為零點不穩定而變差。

當N為奇數時，干擾指標Q _odd 描述方式可參考方程式(14)。並且，本發明所屬技術領域中具有通常知識者也可輕易推論得知：當N為偶數時，干擾指標Q _even 會如方程式(15)所示。

觀察上二式，可獲知本發明的干擾指標Q _odd 、Q _even 受每一級之二個零點的差距影響，即(z _1t -z _2t )。而習知波束合成技術的干擾指標Q _prior 卻是受控於每兩個零點差距的乘積，即。所以，本發明中，零點位移△z _mt 對於權重量化誤差△w _xt 的敏感度會比習知技術降低許多。

模擬驗證

配合參閱圖5，該模擬示意圖顯示零點的實數(real)部分與虛數(image)部分。可以發現當權重未經量化時，複數個零點群聚在一起。當權重量化後，習知技術的相關零點z _i 會隨著權重w _n 之量化長度的降低(如：由16位元降低為6位元)而產生較大位移。但是，本發明的相關零點即使在較低量化長度的情況下也還能維持極小的位移。更具體來說，本發明採用6位元的量化長度時，零點位移仍遠小於習知技術採用16位元的量化長度。

參閱圖6，該模擬示意圖顯示陣列場型P (u )的正規化幅度(normalized magnitude)之於偏離角度θ的相對關係。從圖式可讀出，權重未經量化時，主瓣(main-lobe)高出旁瓣(side-lobe)100dB以上，且兩者間形成零位(null)。而量化後，習知技術必須將量化長度提升到16位元，才能使主瓣與旁瓣間的差異逼近未量化時，但是仍然不足以表現出未量化時因零位形成的陷波(notch)特性。反觀本發明只需6位元的量化長度就近似未量化時的表現，並維持零位低於 160dB。

參閱圖7，該模擬示意圖顯示干擾指標Q _prior 、Q _odd 之於權重量化長度的相對關係。從圖式可瞭解即使大幅提升量化長度，對於習知干擾指標Q _prior 的助益仍有限。而本發明干擾指標Q _odd 會因為量化長度的增加而獲得相當程度的改善。且即使本發明採用較短的量化長度(如：6位元)，仍表現優於量化長度加大(如：16位元)後的習知品質。

值得注意的是，本實施例是說明波束合成器2利用二階因子來合成，但實際應用不限於二階，也可以視天線單元11的個數而選取三階以上。且值得注意的是，上述實施例的波束合成器2是可以獨立出於接收系統。

綜上所述，本發明接收系統採取逐步串級方式來合成該等天線單元11的收訊信號，且每一級選用二階因子合成，能有效降低零點位移△z _mt 對於權重量化誤差△w _xt 的敏感度。即便複數個零點z _mt 群聚，所發生的零點位移△z _mt 也明顯小於習知技術，故可改善通訊品質，確實達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧天線陣列

21‧‧‧匯聚單元

11‧‧‧天線單元

3‧‧‧權重產生器

2‧‧‧波束合成器

5‧‧‧傳送端

圖1是一示意圖，說明載波信號以偏離角度進入智慧型天線；圖2是一方塊圖，說明本發明接收系統的較佳實施例 ；圖3是一示意圖，說明當N為奇數時，本較佳實施例採取逐步串級方式來合成天線單元的收訊信號；圖4是一示意圖，說明當N為偶數時，本較佳實施例採取逐步串級方式來合成天線單元的收訊信號；圖5是一模擬示意圖，顯示零點的實數部分與虛數部分；圖6是一模擬示意圖，顯示陣列場型的正規化幅度之於偏離角度的相對關係；及圖7是一模擬示意圖，干擾指標之於權重量化長度的相對關係。

1‧‧‧天線陣列

21‧‧‧匯聚單元

11‧‧‧天線單元

3‧‧‧權重產生器

2‧‧‧波束合成器

5‧‧‧傳送端

Claims (10)

