WO2023204723A1 - Software-defined transceiving device - Google Patents

Software-defined transceiving device Download PDF

Info

Publication number
WO2023204723A1
WO2023204723A1 PCT/RU2022/000131 RU2022000131W WO2023204723A1 WO 2023204723 A1 WO2023204723 A1 WO 2023204723A1 RU 2022000131 W RU2022000131 W RU 2022000131W WO 2023204723 A1 WO2023204723 A1 WO 2023204723A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
signals
phase
processor
antenna
unit
Prior art date
Application number
PCT/RU2022/000131
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Олеся Викторовна БОЛХОВСКАЯ
Вадим Сергеевич СЕРГЕЕВ
Антон Вадимович ЕЛОХИН
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью "Радио Лаб Нн"
Олеся Викторовна БОЛХОВСКАЯ
Вадим Сергеевич СЕРГЕЕВ
Антон Вадимович ЕЛОХИН
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество С Ограниченной Ответственностью "Радио Лаб Нн", Олеся Викторовна БОЛХОВСКАЯ, Вадим Сергеевич СЕРГЕЕВ, Антон Вадимович ЕЛОХИН filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью "Радио Лаб Нн"
Priority to PCT/RU2022/000131 priority Critical patent/WO2023204723A1/en
Publication of WO2023204723A1 publication Critical patent/WO2023204723A1/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04BTRANSMISSION
    • H04B1/00Details of transmission systems, not covered by a single one of groups H04B3/00 - H04B13/00; Details of transmission systems not characterised by the medium used for transmission
    • H04B1/02Transmitters
    • H04B1/04Circuits
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04BTRANSMISSION
    • H04B1/00Details of transmission systems, not covered by a single one of groups H04B3/00 - H04B13/00; Details of transmission systems not characterised by the medium used for transmission
    • H04B1/38Transceivers, i.e. devices in which transmitter and receiver form a structural unit and in which at least one part is used for functions of transmitting and receiving
    • H04B1/40Circuits
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04WWIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W8/00Network data management
    • H04W8/22Processing or transfer of terminal data, e.g. status or physical capabilities

Definitions

  • the invention relates to software-defined radio systems that can be used in the field of communications technology, radar, and mobile radio communication systems.
  • the idea behind existing SDR devices is that the hardware can be completely configured or defined by software.
  • the received radio signal is converted into digital format in a fairly universal receiving unit, and its further processing is carried out in the digital domain.
  • the transmitted signal is digitally generated according to user-specified configurations and converted to an analog signal in the transmitting unit.
  • the main advantage of this approach is that such transmitting and receiving equipment can be completely reconfigured by simply replacing the software and configured by the user to receive and transmit almost any signal-code structures in a given frequency range.
  • the ability to configure the software allows you to use equipment for receiving and transmitting radio signals built in accordance with new communication standards, explore various noise-resistant coding schemes and types of signal modulation without changing the hardware of the equipment.
  • the use of one hardware platform for the development and testing of various transceiver devices can significantly reduce development costs and improve the quality of products.
  • Multiple waveform software radio US6, 181,734 is known, which describes a radio station with software-defined functionality that can use different signal forms.
  • the radio has a memory that stores software for processing different types of signals and additionally includes one or more processors that retrieve waveform-specific software to process information when transmitting or receiving. All information processing between receiving or reproducing speech and transmitting or receiving radio frequency signals, respectively, is done in software.
  • the US6, 181,734 device meets the needs of so-called “dual mode" cell phones, where different modes refer to different waveforms.
  • the operator can switch from one waveform mode to another to communicate over various radio networks, such as Motorola, Inc.'s Iridium satellite communications network, TDMA and/or CDMA cellular networks, or other land mobile two-way radios, systems, or communications for all or several of them simultaneously.
  • radio networks such as Motorola, Inc.'s Iridium satellite communications network, TDMA and/or CDMA cellular networks, or other land mobile two-way radios, systems, or communications for all or several of them simultaneously.
  • Software defined cognitive radio US8,036,240 is known, which describes a computing device with a software-defined radio device, which has an architecture with separate components to provide control functions and data processing functions. Control components configure the processing components so that the software-defined radio provides the required performance characteristics. Components in the data layer may receive information characterizing operating conditions that may be provided to one or more control components. In response, control components can modify data-level components to regulate operating conditions.
  • the Software defined cognitive radio US8, 036,240 has an architecture with separate logical levels: a control level and a data level.
  • the data layer performs data processing operations associated with wireless communications.
  • the control plane allows the data plane to be reconfigured to change the wireless technology under which the radio operates or to adjust operating parameters without changing the wireless technology.
  • the software defined radio device can be configured or changed to support efficient communication using one or more wireless communication technologies.
  • a feedback channel can be easily formed between data plane components and control plane components.
  • Data plane components can generate status information about the communication channel being used, such as error rate and noise level.
  • Such information can be provided to a cognitive module in the control layer, which can identify adjustments required for components in the data layer that allow adaptation to current operating conditions.
  • Software defined radio and radio system US7,043,023 was selected as the closest to the invention (prototype), in which the software defined radio device contains: an antenna for transmitting and receiving radio signals, a radio frequency signal processing unit, a baseband signal processing unit, a control unit, storage storing software for defining a function of a software-defined radio and a specification criterion defining reference radio transmission characteristics, a measurement circuit for measuring the transmission characteristics of a radio signal transmitted from said software-defined radio device, and a switch coupled to said antenna, said radio frequency unit, and said measurement circuitry.
  • the control unit is configured to change the settings of the baseband signal processing unit and the RF signal processing unit so as to satisfy the target transmission and reception performance specification criteria.
  • said switch disconnects said RF unit from the antenna and connects it to the measurement circuit to redirect the signal to the measurement circuit.
  • the above examples of known SDR devices do not use multi-element antenna arrays and thus lack the ability to use a wide range of spatial signal processing technologies, such as forming steerable narrow beams using phased array antenna technology to increase communication range and reduce interference in unwanted areas. directions, the formation of several independent spatial subchannels through the use of transmission technology with multiple inputs and outputs (Multiple Input Multiple Output - MIMO) to increase the data transfer rate due to the simultaneous transmission of information in the same same frequency resources over different spatial subchannels, as well as other multi-antenna signal processing techniques.
  • Multiple Input Multiple Output - MIMO Multiple Input Multiple Output - MIMO
  • the problem to be solved by the invention is the creation of a transceiver device (RTD) with a controlled modular multi-element antenna system with a large number of antenna elements, which makes it possible to significantly expand the scope of application of the TRU: increase the communication range and data transmission speed, reduce mutual interference between stations along the compared to existing SDR devices using unsteered antennas.
  • RTD transceiver device
  • the technical result is the creation by the claimed PPU of a program-controlled radiation pattern with the ability to concentrate and/or attenuate emitted energy, as well as amplify and/or suppress received signals for one or more specified directions, amplify one or more useful signals and/or reduce interference in one or several specified directions, increasing the range and reliability of communication and data transmission speed when using software-defined shape, carrier frequency, bandwidth, signal-code structures and other signal parameters.
  • a software-defined transceiver device containing a processor with a digital signal processing (DSP) unit included in it, configured for digital processing of transmitted and/or received signals, a control and configuration unit, as well as storage connected to the processor, configured to store instructions for the processor, a multi-channel transceiver unit connected to the processor and configured for analog and/or radio frequency processing of transmitted and/or received signals, additionally contains arrays of antenna elements, beamforming units connected to the antenna arrays elements, and to a multi-channel transceiver unit, and to a processor, wherein the multi-channel transceiver unit contains ports, each of which is connected to one beamforming unit, and each beamforming unit is also connected to one array of antenna elements, and the processor configured with the ability to change the radiation pattern of the antenna element arrays.
  • DSP digital signal processing
  • the beamforming unit contains a power division device connected to the processor and configured to divide the power of transmitted signals between the antenna elements of the array connected to the beamformer and/or to sum the power of the signals received from the elements of the antenna array connected to the beamformer radiation patterns, as well as circuits for radio frequency processing of received and/or transmitted signals, each circuit connected to a power division device and to one antenna element of the array, which is connected to this beamforming unit.
  • the radio frequency processing circuit for received and/or transmitted signals is configured to adjust the phase of received and/or transmitted signals using configuration information coming from the processor.
  • a DSP digital signal processing unit including a digital processing unit for transmitted signals, in which a transmitter signal combinator is connected in series with the transmitter DSP pipeline, and a digital processing unit for received signals, in which a receiver signal combinator is connected in series with the receiver DSP pipeline, also contains a channel characteristics estimation unit communication connected to a digital processing unit for received signals, and a block for calculating radiation patterns connected to a unit for estimating communication channel characteristics, the operating parameters of which are determined by configuration and status information coming from the control and configuration unit algorithms executed by the processor.
  • the multi-channel transceiver unit is configured to process signals containing in-phase and quadrature components
  • the processor is configured to exchange with the multi-channel transceiver unit at least the first and second signals having in-phase and quadrature components for processing, respectively , the first and second channels of a multi-channel transceiver unit, wherein the in-phase and quadrature components of the second signal are a linear combination of the in-phase and quadrature components of the first signal.
  • the transceiver unit is also configured to process signals containing in-phase and quadrature components
  • the processor is configured to process at least one digital signal having in-phase and quadrature components
  • the processor is also configured to exchange with a multi-channel receiver - a transmitting unit, at least the first and second signals having in-phase and quadrature components, for processing, respectively, by the first and second channel of the multi-channel transceiver unit, wherein the in-phase and quadrature components of the first signal represent a first linear combination of the in-phase and quadrature components at least one digital signal, and the in-phase and quadrature components of the second signal are a second linear combination of the in-phase and quadrature components of the at least one digital signal.
  • the processor is configured to process at least one digital signal having in-phase and quadrature components, the processor also configured to exchange with the multi-channel transceiver unit at least first and second signals having in-phase and quadrature components, for processing, respectively, the first and second channel of the multi-channel transceiver unit, wherein the in-phase and quadrature components are at least , one digital signal are a linear combination of in-phase and quadrature components of at least the first and second signals.
  • FIG. 1 shows the specified transceiver device 11NU 1, which contains a processor 2, with a digital signal processing unit (DSP) 20 included in it, configured for digital processing of transmitted and/or received signals, a control and configuration unit 21, performing digital signal processing, control and configuration of PPU 1, storage 3, which includes a memory 30, connected to processor 2 and storing software for processor 2, as well as configuration parameters of PPU 1 blocks and modules, multi-channel transceiver unit 4, connected to processor 2 and carrying out analog and radio frequency processing of transmitted and received radio signals, antenna module 5, including N AAR antenna arrays 61 - 62 and N AAR radiation pattern formation blocks 51 - 52, where NAAR is an integer greater than or equal to two, each of the antenna arrays connected to the multi-channel transmitting and receiving unit 4 through one beamforming unit.
  • DSP digital signal processing unit
  • the antenna module 5 is connected to the multi-channel transmitting and receiving unit 4 and to the processor 2 and carries out, together with the processor 2, the digital-analog formation of the radiation pattern (AP) 33 of the antenna system from N AAR antenna arrays 61 - 62.
  • PPU 1 is used to exchange digital data 10 with other transceiver devices by transmitting and/or receiving NAAR radio signals 18 - 19 using antenna arrays 61 - 62.
  • digital signal processing (DSP) algorithms 20 convert between digital data 10 and NAAR digital signals, which the processor 2 exchanges with the multi-channel transceiver unit 4 through the digital port 12;
  • multi-channel transceiver unit 4 converts between N A AR digital signals of digital port 12 and N A AR radio frequency (RF) signals, which multi-channel transceiver unit 4 exchanges with antenna module 5 through N A AR RF ports 14 - 15;
  • antenna module 5 converts between N A AR RF signals of digital ports 14 - 15 and N A AR radio signals 18 - 19.
  • N A AR radio signals 18 - 19 are transmitted and/or received by NAAR antenna subarrays 61 - 62, respectively having N A AR radiation patterns (DP) 31 - 32, formed respectively by NAAR radiation pattern formation units (PDN) 51 - 52 of the antenna module 5.
  • Processor 2 controls the multi-channel transceiver unit 4 through the control port 25 and the antenna module 5 through the control port 26.
  • processor 2 is connected to user interface 8 to receive control information 23, based on which control and configuration algorithms 21 executed by processor 2 control the control panel 1, including loading user blocks and/or digital processing algorithms into processor 2 signals 20, the configuration of analog and radio frequency signal processing in the multi-channel transmitting and receiving unit 4, as well as the formation of DN 33 of PPU 1 based on N A AR DN 31 - 32 generated by the antenna module 5.
  • the control and configuration algorithms 21 accept the control information 23 from the user interface 8 and store it in storage 3 for future use.
  • the PPU 1 can be configured once for the purpose of autonomous operation as an independent station of the communication system without further use of the user interface 8.
  • the control and configuration algorithms 21 control the PPU 1 based on the control previously stored in the storage 3 information 22.
  • the antenna module 5 contains two antenna arrays 61 and 62 and two FDN units 51 and 52; the range of possible embodiments of the invention is not limited to these values.
  • the value of N AAR may be greater than two, that is, the antenna module 5 may contain more than two antenna arrays and, accordingly, more than two FDN units connected to these arrays, one FDN unit per antenna array.
  • DSP digital signal processing
  • DSP 20 algorithms contain a digital processing unit for transmitted signals 200.
  • Block 200 includes a transmitter DSP pipeline block 201 that converts transmitted digital data 101 into digital signals 204 having in-phase and quadrature components, and a transmitter signal combiner 203 that converts digital signals 204 into N AAR digital signals 121 - 122, also having in-phase and quadrature components obtained by implementing linear combinations of the in-phase and quadrature components of the signals 204.
  • DSP algorithms 20 also include a digital processing unit for received signals 210.
  • Unit 210 includes a receiver signal combinator 213 that converts N AAR of received digital signals 123 - 124, having in-phase and quadrature components, into digital signals 214, also having in-phase and quadrature components. components, by implementing a linear combination of in-phase and quadrature components N AAR of the received digital signals 123 - 124, and a receiver DSP pipeline unit 211 that converts the digital signals 214 into received digital data 11 1.
  • the operating parameters of the digital processing unit of transmitted signals 200, including the transmitter DSP pipeline unit 201 and the transmitter signal combinator 203, the digital processing unit of received signals 210, including the receiver DSP pipeline unit 211 and the receiver signal combinator 213, are determined by the configuration and status information 24 coming from the algorithms control and configuration 21 performed by the processor 2.
  • the configuration and status information 24 includes the coefficients of linear combinations of the in-phase and quadrature components of digital signals 204, performed by the transmitter signal combinator 203, as well as the coefficients of the linear combination of received signals 123 - 124, performed by the combinator receiver signals 213.
  • fig. 3 shows an example structure of digital signal processing (DSP) algorithms 20 executed by processor 2 in accordance with one embodiment of the present invention.
  • DSP digital signal processing
  • DSP algorithms 20 contain a digital processing unit for transmitted signals 200.
  • Unit 200 includes N TX _DSP blocks of transmitter DSP pipelines 201 - 202, where N TX _DSP ⁇ an integer greater than or equal to two, converting N TX _DSP of transmitted digital data 101 - 102 into N TX _DSP of digital signals 204 - 205, having in-phase and quadrature components, and a transmitter signal combiner 203, converting N TX DS P of digital signals 204 - 205 into NAAR of digital signals 121 - 122, also having in-phase and quadrature components obtained by implementing linear combinations of in-phase and quadrature components N TX DS p signals 204 - 205.
  • DSP algorithms 20 also contain a digital processing unit for received signals 210.
  • Unit 210 includes a receiver signal combinator 213 that converts N A AR received digital signals 123 - 124, having in-phase and quadrature components, into N RX DS p digital signals 214 - 215, where NRX DSP is an integer greater than or equal to two, also having in-phase and quadrature components, by implementing linear combinations of the in-phase and quadrature components of the received digital signals 123 - 124, and N RX _DSP blocks of receiver DSP pipelines 211 - 212, converting N RX _DSP of digital signals 214 - 215 in N ⁇ DSP of received digital data 1 11 - 112.
  • Operating parameters of the digital processing unit of transmitted signals 200 including the transmitter DSP pipeline blocks 201 - 202 and the transmitter signal combinator 203, the digital processing unit of received signals 210, including the receiver DSP pipeline blocks 211 - 212 and the receiver signal combinator 213 are determined by the configuration and status information 24 coming from the control algorithms and configuration 21 performed by processor 2.
  • configuration and status information 24 includes coefficients of linear combinations of in-phase and quadrature components of digital signals 204 - 205 performed by the transmitter signal combinator 203, as well as coefficients of linear combinations of received signals 123 - 124 performed by the combinator receiver signals 213.
  • DSP algorithms 20 contain two transmitter DSP pipeline blocks 201 and 202 and two receiver DSP pipeline blocks 211 and 212, the range of possible implementations of the invention is not limited to these values.
  • the values of N TX_DSP AND NRX DSP may be greater than two, that is, the DSP algorithms 20 may contain more than two blocks of transmitter DSP pipelines and more than two blocks of receiver DSP pipelines.
  • the DSP algorithms 20 also include a link performance estimator 220 that calculates estimated link performance 221 based on the received digital signals 123 - 124 processed by the received digital signal processing unit 210.
  • the estimated link performance 221 includes at least one of the following set of possible characteristics: power attenuation coefficient in the communication channel, one or more amplitude-frequency characteristics of the communication channel, one or more impulse characteristics of the communication channel, one or more directions to one or more remote transceiver devices.
  • the operating parameters of the communication channel characteristics evaluation unit 220 are determined by the configuration and status information 24 coming from the control and configuration algorithms 21 performed by the processor 2. In the embodiments of the invention shown in FIGS. 2 and fig.
  • the DSP algorithms 20 also include a block 230 for calculating radiation patterns.
  • Block 230 calculates the parameters of the radiation pattern 33 of the PPU 1 based on the estimated characteristics of the communication channel 221.
  • the parameters of the DP 33 calculated by the block 230 include the coefficients of linear combinations for the transmitter signal combinator 203 and the receiver signal combinator 213, as well as the parameters for the formation of the DP 31 - 32 blocks formation of radiation patterns (PDP) 51 - 52 of the antenna module 5, as will be described below with reference to FIG. 9 - 13.
  • PDP radiation patterns
  • the operating parameters of block 230 when calculating DN 33 of PPU 1 are determined by the configuring part of the configuration and status information 24 coming from control and configuration algorithms 21 performed by processor 2, and the parameters of DN 33 calculated by block 230 are supplied to the control and configuration algorithms in the form status part of configuration and status information 24.
  • the transmitter DSP pipeline 201 includes a noise-resistant coding block 251, a data interleaving block 252, a modulation symbol generation block 253, a block 254 for converting signals from the frequency domain into the time domain using an inverse discrete Fourier transform (IDFT), a block 255 for adding protective intervals (SI) in the sequence of digital signal samples, as well as blocks for adding various service signals and service sequences to the incoming information sequences (not shown in Fig. 4).
  • IDFT inverse discrete Fourier transform
  • SI protective intervals
  • the receiver DSP pipeline 21 1 includes a noise-tolerant decoding block 261, a data deinterleaving block 262, a
  • DFT discrete Fourier transform
  • GS guard intervals
  • the configuration information 24 includes parameters of the noise-correcting coding algorithms 251 and decoding 261.
  • encoding algorithms 251 and decoding algorithms 261 respectively encode and decode the bit stream of data to provide increased noise immunity to communication using a convolutional code or a code with a small parity check density (English, low density parity check - LDPC), using one of the possible coding rates, such as 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, etc.
  • the error-correcting coding parameters are 251 and decoding 261 contained in the configuration information 24 determine the choice of one of the encoding/decoding types and one of the possible encoding rates.
  • the configuration information 24 also includes parameters of the bit sequence interleaving 252 and deinterleaving 262 algorithms that determine the method of interleaving and deinterleaving and the size of the bit block on which the bit sequence is interleaved/deinterleaved.
  • configuration information 24 also includes modulation and demodulation parameters 243 defining the type of modulation used and the number of bits per modulation symbol.
  • modulation algorithms 253 and demodulation algorithms 263 respectively modulate and demodulate the information flow using various modulation schemes, such as binary phase shift keying BPSK with one bit per modulation symbol, quadrature phase shift keying (QPSK) with two bits per modulation symbol, 16 quadrature amplitude modulation (16-QAM) with four bits per modulation symbol modulation symbol, 64-QAM with six bits per modulation symbol, etc.
  • the modulation 253 and demodulation 263 parameters contained in the configuration information 24 determine the choice of a particular modulation/demodulation method from among the possibilities.
  • configuration information 24 also includes parameters of the forward Fourier transform 264 and the inverse discrete Fourier transform 254, such as the size of the block of modulation symbols on which the Fourier transform is performed.
  • configuration information 24 also includes insert parameters 255 and removal 265 of guard intervals, defining the method of providing the guard interval, its size and frequency.
  • configuration information 24 also includes parameters for combining transmitted and received signals by signal combiners of transmitter 203 and receiver 213, respectively. These parameters include the coefficients of one or more linear combinations of the in-phase and quadrature components of one or more digital signals, such as signals 204 and 205, performed by the transmitter combinator 203, as well as the coefficients of linear combinations of the in-phase and quadrature components of received digital signals, such as signals 123 and 124 performed by the receiver combinator 213. These coefficients may be calculated, at least in part, based on the estimated characteristics 221 of the communication channel between the PPU 1 and one or more other transceiver devices.
  • Multichannel transceiver unit 4 contains a transmitting signal processing unit 40, including N AAR transmitter channels 401 - 402, and a received signal processing unit 41, including N AAR receiver channels 411 - 412.
  • Multichannel transmitting and receiving unit 4 carries out analogue processing N AAR transmitted signals 141 - 142 and N AAR received signals 143 - 144, which are exchanged with the antenna module 5 through N AAR radio frequency ports 14 - 15 in such a way that one transmitted and one received signal is exchanged through one port.
  • Multichannel receiver transmitting unit 4 also performs conversion N AAR of transmitted digital signals 121 - 122 from digital representation to analog and conversion from analog representation to digital representation N AAR of received digital signals 123 - 124.