1. 一種接收系統，包含：一天線陣列，包括複數個等距間隔排列的天線單元，且該等天線單元所輸出的複數筆收訊信號彼此呈相位線性相關；一權重產生器，產生複數個權重；及一波束合成器，依序經由複數級逐步地合成該等收訊信號而輸出一陣列場型，而最後一級包括一個匯聚單元，其他每一級都包括複數個匯聚單元，且每一級包括的匯聚單元數目逐級減少；第一級中的每一匯聚單元基於該等權重將至少三筆收訊信號加權相加並輸出，下一級中的每一匯聚單元基於該等權重將至少三筆前一級之匯聚單元的輸出信號加權相加並輸出，最後一級中的匯聚單元基於該等權重將前一級之匯聚單元的所有輸出信號加權相加以產生該陣列場型。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之接收系統，其中，第一級和中間每一級中的每一匯聚單元所接收的信號為三筆，且該三筆信號呈一因子的二階關係。
3. 依據申請專利範圍第2項所述之接收系統，其中，該三筆信號呈1:u ¹ :u ² 的比例關係，且u =exp[j 2πd sin(θ)/λ]，其中d 為該等天線單元之間的間距、λ與θ分別為該天線陣列所接收之信號的波長和偏離角度。
4. 依據申請專利範圍第2項所述之接收系統，其中，該天 線陣列具有N個分別輸出一收訊信號的天線單元，且該波束合成器依序經由T個級合成該等收訊信號，且第i級包括N-2i個匯聚單元，i=1至T-1，且第T級包括1個匯聚單元，第一級中的每一匯聚單元將三個相鄰的天線單元輸出的三筆收訊信號加權相加。
5. 依據申請專利範圍第1項所述之接收系統，其中，該權重產生器提供每一級中的匯聚單元相同的一組量化過的權重，每一匯聚單元將所收到的信號分別乘上該組量化過的權重後並相加以產生輸出信號。
6. 一種波束合成器，適用於接收來自一天線陣列的複數筆彼此呈相位線性相關的收訊信號，並接收複數權重，該波束合成器包含：多個匯聚單元；其中，該波束合成器依序經由複數級逐步地合成該等收訊信號而輸出一陣列場型，而最後一級包括一個匯聚單元，其他每一級都包括複數個匯聚單元，且每一級包括的匯聚單元數目逐級減少；第一級中的每一匯聚單元基於該等權重將至少三筆收訊信號加權相加並輸出，下一級中的每一匯聚單元基於該等權重將至少三筆前一級之匯聚單元的輸出信號加權相加並輸出，最後一級中的匯聚單元基於該等權重將前一級之匯聚單元的所有輸出信號加權相加以產生該陣列場型。
7. 依據申請專利範圍第6項所述之波束合成器，其中，第 一級和中間每一級中的每一匯聚單元所接收的信號為三筆，且該三筆信號呈一因子的二階關係。
8. 依據申請專利範圍第7項所述之波束合成器，其中，第一級和中間每一級中的每一匯聚單元所接收的三筆信號呈1:u ¹ :u ² 的比例關係，且u =exp[j 2πd sin(θ)/λ]，其中d 為該等天線單元之間的間距、λ與θ分別為該天線陣列所接收之信號的波長和偏離角度。
9. 依據申請專利範圍第7項所述之波束合成器，該天線陣列具有N個分別輸出一收訊信號的的天線單元，其中，該波束合成器依序經由T個級合成該等收訊信號，且第i級包括N-2i個匯聚單元，i=1至T-1，且第T級包括一個匯聚單元，第一級中的每一匯聚單元將三個相鄰天線單元輸出的三筆收訊信號加權相加。
10. 依據申請專利範圍第6項所述之波束合成器，該等權重可分為多組，且分別量化後傳送到該波束合成器，其中，每一級中的匯聚單元接收相同的一組量化過的權重，每一匯聚單元將所收到的信號分別乘上該組量化過的權重後並相加以產生輸出信號。