  • Transmitted signal processing unit 40 receives from processor 2 through digital port 12 N AAR transmitted digital signals 121 - 122.
  • the transmitted signal processing unit 40 Based on the transmitted digital signals 121 - 122 using N AAR channels of the transmitter 401 - 402, the transmitted signal processing unit 40 generates N AAR radio frequency signals 141 - 142 and then transmits them to the antenna module 5 through N AAR radio frequency ports 14 - 15.
  • the received signal processing unit 41 receives N AAR radio frequency signals 143-144 from the antenna module 5 via N AAR radio frequency ports 14 - 15. Based on the radio frequency signals 143 - 144 using N AAR receiver channels 411 - 412, the received signal processing unit 41 generates N AAR received digital signals 123 - 124 and then transmits them to the processor 2 through the digital port 12.
  • the transceiver unit 4 contains two transmitter channels 401 and 402 and two receiver channels 411 and 412, the range of possible embodiments of the invention is not limited to these values. Thus, in other embodiments of the invention, the value of N AAR may be greater than two, that is, the transceiver unit 4 may contain more than two transmitter channels and more than two receiver channels.
  • fig. 7 shows an example implementation of a transmitter channel 401 in accordance with one embodiment of the present invention.
  • Transmitter channel 401 receives an input digital transmit signal 121 having in-phase and quadrature components 1210 and 1211, respectively.
  • the common mode component 1210 of the digital signal 121 is converted from digital to analog using digital analog converter (DAC) 4011.
  • the quadrature component 1211 of the digital signal 121 is converted from digital to analog form using a digital-to-analog converter (DAC) 4012.
  • DAC digital analog converter
  • the transmitter channel 401 performs operations on analog signals, including filtering using low-pass filters 4013 and 4014 of analog in-phase and quadrature signals, respectively, transferring to an intermediate and/or carrier frequency using mixers 4015 and 4016 of the filtered in-phase and quadrature signals, respectively, summing the transferred to the intermediate and/or carrier frequency of the in-phase and quadrature signals using an adder 4019, and amplifying the power of the sum signal using a power amplifier 4020.
  • the RF signal 141 obtained as a result of processing in block 401 is transmitted further to the antenna module 5 through an RF port, such as one from RF ports 14 - 15.
  • the transceiver unit 4 also generates a service sinusoidal signal at an intermediate and/or carrier frequency using a generator 4017 and separating the generated service sinusoidal signal into in-phase and quadrature components using a phase divider 4018.
  • Parameters for processing transmitted signals such as filter characteristics, carrier and/or intermediate frequency values, bandwidth of transmitted signals, digitization frequency of transmitted signals, etc., are set using configuration information coming from processor 2 through control port 25.
  • Receiver channel 41 1 receives an RF signal 143 from the antenna module 5 through an RF port, such as one of the RF ports 14 - 15.
  • the received RF signal 143 is amplified by a low noise amplifier 4119 and supplied to mixers 41 15 and 4116 for transfer to intermediate and/or fundamental (video) frequency, as well as for highlighting the in-phase and quadrature components of the received analog signals.
  • the in-phase and quadrature components of the analog signal are then subjected to further processing, including filtering using low-pass filters 4113 and 4114, respectively.
  • the transceiver unit 4 also generates a service sinusoidal signal at an intermediate and/or carrier frequency using generator 4117 and separating the generated service sinusoidal signal into in-phase and quadrature components using a phase divider 4118.
  • generators 4017 and 4117 can be configured as separate devices. In another embodiment, generators 4017 and 4117 may technically be the same device.
  • oscillator 4017 and phase divider 4018 are shown as being part of a transmitter channel, and oscillator 4117 and phase divider 41 18 are shown as being part of a receiver channel, the transmit/receive unit 4 may be configured such that one oscillator 4017 and one phase divider 4018 are used to provide overhead to multiple transmitter channels, such as transmitter channels 401 and 402, and one oscillator 4117 and one phase divider 4118 are used to provide overhead to multiple receiver channels, such as receiver channels 411 and 412 .
  • Parameters for processing received signals such as filter characteristics, carrier and/or intermediate frequency values, bandwidth of received signals, digitization frequency of received signals, etc., are set using configuration information coming from processor 2 through control port 25.
  • antenna module 5 is connected to the multi-channel transceiver unit 4 via NAAR RF ports 14 - 15, as well as to the processor 2 via control port 26.
  • antenna module 5 consists of N A AR beamforming units (PDN) 51 - 52, each of which is connected to one of the NAAR radio frequency ports 14 - 15, as well as N A AR antenna arrays 61 - 62 connected to N A AR of FDN blocks 51 - 52 in such a way that one grid is connected to one FDN block.
  • PDN AR beamforming units
  • the antenna module 5 contains two antenna arrays 61 and 62 and two FDN units 51 and 52; the range of possible embodiments of the invention is not limited to these values.
  • the value of N A AR may be greater than two, that is, the antenna module 5 may contain more than two antenna arrays and, accordingly, more than two FDN units connected to these arrays, one FDN unit per antenna array.
  • Each of the NAAR blocks FDN 51 - 52 exchanges through one of the NAAR radio frequency ports 14 - 15 with the multi-channel transceiver unit 4 one of the N A AR transmitted signals 141 - 142 and one of the NAAR received signals 143 - 144.
  • the FDN block 51 through the radio frequency port 14 exchanges with the transceiver unit 4 transmitted signals 141 and received signals 143
  • the FDN unit 52 through the radio frequency port 15 exchanges with the transceiver unit 4 transmitted signals 142 and received signals 144.
  • the FDN block 51 contains a radio frequency (RF) direction switch transmit-receiver 515, power divider 510 and NAE of RF signal processing circuits 511 - 514, where N AE is an integer greater than or equal to two, connected to N A E antenna elements 611 - 614 of antenna array 61 so that one RF circuit processing is connected to one antenna element.
  • the FDN unit 52 includes an RF transmit/receive direction switch 525, a power divider 520, and N A E RF signal processing circuits 521 - 524 coupled to N A E antenna elements 621 - 624 of antenna array 61 such that one RF circuit processing is connected to one antenna element.
  • An RF transmit/receive direction switch 515 connects a transmit signal 141 or a received signal 143 to a power divider 510.
  • An RF transmit/receive direction switch 525 connects a transmit signal 142 or a received signal 144 to a power divider 520.
  • RF processing circuits 511 - 514 are configured with the ability to regulate the phases of N AE signals 161 - 162 between the power division device 510 and antenna elements 611 - 614, and the RF processing circuits 521 - 524 are configured to regulate the phases of N AE signals 171 - 172 between the power division device 520 and antenna elements 621 - 624
  • a power divider 510 in the transmit direction divides the signal power from RF switch 515 between RF processing circuits 511 - 514, and in the receive direction it sums the power of the signals from RF processing circuits 511 - 514.
  • a power divider 520 in the transmit direction performs power division signal from the RF switch 525 between the RF processing circuits 521 - 524, and in the receiving direction it sums the power of the signals from the RF processing circuits 521 - 524.
  • FIG. 9 part of the RF processing circuits of the FDN blocks 51 and 52 and part of the antenna elements of the antenna arrays 61 and 62 are not shown and are replaced with ellipses. Specifically not shown, but implied to be included within the respective blocks, are the RF processing circuits 512, 513, 522, 523, as well as antenna elements 612, 613, 622, 623. However, it is assumed that these elements are present in the circuit and participate in the operation of antenna module 5.
  • the configuration information entering the antenna module 5 from the processor 2 through the control port 26 sets the direction of switching the reception and transmission of the signal by RF switches 515 - 525, as well as the values of phase shifts in the RF processing circuits 511 - 514 and 521 - 524.
  • RF processing circuit 511 performs the functions of at least one of RF signal processing circuits 511 - 514 and 521 - 524 in FIG. 9.
  • RF processing circuit 511 in FIG. 10 includes a 551 transmitter controlled phase shifter and a receiver controlled phase shifter
  • the configuration information supplied to the antenna module 5 from the processor 2 through the control port 26 specifies the direction of switching the reception and transmission of the RF signal by RF switches 553 and 554, as well as the values of the phase shifts for the transmitter phase shifter 551 and the receiver phase shifter 552.
  • RF processing circuit 511 may not include RF switches 553 and 554 for separating received and transmitted signals.
  • switches 553 and 554 can be performed by filters with amplitude-frequency characteristics selected to ensure sufficient isolation of received signals from transmitted ones and vice versa.
  • Embodiments of the present invention are possible in which the RF processing circuits 511 are implemented using a single bidirectional phase shifter capable of controlling the phase of both transmitted and received signals, eliminating the need for RF switches 553 and 554. It is also possible for embodiments of the present invention in which independent antenna elements connected to independent phase shifters are used to transmit and receive signals.
  • the PDN units may include separate power dividers for transmit and receive signals, such as power dividers 510 and 520 in FIG. 9 and may also not include RF switches, such as RF switches 515 and 525 in FIG. 9.
  • FIG. 11 shows an example of a linear phased array antenna 61, such as one of the arrays 61 - 62 in FIG. 1 and fig. 9, in accordance with one embodiment of the present invention.
  • the antenna array 61 consists of N A E antenna elements, such as antenna elements 611 - 614, located on the same line 615.
  • adjacent antenna elements for example, elements 611 and 612 or elements 612 and 613, or elements 613 and 614, are located at a distance d from each other.
  • Each of the antenna elements 611 - 614 is connected to one
  • the RF signal processing circuits of the FDN unit such as the FDN unit 51 of the antenna module, such as the antenna module 5, as shown in FIG. 9.
  • all antenna elements 611 - 614 radiate in phase a periodic signal with wavelength X.
  • the signals received from two adjacent elements will differ in phase by the amount Df A , called the differential phase shift and determined by the formula (r l .
  • the phase shifts imposed by the RF processing circuits are set such that the differential phase shift between adjacent elements of the antenna array is equal to -Df A .
  • the simplified theory of phased array antennas based on the model of geometric optics, in the direction 616, constructive summation of signals from all elements of the antenna array 61 is ensured, and the wave front 618 propagates predominantly in the direction 616.
  • the maximum DP of the antenna array 61 such like DN 31 in Fig. 1 or one of the DNs 31 1 or 312 in FIG. 9 appears to be directed along direction 616.
  • the received signal power is increased.
  • the data rate of receiver 620 to be increased and/or the signal-to-noise ratio of receiver 620 to be increased, thereby increasing communication reliability, and/or the communication range to be increased.
  • different phase shift values for antenna elements 611 - 614 may be set to increase and/or maximize the level of power received by receiver 620 at the antenna array 61 side.
  • the sharpness of the radiation pattern maximum is determined by the ratio of the aperture 637 of the antenna array 61 to the wavelength X of the emitted signal.
  • the larger the aperture of the antenna array 61 the faster the radiation power flux density of the antenna array 61 decreases when deviating from the direction of the maximum, and the sharper the pattern of the antenna array 61 becomes. Due to the decrease in the power flux density when deviating from the direction of the maximum, the pattern ensures a decrease in power interference in directions other than the direction of the maximum pattern of the antenna array 61.
  • the phase shifts specified by the RF processing circuits are set in such a way that the differential phase shift between adjacent elements of the antenna array is equal to 2 lx/? AE - Df A , where N AE is the number of antenna elements in the antenna array 61, and k is a positive integer.
  • N AE is the number of antenna elements in the antenna array 61
  • k is a positive integer.
  • the minimum or zero pattern of the antenna array 61 such as pattern 31 in FIG. . 1 or one of the DNs 31 1 or 312 in FIG. 9.
  • phase shift values for antenna elements 611 - 614 can be set to reduce and/or null the power level received by the receiver 620 from the antenna array 61.
  • phase shift values for antenna elements 611 - 614 can be calculated, at least in part, based on the estimated characteristics 221 of the communication channel between PPU 1 and one or more other PPUs.
  • FIG. 12 shows an example of an antenna system 6 of two antenna arrays 61 and 62 in accordance with one embodiment of the present invention.
  • the antenna arrays 61 and 62 are located in line at a distance D from each other, with their main axes 619 and 629 oriented parallel along the same direction, as shown in FIG. 12.
  • each of the antenna elements 611 - 614 of the array 61 is connected to one RF signal processing circuit of the FDN unit, such as the FDN unit 51 of the antenna module, such as the antenna module 5, and each of the antenna elements 621 - 624 of the array 62 is connected to one RF circuit signal processing unit FDN, such as FDN unit 52 of an antenna module, such as antenna module 5, as shown in FIG. 9.
  • the phase shifts specified by the RF processing circuits of the FDN block 51 are set in such a way that the wave front 618 created by the antenna array 61 propagates predominantly in the direction 616 at an angle of 0 A 1 to the main axis 619 of the array 61
  • the phase shifts specified by the radio frequency circuits processing unit FDN 52 are set in such a way that the wave front 628 created by the antenna array 62 propagates predominantly in the direction 626 at an angle of 0 A2 to the main axis 629 of the array 62, directions 616 and 626 are parallel to each other, and the phase shift for the antenna element 611 of the array 61 and antenna element 621 of the array 62 coincide.
  • the transmitted signal 141 arriving at the FDN block 51 is generated by the transmitter channel 401 based on the transmitted digital signal 121 generated by the DSP block 20 (see FIG. 6), and the transmitted signal 142 entering the FDN block 52 is generated by the channel transmitter 402 based on the transmitted digital signal 122 generated by the DSP unit 20 (Fig. 6).
  • the coefficients of linear combinations performed by the transmitter signal combinator 203 are set in such a way that the digital transmitted signals 121 and 122, generated by the DSP unit 20, differ in phase by the amount -Af 0 .
  • antenna system 6 contains more elements than individual arrays 61 or 62, direction 636 provides constructive summation of more transmitted signals from more antenna elements compared to just one array, and therefore the antenna system 6 provides greater gain than each of the arrays 61 or 62 individually. As a result, the speed and/or range and/or reliability of data transmission for the antenna system 6 is greater than for the arrays 61 or 62 separately.
  • the pattern of the antenna system 6 is sharper compared to the pattern of the grid 61 or the grid 62 separately.
  • the phase shift values for antenna elements 611 - 614 and 621 - 624 in FIG. 12 may be calculated, at least in part, based on the estimated characteristics 221 of the communication channel between PPU 1 and one or more other PPUs.
  • these phase shifts can be set together with setting the coefficients of linear combinations performed by the linear combinator of the transmitter 203.
  • these phase the shifts can be set in conjunction with the setting of linear combination coefficients performed by the linear combinator of the receiver 213.
  • FIG. 13 shows an example of an antenna system 6 of two antenna arrays 61 and 62 in accordance with one embodiment of the present invention.
  • the antenna elements of the arrays 61 and 62 are located in the same plane, and the antenna elements of each of the arrays 61 and 62 are spaced apart along the Z axis of the coordinate system 625 associated with the antenna system 6, the antenna elements 61 and 62 are spaced relative to each other along the Y axis of the coordinate system 625, and the directions of the main axes of both the array 61 and the array 62 are directed along the X axis of the coordinate system 625.
  • each of the antenna elements 611 - 614 array 61 is connected to one RF signal processing circuit of an FDN unit, such as an FDN unit 51 of an antenna module, such as antenna module 5, and each of the antenna elements 621 - 624 of array 62 is connected to one RF signal processing circuit of a FDN unit, such as an FDN unit 52 antenna module, such as antenna module 5 as shown in FIG. 9.
  • the phase shifts specified by the RF signal processing circuits of the FDN block 51 are set in such a way that the wavefront 618 created by the antenna array 61 propagates predominantly in the direction 616 at an angle of 0 Ai to the main axis 619 of the array 61 in the XZ plane of the coordinate system 625
  • the phase shifts specified by the RF signal processing circuits of the FDN block 52 are set in such a way that the wave front 628 created by the antenna array 62 propagates predominantly in the direction 626 at an angle of 0 A2 to the main axis 629 of the array 62 in the XZ plane of the coordinate system 625, the direction 616 and 626 are parallel to each other, and the phase shifts for antenna element 611 of array 61 and antenna element 621 of array 62 are the same.
  • the transmit signal 141 arriving at the FDN block 51 is generated by the transmitter channel 401 based on the digital transmit signal 121 generated by the DSP unit 20, and the transmit signal 142 entering the FDN block 52 is generated by the transmitter channel 402 based on the digital transmit signal. 122, generated by the DSP block 20.
  • the weighting coefficients of the transmitter signal combinator 203 are set in such a way that the digital transmitted signals 121 and 122, generated by the DSP block 20, differ in phase by the amount -Df o .
  • phased array antennas based on the model of geometric optics, in the direction 636, which differs from the directions 616 and 626 by the angle 0 DH in the XY plane of the coordinate system 625, constructive summation of signals from all elements is ensured both antenna arrays, and the wavefronts 618 and 628 are combined into a single wavefront 638, propagating predominantly in the direction 636.
  • the maximum beam pattern of the antenna system 6, such as beam pattern 33 in FIG. 1 or one of the DNs 331 and 332 in FIG. 9 appears to be directed along direction 636.
  • antenna system 6 contains more elements than individual arrays 61 or 62, direction 636 provides constructive summation of more transmitted signals from more antenna elements compared to just one array, and therefore the antenna system 6 provides greater gain than each of the arrays 61 or 62 individually. As a result, the speed and/or range and/or reliability of data transmission for the antenna system 6 is greater than for the arrays 61 or 62 separately.
  • the DP of the antenna system 6 is in the XY plane of the coordinate system 625 is sharper than the pattern of the grating 61 or the grating 62 separately, and in the XZ plane of the coordinate system 625 has the same sharpness as the pattern of each of the gratings 61 or 62 separately. This leads to a greater attenuation of the radiation power flux density in directions different in the XY plane of the coordinate system 625 from the direction of the maximum pattern of the antenna system 6 in comparison with the antennas of each of the arrays 61 or 62 separately.
  • the antenna system 6 in directions other than the direction of the maximum radiation pattern creates interference of less power than each of the antenna arrays 61 or 62 separately.
  • the phase shift values for antenna elements 611 - 614 and 621 - 624 in FIG. 13 may be calculated, at least in part, based on the estimated characteristics 221 of the communication channel between PPU 1 and one or more other PPUs.
  • these phase shifts can be set together with setting the coefficients of linear combinations performed by the linear combinator of the transmitter 203.
  • these phase the shifts can be set in conjunction with the set of coefficients of linear combinations performed by the linear combinator of the receiver 213.
  • sample 9 PPU 1 was manufactured, operating in the frequency ranges of 2.4 GHz and 5 GHz.
  • the block diagram of the manufactured sample 9 is shown in Fig. 14.
  • the functions of the processor 2, storage 3 and multi-channel transceiver unit 4 are performed by the system-on-module (English, system on module - SoM) ADRV9361-Z7035, supplied by Analog Devices.
  • This system is a Software-Defined Radio (SDR) platform that combines an analog AD9361 (Integrated RF Agile Transceiver) device used as a transceiver unit 4, and a digital Xilinx Z7035 Zynq-7000 device, used as processor 2 and coupled with memory 30, in a small form factor well suited for integration into the final product.
  • SDR Software-Defined Radio
  • Antenna module 5 was developed as a separate block containing two FDN boards 51 and 52, connected to the radio frequency inputs and outputs of SoM ADRV9361-Z7035 by high-frequency cables 121, 131, 122 and 132.
  • Samples of antenna arrays 61 and 62 are made in the form vertical columns of four dipole antenna elements each, similar to the antenna system 6 in the configuration shown in FIG. 13.
  • Antenna arrays 61 and 62 are located horizontally relative to each other.
  • Each of the antenna elements of the samples of both arrays 61 and 62 is connected to a separate RF signal processing circuit of the FDN blocks 51 and 52, respectively.
  • Each of the RF processing circuits of the antenna module sample 9 PPU 1 has two phase shifters - one for receiving and one for transmitting the signal, as shown in Fig. 10.
  • the phase adjustment step of the transmitter phase shifter and the receiver phase shifter is 22.5 degrees, providing 16 possible phase shift values ranging from 0 to 360 degrees.
  • the pattern of the antenna system in the vertical (angular) plane was mainly determined by the settings of the FDN blocks 51 and 52 of the antenna module 5, while the pattern in the horizontal (azimuth) plane was determined mainly by the parameters of the signal combiners 203 and 213 of the DSP block 20, made in the programmable logic 29 of the Xilinx Z7035 Zynq-7000 digital device.
  • GUI graphical user interface
  • Control of sample 9 of PPU 1 was carried out using graphical user interface (GUI) software 8 running on a personal computer 86 and allowing the user to configure the parameters of the DSP algorithms 20 using the DSP configuration block 82, reception parameters - transmitting unit 4 using analog processing configuration block 83, parameters for the formation of patterns by antenna module 5 using antenna module configuration block 84.
  • GUI 8 software also allows the user to save settings using the block 85 for saving configuration settings and process the results of experiments using the block 81 for processing and outputting measurement results.
  • cellular communication system 700 may include a base station 701 surrounded by multiple user devices, such as devices 702 and 703.
  • the locations of user devices 702 and 703 relative to base station 701 are characterized by distances 712 and 713 from user devices 702 and 703 to antenna system 6 base station 701, heights 722 and 723 of devices 702 and 703, respectively, above ground level, as well as elevation plane angles, such as angle 715 between direction 713 and the ground, and azimuth plane angles, such as angle 716 between axis 710 projection 711 antenna system 6 on the earth's surface and projection 714 on the earth's surface of the direction 712 to the user device 702.
  • the antenna system 6 of base station 701 is configured to direct the maximum of its beam pattern, such as beam pattern 33 in FIG. 1 or one of the DN 331 and/or DN 332 in FIG. 9 to user device 702.
  • user device 702 receives increased signal power compared to other peak directions of antenna system 6.
  • communication between the base station 701 and the user device 702 can be organized at distances greater than other directions of the antenna system 6 beam pattern maximum and/or communication between the base station 701 and the user device 702 can be organized at speeds greater than compared to other antenna system 6 pattern peak directions and/or communication between base station 701 and user device 702 may provide fewer transmission errors compared to other antenna system 6 pattern peak directions.
  • the antenna system 6 of the base station 701 generates two patterns, such as pattern 331 and/or pattern 332 in FIG. 9. At the same time at least one DN, for example DN 331 in FIG. 9 is directed to user device 702, and at least another AP, such as AP 332 in FIG. 9 is directed to user device 703.
  • base station 701 simultaneously sends first and second signals to two user devices 702 and 703 using DPs 332 and 331, respectively. directed to user device 702, user device 702 receives the first signals with minor interference from the second signals.
  • the minimum DP 332 is directed and the minimum DP 331 is not directed at the user device 703, the user device 703 receives the second signals with little interference from the first signals. This makes it possible, using the antenna system 6, to simultaneously transmit two signals in the same frequency band, thereby increasing the overall data transmission rate in the cellular communication network 700.
  • Preliminary comparative modeling of communication systems such as the 700 cellular system, with base stations equipped with either 4-array antenna systems of 4 elements each in a (1 x 4) x (4 x 1) configuration, or fully adaptive two-dimensional 16-element antennas arrays (4x4), or adaptive one-dimensional 4-element arrays (1 x4), showed that base stations with antenna systems of several arrays in a (1x4)x(4x1) configuration are no more than 5% inferior in data transfer speed base stations with fully adaptive two-dimensional 16-element antenna arrays (4x4) with the same number and geometric arrangement of antenna elements.
  • base stations with antenna systems of several arrays in the (1 x 4) x (4 x 1) configuration provide a gain in data transmission speed of up to 25% compared to base stations with one-dimensional adaptive arrays (1 x4).
  • the increase in data transfer rate is due to the larger aperture of the multi-array antenna system in the (1 x 4) x (4 x 1) configuration compared to the aperture of a one-dimensional adaptive array (1 x 4).
  • both antenna systems use the same number of radio frequency circuits, which practically equalizes the cost of manufacturing antenna systems of both types.
  • the simulation also showed that under the considered communication conditions, in order to achieve a 25% increase in transmission speed for a communication system with adaptive antenna arrays (1 x 4), the transmitter power would have to be increased fourfold, which confirms the high efficiency of the design of the proposed PPU.
  • the calculated value of the gain of the antenna array 61 was from 5.5 to 6 dB relative to a single antenna element, similar to antenna elements 611 - 614 and emitting a signal with just as full power, like the entire array 61.
  • the measured value of the gain of the antenna array 61 turned out to be less than the calculated value by an amount not exceeding 0.5 dB over the entire specified range of elevation angles.
  • a similar experiment was carried out for the antenna array 62 connected to the FDN unit 52, during which similar results were obtained.
  • the calculated value of the gain antenna system in this range of angles of deviation of the direction of radiation 636 was from 8.5 to 9 dB relative to a single antenna element, similar to antenna elements 611 - 614 and emitting a signal with the same total power as antenna system 6.
  • the measured gain of the antenna system 6 turned out to be less than the calculated value by an amount not exceeding 0.7 dB over the entire specified range of azimuthal angles.
  • the results of the first and second series of experiments show that by using a single 4-element array antenna, such as Array 61, at one end of a data link, it is possible to increase the signal power received by a remote receiver by up to 6 dB, allowing for increased range in free space communication up to 2 times without loss of quality and/or increase the data transfer rate by approximately 1 bit/s/Hz, and by using an antenna system 6 of two 4-element arrays it is possible to increase the received signal power by up to 9 dB, which allows you to increase the communication range to 2.8 in free space times without loss of quality and/or increase the data transfer rate by approximately 1.5 bps/Hz.
  • the results of the third series of experiments show that with the help of antenna system 6, consisting of two arrays connected to independent channels of analog (channels 401 and 402 in Fig. 6) and digital (channels 201 and 202 in Fig. 3) signal processing, in free space, it is possible to up to 2 times the data rate of a communications system, such as communications system 700 in FIG. 15, by simultaneously transmitting data to two users in the same frequency band.
  • antenna system 6 consisting of two arrays connected to independent channels of analog (channels 401 and 402 in Fig. 6) and digital (channels 201 and 202 in Fig. 3) signal processing, in free space, it is possible to up to 2 times the data rate of a communications system, such as communications system 700 in FIG. 15, by simultaneously transmitting data to two users in the same frequency band.

Abstract

The invention relates to software-configurable radio systems applicable in the field of communications and radiolocation and in mobile radio communication systems. A software-defined transceiving device (1) comprises a processor (2), a storage (3) coupled to the processor, and a multi-channel transceiving unit (4) coupled to the processor. The device further comprises antenna element arrays (61-62), and pattern-forming units (51-52) coupled to the antenna element arrays, the multi-channel transceiving unit and the processor, wherein the multi-channel transceiving unit contains ports (14-15), each of which is coupled to one pattern-forming unit, each pattern-forming unit also being coupled to one antenna element array, and the processor is configured to be capable of adjusting the radiation pattern of the antenna element arrays. The invention is directed toward the creation of a software-controllable radiation pattern such as to allow the concentration or attenuation of the radiated energy, the amplification and/or suppression of received signals for given directions, the amplification of useful signals, a reduction of interference in given directions, and an increase in the range and reliability of communication and in the data transmission rate, using software-defined signal parameters.

Description

ПРОГРАММНО-ОПРЕДЕЛЯЕМОЕ ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО SOFTWARE-DEFINED TRANSMITTER DEVICE
Область техники Technical field
Изобретение относится к программно-конфигурируемым радиосистемам, которые могут быть использованы в области техники связи, радиолокации, системах мобильной радиосвязи. The invention relates to software-defined radio systems that can be used in the field of communications technology, radar, and mobile radio communication systems.
Предшествующий уровень техники Prior Art
В современных условиях быстроразвивающегося сегмента отрасли беспроводных технологий остро встает вопрос по ускорению процесса разработки и отладки новых технологических решений и стандартов связи. Постоянно растущие требования к скорости передачи данных беспроводным оборудованием, вынуждают производителей искать способы оптимизации процесса разработки и минимизации затрат на обновление аппаратных решений, существующих на данный момент. Одним из возможных решений данной проблемы является внедрение в этот процесс технологии программно-определяемого оборудования беспроводной связи (англ. Software Defined Radio - SDR). In modern conditions of the rapidly developing segment of the wireless technology industry, the issue of accelerating the process of developing and debugging new technological solutions and communication standards arises. The ever-increasing requirements for data transmission speeds of wireless equipment are forcing manufacturers to look for ways to optimize the development process and minimize the cost of updating existing hardware solutions. One possible solution to this problem is to introduce software-defined wireless technology (Software Defined Radio - SDR) into this process.
Идея, лежащая в основе существующих SDR устройств, заключается в том, что данное оборудование может быть полностью сконфигурировано или определено программным обеспечением. Принимаемый радиосигнал преобразуется в цифровой формат в достаточно универсальном приемном блоке, и его дальнейшая обработка осуществляется в цифровой области. Передаваемый сигнал генерируется цифровым способом в соответствии с заданными пользователем конфигурациями и преобразуется в аналоговый сигнал в передающем блоке. Основным преимуществом данного подхода является то, что такое приемо-передающее оборудование может быть полностью перенастроено путем простой замены программного обеспечения и сконфигурировано пользователем для приема-передачи практически любых сигнально-кодовых конструкций в заданном диапазоне частот. Возможность конфигурирования программного обеспечения позволяет использовать оборудование для приема-передачи радиосигналов, построенных в соответствии с новыми стандартами связи, исследовать различные схемы помехоустойчивого кодирования и типы модуляции сигналов без изменения аппаратной части оборудования. При этом использование одной аппаратной платформы для разработки и тестирования различных приемо-передающих устройств позволяет существенно снизить затраты на разработку и повысить качество выпускаемой продукции. The idea behind existing SDR devices is that the hardware can be completely configured or defined by software. The received radio signal is converted into digital format in a fairly universal receiving unit, and its further processing is carried out in the digital domain. The transmitted signal is digitally generated according to user-specified configurations and converted to an analog signal in the transmitting unit. The main advantage of this approach is that such transmitting and receiving equipment can be completely reconfigured by simply replacing the software and configured by the user to receive and transmit almost any signal-code structures in a given frequency range. The ability to configure the software allows you to use equipment for receiving and transmitting radio signals built in accordance with new communication standards, explore various noise-resistant coding schemes and types of signal modulation without changing the hardware of the equipment. At the same time, the use of one hardware platform for the development and testing of various transceiver devices can significantly reduce development costs and improve the quality of products.
Среди типичных существующих SDR устройств можно отметить следующие. Among the typical existing SDR devices are the following.
Известно Multiple waveform software radio US6, 181,734, где описана радиостанция с программно-определяемым функционалом, в которой могут использоваться разные формы сигналов. Радиостанция имеет в своем составе память, в которой хранится программное обеспечение для обработки разных типов сигналов и дополнительно включает в себя один или несколько процессоров, которые извлекают программное обеспечение, зависящее от конкретной формы сигнала, для обработки информации при передаче или приеме. Вся обработка информации между приемом или воспроизведением речи и передачей или приемом радиочастотных сигналов, соответственно, выполняется в программном обеспечении. Устройство US6, 181,734 обеспечивает потребности в так называемых сотовых телефонах с «двойным режимом», где разные режимы относятся к разным формам сигналов. Кроме того, оператор может переключаться с одного режима формы сигнала на другой для связи по различным радиосетям, таким как сеть спутниковой связи Iridium производства Motorola, Inc., сотовые сети TDMA и/или CDMA или другие наземные мобильные двусторонние радиостанции, системы, или для связи по всем или нескольким из них одновременно. Multiple waveform software radio US6, 181,734 is known, which describes a radio station with software-defined functionality that can use different signal forms. The radio has a memory that stores software for processing different types of signals and additionally includes one or more processors that retrieve waveform-specific software to process information when transmitting or receiving. All information processing between receiving or reproducing speech and transmitting or receiving radio frequency signals, respectively, is done in software. The US6, 181,734 device meets the needs of so-called "dual mode" cell phones, where different modes refer to different waveforms. In addition, the operator can switch from one waveform mode to another to communicate over various radio networks, such as Motorola, Inc.'s Iridium satellite communications network, TDMA and/or CDMA cellular networks, or other land mobile two-way radios, systems, or communications for all or several of them simultaneously.
Известно Software defined cognitive radio US8,036,240, где описано вычислительное устройство с программно-определяемым радиоустройством, которое имеет архитектуру с отдельными компонентами для обеспечения функции управления и функции обработки данных. Компоненты управления конфигурируют компоненты обработки данных таким образом, что программно-определяемое радиоустройство обеспечивает требуемые рабочие характеристики. Компоненты на уровне данных могут получать информацию, характеризующую рабочие условия, которая может быть предоставлена для одного или более компонентов управления. В ответ на это, компоненты управления могут модифицировать компоненты на уровне данных для регулирования рабочих условий. В одной из возможных реализаций программно-определяемое радиоустройство Software defined cognitive radio US8, 036,240 имеет архитектуру с отдельными логическими уровнями: уровнем управления и уровнем данных. Уровень данных выполняет операции обработки данных, ассоциированные с беспроводной связью. Уровень управления позволяет изменять конфигурацию уровня данных для изменения технологии беспроводной связи, в соответствии с которой работает радиоустройство, или для регулирования рабочих параметров без изменения технологии беспроводной связи. Благодаря гибкости, обеспечиваемой такой архитектурой, конфигурация программноопределяемого радиоустройства может быть выполнена или может быть изменена для поддержки эффективной связи с использованием одной или более технологий беспроводной связи. В качестве одного примера гибкости, обеспечиваемой с помощью программно-определяемых радиоустройств, канал обратной связи может быть легко сформирован между компонентами уровня данных и компонентами уровня управления. Компоненты уровня данных могут генерировать информацию статуса об используемом канале связи, такую как частота ошибок и уровень шумов. Такая информация может быть предоставлена в когнитивный модуль на уровне управления, который может идентифицировать регулировку, требуемую для компонентов на уровне данных, которая позволяет адаптироваться к текущим условиям работы. В качестве наиболее близкого к изобретению (прототипа) выбрано Software defined radio and radio system US7,043,023, в котором программноопределяемое радиоустройство содержит: антенну для передачи и приема радиосигналов, блок радиочастотной обработки сигналов, блок обработки сигналов на основной полосе частот, блок управления, хранилище, хранящее программное обеспечение для определения функции программно определяемого радио и критерий спецификации, задающий эталонные характеристики радиопередачи, измерительную схему для измерения характеристик передачи радиосигнала, передаваемого от указанного программно-определяемого радиоустройства, и переключатель, соединенный с указанной антенной, указанным радиочастотным блоком и указанной измерительной схемой. Указанный блок управления предназначен для изменения настройки блока обработки сигналов на основной полосе частот и блока радиочастотной обработки сигналов таким образом, чтобы удовлетворить целевым характеристикам передачи и приема, служащим критерием спецификации. В интервалы времени, когда упомянутая схема измерения измеряет характеристики передачи, указанный переключатель отключает указанный радиочастотный блок от антенны и соединяет его с измерительной схемой для перенаправления сигнала в измерительную схему. Однако, приведенные выше примеры известных устройств SDR не используют многоэлементные антенные решетки и, таким образом, лишены возможности использовать широкий спектр технологий пространственной обработки сигналов, таких как формирование управляемых узких лучей с помощью технологии фазированных антенных решеток для повышения дальности связи и уменьшения уровня помех в нежелательных направлениях, формирование нескольких независимых пространственных подканалов за счет применения технологии передачи со многими входами и выходами (англ. Multiple Input Multiple Output - MIMO) для повышения скорости передачи данных за счет одновременной передачи информации в одних и тех же частотных ресурсах по разным пространственным подканалам, а также другие техники многоантенной обработки сигналов. Software defined cognitive radio US8,036,240 is known, which describes a computing device with a software-defined radio device, which has an architecture with separate components to provide control functions and data processing functions. Control components configure the processing components so that the software-defined radio provides the required performance characteristics. Components in the data layer may receive information characterizing operating conditions that may be provided to one or more control components. In response, control components can modify data-level components to regulate operating conditions. In one of the possible implementations, the Software defined cognitive radio US8, 036,240 has an architecture with separate logical levels: a control level and a data level. The data layer performs data processing operations associated with wireless communications. The control plane allows the data plane to be reconfigured to change the wireless technology under which the radio operates or to adjust operating parameters without changing the wireless technology. Due to the flexibility provided by such an architecture, the software defined radio device can be configured or changed to support efficient communication using one or more wireless communication technologies. As one example of the flexibility provided by software-defined radios, a feedback channel can be easily formed between data plane components and control plane components. Data plane components can generate status information about the communication channel being used, such as error rate and noise level. Such information can be provided to a cognitive module in the control layer, which can identify adjustments required for components in the data layer that allow adaptation to current operating conditions. Software defined radio and radio system US7,043,023 was selected as the closest to the invention (prototype), in which the software defined radio device contains: an antenna for transmitting and receiving radio signals, a radio frequency signal processing unit, a baseband signal processing unit, a control unit, storage storing software for defining a function of a software-defined radio and a specification criterion defining reference radio transmission characteristics, a measurement circuit for measuring the transmission characteristics of a radio signal transmitted from said software-defined radio device, and a switch coupled to said antenna, said radio frequency unit, and said measurement circuitry. . The control unit is configured to change the settings of the baseband signal processing unit and the RF signal processing unit so as to satisfy the target transmission and reception performance specification criteria. At time intervals when said measurement circuit measures transmission characteristics, said switch disconnects said RF unit from the antenna and connects it to the measurement circuit to redirect the signal to the measurement circuit. However, the above examples of known SDR devices do not use multi-element antenna arrays and thus lack the ability to use a wide range of spatial signal processing technologies, such as forming steerable narrow beams using phased array antenna technology to increase communication range and reduce interference in unwanted areas. directions, the formation of several independent spatial subchannels through the use of transmission technology with multiple inputs and outputs (Multiple Input Multiple Output - MIMO) to increase the data transfer rate due to the simultaneous transmission of information in the same same frequency resources over different spatial subchannels, as well as other multi-antenna signal processing techniques.
Раскрытие изобретения Disclosure of the Invention
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание приемо-передающего устройства (ППУ) с управляемой модульной многоэлементной антенной системой с большим числом антенных элементов, позволяющего существенно расширить область применения ППУ : увеличить дальность связи и скорость передачи данных, уменьшить взаимные помехи между станциями по сравнению с существующими устройствами SDR, использующими неуправляемые антенны. The problem to be solved by the invention is the creation of a transceiver device (RTD) with a controlled modular multi-element antenna system with a large number of antenna elements, which makes it possible to significantly expand the scope of application of the TRU: increase the communication range and data transmission speed, reduce mutual interference between stations along the compared to existing SDR devices using unsteered antennas.
Техническим результатом является создание заявляемым ППУ программно-управляемой диаграммы направленности с возможностью концентрации и/или ослабления излучаемой энергии, а также усиления и/или подавления принимаемых сигналов для одного или нескольких заданных направлений, усиление одного или нескольких полезных сигналов и/или уменьшение помех на одном или нескольких заданных направлениях, увеличение дальности и надежности связи и скорости передачи данных при использовании программно-определяемых формы, несущей частоты, ширины полосы, сигнально-кодовых конструкций и других параметров сигналов. Решение поставленной задачи достигается тем, что программноопределяемое приемо-передающее устройство, содержащее процессор с включенными в него блоком цифровой обработки сигнала (ЦОС), сконфигурированным для цифровой обработки передаваемых и/или принимаемых сигналов, блоком управления и конфигурирования, а также подключенное к процессору хранилище, сконфигурированное для хранения инструкций для процессора, многоканальный приемо-передающий блок, подключенный к процессору и сконфигурированный для аналоговой и/или радиочастотной обработки передаваемых и/или принимаемых сигналов, дополнительно содержит решетки антенных элементов, блоки формирования диаграммы направленности, подключенные и к решеткам антенных элементов, и к многоканальному приемо-передающему блоку, и к процессору, причем многоканальный приемо-передающий блок содержит порты, каждый из которых подключен к одному блоку формирования диаграммы направленности, а каждый блок формирования диаграммы направленности также подключен к одной решетке антенных элементов, и процессор сконфигурирован с возможностью изменения диаграммы направленности решеток антенных элементов. The technical result is the creation by the claimed PPU of a program-controlled radiation pattern with the ability to concentrate and/or attenuate emitted energy, as well as amplify and/or suppress received signals for one or more specified directions, amplify one or more useful signals and/or reduce interference in one or several specified directions, increasing the range and reliability of communication and data transmission speed when using software-defined shape, carrier frequency, bandwidth, signal-code structures and other signal parameters. The solution to the problem is achieved by the fact that a software-defined transceiver device containing a processor with a digital signal processing (DSP) unit included in it, configured for digital processing of transmitted and/or received signals, a control and configuration unit, as well as storage connected to the processor, configured to store instructions for the processor, a multi-channel transceiver unit connected to the processor and configured for analog and/or radio frequency processing of transmitted and/or received signals, additionally contains arrays of antenna elements, beamforming units connected to the antenna arrays elements, and to a multi-channel transceiver unit, and to a processor, wherein the multi-channel transceiver unit contains ports, each of which is connected to one beamforming unit, and each beamforming unit is also connected to one array of antenna elements, and the processor configured with the ability to change the radiation pattern of the antenna element arrays.
При этом блок формирования диаграммы направленности содержит устройство деления мощности, подключенное к процессору и сконфигурированное для разделения мощности передаваемых сигналов между антенными элементами решетки, подключенной к блоку формирования диаграммы направленности и/или для суммирования мощности сигналов, принимаемых от элементов антенной решетки, подключенной к блоку формирования диаграммы направленности, а также цепи радиочастотной обработки принимаемых и/или передаваемых сигналов, причем каждая цепь подключена к устройству деления мощности и к одному антенному элементу решетки, которая подключена к данному блоку формирования диаграммы направленности. In this case, the beamforming unit contains a power division device connected to the processor and configured to divide the power of transmitted signals between the antenna elements of the array connected to the beamformer and/or to sum the power of the signals received from the elements of the antenna array connected to the beamformer radiation patterns, as well as circuits for radio frequency processing of received and/or transmitted signals, each circuit connected to a power division device and to one antenna element of the array, which is connected to this beamforming unit.
Цепь радиочастотной обработки принимаемых и/или передаваемых сигналов выполнена с возможностью регулировки фазы принимаемых и/или передаваемых сигналов с помощью конфигурирующей информации, поступающей от процессора. The radio frequency processing circuit for received and/or transmitted signals is configured to adjust the phase of received and/or transmitted signals using configuration information coming from the processor.
Блок цифровой обработки сигнала ЦОС, включающий блок цифровой обработки передаваемых сигналов, в котором последовательно с конвейером ЦОС передатчика соединен комбинатор сигналов передатчика, и блок цифровой обработки принимаемых сигналов, в котором последовательно с конвейером ЦОС приемника соединен комбинатор сигналов приемника, также содержит блок оценки характеристик канала связи, подключенный к блоку цифровой обработки принимаемых сигналов, и блок расчета диаграмм направленности, подключенный к блоку оценки характеристик канала связи, параметры работы которых определяются конфигурирующей и статусной информацией, поступающей от алгоритмов блока управления и конфигурирования, выполняемых процессором. A DSP digital signal processing unit, including a digital processing unit for transmitted signals, in which a transmitter signal combinator is connected in series with the transmitter DSP pipeline, and a digital processing unit for received signals, in which a receiver signal combinator is connected in series with the receiver DSP pipeline, also contains a channel characteristics estimation unit communication connected to a digital processing unit for received signals, and a block for calculating radiation patterns connected to a unit for estimating communication channel characteristics, the operating parameters of which are determined by configuration and status information coming from the control and configuration unit algorithms executed by the processor.
При этом многоканальный приемо-передающий блок выполнен с возможностью обработки сигналов, содержащих синфазную и квадратурную компоненты, а процессор сконфигурирован для обмена с многоканальным приемо-передающим блоком, по крайней мере, первым и вторым сигналами, имеющими синфазные и квадратурные компоненты, для обработки, соответственно, первым и вторым каналом многоканального приемо- передающего блока, причем синфазная и квадратурная компоненты второго сигнала представляют собой линейную комбинацию синфазных и квадратурных компонент первого сигнала. In this case, the multi-channel transceiver unit is configured to process signals containing in-phase and quadrature components, and the processor is configured to exchange with the multi-channel transceiver unit at least the first and second signals having in-phase and quadrature components for processing, respectively , the first and second channels of a multi-channel transceiver unit, wherein the in-phase and quadrature components of the second signal are a linear combination of the in-phase and quadrature components of the first signal.
В альтернативном варианте решения задачи приемо-передающий блок также выполнен с возможностью обработки сигналов, содержащих синфазную и квадратурную компоненты, а процессор сконфигурирован для обработки, по крайней мере, одного цифрового сигнала, имеющего синфазную и квадратурную компоненты, процессор также сконфигурирован для обмена с многоканальным приемо-передающим блоком, по крайней мере, первым и вторым сигналами, имеющими синфазные и квадратурные компоненты, для обработки, соответственно, первым и вторым каналом многоканального приемо-передающего блока, причем синфазная и квадратурная компоненты первого сигнала представляют собой первую линейную комбинацию синфазных и квадратурных компонент, по крайней мере, одного цифрового сигнала, а синфазная и квадратурная компоненты второго сигнала представляют собой вторую линейную комбинацию синфазных и квадратурных компонент по крайней мере одного цифрового сигнала. In an alternative solution to the problem, the transceiver unit is also configured to process signals containing in-phase and quadrature components, and the processor is configured to process at least one digital signal having in-phase and quadrature components, the processor is also configured to exchange with a multi-channel receiver - a transmitting unit, at least the first and second signals having in-phase and quadrature components, for processing, respectively, by the first and second channel of the multi-channel transceiver unit, wherein the in-phase and quadrature components of the first signal represent a first linear combination of the in-phase and quadrature components at least one digital signal, and the in-phase and quadrature components of the second signal are a second linear combination of the in-phase and quadrature components of the at least one digital signal.
В третьем возможном варианте решения задачи процессор сконфигурирован для обработки, по крайней мере, одного цифрового сигнала, имеющего синфазную и квадратурную компоненты, процессор также сконфигурирован для обмена с многоканальным приемо-передающим блоком, по крайней мере, первым и вторым сигналами, имеющими синфазные и квадратурные компоненты, для обработки, соответственно, первым и вторым каналом многоканального приемо-передающего блока, причем синфазная и квадратурная компоненты, по крайней мере, одного цифрового сигнала представляют собой линейную комбинацию синфазных и квадратурных компонент, по крайней мере, первого и второго сигналов. In a third possible solution to the problem, the processor is configured to process at least one digital signal having in-phase and quadrature components, the processor also configured to exchange with the multi-channel transceiver unit at least first and second signals having in-phase and quadrature components, for processing, respectively, the first and second channel of the multi-channel transceiver unit, wherein the in-phase and quadrature components are at least , one digital signal are a linear combination of in-phase and quadrature components of at least the first and second signals.
Варианты осуществления изобретения Embodiments of the Invention
На фиг. 1 изображено указанное приемо-передающее устройство 11НУ 1 , которое содержит процессор 2, с включенными в него блоком цифровой обработки сигнала (ЦОС) 20, сконфигурированным для цифровой обработки передаваемых и/или принимаемых сигналов, блоком управления и конфигурирования 21, осуществляющих цифровую обработку сигналов, управление и конфигурирование ППУ 1, хранилище 3, имеющее в своем составе память 30, подключенное к процессору 2 и хранящее программное обеспечение для процессора 2, а также параметры конфигурации блоков и модулей ППУ 1, многоканальный приемо-передающий блок 4, подключенный к процессору 2 и осуществляющий аналоговую и радиочастотную обработку передаваемых и принимаемых радиосигналов, антенный модуль 5, включающий в себя NAAR антенных решеток 61 - 62 и NAAR блоков формирования диаграмм направленности 51 - 52, где NAAR - целое число большее или равное двум, причем каждая из антенных решеток подключена к многоканальному приемо-передающему блоку 4 через один блок формирования диаграмм направленности. Антенный модуль 5, подключенн к многоканальному приемо-передающему блоку 4 и к процессору 2 и осуществляет, совместно с процессором 2, цифро-аналоговое формирование диаграммы направленности (ДН) 33 антенной системы из NAAR антенных решеток 61 - 62. In fig. 1 shows the specified transceiver device 11NU 1, which contains a processor 2, with a digital signal processing unit (DSP) 20 included in it, configured for digital processing of transmitted and/or received signals, a control and configuration unit 21, performing digital signal processing, control and configuration of PPU 1, storage 3, which includes a memory 30, connected to processor 2 and storing software for processor 2, as well as configuration parameters of PPU 1 blocks and modules, multi-channel transceiver unit 4, connected to processor 2 and carrying out analog and radio frequency processing of transmitted and received radio signals, antenna module 5, including N AAR antenna arrays 61 - 62 and N AAR radiation pattern formation blocks 51 - 52, where NAAR is an integer greater than or equal to two, each of the antenna arrays connected to the multi-channel transmitting and receiving unit 4 through one beamforming unit. The antenna module 5 is connected to the multi-channel transmitting and receiving unit 4 and to the processor 2 and carries out, together with the processor 2, the digital-analog formation of the radiation pattern (AP) 33 of the antenna system from N AAR antenna arrays 61 - 62.
ППУ 1 служит для обмена цифровыми данными 10 с другими приемо- передающими устройствами посредством передачи и/или приема NAAR радиосигналов 18 - 19 с помощью антенных решеток 61 - 62. При этом алгоритмы цифровой обработки сигналов (ЦОС) 20 осуществляют преобразование между цифровыми данными 10 и NAAR цифровых сигналов, которыми процессор 2 обменивается с многоканальным приемо-передающим блоком 4 через цифровой порт 12; многоканальный приемо-передающий блок 4 осуществляет преобразование между NAAR цифровых сигналов цифрового порта 12 и NAAR радиочастотных (РЧ) сигналов, которыми многоканальный приемо-передающий блок 4 обменивается с антенным модулем 5 через NAAR РЧ портов 14 - 15; антенный модуль 5 осуществляет преобразование между NAAR РЧ сигналов цифровых портов 14 - 15 и NAAR радиосигналов 18 - 19. При этом NAAR радиосигналов 18 - 19 передаются и/или принимаются NAAR антенных подрешеток 61 - 62, имеющих соответственно NAAR диаграмм направленности (ДН) 31 - 32, формируемых соответственно NAAR блоков формирования диаграмм направленности (ФДН) 51 - 52 антенного модуля 5. Процессор 2 осуществляет управление многоканальным приемо-передающим блоком 4 через порт управления 25 и антенным модулем 5 через порт управления 26. PPU 1 is used to exchange digital data 10 with other transceiver devices by transmitting and/or receiving NAAR radio signals 18 - 19 using antenna arrays 61 - 62. In this case, digital signal processing (DSP) algorithms 20 convert between digital data 10 and NAAR digital signals, which the processor 2 exchanges with the multi-channel transceiver unit 4 through the digital port 12; multi-channel transceiver unit 4 converts between N A AR digital signals of digital port 12 and N A AR radio frequency (RF) signals, which multi-channel transceiver unit 4 exchanges with antenna module 5 through N A AR RF ports 14 - 15; antenna module 5 converts between N A AR RF signals of digital ports 14 - 15 and N A AR radio signals 18 - 19. In this case, N A AR radio signals 18 - 19 are transmitted and/or received by NAAR antenna subarrays 61 - 62, respectively having N A AR radiation patterns (DP) 31 - 32, formed respectively by NAAR radiation pattern formation units (PDN) 51 - 52 of the antenna module 5. Processor 2 controls the multi-channel transceiver unit 4 through the control port 25 and the antenna module 5 through the control port 26.
В одном варианте реализации, процессор 2 подключен к интерфейсу пользователя 8, для получения управляющей информации 23, на основе которой алгоритмы управления и конфигурирования 21, выполняющиеся процессором 2, осуществляют управление ППУ 1, включая загрузку в процессор 2 пользовательских блоков и/или алгоритмов цифровой обработки сигналов 20, конфигурацию аналоговой и радиочастотной обработки сигналов в многоканальном приемо-передающем блоке 4, а также формирование ДН 33 ППУ 1 на основе NAAR ДН 31 - 32, формируемых антенным модулем 5. В этом варианте реализации алгоритмы управления и конфигурирования 21 принимают управляющую информацию 23 от интерфейса пользователя 8 и сохраняют ее в хранилище 3 для дальнейшего использования. В другом варианте реализации, ППУ 1 может быть однократно сконфигурировано с целью автономной работы в качестве независимой станции системы связи без дальнейшего использования интерфейса пользователя 8. В этом альтернативном варианте реализации алгоритмы управления и конфигурирования 21 осуществляют управление ППУ 1 на основе ранее сохраненной в хранилище 3 управляющей информации 22. In one embodiment, processor 2 is connected to user interface 8 to receive control information 23, based on which control and configuration algorithms 21 executed by processor 2 control the control panel 1, including loading user blocks and/or digital processing algorithms into processor 2 signals 20, the configuration of analog and radio frequency signal processing in the multi-channel transmitting and receiving unit 4, as well as the formation of DN 33 of PPU 1 based on N A AR DN 31 - 32 generated by the antenna module 5. In this embodiment, the control and configuration algorithms 21 accept the control information 23 from the user interface 8 and store it in storage 3 for future use. In another embodiment, the PPU 1 can be configured once for the purpose of autonomous operation as an independent station of the communication system without further use of the user interface 8. In this alternative implementation, the control and configuration algorithms 21 control the PPU 1 based on the control previously stored in the storage 3 information 22.
Следует понимать, что несмотря на то, что в варианте реализации настоящего изобретения, показанном на фиг. 1 , антенный модуль 5 содержит две антенные решетки 61 и 62 и два блока ФДН 51 и 52, спектр возможных вариантов реализации изобретения не ограничен этими значениями. Так, в других вариантах реализации изобретения значение NAAR может быть больше двух, то есть, антенный модуль 5 может содержать больше двух антенных решеток и, соответственно, больше двух блоков ФДН, подключенных к этим решеткам по одному блоку ФДН на антенную решетку. На фиг. 2 показан пример структуры алгоритмов цифровой обработки сигналов (ЦОС) 20, выполняемых процессором 2, в соответствии с одним вариантом реализации настоящего изобретения. Среди алгоритмов ЦОС 20, выполняемых процессором 2, можно выделить следующие логические блоки, описанные ниже более подробно со ссылками на фиг. 2 - фиг. 5. Данное разбиение на блоки проводится условно и служит для более полного понимания настоящего изобретения. При этом для описания работы алгоритмов ЦОС 20 условные блоки описываются подобно физическим блокам, в частности, говорится, что блоки могут выполнять некоторые операции над сигналами. В действительности следует понимать, что алгоритмы, обозначаемые указанными блоками, могут быть реализованы как в виде последовательности операций, выполняемых процессором 2, так и в виде специальных вычислительных блоков, реализованных аппаратно в составе процессора 2. It should be understood that although in the embodiment of the present invention shown in FIG. 1, the antenna module 5 contains two antenna arrays 61 and 62 and two FDN units 51 and 52; the range of possible embodiments of the invention is not limited to these values. Thus, in other embodiments of the invention, the value of N AAR may be greater than two, that is, the antenna module 5 may contain more than two antenna arrays and, accordingly, more than two FDN units connected to these arrays, one FDN unit per antenna array. In fig. 2 shows an example structure of digital signal processing (DSP) algorithms 20 executed by processor 2 in accordance with one embodiment of the present invention. Among the DSP algorithms 20 executed by the processor 2, the following logical blocks can be distinguished, described below in more detail with reference to FIG. 2 - fig. 5. This division into blocks is carried out conditionally and serves for a more complete understanding of the present invention. At the same time, to describe the operation of DSP 20 algorithms, conditional blocks are described like physical blocks, in particular, it is said that blocks can perform some operations on signals. In fact, it should be understood that the algorithms denoted by these blocks can be implemented both as a sequence of operations performed by processor 2, and in the form of special computing blocks implemented in hardware as part of processor 2.
В соответствии с вариантом реализации изобретения, показанным на фиг. 2, алгоритмы ЦОС 20 содержат блок цифровой обработки передаваемых сигналов 200. Блок 200 включает в себя блок конвейера ЦОС передатчика 201, преобразующий передаваемые цифровые данные 101 в цифровые сигналы 204, имеющие синфазную и квадратурную компоненты, и комбинатор сигналов передатчика 203, преобразующий цифровые сигналы 204 в NAAR цифровых сигналов 121 - 122, также имеющих синфазные и квадратурные компоненты, получаемые путем осуществления линейных комбинаций синфазной и квадратурной компонент сигналов 204. According to the embodiment of the invention shown in FIG. 2, DSP 20 algorithms contain a digital processing unit for transmitted signals 200. Block 200 includes a transmitter DSP pipeline block 201 that converts transmitted digital data 101 into digital signals 204 having in-phase and quadrature components, and a transmitter signal combiner 203 that converts digital signals 204 into N AAR digital signals 121 - 122, also having in-phase and quadrature components obtained by implementing linear combinations of the in-phase and quadrature components of the signals 204.
В варианте реализации изобретения, показанном на фиг. 2, алгоритмы ЦОС 20 также содержат блок цифровой обработки принимаемых сигналов 210. Блок 210 включает в себя комбинатор сигналов приемника 213, преобразующий NAAR принимаемых цифровых сигналов 123 - 124, имеющих синфазные и квадратурные компоненты, в цифровые сигналы 214, также имеющих синфазную и квадратурную компоненты, путем осуществления линейной комбинации синфазных и квадратурных компонент NAAR принимаемых цифровых сигналов 123 - 124, и блок конвейера ЦОС приемника 211, преобразующий цифровые сигналы 214 в принимаемые цифровые данные 11 1. In the embodiment of the invention shown in FIG. 2, DSP algorithms 20 also include a digital processing unit for received signals 210. Unit 210 includes a receiver signal combinator 213 that converts N AAR of received digital signals 123 - 124, having in-phase and quadrature components, into digital signals 214, also having in-phase and quadrature components. components, by implementing a linear combination of in-phase and quadrature components N AAR of the received digital signals 123 - 124, and a receiver DSP pipeline unit 211 that converts the digital signals 214 into received digital data 11 1.
Параметры работы блока цифровой обработки передаваемых сигналов 200, включая блок конвейера ЦОС передатчика 201 и комбинатор сигналов передатчика 203, блока цифровой обработки принимаемых сигналов 210, включая блок конвейера ЦОС приемника 211 и комбинатор сигналов приемника 213, определяются конфигурирующей и статусной информацией 24, поступающей от алгоритмов управления и конфигурирования 21, выполняемых процессором 2. В частности, конфигурирующая и статусная информация 24 включает в себя коэффициенты линейных комбинаций синфазной и квадратурной компонент цифровых сигналов 204, выполняемых комбинатором сигналов передатчика 203, а также коэффициенты линейной комбинации принимаемых сигналов 123 - 124, выполняемой комбинатором сигналов приемника 213. На фиг. 3 показан пример структуры алгоритмов цифровой обработки сигналов (ЦОС) 20, выполняемых процессором 2, в соответствии с одним вариантом реализации настоящего изобретения. В соответствии с данным вариантом реализации, алгоритмы ЦОС 20 содержат блок цифровой обработки передаваемых сигналов 200. Блок 200 включает в себя NTX _DSP блоков конвейеров ЦОС передатчика 201 - 202, где NTX_DSP ~ целое число, большее или равное двум, преобразующих NTX _DSP передаваемых цифровых данных 101 - 102 в NTX _DSP цифровых сигналов 204 - 205, имеющих синфазные и квадратурные компоненты, и комбинатор сигналов передатчика 203, преобразующий NTX DSP цифровых сигналов 204 - 205 в NAAR цифровых сигналов 121 - 122, также имеющих синфазные и квадратурные компоненты, получаемые путем осуществления линейных комбинаций синфазных и квадратурных компонент NTX DSp сигналов 204 - 205. The operating parameters of the digital processing unit of transmitted signals 200, including the transmitter DSP pipeline unit 201 and the transmitter signal combinator 203, the digital processing unit of received signals 210, including the receiver DSP pipeline unit 211 and the receiver signal combinator 213, are determined by the configuration and status information 24 coming from the algorithms control and configuration 21 performed by the processor 2. In particular, the configuration and status information 24 includes the coefficients of linear combinations of the in-phase and quadrature components of digital signals 204, performed by the transmitter signal combinator 203, as well as the coefficients of the linear combination of received signals 123 - 124, performed by the combinator receiver signals 213. In fig. 3 shows an example structure of digital signal processing (DSP) algorithms 20 executed by processor 2 in accordance with one embodiment of the present invention. In accordance with this embodiment, DSP algorithms 20 contain a digital processing unit for transmitted signals 200. Unit 200 includes N TX _DSP blocks of transmitter DSP pipelines 201 - 202, where N TX _DSP ~ an integer greater than or equal to two, converting N TX _DSP of transmitted digital data 101 - 102 into N TX _DSP of digital signals 204 - 205, having in-phase and quadrature components, and a transmitter signal combiner 203, converting N TX DS P of digital signals 204 - 205 into NAAR of digital signals 121 - 122, also having in-phase and quadrature components obtained by implementing linear combinations of in-phase and quadrature components N TX DS p signals 204 - 205.
В варианте реализации изобретения, показанном на фиг. 3, алгоритмы ЦОС 20 также содержат блок цифровой обработки принимаемых сигналов 210. Блок 210 включает в себя комбинатор сигналов приемника 213, преобразующий NAAR принимаемых цифровых сигналов 123 - 124, имеющих синфазные и квадратурные компоненты, в NRX DSp цифровых сигналов 214 — 215, где NRX DSP - целое число, большее или равное двум, также имеющих синфазные и квадратурные компоненты, путем осуществления линейных комбинации синфазных и квадратурных компонент принимаемых цифровых сигналов 123 - 124, и NRX _DSP блоков конвейеров ЦОС приемника 211 - 212, преобразующих NRX_DSP цифровых сигналов 214 - 215 в N^ DSP принимаемых цифровых данных 1 11 - 112. Параметры работы блока цифровой обработки передаваемых сигналов 200, включая блоки конвейеров ЦОС передатчика 201 - 202 и комбинатор сигналов передатчика 203, блока цифровой обработки принимаемых сигналов 210, включая блоки конвейеров ЦОС приемника 211 - 212 и комбинатор сигналов приемника 213, определяются конфигурирующей и статусной информацией 24, поступающей от алгоритмов управления и конфигурирования 21, выполняемых процессором 2. В частности, конфигурирующая и статусная информация 24 включает в себя коэффициенты линейных комбинаций синфазных и квадратурных компонент цифровых сигналов 204 - 205, выполняемых комбинатором сигналов передатчика 203, а также коэффициенты линейных комбинаций принимаемых сигналов 123 - 124, выполняемых комбинатором сигналов приемника 213. In the embodiment of the invention shown in FIG. 3, DSP algorithms 20 also contain a digital processing unit for received signals 210. Unit 210 includes a receiver signal combinator 213 that converts N A AR received digital signals 123 - 124, having in-phase and quadrature components, into N RX DS p digital signals 214 - 215, where NRX DSP is an integer greater than or equal to two, also having in-phase and quadrature components, by implementing linear combinations of the in-phase and quadrature components of the received digital signals 123 - 124, and N RX _DSP blocks of receiver DSP pipelines 211 - 212, converting N RX _DSP of digital signals 214 - 215 in N^ DSP of received digital data 1 11 - 112. Operating parameters of the digital processing unit of transmitted signals 200, including the transmitter DSP pipeline blocks 201 - 202 and the transmitter signal combinator 203, the digital processing unit of received signals 210, including the receiver DSP pipeline blocks 211 - 212 and the receiver signal combinator 213 are determined by the configuration and status information 24 coming from the control algorithms and configuration 21 performed by processor 2. In particular, configuration and status information 24 includes coefficients of linear combinations of in-phase and quadrature components of digital signals 204 - 205 performed by the transmitter signal combinator 203, as well as coefficients of linear combinations of received signals 123 - 124 performed by the combinator receiver signals 213.
Следует понимать, что, несмотря на то, что в варианте реализации настоящего изобретения, показанном на фиг. 3, алгоритмы ЦОС 20 содержат два блока конвейера ЦОС передатчика 201 и 202 и два блока конвейера ЦОС приемника 211 и 212, спектр возможных вариантов реализации изобретения не ограничен этими значениями. Так, в других вариантах реализации изобретения значения NTX _DSP И NRX DSP могут быть больше двух, то есть, алгоритмы ЦОС 20 могут содержать больше двух блоков конвейеров ЦОС передатчика и больше двух блоков конвейеров ЦОС приемника. It should be understood that, although in the embodiment of the present invention shown in FIG. 3, DSP algorithms 20 contain two transmitter DSP pipeline blocks 201 and 202 and two receiver DSP pipeline blocks 211 and 212, the range of possible implementations of the invention is not limited to these values. Thus, in other embodiments of the invention, the values of N TX_DSP AND NRX DSP may be greater than two, that is, the DSP algorithms 20 may contain more than two blocks of transmitter DSP pipelines and more than two blocks of receiver DSP pipelines.
В вариантах реализации изобретения, показанных на фиг. 2 и фиг. 3, алгоритмы ЦОС 20 также содержат блок оценки характеристик канала связи 220, рассчитывающий оцененные характеристики 221 канала связи на основе принимаемых цифровых сигналов 123 - 124, обрабатываемых в блоке цифровой обработки принимаемых сигналов 210. Оцененные характеристики 221 канала связи включают по крайней мере одну из следующего множества возможных характеристик: коэффициент ослабления мощности в канале связи, одна или более амплитудно-частотных характеристик канала связи, одна или более импульсных характеристик канала связи, одно или более направлений на одно или более удаленных приемо-передающих устройств. Параметры работы блока оценки характеристик канала связи 220 определяются конфигурирующей и статусной информацией 24, поступающей от алгоритмов управления и конфигурирования 21, выполняемых процессором 2. В вариантах реализации изобретения, показанном на фиг. 2 и фиг. 3, алгоритмы ЦОС 20 включают в себя также блок 230 расчета диаграмм направленности. Блок 230 производит расчет параметров диаграммы направленности 33 ППУ 1 на основе оцененных характеристик канала связи 221. Рассчитанные блоком 230 параметры ДН 33 включают в себя коэффициенты линейных комбинаций для комбинатора сигналов передатчика 203 и комбинатора сигналов приемника 213, а также параметры формирования ДН 31 - 32 блоками формирования диаграмм направленности (ФДН) 51 - 52 антенного модуля 5, как будет описано ниже со ссылками на фиг. 9 - 13. Параметры работы блока 230 при расчете ДН 33 ППУ 1 определяются конфигурирующей частью конфигурирующей и статусной информации 24, поступающей от алгоритмов управления и конфигурирования 21, выполняемых процессором 2, а рассчитанные блоком 230 параметры ДН 33 поступают в алгоритмы управления и конфигурирования в виде статусной части конфигурирующей и статусной информации 24. In the embodiments of the invention shown in FIGS. 2 and fig. 3, the DSP algorithms 20 also include a link performance estimator 220 that calculates estimated link performance 221 based on the received digital signals 123 - 124 processed by the received digital signal processing unit 210. The estimated link performance 221 includes at least one of the following set of possible characteristics: power attenuation coefficient in the communication channel, one or more amplitude-frequency characteristics of the communication channel, one or more impulse characteristics of the communication channel, one or more directions to one or more remote transceiver devices. The operating parameters of the communication channel characteristics evaluation unit 220 are determined by the configuration and status information 24 coming from the control and configuration algorithms 21 performed by the processor 2. In the embodiments of the invention shown in FIGS. 2 and fig. 3, the DSP algorithms 20 also include a block 230 for calculating radiation patterns. Block 230 calculates the parameters of the radiation pattern 33 of the PPU 1 based on the estimated characteristics of the communication channel 221. The parameters of the DP 33 calculated by the block 230 include the coefficients of linear combinations for the transmitter signal combinator 203 and the receiver signal combinator 213, as well as the parameters for the formation of the DP 31 - 32 blocks formation of radiation patterns (PDP) 51 - 52 of the antenna module 5, as will be described below with reference to FIG. 9 - 13. The operating parameters of block 230 when calculating DN 33 of PPU 1 are determined by the configuring part of the configuration and status information 24 coming from control and configuration algorithms 21 performed by processor 2, and the parameters of DN 33 calculated by block 230 are supplied to the control and configuration algorithms in the form status part of configuration and status information 24.
На фиг. 4 показан пример структуры конвейера 201 ЦОС передатчика, такого как конвейер 201 ЦОС передатчика на фиг. 2 или один из NTX DSP конвейеров ЦОС передатчика 201 - 202 на фиг. 3 в соответствии с одним вариантом реализации настоящего изобретения. В данном варианте реализации конвейер 201 ЦОС передатчика включает в себя блок 251 помехоустойчивого кодирования, блок 252 перемежения данных, блок 253 формирования символов модуляции, блок 254 преобразования сигналов из частотной области во временную с помощью обратного дискретного преобразования Фурье (ОДПФ), блок 255 добавления защитных интервалов (ЗИ) в последовательности отсчетов цифровых сигналов, а также блоки добавления различных служебных сигналов и служебных последовательностей во входящие информационные последовательности (не показаны на фиг. 4). На фиг. 5 показан пример структуры конвейера 211 ЦОС приемника, такого как конвейер 211 ЦОС приемника на фиг. 2 или один из NRX_DSP конвейеров ЦОС приемника 211 - 212 на фиг. 3 в соответствии с одним вариантом реализации настоящего изобретения. В данном варианте реализации конвейер 21 1 ЦОС приемника включает в себя блок 261 помехоустойчивого декодирования, блок 262 деперемежения данных, блокIn fig. 4 shows an example of the structure of a transmitter DSP pipeline 201 such as the transmitter DSP pipeline 201 in FIG. 2 or one of the N TX DSP pipelines of the DSP transmitter 201 - 202 in FIG. 3 in accordance with one embodiment of the present invention. In this embodiment, the transmitter DSP pipeline 201 includes a noise-resistant coding block 251, a data interleaving block 252, a modulation symbol generation block 253, a block 254 for converting signals from the frequency domain into the time domain using an inverse discrete Fourier transform (IDFT), a block 255 for adding protective intervals (SI) in the sequence of digital signal samples, as well as blocks for adding various service signals and service sequences to the incoming information sequences (not shown in Fig. 4). In fig. 5 shows an example structure of a receiver DSP pipeline 211 such as the receiver DSP pipeline 211 in FIG. 2 or one of the N RX_DSP DSP pipelines of the receiver 211 - 212 in FIG. 3 in accordance with one embodiment of the present invention. In this embodiment, the receiver DSP pipeline 21 1 includes a noise-tolerant decoding block 261, a data deinterleaving block 262, a
263 формирования информационных блоков из символов модуляции, блок263 formation of information blocks from modulation symbols, block
264 преобразования сигналов из временной области в частотную с помощью дискретного преобразования Фурье (ДПФ), блок 265 изъятия (удаления) защитных интервалов (ЗИ) из последовательности отсчетов цифровых сигналов, а также блоки обработки служебных сигналов и служебных информационных последовательностей (не показано на фиг. 5) и удаление их из выходной информационной последовательности. 264 for converting signals from the time domain to the frequency domain using a discrete Fourier transform (DFT), a block 265 for removing (removing) guard intervals (GS) from a sequence of digital signal samples, as well as blocks for processing service signals and service information sequences (not shown in FIG. 5) and removing them from the output information sequence.
Управление работой алгоритмов ЦОС 20, в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения, показанных на фиг 2-5, осуществляется с помощью конфигурирующей информации 24. В вариантах реализации изобретения, показанных на фиг 4-5 конфигурирующая информация 24 включает в себя параметры алгоритмов помехоустойчивого кодирования 251 и декодирования 261. Например, при использовании сигнально-кодовых конструкций технологии Wi-Fi стандарта IEEE802.1 lax, алгоритмы кодирования 251 и алгоритмы декодирования 261 выполняют соответственно кодирование и декодирование битового потока данных для обеспечения повышенной помехоустойчивости связи с использованием сверточного кода или кода с малой плотностью проверок на четность (англ, low density parity check - LDPC), используя одну их возможных скоростей кодирования, таких как 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 и др. В этом случае параметры помехоустойчивого кодирования 251 и декодирования 261, содержащиеся в конфигурирующей информации 24, определяют выбор одного из типов кодирования/декодирования и одной из возможных скоростей кодирования. В вариантах реализации изобретения, показанных на фиг 4-5 конфигурирующая информация 24 также включает в себя параметры алгоритмов перемежения 252 и деперемежения 262 битовой последовательности, определяющие способ перемежения и деперемежения и размер битового блока, на котором осуществляется перемежение/деперемежение битовой последовательности. The operation of the DSP algorithms 20, in accordance with the embodiments of the present invention shown in Figs 2-5, is controlled using configuration information 24. In the embodiments of the invention shown in Figs 4-5, the configuration information 24 includes parameters of the noise-correcting coding algorithms 251 and decoding 261. For example, when using signal-code structures of Wi-Fi technology standard IEEE802.1 lax, encoding algorithms 251 and decoding algorithms 261 respectively encode and decode the bit stream of data to provide increased noise immunity to communication using a convolutional code or a code with a small parity check density (English, low density parity check - LDPC), using one of the possible coding rates, such as 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, etc. In this case, the error-correcting coding parameters are 251 and decoding 261 contained in the configuration information 24 determine the choice of one of the encoding/decoding types and one of the possible encoding rates. In the embodiments of the invention shown in FIGS. 4-5, the configuration information 24 also includes parameters of the bit sequence interleaving 252 and deinterleaving 262 algorithms that determine the method of interleaving and deinterleaving and the size of the bit block on which the bit sequence is interleaved/deinterleaved.
В вариантах реализации изобретения, показанных на фиг 4-5 конфигурирующая информация 24 также включает в себя параметры модуляции и демодуляции 243, определяющие тип используемой модуляции и число бит на один символ модуляции. Например, при использовании сигнально-кодовых конструкций технологии Wi-Fi стандарта IEEE802.1 lax, алгоритмы модуляции 253 и алгоритмы демодуляции 263 осуществляют соответственно модуляцию и демодуляцию информационного потока с использованием различных схем модуляции, таких как двоичное фазовое манипулирование (англ, binary phase shift keying - BPSK) с одним битом на символ модуляции, четырехпозиционное фазовое манипулирование (англ, quadrature phase shift keying - QPSK) с двумя битами на символ модуляции, 16-позиционная квадратурно-амплитудная модуляция (16 quadratureamplitude modulation - 16-QAM) с четырьмя битами на символ модуляции, 64-QAM с шестью битами на символ модуляции и др. В этом случае, параметры модуляции 253 и демодуляции 263, содержащиеся в конфигурирующей информации 24, определяют выбор конкретного способа модуляции/демодуляции из числа возможных. In the embodiments of the invention shown in FIGS. 4-5, configuration information 24 also includes modulation and demodulation parameters 243 defining the type of modulation used and the number of bits per modulation symbol. For example, when using IEEE802.1 lax Wi-Fi technology signal-code structures, modulation algorithms 253 and demodulation algorithms 263 respectively modulate and demodulate the information flow using various modulation schemes, such as binary phase shift keying BPSK with one bit per modulation symbol, quadrature phase shift keying (QPSK) with two bits per modulation symbol, 16 quadrature amplitude modulation (16-QAM) with four bits per modulation symbol modulation symbol, 64-QAM with six bits per modulation symbol, etc. In this case, the modulation 253 and demodulation 263 parameters contained in the configuration information 24 determine the choice of a particular modulation/demodulation method from among the possibilities.
В вариантах реализации изобретения, показанных на фиг 4-5 конфигурирующая информация 24 также включает в себя параметры прямого преобразования Фурье 264 и обратного дискретного преобразования Фурье 254, таких как размер блока символов модуляции, на котором выполняется преобразование Фурье. In the embodiments of the invention shown in FIGS. 4-5, configuration information 24 also includes parameters of the forward Fourier transform 264 and the inverse discrete Fourier transform 254, such as the size of the block of modulation symbols on which the Fourier transform is performed.
В вариантах реализации изобретения, показанных на фиг 4-5 конфигурирующая информация 24 также включает в себя параметры вставки 255 и удаления 265 защитных интервалов, определяющие способ обеспечения защитного интервала, его размер и периодичность. In the embodiments of the invention shown in FIGS. 4-5, configuration information 24 also includes insert parameters 255 and removal 265 of guard intervals, defining the method of providing the guard interval, its size and frequency.
В вариантах реализации изобретения, показанных на фиг 4-5 конфигурирующая информация 24 также включает в себя параметры комбинирования передаваемых и принимаемых сигналов комбинаторами сигналов передатчика 203 и приемника 213 соответственно. Данные параметры включают в себя коэффициенты одной или более линейных комбинаций синфазных и квадратурных компонент одного или более цифровых сигналов, таких как сигналы 204 и 205, выполняемых комбинатором передатчика 203, а также коэффициенты линейных комбинаций синфазных и квадратурных компонент принимаемых цифровых сигналов, таких как сигналы 123 и 124, выполняемых комбинатором приемника 213. Указанные коэффициенты могут быть вычислены, по крайней мере, частично, на основе оцененных характеристик 221 канала связи между ППУ 1 и одним или более других приемо-передающих устройств. In the embodiments of the invention shown in FIGS. 4-5, configuration information 24 also includes parameters for combining transmitted and received signals by signal combiners of transmitter 203 and receiver 213, respectively. These parameters include the coefficients of one or more linear combinations of the in-phase and quadrature components of one or more digital signals, such as signals 204 and 205, performed by the transmitter combinator 203, as well as the coefficients of linear combinations of the in-phase and quadrature components of received digital signals, such as signals 123 and 124 performed by the receiver combinator 213. These coefficients may be calculated, at least in part, based on the estimated characteristics 221 of the communication channel between the PPU 1 and one or more other transceiver devices.
На фиг. 6 показан пример блок-схемы многоканального премо- передающего блока 4 в соответствии с одним вариантом реализации настоящего изобретения. Многоканальный приемо-передающий блок 4 подключен к процессору 2 через цифровой порт 12 и порт управления 25, а также к антенному модулю 5 через NAAR радиочастотных портов 14 - 15 (см. фиг. 1). Многоканальный приемо-передающий блок 4 содержит блок обработки передаваемых сигналов 40, включающий в себя NAAR каналов передатчика 401 - 402, и блок обработки принимаемых сигналов 41, включающий в себя NAAR каналов приемника 411 - 412. Многоканальный приемо-передающий блок 4 осуществляет аналоговую обработку NAAR передаваемых сигналов 141 - 142 и NAAR принимаемых сигналов 143 - 144, которыми обменивается с антенным модулем 5 через NAAR радиочастотных портов 14 - 15 таким образом, что через один порт ведется обмен одним передаваемым и одним принимаемым сигналами. Многоканальный приемо- передающий блок 4 также осуществляет преобразование NAAR передаваемых цифровых сигналов 121 - 122 из цифрового представления в аналоговое и преобразования из аналогового представления в цифровое NAAR принимаемых цифровых сигналов 123 - 124. Блок обработки передаваемых сигналов 40 принимает от процессора 2 через цифровой порт 12 NAAR передаваемых цифровых сигналов 121 - 122. На основе передаваемых цифровых сигналов 121 - 122 с помощью NAAR каналов передатчика 401 - 402 блок обработки передаваемых сигналов 40 формирует NAAR радиочастотных сигналов 141 - 142 и затем передает их в антенный модуль 5 через NAAR радиочастотных портов 14 - 15. In fig. 6 shows an example block diagram of a multi-channel pre-transmit unit 4 in accordance with one embodiment of the present invention. The multi-channel transceiver unit 4 is connected to the processor 2 via digital port 12 and control port 25, as well as to the antenna module 5 via N AAR radio frequency ports 14 - 15 (see Fig. 1). Multichannel transceiver unit 4 contains a transmitting signal processing unit 40, including N AAR transmitter channels 401 - 402, and a received signal processing unit 41, including N AAR receiver channels 411 - 412. Multichannel transmitting and receiving unit 4 carries out analogue processing N AAR transmitted signals 141 - 142 and N AAR received signals 143 - 144, which are exchanged with the antenna module 5 through N AAR radio frequency ports 14 - 15 in such a way that one transmitted and one received signal is exchanged through one port. Multichannel receiver transmitting unit 4 also performs conversion N AAR of transmitted digital signals 121 - 122 from digital representation to analog and conversion from analog representation to digital representation N AAR of received digital signals 123 - 124. Transmitted signal processing unit 40 receives from processor 2 through digital port 12 N AAR transmitted digital signals 121 - 122. Based on the transmitted digital signals 121 - 122 using N AAR channels of the transmitter 401 - 402, the transmitted signal processing unit 40 generates N AAR radio frequency signals 141 - 142 and then transmits them to the antenna module 5 through N AAR radio frequency ports 14 - 15.
Блок обработки принимаемых сигналов 41 через NAAR радиочастотных портов 14 - 15 принимает от антенного модуля 5 NAAR радиочастотных сигналов 143-144. На основе радиочастотных сигналов 143 -144 с помощью NAAR каналов приемника 411 - 412 блок обработки принимаемых сигналов 41 формирует NAAR принимаемых цифровых сигналов 123 - 124 и затем передает их в процессор 2 через цифровой порт 12. The received signal processing unit 41 receives N AAR radio frequency signals 143-144 from the antenna module 5 via N AAR radio frequency ports 14 - 15. Based on the radio frequency signals 143 - 144 using N AAR receiver channels 411 - 412, the received signal processing unit 41 generates N AAR received digital signals 123 - 124 and then transmits them to the processor 2 through the digital port 12.
Следует понимать, что несмотря на то, что в варианте реализации настоящего изобретения, показанном на фиг. 6, приемо-передающий блок 4 содержит два канала передатчика 401 и 402 и два канала приемника 411 и 412, спектр возможных вариантов реализации изобретения не ограничен этими значениями. Так, в других вариантах реализации изобретения значение NAAR может быть больше двух, то есть, приемо-передающий блок 4 может содержать больше двух каналов передатчика и больше двух каналов приемника. На фиг. 7 показан пример реализации канала передатчика 401 в соответствии с одним вариантом настоящего изобретения. Канал 401 передатчика принимает на вход цифровой передаваемый сигнал 121, имеющий синфазную и квадратурную компоненты 1210 и 1211 соответственно. Синфазная компонента 1210 цифрового сигнала 121 преобразуется из цифровой формы в аналоговую с помощью цифро- аналогового преобразователя (ЦАП) 4011. Квадратурная компонента 1211 цифрового сигнала 121 преобразуется из цифровой формы в аналоговую с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) 4012. It should be understood that although in the embodiment of the present invention shown in FIG. 6, the transceiver unit 4 contains two transmitter channels 401 and 402 and two receiver channels 411 and 412, the range of possible embodiments of the invention is not limited to these values. Thus, in other embodiments of the invention, the value of N AAR may be greater than two, that is, the transceiver unit 4 may contain more than two transmitter channels and more than two receiver channels. In fig. 7 shows an example implementation of a transmitter channel 401 in accordance with one embodiment of the present invention. Transmitter channel 401 receives an input digital transmit signal 121 having in-phase and quadrature components 1210 and 1211, respectively. The common mode component 1210 of the digital signal 121 is converted from digital to analog using digital analog converter (DAC) 4011. The quadrature component 1211 of the digital signal 121 is converted from digital to analog form using a digital-to-analog converter (DAC) 4012.
Далее канал передатчика 401 выполняет операции над аналоговыми сигналами, включая фильтрацию с помощью фильтров низкой частоты 4013 и 4014 аналоговых синфазного и квадратурного сигналов соответственно, перенос на промежуточную и/или несущую частоту с помощью смесителей 4015 и 4016 отфильтрованных синфазного и квадратурного сигналов соответственно, суммирование перенесенных на промежуточную и/или несущую частоту синфазного и квадратурного сигналов с помощью сумматора 4019, и усиление мощности суммарного сигнала с помощью усилителя мощности 4020. Полученный в результате обработки в блоке 401 радиочастотный сигнал 141 передается далее в антенный модуль 5 через радиочастотный порт, такой как один из радиочастотных портов 14 - 15. Next, the transmitter channel 401 performs operations on analog signals, including filtering using low-pass filters 4013 and 4014 of analog in-phase and quadrature signals, respectively, transferring to an intermediate and/or carrier frequency using mixers 4015 and 4016 of the filtered in-phase and quadrature signals, respectively, summing the transferred to the intermediate and/or carrier frequency of the in-phase and quadrature signals using an adder 4019, and amplifying the power of the sum signal using a power amplifier 4020. The RF signal 141 obtained as a result of processing in block 401 is transmitted further to the antenna module 5 through an RF port, such as one from RF ports 14 - 15.
Приемо-передающий блок 4 также осуществляет генерацию служебного синусоидального сигнала на промежуточной и/или несущей частоте с помощью генератора 4017 и разделения сгенерированного служебного синусоидального сигнала на синфазную и квадратурную компоненты с помощью делителя фазы 4018. The transceiver unit 4 also generates a service sinusoidal signal at an intermediate and/or carrier frequency using a generator 4017 and separating the generated service sinusoidal signal into in-phase and quadrature components using a phase divider 4018.
Параметры обработки передаваемых сигналов, такие как характеристики фильтров, значения несущей и/или промежуточной частоты, ширина полосы передаваемых сигналов, частота оцифровки передаваемых сигналов и т.п., задаются с помощью конфигурирующей информации, поступающей от процессора 2 через порт управления 25. Parameters for processing transmitted signals, such as filter characteristics, carrier and/or intermediate frequency values, bandwidth of transmitted signals, digitization frequency of transmitted signals, etc., are set using configuration information coming from processor 2 through control port 25.
На фиг. 8 показан пример реализации канала приемника 411 в соответствии с одним вариантом настоящего изобретения. Канал 41 1 приемника принимает на вход радиочастотный сигнал 143, поступающий от антенного модуля 5 через радиочастотный порт, такой как один из радиочастотных портов 14 - 15. Принятый радиочастотный сигнал 143 усиливается малошумящим усилителем 4119 и подается на смесители 41 15 и 4116 для переноса на промежуточную и/или основную (видео) частоту, а также для выделения синфазной и квадратурной компонент принимаемых аналоговых сигналов. Синфазная и квадратурная компоненты аналогового сигнала затем подвергаются дальнейшей обработке, включая фильтрацию с помощью фильтров низкой частоты 4113 и 4114 соответственно. Дальнейшая обработка отфильтрованных синфазной и квадратурной компонент аналогового сигнала включает переведение в цифровую форму с помощью аналогово-цифровых преобразователей (АЦП) 4111 и 4112 соответственно. В результате формируется синфазная компонента 1230 и квадратурная компонента 1231 принимаемого цифрового сигнала 123. In fig. 8 shows an example implementation of receiver channel 411 in accordance with one embodiment of the present invention. Receiver channel 41 1 receives an RF signal 143 from the antenna module 5 through an RF port, such as one of the RF ports 14 - 15. The received RF signal 143 is amplified by a low noise amplifier 4119 and supplied to mixers 41 15 and 4116 for transfer to intermediate and/or fundamental (video) frequency, as well as for highlighting the in-phase and quadrature components of the received analog signals. The in-phase and quadrature components of the analog signal are then subjected to further processing, including filtering using low-pass filters 4113 and 4114, respectively. Further processing of the filtered in-phase and quadrature components of the analog signal involves conversion to digital form using analog-to-digital converters (ADCs) 4111 and 4112, respectively. The result is an in-phase component 1230 and a quadrature component 1231 of the received digital signal 123.
Приемо-передающий блок 4 также осуществляет генерацию служебного синусоидального сигнала на промежуточной и/или несущей частоте с помощью генератора 4117 и разделение сгенерированного служебного синусоидального сигнала на синфазную и квадратурную компоненты с помощью делителя фазы 4118. В одном варианте реализации генераторы 4017 и 4117 могут быть выполнены в виде отдельных устройств. В другом варианте реализации генераторы 4017 и 4117 технически могут являться одним и тем же устройством. The transceiver unit 4 also generates a service sinusoidal signal at an intermediate and/or carrier frequency using generator 4117 and separating the generated service sinusoidal signal into in-phase and quadrature components using a phase divider 4118. In one embodiment, generators 4017 and 4117 can be configured as separate devices. In another embodiment, generators 4017 and 4117 may technically be the same device.
Также следует понимать, что, несмотря на то, что генератор 4017 и делитель фазы 4018 показаны входящими в состав канала передатчика, а генератор 4117 и делитель фазы 41 18 показаны входящими в состав канала приемника, приемо-передающий блок 4 может быть выполнен так, что один генератор 4017 и один делитель фазы 4018 используются для обеспечения служебными сигналами нескольких каналов передатчика, таких как каналы передатчика 401 и 402, а один генератор 4117 и один делитель фазы 4118 используются для обеспечения служебными сигналами нескольких каналов приемника, таких как каналы приемника 411 и 412. It should also be understood that although oscillator 4017 and phase divider 4018 are shown as being part of a transmitter channel, and oscillator 4117 and phase divider 41 18 are shown as being part of a receiver channel, the transmit/receive unit 4 may be configured such that one oscillator 4017 and one phase divider 4018 are used to provide overhead to multiple transmitter channels, such as transmitter channels 401 and 402, and one oscillator 4117 and one phase divider 4118 are used to provide overhead to multiple receiver channels, such as receiver channels 411 and 412 .
Параметры обработки принимаемых сигналов, такие как характеристики фильтров, значения несущей и/или промежуточной частоты, ширина полосы принимаемых сигналов, частота оцифровки принимаемых сигналов и т.п., задаются с помощью конфигурирующей информации, поступающей от процессора 2 через порт управления 25. Parameters for processing received signals, such as filter characteristics, carrier and/or intermediate frequency values, bandwidth of received signals, digitization frequency of received signals, etc., are set using configuration information coming from processor 2 through control port 25.
На фиг. 9 показана блок-схема антенного модуля 5 в соответствии одним вариантом реализации настоящего изобретения. Антенный модуль 5 подключен к многоканальному приемо-передающему блоку 4 с помощью NAAR радиочастотных портов 14 - 15, а также к процессору 2 через порт управления 26. В варианте реализации настоящего изобретения, показанном на фиг. 9, антенный модуль 5 состоит из NAAR блоков формирования диаграммы направленности (ФДН) 51 - 52, каждый из которых подключен к одному из NAAR радиочастотных портов 14 - 15, а также из NAAR антенных решеток 61 - 62, подключенных к NAAR блоков ФДН 51 - 52 таким образом, что одна решетка подключена к одному блоку ФДН. In fig. 9 is a block diagram of an antenna module 5 in accordance with one embodiment of the present invention. The antenna module 5 is connected to the multi-channel transceiver unit 4 via NAAR RF ports 14 - 15, as well as to the processor 2 via control port 26. In the embodiment of the present invention shown in FIG. 9, antenna module 5 consists of N A AR beamforming units (PDN) 51 - 52, each of which is connected to one of the NAAR radio frequency ports 14 - 15, as well as N A AR antenna arrays 61 - 62 connected to N A AR of FDN blocks 51 - 52 in such a way that one grid is connected to one FDN block.
Следует понимать, что несмотря на то, что в варианте реализации настоящего изобретения, показанном на фиг. 9, антенный модуль 5 содержит две антенные решетки 61 и 62 и два блока ФДН 51 и 52, спектр возможных вариантов реализации изобретения не ограничен этими значениями. Так, в других вариантах реализации изобретения значение NAAR может быть больше двух, то есть, антенный модуль 5 может содержать больше двух антенных решеток и, соответственно, больше двух блоков ФДН, подключенных к этим решеткам по одному блоку ФДН на антенную решетку. It should be understood that although in the embodiment of the present invention shown in FIG. 9, the antenna module 5 contains two antenna arrays 61 and 62 and two FDN units 51 and 52; the range of possible embodiments of the invention is not limited to these values. Thus, in other embodiments of the invention, the value of N A AR may be greater than two, that is, the antenna module 5 may contain more than two antenna arrays and, accordingly, more than two FDN units connected to these arrays, one FDN unit per antenna array.
Каждый из NAAR блоков ФДН 51 - 52 обменивается через один из NAAR радиочастотных портов 14 - 15 с многоканальным приемо-передающим блоком 4 одним из NAAR передаваемых сигналов 141 - 142 и одним из NAAR принимаемых сигналов 143 - 144. Например, блок ФДН 51 через радиочастотный порт 14 обменивается с приемо-передающим блоком 4 передаваемыми сигналами 141 и принимаемыми сигналами 143, а блок ФДН 52 через радиочастотный порт 15 обменивается с приемо-передающим блоком 4 передаваемыми сигналами 142 и принимаемыми сигналами 144. Each of the NAAR blocks FDN 51 - 52 exchanges through one of the NAAR radio frequency ports 14 - 15 with the multi-channel transceiver unit 4 one of the N A AR transmitted signals 141 - 142 and one of the NAAR received signals 143 - 144. For example, the FDN block 51 through the radio frequency port 14 exchanges with the transceiver unit 4 transmitted signals 141 and received signals 143, and the FDN unit 52 through the radio frequency port 15 exchanges with the transceiver unit 4 transmitted signals 142 and received signals 144.
В варианте реализации настоящего изобретения, показанном на фиг. 9, блок ФДН 51 содержит радиочастотный (РЧ) переключатель направления приема-передачи 515, устройство деления мощности 510 и NAE цепей РЧ обработки сигнала 511 - 514, где NAE - целое число, большее или равное двум, соединенных с NAE антенных элементов 611 - 614 антенной решетки 61 так, что одна цепь РЧ обработки соединена с одним антенным элементом. В этом варианте реализации блок ФДН 52 содержит РЧ переключатель направления приема-передачи 525, устройство деления мощности 520 и NAE цепей РЧ обработки сигнала 521 - 524, соединенных с NAE антенных элементов 621 - 624 антенной решетки 61 так, что одна цепь РЧ обработки соединена с одним антенным элементом. РЧ переключатель направления приема-передачи 515 подключает к устройству деления мощности 510 передаваемый сигнал 141 или принимаемый сигнал 143. РЧ переключатель направления приема-передачи 525 подключает к устройству деления мощности 520 передаваемый сигнал 142 или принимаемый сигнал 144. Цепи РЧ обработки 511 - 514 выполнены с возможностью регулирования фаз NAE сигналов 161 - 162 между устройством деления мощности 510 и антенными элементами 611 - 614, а цепи РЧ обработки 521 - 524 выполнены с возможностью регулирования фаз NAE сигналов 171 - 172 между устройством деления мощности 520 и антенными элементами 621 - 624. Устройство деления мощности 510 в направлении передачи осуществляет разделение мощности сигнала от РЧ переключателя 515 между цепями РЧ обработки 511 - 514, а в направлении приема осуществляет суммирование мощности сигналов от цепей РЧ обработки 511 - 514. Устройство деления мощности 520 в направлении передачи осуществляет разделение мощности сигнала от РЧ переключателя 525 между цепями РЧ обработки 521 - 524, а в направлении приема осуществляет суммирование мощности сигналов от цепей РЧ обработки 521 - 524. In the embodiment of the present invention shown in FIG. 9, the FDN block 51 contains a radio frequency (RF) direction switch transmit-receiver 515, power divider 510 and NAE of RF signal processing circuits 511 - 514, where N AE is an integer greater than or equal to two, connected to N A E antenna elements 611 - 614 of antenna array 61 so that one RF circuit processing is connected to one antenna element. In this embodiment, the FDN unit 52 includes an RF transmit/receive direction switch 525, a power divider 520, and N A E RF signal processing circuits 521 - 524 coupled to N A E antenna elements 621 - 624 of antenna array 61 such that one RF circuit processing is connected to one antenna element. An RF transmit/receive direction switch 515 connects a transmit signal 141 or a received signal 143 to a power divider 510. An RF transmit/receive direction switch 525 connects a transmit signal 142 or a received signal 144 to a power divider 520. RF processing circuits 511 - 514 are configured with the ability to regulate the phases of N AE signals 161 - 162 between the power division device 510 and antenna elements 611 - 614, and the RF processing circuits 521 - 524 are configured to regulate the phases of N AE signals 171 - 172 between the power division device 520 and antenna elements 621 - 624 A power divider 510 in the transmit direction divides the signal power from RF switch 515 between RF processing circuits 511 - 514, and in the receive direction it sums the power of the signals from RF processing circuits 511 - 514. A power divider 520 in the transmit direction performs power division signal from the RF switch 525 between the RF processing circuits 521 - 524, and in the receiving direction it sums the power of the signals from the RF processing circuits 521 - 524.
С целью упрощения фиг. 9, часть цепей РЧ обработки блоков ФДН 51 и 52 и часть антенных элементов антенных решеток 61 и 62 не приведены и заменены на троеточиями. В частности не приведены, но подразумеваются включенными в состав соответствующих блоков, цепи РЧ обработки 512, 513, 522, 523, а также антенные элементы 612, 613, 622, 623. Тем не менее, подразумевается что данные элементы присутствуют в схеме и участвуют в работе антенного модуля 5. For the sake of simplicity, FIG. 9, part of the RF processing circuits of the FDN blocks 51 and 52 and part of the antenna elements of the antenna arrays 61 and 62 are not shown and are replaced with ellipses. Specifically not shown, but implied to be included within the respective blocks, are the RF processing circuits 512, 513, 522, 523, as well as antenna elements 612, 613, 622, 623. However, it is assumed that these elements are present in the circuit and participate in the operation of antenna module 5.
В варианте реализации, показанном на фиг. 9 конфигурирующая информация, поступающая в антенный модуль 5 от процессора 2 через порт управления 26 задает направление переключения приема-передачи сигнала РЧ переключателями 515 - 525, а также значения фазовых сдвигов в цепях РЧ обработки 511 - 514 и 521 - 524. In the embodiment shown in FIG. 9, the configuration information entering the antenna module 5 from the processor 2 through the control port 26 sets the direction of switching the reception and transmission of the signal by RF switches 515 - 525, as well as the values of phase shifts in the RF processing circuits 511 - 514 and 521 - 524.
На фиг. 10 показан пример блок-схемы цепи 511 радиочастотной (РЧ) обработки сигналов в соответствии с одним вариантом реализации настоящего изобретения. Цепь РЧ обработки 511 выполняет функции по крайней мере одной из цепей РЧ обработки сигналов 511 - 514 и 521 - 524 на фиг. 9. Цепь РЧ обработки 511 на фиг. 10 включает в себя управляемый фазовращатель передатчика 551 и управляемый фазовращатель приемникаIn fig. 10 shows an example block diagram of a radio frequency (RF) signal processing circuit 511 in accordance with one embodiment of the present invention. RF processing circuit 511 performs the functions of at least one of RF signal processing circuits 511 - 514 and 521 - 524 in FIG. 9. RF processing circuit 511 in FIG. 10 includes a 551 transmitter controlled phase shifter and a receiver controlled phase shifter
552, обеспечивающие возможность регулировки фазы передаваемых и принимаемых сигналов, РЧ переключатель направления приема-передачи552, providing the ability to adjust the phase of transmitted and received signals, RF transmit-receive direction switch
553, подключающий либо фазовращатель передатчика 551, либо фазовращатель приемника 552 к устройству деления мощности, такому как одно из устройств деления мощности 510 - 520, а также РЧ переключатель направления приема-передачи 554, подключающий либо фазовращатель передатчика 551, либо фазовращатель приемника 552 к антенному элементу, такому как один из антенных элементов 61 1 - 614 или 621 - 624. 553 connecting either the transmitter phase shifter 551 or the receiver phase shifter 552 to a power divider such as one of the power dividers 510 - 520, and an RF transmit/receive direction switch 554 connecting either the transmitter phase shifter 551 or the receiver phase shifter 552 to the antenna element, such as one of the antenna elements 61 1 - 614 or 621 - 624.
В варианте реализации, показанном на фиг. 10 конфигурирующая информация, поступающая в антенный модуль 5 от процессора 2 через порт управления 26, задает направление переключения приема-передачи сигнала РЧ переключателями 553 и 554, а также значения фазовых сдвигов для фазовращателя передатчика 551 и фазовращателя приемника 552. In the embodiment shown in FIG. 10, the configuration information supplied to the antenna module 5 from the processor 2 through the control port 26 specifies the direction of switching the reception and transmission of the RF signal by RF switches 553 and 554, as well as the values of the phase shifts for the transmitter phase shifter 551 and the receiver phase shifter 552.
Следует понимать, что спектр возможных реализаций настоящего изобретения не ограничен вариантом реализации цепи РЧ обработки, показанной на фиг. 10. Так, в других вариантах реализации настоящего изобретения цепь РЧ обработки 511 может не содержать РЧ переключателей 553 и 554 для разделения принимаемых и передаваемых сигналов. Например, в случае использования разных частотных полос и/или диапазонов для передачи и приема радиосигналов заявляемым приемо-передающим устройством, роль переключателей 553 и 554 могут выполнять фильтры с амплитудно-частотными характеристиками подобранными так чтобы обеспечивать достаточную изоляцию принимаемых сигналов от передаваемых и наоборот. Возможны варианты реализации настоящего изобретения, при которых цепи РЧ обработки 511 выполнены с использованием одного двунаправленного фазовращателя, способного управлять фазой как передаваемых, так и принимаемых сигналов, что исключает необходимость применения РЧ переключателей 553 и 554. Также возможны варианты реализации настоящего изобретения, в которых независимые антенные элементы, подключенные к независимым фазовращателям, используются для передачи и для приема сигналов. В этих альтернативных вариантах реализации настоящего изобретения блоки ФДН могут содержать отдельные устройства деления мощности для передаваемых и принимаемых сигналов, такие как устройства деления мощности 510 и 520 на фиг. 9, а также могут не содержать РЧ переключателей, таких как РЧ переключатели 515 и 525 на фиг. 9. It should be understood that the range of possible implementations of the present invention is not limited to the embodiment of the RF processing circuit shown in FIG. 10. Thus, in other embodiments of the present of the invention, RF processing circuit 511 may not include RF switches 553 and 554 for separating received and transmitted signals. For example, in the case of using different frequency bands and/or ranges for transmitting and receiving radio signals by the inventive transceiver device, the role of switches 553 and 554 can be performed by filters with amplitude-frequency characteristics selected to ensure sufficient isolation of received signals from transmitted ones and vice versa. Embodiments of the present invention are possible in which the RF processing circuits 511 are implemented using a single bidirectional phase shifter capable of controlling the phase of both transmitted and received signals, eliminating the need for RF switches 553 and 554. It is also possible for embodiments of the present invention in which independent antenna elements connected to independent phase shifters are used to transmit and receive signals. In these alternative embodiments of the present invention, the PDN units may include separate power dividers for transmit and receive signals, such as power dividers 510 and 520 in FIG. 9 and may also not include RF switches, such as RF switches 515 and 525 in FIG. 9.
Преимущества настоящего изобретения по сравнению с текущим уровнем техники поясняются ниже со ссылками на фиг. 11 - фиг.15. The advantages of the present invention over the current state of the art are explained below with reference to FIGS. 11 - Fig.15.
На фиг. 11 показан пример линейной фазированной антенной решетки 61, такой как одна из решеток 61 - 62 на фиг. 1 и фиг. 9, в соответствии с одним вариантом реализации настоящего изобретения. Антенная решетка 61 состоит из NAE антенных элементов, таких как антенные элементы 611 - 614, расположенных на одной линии 615. В варианте реализации, показанном на фиг. 1 1 соседние антенные элементы, например, элементы 611 и 612 или элементы 612 и 613, или элементы 613 и 614, находятся друг от друга на расстоянии d. Каждый из антенных элементов 611 - 614 подключен к одной цепи РЧ обработки сигнала блока ФДН, такого как блок ФДН 51 антенного модуля, такого как антенный модуль 5, как показано на фиг. 9. В одном варианте реализации настоящего изобретения все антенные элементы 611 — 614 синфазно излучают периодический сигнал с длиной волны X. В этом варианте реализации, согласно упрощенной теории фазированных антенных решеток, основанной на модели геометрической оптики, в дальней зоне на направлении 616, расположенном по углом 0А от главной оси 619 антенной решетки 61, сигналы, принимаемые от двух соседних элементов будут отличаться по фазе на величину ДфА, называемую дифференциальным фазовым сдвигом и определяемую формулой (рл
Figure imgf000027_0001
.
In fig. 11 shows an example of a linear phased array antenna 61, such as one of the arrays 61 - 62 in FIG. 1 and fig. 9, in accordance with one embodiment of the present invention. The antenna array 61 consists of N A E antenna elements, such as antenna elements 611 - 614, located on the same line 615. In the embodiment shown in FIG. 1 1 adjacent antenna elements, for example, elements 611 and 612 or elements 612 and 613, or elements 613 and 614, are located at a distance d from each other. Each of the antenna elements 611 - 614 is connected to one The RF signal processing circuits of the FDN unit, such as the FDN unit 51 of the antenna module, such as the antenna module 5, as shown in FIG. 9. In one embodiment of the present invention, all antenna elements 611 - 614 radiate in phase a periodic signal with wavelength X. In this embodiment, according to a simplified phased array antenna theory based on a geometric optics model, in the far field at direction 616 located along at an angle of 0 A from the main axis 619 of the antenna array 61, the signals received from two adjacent elements will differ in phase by the amount Df A , called the differential phase shift and determined by the formula (r l
Figure imgf000027_0001
.
В другом варианте реализации настоящего изобретения фазовые сдвиги, задаваемые цепями РЧ обработки, выставлены таким образом, что дифференциальный фазовый сдвиг между соседними элементами антенной решетки равен -ДфА. В этом случае, согласно упрощенной теории фазированных антенных решеток, основанной на модели геометрической оптики, в направлении 616 обеспечивается конструктивное суммирование сигналов со всех элементов антенной решетки 61, и волновой фронт 618 распространяется преимущественно в направлении 616. При этом максимум ДН антенной решетки 61 , такой как ДН 31 на фиг. 1 или одна из ДН 31 1 или 312 на фиг. 9, оказывается направленным вдоль направления 616. Таким образом, для приемника 620, находящегося в направлении 616, за счет конструктивного суммирования сигналов от антенных элементов 611 - 614 увеличивается мощность принимаемого сигнала. Это, в свою очередь, позволяет увеличить скорость передачи данных для приемника 620 и/или увеличить отношение сигнал-шум для приемника 620, тем самым повысив надежность связи, и/или увеличить дальность связи. В других вариантах реализации другие величины фазовых сдвигов для антенных элементов 611 — 614 могут выставляться для увеличения и/или максимизации уровня мощности, принимаемой приемником 620 со стороны антенной решетки 61. Также из теории антенных систем и фазированных антенных решеток известно, что острота максимума ДН, выражаемая как скорость спадания плотности потока мощности излучения при отклонении от направления максимума излучения, определяется соотношением апертуры 637 антенной решетки 61 к длине волны X излучаемого сигнала. При этом, чем больше апертура антенной решетки 61, тем быстрее спадает плотность потока мощности излучения антенной решетки 61 при отклонении от направления максимума, и тем острее становится ДН антенной решетки 61. За счет спадания плотности потока мощности при отклонении от направления максимума ДН обеспечивается уменьшение мощности помех в направлениях, отличных от направления максимума ДН антенной решетки 61. In another embodiment of the present invention, the phase shifts imposed by the RF processing circuits are set such that the differential phase shift between adjacent elements of the antenna array is equal to -Df A . In this case, according to the simplified theory of phased array antennas, based on the model of geometric optics, in the direction 616, constructive summation of signals from all elements of the antenna array 61 is ensured, and the wave front 618 propagates predominantly in the direction 616. In this case, the maximum DP of the antenna array 61, such like DN 31 in Fig. 1 or one of the DNs 31 1 or 312 in FIG. 9 appears to be directed along direction 616. Thus, for receiver 620 located in direction 616, due to the constructive summation of signals from antenna elements 611 - 614, the received signal power is increased. This, in turn, allows the data rate of receiver 620 to be increased and/or the signal-to-noise ratio of receiver 620 to be increased, thereby increasing communication reliability, and/or the communication range to be increased. In other embodiments, different phase shift values for antenna elements 611 - 614 may be set to increase and/or maximize the level of power received by receiver 620 at the antenna array 61 side. It is also known from the theory of antenna systems and phased array antennas that the sharpness of the radiation pattern maximum, expressed as the rate of decay of the radiation power flux density when deviating from the direction of the radiation maximum, is determined by the ratio of the aperture 637 of the antenna array 61 to the wavelength X of the emitted signal. In this case, the larger the aperture of the antenna array 61, the faster the radiation power flux density of the antenna array 61 decreases when deviating from the direction of the maximum, and the sharper the pattern of the antenna array 61 becomes. Due to the decrease in the power flux density when deviating from the direction of the maximum, the pattern ensures a decrease in power interference in directions other than the direction of the maximum pattern of the antenna array 61.
В третьем варианте реализации фазовые сдвиги, задаваемые цепями РЧ обработки, выставлены таким образом что дифференциальный фазовый сдвиг между соседними элементами антенной решетки равен 2лк/? АЕ-ДфА, где NAE - число антенных элементов в антенной решетке 61, а к - положительное целое число. В этом случае, в направлении 616 обеспечивается деструктивное суммирование сигналов со всех элементов антенной решетки, и волновой фронт 618 практически не распространяется в направлении 616. Вследствие этого, вдоль направления 616 оказывается направлен минимум или ноль ДН антенной решетки 61 , такой как ДН 31 на фиг. 1 или одна из ДН 31 1 или 312 на фиг. 9. Таким образом, для приемника 620, находящегося в направлении 616, за счет деструктивного суммирования сигналов от антенных элементов 611 - 614 мощность принимаемого сигнала значительно снижается или зануляется. Это, в свою очередь, позволяет исключить помехи на приемник 620 со стороны антенной решетки 61, таким образом улучшив для приемника 620 условия приема сигналов от других передающих устройств, не показанных на фиг. И. В других вариантах реализации другие величины фазовых сдвигов для антенных элементов 611 — 614 могут выставляться для снижения и/или зануления уровня мощности, принимаемой приемником 620 со стороны антенной решетки 61. При использовании ППУ 1 для обмена информацией с одним или более других ППУ, величины фазовых сдвигов для антенных элементов 611 - 614 могут быть вычислены, по крайней мере, частично, на основе оцененных характеристик 221 канала связи между ППУ 1 и одним или более других ППУ. In the third embodiment, the phase shifts specified by the RF processing circuits are set in such a way that the differential phase shift between adjacent elements of the antenna array is equal to 2 lx/? AE - Df A , where N AE is the number of antenna elements in the antenna array 61, and k is a positive integer. In this case, in direction 616 destructive summation of signals from all elements of the antenna array is provided, and the wave front 618 practically does not propagate in direction 616. As a result, the minimum or zero pattern of the antenna array 61, such as pattern 31 in FIG. . 1 or one of the DNs 31 1 or 312 in FIG. 9. Thus, for receiver 620 located in direction 616, due to the destructive summation of signals from antenna elements 611 - 614, the received signal power is significantly reduced or eliminated. This, in turn, eliminates interference to receiver 620 from antenna array 61, thereby improving receiver 620's ability to receive signals from other transmitting devices not shown in FIG. I. In other implementations, other phase shift values for antenna elements 611 - 614 can be set to reduce and/or null the power level received by the receiver 620 from the antenna array 61. When using PPU 1 to exchange information with one or more other PPUs, phase shift values for antenna elements 611 - 614 can be calculated, at least in part, based on the estimated characteristics 221 of the communication channel between PPU 1 and one or more other PPUs.
На фиг. 12 показан пример антенной системы 6 из двух антенных решеток 61 и 62 в соответствии с одним вариантом реализации настоящего изобретения. В данном варианте реализации антенные решетки 61 и 62 расположены на одной линии на расстоянии D друг от друга, причем их главные оси 619 и 629 сориентированы параллельно, вдоль одного направления, как показано на фиг.12. При этом каждый из антенных элементов 611 - 614 решетки 61 подключен к одной цепи РЧ обработки сигнала блока ФДН, такого как блок ФДН 51 антенного модуля, такого как антенный модуль 5, а каждый из антенных элементов 621 - 624 решетки 62 подключен к одной цепи РЧ обработки сигнала блока ФДН, такого как блок ФДН 52 антенного модуля, такого как антенный модуль 5, как показано на фиг. 9. In fig. 12 shows an example of an antenna system 6 of two antenna arrays 61 and 62 in accordance with one embodiment of the present invention. In this embodiment, the antenna arrays 61 and 62 are located in line at a distance D from each other, with their main axes 619 and 629 oriented parallel along the same direction, as shown in FIG. 12. In this case, each of the antenna elements 611 - 614 of the array 61 is connected to one RF signal processing circuit of the FDN unit, such as the FDN unit 51 of the antenna module, such as the antenna module 5, and each of the antenna elements 621 - 624 of the array 62 is connected to one RF circuit signal processing unit FDN, such as FDN unit 52 of an antenna module, such as antenna module 5, as shown in FIG. 9.
В варианте реализации, показанном на фиг. 12, фазовые сдвиги, задаваемые цепями РЧ обработки блока ФДН 51 выставлены таким образом, что волновой фронт 618, создаваемый антенной решеткой 61, распространяется преимущественно в направлении 616 под углом 0А1 к главной оси 619 решетки 61, а фазовые сдвиги, задаваемые цепями радиочастотной обработки блока ФДН 52 выставлены таким образом, что волновой фронт 628, создаваемый антенной решеткой 62, распространяется преимущественно в направлении 626 под углом 0А2 к главной оси 629 решетки 62, направления 616 и 626 параллельны друг другу, а фазовый сдвиг для антенного элемента 611 решетки 61 и антенного элемента 621 решетки 62 совпадают. Из упрощенной теории фазированных антенных решеток, основанной на модели геометрической оптики, следует, что в таком варианте реализации волновые фронты 618 и 628, излучаемые соответственно антенными решетками 61 и 62, оказываются сдвинутыми по фазе друг относительно друга на величину Аф0, определяемую формулой
Figure imgf000030_0001
In the embodiment shown in FIG. 12, the phase shifts specified by the RF processing circuits of the FDN block 51 are set in such a way that the wave front 618 created by the antenna array 61 propagates predominantly in the direction 616 at an angle of 0 A 1 to the main axis 619 of the array 61, and the phase shifts specified by the radio frequency circuits processing unit FDN 52 are set in such a way that the wave front 628 created by the antenna array 62 propagates predominantly in the direction 626 at an angle of 0 A2 to the main axis 629 of the array 62, directions 616 and 626 are parallel to each other, and the phase shift for the antenna element 611 of the array 61 and antenna element 621 of the array 62 coincide. From the simplified theory of phased array antennas, based on the model of geometric optics, it follows that in such an implementation, wave fronts 618 and 628 emitted respectively antenna arrays 61 and 62, turn out to be shifted in phase relative to each other by the value Af 0 , determined by the formula
Figure imgf000030_0001
В одном варианте реализации передаваемый сигнал 141, поступающий в блок ФДН 51, формируется каналом передатчика 401 на основе передаваемого цифрового сигнала 121, формируемого блоком ЦОС 20 (см. фиг. 6), а передаваемый сигнал 142, поступающий в блок ФДН 52, формируется каналом передатчика 402 на основе передаваемого цифрового сигнала 122, формируемого блоком ЦОС 20 (фиг. 6). При этом коэффициенты линейных комбинаций, выполняемых комбинатором 203 сигналов передатчика, выставлены таким образом, что цифровые передаваемые сигналы 121 и 122, формируемые блоком ЦОС 20, отличаются по фазе на величину -Аф0. В этом случае, согласно упрощенной теории фазированных антенных решеток, основанной на модели геометрической оптики, в направлении 636 обеспечивается конструктивное суммирование сигналов со всех элементов обеих антенных решеток, а волновые фронты 618 и 628 объединяются в единый волновой фронт 638, распространяющийся преимущественно в направлении 636 (см. фиг. 12). При этом максимум ДН антенной системы 6, такой как ДН 33 на фиг. 1 или одна из ДН 331 и 332 на фиг. 9, оказывается направленным вдоль направления 636. In one embodiment, the transmitted signal 141 arriving at the FDN block 51 is generated by the transmitter channel 401 based on the transmitted digital signal 121 generated by the DSP block 20 (see FIG. 6), and the transmitted signal 142 entering the FDN block 52 is generated by the channel transmitter 402 based on the transmitted digital signal 122 generated by the DSP unit 20 (Fig. 6). In this case, the coefficients of linear combinations performed by the transmitter signal combinator 203 are set in such a way that the digital transmitted signals 121 and 122, generated by the DSP unit 20, differ in phase by the amount -Af 0 . In this case, according to the simplified theory of phased array antennas, based on the model of geometric optics, in direction 636, constructive summation of signals from all elements of both antenna arrays is ensured, and wave fronts 618 and 628 are combined into a single wave front 638, propagating predominantly in direction 636 ( see Fig. 12). In this case, the maximum DP of the antenna system 6, such as DP 33 in FIG. 1 or one of the DNs 331 and 332 in FIG. 9 appears to be directed along direction 636.
Также из теории антенных систем и фазированных антенных решеток известно, что поскольку в антенной системе 6 содержится больше элементов, чем в решетках 61 или 62 по отдельности, в направлении 636 обеспечивается конструктивное суммирование большего числа передаваемых сигналов от большего числа антенных элементов по сравнению только с одной решеткой, и следовательно антенная система 6 обеспечивает большее усиление, чем каждая из решеток 61 или 62 по отдельности. Вследствие этого скорость и/или дальность и/или надежность передачи данных для антенной системы 6 оказываются больше чем для решеток 61 или 62 по отдельности. Кроме этого, поскольку общая апертура антенной системы 6 больше апертуры каждой из решеток 61 или 62 по отдельности, ДН антенной системы 6 оказывается более острой по сравнению с ДН решетки 61 или решетки 62 по отдельности. Это приводит к большему ослаблению плотности потока мощности излучения в направлениях, отличных от направления максимума ДН антенной системы 6 по сравнению с антенными решетками 61 или 62 по отдельности. Следовательно, при одинаковом уровне излучаемой мощности и при одинаковом направлении максимума ДН, антенная система 6 в направлениях, отличных от направления максимума ДН, создает помехи меньшей мощности, чем антенные решетки 61 или 62 по отдельности. It is also known from the theory of antenna systems and phased array antennas that since antenna system 6 contains more elements than individual arrays 61 or 62, direction 636 provides constructive summation of more transmitted signals from more antenna elements compared to just one array, and therefore the antenna system 6 provides greater gain than each of the arrays 61 or 62 individually. As a result, the speed and/or range and/or reliability of data transmission for the antenna system 6 is greater than for the arrays 61 or 62 separately. In addition, since the total aperture of the antenna system 6 is larger than the aperture each of the arrays 61 or 62 separately, the pattern of the antenna system 6 is sharper compared to the pattern of the grid 61 or the grid 62 separately. This leads to a greater attenuation of the radiation power flux density in directions other than the direction of the maximum radiation pattern of the antenna system 6 compared to antenna arrays 61 or 62 individually. Consequently, at the same level of radiated power and with the same direction of the maximum radiation pattern, the antenna system 6 in directions other than the direction of the maximum radiation pattern creates interference of less power than the antenna arrays 61 or 62 separately.
При использовании ППУ 1 для обмена информацией с одним или более других ППУ, величины фазовых сдвигов для антенных элементов 611 - 614 и 621 - 624 на фиг. 12 могут быть вычислены, по крайней мере, частично, на основе оцененных характеристик 221 канала связи между ППУ 1 и одним или более других ППУ. Для реализации цифро-аналогового формирования ДН 33 ППУ 1 в направлении передачи радиосигналов, данные фазовые сдвиги могут выставляться совместно с выставлением коэффициентов линейных комбинаций, выполняемых линейным комбинатором передатчика 203. Для реализации цифро-аналогового формирования ДН 33 ППУ 1 в направлении приема радиосигналов, данные фазовые сдвиги могут выставляться совместно с выставлением коэффициентов линейных комбинаций, выполняемых линейным комбинатором приемника 213. When using PPU 1 to exchange information with one or more other PPUs, the phase shift values for antenna elements 611 - 614 and 621 - 624 in FIG. 12 may be calculated, at least in part, based on the estimated characteristics 221 of the communication channel between PPU 1 and one or more other PPUs. To implement the digital-analog formation of the DN 33 PPU 1 in the direction of transmitting radio signals, these phase shifts can be set together with setting the coefficients of linear combinations performed by the linear combinator of the transmitter 203. To implement the digital-analog formation of the DN 33 PPU 1 in the direction of receiving radio signals, these phase the shifts can be set in conjunction with the setting of linear combination coefficients performed by the linear combinator of the receiver 213.
На фиг. 13 показан пример антенной системы 6 из двух антенных решеток 61 и 62 в соответствии с одним вариантом реализации настоящего изобретения. В данном варианте реализации антенные элементы решеток 61 и 62 расположены в одной плоскости, причем антенные элементы каждой из решеток 61 и 62 разнесены между собой вдоль оси Z системы координат 625, связанной с антенной системой 6, антенные решетки 61 и 62 разнесены друг относительно друга вдоль оси Y системы координат 625, а направления главных осей как решетки 61, так и решетки 62 направлены вдоль оси X системы координат 625. При этом каждый из антенных элементов 611 - 614 решетки 61 подключен к одной цепи РЧ обработки сигнала блока ФДН, такого как блок ФДН 51 антенного модуля, такого как антенный модуль 5, а каждый из антенных элементов 621 - 624 решетки 62 подключен к одной цепи РЧ обработки сигнала блока ФДН, такого как блок ФДН 52 антенного модуля, такого как антенный модуль 5, как показано на фиг. 9. In fig. 13 shows an example of an antenna system 6 of two antenna arrays 61 and 62 in accordance with one embodiment of the present invention. In this embodiment, the antenna elements of the arrays 61 and 62 are located in the same plane, and the antenna elements of each of the arrays 61 and 62 are spaced apart along the Z axis of the coordinate system 625 associated with the antenna system 6, the antenna elements 61 and 62 are spaced relative to each other along the Y axis of the coordinate system 625, and the directions of the main axes of both the array 61 and the array 62 are directed along the X axis of the coordinate system 625. Moreover, each of the antenna elements 611 - 614 array 61 is connected to one RF signal processing circuit of an FDN unit, such as an FDN unit 51 of an antenna module, such as antenna module 5, and each of the antenna elements 621 - 624 of array 62 is connected to one RF signal processing circuit of a FDN unit, such as an FDN unit 52 antenna module, such as antenna module 5 as shown in FIG. 9.
В варианте реализации, показанном на фиг. 13, фазовые сдвиги, задаваемые цепями РЧ обработки сигнала блока ФДН 51 , выставлены таким образом, что волновой фронт 618, создаваемый антенной решеткой 61, распространяется преимущественно в направлении 616 под углом 0Ai к главной оси 619 решетки 61 в плоскости XZ системы координат 625, а фазовые сдвиги, задаваемые цепями РЧ обработки сигнала блока ФДН 52, выставлены таким образом, что волновой фронт 628, создаваемый антенной решеткой 62, распространяется преимущественно в направлении 626 под углом 0А2 к главной оси 629 решетки 62 в плоскости XZ системы координат 625, направления 616 и 626 параллельны друг другу, а фазовые сдвиги для антенного элемента 611 решетки 61 и антенного элемента 621 решетки 62 совпадают. In the embodiment shown in FIG. 13, the phase shifts specified by the RF signal processing circuits of the FDN block 51 are set in such a way that the wavefront 618 created by the antenna array 61 propagates predominantly in the direction 616 at an angle of 0 Ai to the main axis 619 of the array 61 in the XZ plane of the coordinate system 625, and the phase shifts specified by the RF signal processing circuits of the FDN block 52 are set in such a way that the wave front 628 created by the antenna array 62 propagates predominantly in the direction 626 at an angle of 0 A2 to the main axis 629 of the array 62 in the XZ plane of the coordinate system 625, the direction 616 and 626 are parallel to each other, and the phase shifts for antenna element 611 of array 61 and antenna element 621 of array 62 are the same.
В одном варианте реализации передаваемый сигнал 141, поступающий в блок ФДН 51, формируется каналом передатчика 401 на основе передаваемого цифрового сигнала 121, формируемого блоком ЦОС 20, а передаваемый сигнал 142, поступающий в блок ФДН 52, формируется каналом передатчика 402 на основе цифрового передаваемого сигнала 122, формируемого блоком ЦОС 20. При этом весовые коэффициенты комбинатора 203 сигналов передатчика выставлены таким образом, что цифровые передаваемые сигналы 121 и 122, формируемые блоком ЦОС 20, отличаются по фазе на величину -Дфо. В этом случае, согласно упрощенной теории фазированных антенных решеток, основанной на модели геометрической оптики, в направлении 636, отличающимся от направлений 616 и 626 на угол 0D H в плоскости XY системы координат 625, обеспечивается конструктивное суммирование сигналов со всех элементов обеих антенных решеток, а волновые фронты 618 и 628 объединяются в единый волновой фронт 638, распространяющийся преимущественно в направлении 636. При этом максимум ДН антенной системы 6, такой как ДН 33 на фиг. 1 или одна из ДН 331 и 332 на фиг. 9, оказывается направленным вдоль направления 636. In one embodiment, the transmit signal 141 arriving at the FDN block 51 is generated by the transmitter channel 401 based on the digital transmit signal 121 generated by the DSP unit 20, and the transmit signal 142 entering the FDN block 52 is generated by the transmitter channel 402 based on the digital transmit signal. 122, generated by the DSP block 20. In this case, the weighting coefficients of the transmitter signal combinator 203 are set in such a way that the digital transmitted signals 121 and 122, generated by the DSP block 20, differ in phase by the amount -Df o . In this case, according to the simplified theory of phased array antennas, based on the model of geometric optics, in the direction 636, which differs from the directions 616 and 626 by the angle 0 DH in the XY plane of the coordinate system 625, constructive summation of signals from all elements is ensured both antenna arrays, and the wavefronts 618 and 628 are combined into a single wavefront 638, propagating predominantly in the direction 636. In this case, the maximum beam pattern of the antenna system 6, such as beam pattern 33 in FIG. 1 or one of the DNs 331 and 332 in FIG. 9 appears to be directed along direction 636.
Также из теории антенных систем и фазированных антенных решеток известно, что поскольку в антенной системе 6 содержится больше элементов, чем в решетках 61 или 62 по отдельности, в направлении 636 обеспечивается конструктивное суммирование большего числа передаваемых сигналов от большего числа антенных элементов по сравнению только с одной решеткой, и, следовательно, антенная система 6 обеспечивает большее усиление, чем каждая из решеток 61 или 62 по отдельности. Вследствие этого скорость и/или дальность и/или надежность передачи данных для антенной системы 6 оказываются больше, чем для решеток 61 или 62 по отдельности. Кроме этого, поскольку апертура антенной системы 6 вдоль оси Y системы координат 625 больше апертуры каждой из решеток 61 и 62 по отдельности, а апертура антенной системы 6 вдоль оси Z системы координат 625 совпадает с апертурами антенных решеток 61 и 62, ДН антенной системы 6 в плоскости XY системы координат 625 оказывается более острой по сравнению с ДН решетки 61 или решетки 62 по отдельности, а в плоскости XZ системы координат 625 обладает той же остротой, что и ДН каждой из решеток 61 или 62 по отдельности. Это приводит к большему ослаблению плотности потока мощности излучения в направлениях, отличных в плоскости XY системы координат 625 от направления максимума ДН антенной системы 6 в сравнении с антеннами каждой из решеток 61 или 62 по отдельности.It is also known from the theory of antenna systems and phased array antennas that since antenna system 6 contains more elements than individual arrays 61 or 62, direction 636 provides constructive summation of more transmitted signals from more antenna elements compared to just one array, and therefore the antenna system 6 provides greater gain than each of the arrays 61 or 62 individually. As a result, the speed and/or range and/or reliability of data transmission for the antenna system 6 is greater than for the arrays 61 or 62 separately. In addition, since the aperture of the antenna system 6 along the Y axis of the coordinate system 625 is larger than the aperture of each of the arrays 61 and 62 individually, and the aperture of the antenna system 6 along the Z axis of the coordinate system 625 coincides with the apertures of the antenna arrays 61 and 62, the DP of the antenna system 6 is in the XY plane of the coordinate system 625 is sharper than the pattern of the grating 61 or the grating 62 separately, and in the XZ plane of the coordinate system 625 has the same sharpness as the pattern of each of the gratings 61 or 62 separately. This leads to a greater attenuation of the radiation power flux density in directions different in the XY plane of the coordinate system 625 from the direction of the maximum pattern of the antenna system 6 in comparison with the antennas of each of the arrays 61 or 62 separately.
Следовательно, при одинаковом уровне излучаемой мощности и при одинаковом направлении максимума ДН, антенная система 6 в направлениях, отличных от направления максимума ДН, создает помехи меньшей мощности, чем каждая их антенных решеток 61 или 62 по отдельности. При использовании ППУ 1 для обмена информацией с одним или более других ППУ, величины фазовых сдвигов для антенных элементов 611 - 614 и 621 - 624 на фиг. 13 могут быть вычислены, по крайней мере, частично, на основе оцененных характеристик 221 канала связи между ППУ 1 и одним или более других ППУ. Для реализации цифро-аналогового формирования ДН 33 ППУ 1 в направлении передачи радиосигналов, данные фазовые сдвиги могут выставляться совместно с выставлением коэффициентов линейных комбинаций, выполняемых линейным комбинатором передатчика 203. Для реализации цифро-аналогового формирования ДН 33 ППУ 1 в направлении приема радиосигналов, данные фазовые сдвиги могут выставляться совместно с выставлением коэффициентов линейных комбинаций, выполняемых линейным комбинатором приемника 213. Consequently, at the same level of radiated power and with the same direction of the maximum radiation pattern, the antenna system 6 in directions other than the direction of the maximum radiation pattern creates interference of less power than each of the antenna arrays 61 or 62 separately. When using PPU 1 to exchange information with one or more other PPUs, the phase shift values for antenna elements 611 - 614 and 621 - 624 in FIG. 13 may be calculated, at least in part, based on the estimated characteristics 221 of the communication channel between PPU 1 and one or more other PPUs. To implement the digital-analog formation of the DN 33 PPU 1 in the direction of transmitting radio signals, these phase shifts can be set together with setting the coefficients of linear combinations performed by the linear combinator of the transmitter 203. To implement the digital-analog formation of the DN 33 PPU 1 in the direction of receiving radio signals, these phase the shifts can be set in conjunction with the set of coefficients of linear combinations performed by the linear combinator of the receiver 213.
Промышленная применимость Industrial applicability
Для подтверждения реализуемости заявляемого ППУ, использующего несколько антенных решеток, был изготовлен образец 9 ППУ 1 , работающий в частотных диапазонах 2.4 ГГц и 5 ГГц. Структурная схема изготовленного образца 9 приведена на фиг. 14. В реализованном образце 9 ППУ 1 функции процессора 2, хранилища 3 и многоканального приемо-передающего блока 4 выполняет система-на-модуле (англ, system on module - SoM) ADRV9361- Z7035, поставляемая фирмой Analog Devices. Данная система представляет собой платформу программно-определяемого радио (Software-Defined Radio - SDR), которое сочетает в себе аналоговое устройство AD9361 (Integrated RF Agile Transceiver), используемое в качестве приемо-передающего блока 4, и цифровое устройство Xilinx Z7035 Zynq-7000, используемое в качестве процессора 2 и соединенное с памятью 30, в малом форм-факторе, хорошо подходящем для интеграции в конечный продукт. To confirm the feasibility of the proposed PPU, using several antenna arrays, sample 9 PPU 1 was manufactured, operating in the frequency ranges of 2.4 GHz and 5 GHz. The block diagram of the manufactured sample 9 is shown in Fig. 14. In the implemented sample 9 of the PPU 1, the functions of the processor 2, storage 3 and multi-channel transceiver unit 4 are performed by the system-on-module (English, system on module - SoM) ADRV9361-Z7035, supplied by Analog Devices. This system is a Software-Defined Radio (SDR) platform that combines an analog AD9361 (Integrated RF Agile Transceiver) device used as a transceiver unit 4, and a digital Xilinx Z7035 Zynq-7000 device, used as processor 2 and coupled with memory 30, in a small form factor well suited for integration into the final product.
Антенный модуль 5 был разработан в виде отдельного блока, содержащего две платы ФДН 51 и 52, подключаемых к радиочастотным входам и выходам SoM ADRV9361-Z7035 высокочастотными кабелями 121, 131 , 122 и 132. Образцы антенных решеток 61 и 62 выполнены в виде вертикальных столбцов из четырех дипольных антенных элементов каждый, аналогично антенной системе 6 в конфигурации, показанной на фиг. 13. Антенные решетки 61 и 62 расположены по горизонтали друг относительно друга. Каждый из антенных элементов образцов обеих решеток 61 и 62 подключен к отдельной цепи РЧ обработки сигналов блоков ФДН 51 и 52 соответственно. Каждая из цепей РЧ обработки антенного модуля образца 9 ППУ 1 имеют по два фазовращателя - один на прием и один на передачу сигнала, как показано на фиг. 10. Шаг регулировки фазы у фазовращателя передатчика и фазовращателя приемника составляет 22.5 градуса, обеспечивая 16 возможных значений фазового сдвига в пределах от 0 до 360 градусов. Таким образом, ДН антенной системы в вертикальной (угломестной) плоскости в основном определялась настройками блоков ФДН 51 и 52 антенного модуля 5, в то время как ДН в горизонтальной (азимутальной) плоскости определялась в основном параметрами комбинаторов сигналов 203 и 213 блока ЦОС 20, выполненного в программируемой логике 29 цифрового устройства Xilinx Z7035 Zynq-7000. Antenna module 5 was developed as a separate block containing two FDN boards 51 and 52, connected to the radio frequency inputs and outputs of SoM ADRV9361-Z7035 by high-frequency cables 121, 131, 122 and 132. Samples of antenna arrays 61 and 62 are made in the form vertical columns of four dipole antenna elements each, similar to the antenna system 6 in the configuration shown in FIG. 13. Antenna arrays 61 and 62 are located horizontally relative to each other. Each of the antenna elements of the samples of both arrays 61 and 62 is connected to a separate RF signal processing circuit of the FDN blocks 51 and 52, respectively. Each of the RF processing circuits of the antenna module sample 9 PPU 1 has two phase shifters - one for receiving and one for transmitting the signal, as shown in Fig. 10. The phase adjustment step of the transmitter phase shifter and the receiver phase shifter is 22.5 degrees, providing 16 possible phase shift values ranging from 0 to 360 degrees. Thus, the pattern of the antenna system in the vertical (angular) plane was mainly determined by the settings of the FDN blocks 51 and 52 of the antenna module 5, while the pattern in the horizontal (azimuth) plane was determined mainly by the parameters of the signal combiners 203 and 213 of the DSP block 20, made in the programmable logic 29 of the Xilinx Z7035 Zynq-7000 digital device.
Управление образцом 9 ППУ 1 осуществлялось с помощью программного обеспечения (ПО) графического интерфейса пользователя (англ. Graphic user interface - GUI) 8, выполняющегося на персональном компьютере 86 и дающей возможность пользователю конфигурировать параметры алгоритмов ЦОС 20 с помощью блока 82 конфигурации ЦОС, параметры приемо-передающего блока 4 с помощью блока 83 конфигурации аналоговой обработки, параметры формирования ДН антенным модулем 5 с помощью блока 84 конфигурации антенного модуля. ПО GUI 8 также дает возможность пользователю сохранять настройки с помощью блока 85 сохранения настроек конфигурации и обрабатывать результаты экспериментов с помощью блока 81 обработки и вывода результатов измерений. Control of sample 9 of PPU 1 was carried out using graphical user interface (GUI) software 8 running on a personal computer 86 and allowing the user to configure the parameters of the DSP algorithms 20 using the DSP configuration block 82, reception parameters - transmitting unit 4 using analog processing configuration block 83, parameters for the formation of patterns by antenna module 5 using antenna module configuration block 84. GUI 8 software also allows the user to save settings using the block 85 for saving configuration settings and process the results of experiments using the block 81 for processing and outputting measurement results.
Реализованная в образце 9 ППУ 1 конфигурация антенной системы хорошо подходит для применения на базовой станции сотовой системы связи, пример которой показан на фиг. 15. Как показано на фиг. 15, система сотовой связи 700 может включать базовую станцию 701, окруженную несколькими пользовательскими устройствами связи, такими как устройства 702 и 703. Местоположения пользовательских устройств 702 и 703 относительно базовой станции 701 характеризуется расстояниями 712 и 713 от пользовательских устройств 702 и 703 до антенной системы 6 базовой станции 701, высотами 722 и 723 устройств 702 и 703 соответственно над уровнем земли, а также углами в угломестной плоскости, такими как угол 715 между направлением 713 и земной поверхностью, и углами в азимутальной плоскости, такими как угол 716 между проекцией 711 оси 710 антенной системы 6 на земную поверхность и проекцией 714 на земную поверхность направления 712 на пользовательское устройство 702. The antenna system configuration implemented in sample 9 PPU 1 is well suited for use at a base station of a cellular system connection, an example of which is shown in Fig. 15. As shown in FIG. 15, cellular communication system 700 may include a base station 701 surrounded by multiple user devices, such as devices 702 and 703. The locations of user devices 702 and 703 relative to base station 701 are characterized by distances 712 and 713 from user devices 702 and 703 to antenna system 6 base station 701, heights 722 and 723 of devices 702 and 703, respectively, above ground level, as well as elevation plane angles, such as angle 715 between direction 713 and the ground, and azimuth plane angles, such as angle 716 between axis 710 projection 711 antenna system 6 on the earth's surface and projection 714 on the earth's surface of the direction 712 to the user device 702.
В одном варианте реализации антенная система 6 базовой станции 701 сконфигурирована так чтобы направить максимум своей ДН, такой как ДН 33 на фиг. 1 или одна из ДН 331 и/или ДН 332 на фиг. 9, на пользовательское устройство 702. В таком варианте реализации пользовательское устройство 702 получает увеличенную мощность сигнала по сравнению с другими направлениями максимума ДН антенной системы 6. В соответствии с объяснениями, приведенными выше со ссылками на фиг. И - фиг. 13, в таком варианте реализации связь между базовой станцией 701 и пользовательским устройством 702 может быть организована на расстояниях больших по сравнению с другими направлениями максимума ДН антенной системы 6 и/или связь между базовой станцией 701 и пользовательским устройством 702 может быть организована на скоростях больших по сравнению с другими направлениями максимума ДН антенной системы 6 и/или связь между базовой станцией 701 и пользовательским устройством 702 может обеспечивать меньшее количество ошибок передачи информации по сравнению с другими направлениями максимума ДН антенной системы 6. In one embodiment, the antenna system 6 of base station 701 is configured to direct the maximum of its beam pattern, such as beam pattern 33 in FIG. 1 or one of the DN 331 and/or DN 332 in FIG. 9 to user device 702. In such an embodiment, user device 702 receives increased signal power compared to other peak directions of antenna system 6. As explained above with reference to FIGS. And - fig. 13, in such an implementation, communication between the base station 701 and the user device 702 can be organized at distances greater than other directions of the antenna system 6 beam pattern maximum and/or communication between the base station 701 and the user device 702 can be organized at speeds greater than compared to other antenna system 6 pattern peak directions and/or communication between base station 701 and user device 702 may provide fewer transmission errors compared to other antenna system 6 pattern peak directions.
В другом варианте реализации антенная система 6 базовой станции 701 формирует две ДН, такие как ДН 331 и/или ДН 332 на фиг. 9. При этом минимум одной ДН, например ДН 331 на фиг. 9, направлен на пользовательское устройство 702, а минимум другой ДН, например ДН 332 на фиг. 9, направлен на пользовательское устройство 703. В этом варианте реализации базовая станция 701 одновременно посылает первый и второй сигналы двум пользовательским устройствам 702 и 703, используя соответственно ДН 332 и 331. 3а счет того, что минимум ДН 331 направлен, а минимум ДН 332 не направлен на пользовательское устройство 702, пользовательское устройство 702 принимает первые сигналы на фоне незначительных помех со стороны вторых сигналов. Аналогично, за счет того, что минимум ДН 332 направлен, а минимум ДН 331 не направлен на пользовательское устройство 703, пользовательское устройство 703 принимает вторые сигналы на фоне незначительных помех со стороны первых сигналов. Это дает возможность с помощью антенной системы 6 одновременно организовывать передачу двух сигналов в одной и той же полосе частот, повышая тем самым общую скорость передачи данных в сети сотовой связи 700. In another embodiment, the antenna system 6 of the base station 701 generates two patterns, such as pattern 331 and/or pattern 332 in FIG. 9. At the same time at least one DN, for example DN 331 in FIG. 9 is directed to user device 702, and at least another AP, such as AP 332 in FIG. 9 is directed to user device 703. In this embodiment, base station 701 simultaneously sends first and second signals to two user devices 702 and 703 using DPs 332 and 331, respectively. directed to user device 702, user device 702 receives the first signals with minor interference from the second signals. Likewise, because the minimum DP 332 is directed and the minimum DP 331 is not directed at the user device 703, the user device 703 receives the second signals with little interference from the first signals. This makes it possible, using the antenna system 6, to simultaneously transmit two signals in the same frequency band, thereby increasing the overall data transmission rate in the cellular communication network 700.
Предварительное сравнительное моделирование систем связи, таких как система сотовой связи 700, с базовыми станциями, оборудованными или антенными системами из 4-х решеток по 4 элемента в каждой в конфигурации (1 х4)х(4х1), или полностью адаптивными двумерными 16- элементными антенными решетками (4x4), или адаптивными одномерными 4-элементными решетками (1 x4), показало, что базовые станции с антенными системами из нескольких решеток в конфигурации (1х4)х(4х1) не более, чем на 5%, уступают в скорости передачи данных базовым станциям с полностью адаптивными двумерными 16-элементными антенными решетками (4x4) при одинаковом количестве и геометрическом расположении антенных элементов. Preliminary comparative modeling of communication systems, such as the 700 cellular system, with base stations equipped with either 4-array antenna systems of 4 elements each in a (1 x 4) x (4 x 1) configuration, or fully adaptive two-dimensional 16-element antennas arrays (4x4), or adaptive one-dimensional 4-element arrays (1 x4), showed that base stations with antenna systems of several arrays in a (1x4)x(4x1) configuration are no more than 5% inferior in data transfer speed base stations with fully adaptive two-dimensional 16-element antenna arrays (4x4) with the same number and geometric arrangement of antenna elements.
С другой стороны, согласно результатам моделирования, базовые станции с антенными системами из нескольких решеток в конфигурации (1 х4)х(4х1) дают выигрыш в скорости передачи данных до 25% по сравнению с базовыми станциями с одномерными адаптивными решетками (1 x4). Очевидно, что увеличение в скорости передачи данных обусловлено большей апертурой антенной системы из нескольких решеток в конфигурации (1 х4)х(4х 1) по сравнению с апертурой одномерной адаптивной решетки (1 х4). При этом в таком сравнении обе антенные системы используют одинаковое количество радиочастотных цепей, что практически выравнивает стоимости изготовления антенных систем обоих типов. Проведенное моделирование также показало, что в рассматриваемых условиях связи для достижения прироста скорости передачи на 25% у системы связи с адаптивными антенными решетками (1 х4) пришлось бы увеличить мощность передатчика в четыре раза, что подтверждает высокую эффективность конструкции заявляемого ППУ. On the other hand, according to the simulation results, base stations with antenna systems of several arrays in the (1 x 4) x (4 x 1) configuration provide a gain in data transmission speed of up to 25% compared to base stations with one-dimensional adaptive arrays (1 x4). Obviously, the increase in data transfer rate is due to the larger aperture of the multi-array antenna system in the (1 x 4) x (4 x 1) configuration compared to the aperture of a one-dimensional adaptive array (1 x 4). Moreover, in this comparison, both antenna systems use the same number of radio frequency circuits, which practically equalizes the cost of manufacturing antenna systems of both types. The simulation also showed that under the considered communication conditions, in order to achieve a 25% increase in transmission speed for a communication system with adaptive antenna arrays (1 x 4), the transmitter power would have to be increased fourfold, which confirms the high efficiency of the design of the proposed PPU.
В ходе экспериментального исследования образца 9 программноопределяемого приемо-передающего устройства 1 с антенной системой из нескольких антенных решеток были проведены измерения характеристик формирования диаграмм направленности разработанными блоками ФДН 51 и 52 и алгоритмами комбинирования сигналов 203 и 213 в блоке ЦОС ППУ, описанных выше со ссылками на фиг. 11 - 13. In the course of an experimental study of sample 9 of a software-defined transceiver device 1 with an antenna system of several antenna arrays, measurements of the radiation pattern formation characteristics were carried out by the developed FDN blocks 51 and 52 and the algorithms for combining signals 203 and 213 in the DSP PPU block, described above with reference to FIG. . 11 - 13.
В первой серии экспериментов были проведены измерения максимального коэффициента усиления антенных подрешеток 61 и 62 в зависимости от угла между направлением излучения 616 и главной осью 619 антенной решетки 61 , как показано на фиг. 11. На примере антенной решетки 61 и блока ФДН 51 : в блоке ФДН 51 , задавалось необходимое распределение фазовых сдвигов для антенных элементов 611 - 614 антенной решетки 61 в соответствии с выбранным направлением 616 излучения сигналов. Затем в данном направлении производилось измерение коэффициента усиления антенной подрешетки 61. В диапазоне углов места от -45 до 45 градусов расчетное значение коэффициента усиления антенной решетки 61 составило от 5.5 до 6 дБ относительно единичного антенного элемента, аналогичного антенным элементам 611 - 614 и излучающего сигнал с такой же полной мощностью, как и вся решетка 61. При этом измеренная величина коэффициента усиления антенной решетки 61 оказалась меньше расчетного значения на величину, не превышающую 0.5 дБ во всем заданном диапазоне углов места. Аналогичный эксперимент был проведен для антенной решетки 62, подключенной к блоку ФДН 52, в ходе которого были получены аналогичные результаты. In the first series of experiments, measurements were made of the maximum gain of the antenna subarrays 61 and 62 as a function of the angle between the direction of radiation 616 and the main axis 619 of the antenna array 61, as shown in FIG. 11. Using the example of the antenna array 61 and the FDN block 51: in the FDN block 51, the required distribution of phase shifts was set for the antenna elements 611 - 614 of the antenna array 61 in accordance with the selected direction 616 of signal radiation. Then, in this direction, the gain of the antenna subarray 61 was measured. In the range of elevation angles from -45 to 45 degrees, the calculated value of the gain of the antenna array 61 was from 5.5 to 6 dB relative to a single antenna element, similar to antenna elements 611 - 614 and emitting a signal with just as full power, like the entire array 61. In this case, the measured value of the gain of the antenna array 61 turned out to be less than the calculated value by an amount not exceeding 0.5 dB over the entire specified range of elevation angles. A similar experiment was carried out for the antenna array 62 connected to the FDN unit 52, during which similar results were obtained.
Во второй серии экспериментов были проведены измерения коэффициента усиления антенной системы 6, состоящей из двух подрешеток 61 и 62, по 4 элемента в каждой, расположенных как показано на фиг. 13 и подключенных к блокам ФДН 51 и 52, как показано на фиг. 9. При этом в блоках ФДН 51 и 52 были выставлены нулевые фазовые сдвиги, при которых направления максимумов излучения 616 и 626 параллельны главным осям 619 и 629 антенных решеток 61 и 62 соответственно. Затем, с помощью алгоритмов комбинирования сигналов 203 и 213 направление максимума излучения 636 всей антенной системы 6 отклонялось в азимутальной плоскости на угол в пределах от -45 до +45 градусов, и на этом направлении производилось измерение коэффициента усиления антенной системы 6. Расчетное значение коэффициента усиления антенной системы в данном диапазоне углов отклонения направления излучения 636 составило от 8.5 до 9 дБ относительно единичного антенного элемента, аналогичного антенным элементам 611 - 614 и излучающего сигнал с такой же полной мощностью, как и антенная система 6. При этом измеренная величина коэффициента усиления антенной системы 6 оказалась меньше расчетного значения на величину, не превышающую 0.7 дБ во всем заданном диапазоне азимутальных углов. In the second series of experiments, measurements were made of the gain of the antenna system 6, consisting of two subarrays 61 and 62, 4 elements each, located as shown in Fig. 13 and connected to the FDN blocks 51 and 52, as shown in FIG. 9. At the same time, zero phase shifts were set in the FDN blocks 51 and 52, at which the directions of the radiation maxima 616 and 626 are parallel to the main axes 619 and 629 of the antenna arrays 61 and 62, respectively. Then, using algorithms for combining signals 203 and 213, the direction of the maximum radiation 636 of the entire antenna system 6 was deviated in the azimuthal plane by an angle ranging from -45 to +45 degrees, and in this direction the gain of the antenna system 6 was measured. The calculated value of the gain antenna system in this range of angles of deviation of the direction of radiation 636 was from 8.5 to 9 dB relative to a single antenna element, similar to antenna elements 611 - 614 and emitting a signal with the same total power as antenna system 6. In this case, the measured gain of the antenna system 6 turned out to be less than the calculated value by an amount not exceeding 0.7 dB over the entire specified range of azimuthal angles.
Результаты первой и второй серии экспериментов показывают, что за счет применения одной антенной 4-элементной решетки, такой как решетка 61 на одном конце линии передачи данных, возможно до 6 дБ увеличить мощность сигнала, принимаемого удаленным приемным устройством, что позволяет в свободном пространстве увеличить дальность связи до 2 раз без потери качества и/или увеличить скорость передачи данных приблизительно на 1 бит/с/Гц, а за счет применения антенной системы 6 из двух 4- элементных решеток возможно увеличить мощность принимаемого сигнала до 9 дБ, что позволяет в свободном пространстве увеличить дальность связи до 2.8 раз без потери качества и/или увеличить скорость передачи данных приблизительно на 1.5 бит/с/Гц. При применении 4-элементных антенных решеток на обоих концах линии связи, возможно, увеличить дальность связи в свободном до 4 раз без потери качества связи и/или увеличить скорость передачи данных приблизительно на 2 бит/с/Гц. При применении же на обоих концах линии передачи данных антенных систем 6 из двух 4- элементных решеток каждая, возможно увеличить дальность связи до 8 раз и/или увеличить скорость передачи данных до 3 бит/с/Гц. The results of the first and second series of experiments show that by using a single 4-element array antenna, such as Array 61, at one end of a data link, it is possible to increase the signal power received by a remote receiver by up to 6 dB, allowing for increased range in free space communication up to 2 times without loss of quality and/or increase the data transfer rate by approximately 1 bit/s/Hz, and by using an antenna system 6 of two 4-element arrays it is possible to increase the received signal power by up to 9 dB, which allows you to increase the communication range to 2.8 in free space times without loss of quality and/or increase the data transfer rate by approximately 1.5 bps/Hz. By using 4-element antenna arrays at both ends of the communication link, it is possible to increase the free-range communication range by up to 4 times without loss of communication quality and/or increase the data transfer rate by approximately 2 bps/Hz. When using antenna systems of 6 of two 4-element arrays each at both ends of the data transmission line, it is possible to increase the communication range up to 8 times and/or increase the data transmission rate to 3 bit/s/Hz.
В третьей серии экспериментов были проведены измерения точности формирования ДН 33 антенной системы 6 состоящей из двух подрешеток по 4 элемента каждой, как показано на фиг. 13, в режиме многопоточной передачи данных. Для этого фазовые сдвиги в блоках ФДН 51 и 52 были заданы так чтобы направить излучение решеток 61 и 62 вдоль их осей 619 и 629 соответственно. Затем, с помощью алгоритмов комбинирования сигналов 203 и 213 были сформированы две ДН, такие как ДН 331 и 332. Для эксперимента были сформированы две взаимноортогональные последовательности отсчетов сигналов 204 и 205, так чтобы приемник мог настроиться на одну из них и полностью исключить вторую с помощью алгоритмов временной обработки. С помощью служебного программного обеспечения данные последовательности непосредственно подавались на входы комбинатора сигналов передатчика 203, минуя конвейеры ЦОС передатчика. В результате комбинирования цифровых сигналов 204 и 205 комбинатором сигналов передатчика 203 формировались цифровые сигналы 121 и 131, которые одновременно посылались в приемо-передающий блок 4 и далее, через РЧ порты 14 и 15, в антенный модуль 5. При этом каждая из решеток 61 и 62 излучала взвешенную сумму сигналов от обеих последовательностей 204 и 205. Измеряемой величиной было отношение мощностей сигналов, принятых одним и тем же приемником от каждой из последовательностей 204 и 205. В ходе экспериментов было установлено, что при расчетном отношении мощностей принимаемых сигналов до 6 дБ, отклонение измеряемой величины от расчетной не превышало 0.2 дБ, а при расчетном отношении мощностей до 20 дБ (в минимуме ДН для одной из последовательностей), отклонение измеряемой величины от расчетной составило менее 3 дБ. Данное отклонение объясняется погрешностями изготовления антенных решеток 61 и 62 и небольшим расхождением коэффициентов усиления блоков ФДН 51 и 52 антенного модуля 5 ППУ. In the third series of experiments, measurements were taken of the accuracy of formation of the pattern 33 of the antenna system 6 consisting of two subarrays of 4 elements each, as shown in Fig. 13, in multi-stream data transfer mode. For this purpose, the phase shifts in the FDN blocks 51 and 52 were set so as to direct the radiation of the gratings 61 and 62 along their axes 619 and 629, respectively. Then, using algorithms for combining signals 203 and 213, two patterns were formed, such as patterns 331 and 332. For the experiment, two mutually orthogonal sequences of samples of signals 204 and 205 were generated, so that the receiver could tune to one of them and completely exclude the second using time processing algorithms. Using utility software, these sequences were directly fed to the inputs of the signal combiner of the transmitter 203, bypassing the transmitter DSP pipelines. As a result of combining digital signals 204 and 205 by the signal combiner of the transmitter 203, digital signals 121 and 131 were generated, which were simultaneously sent to the transceiver unit 4 and further, through RF ports 14 and 15, to the antenna module 5. In this case, each of the arrays 61 and 62 emitted a weighted sum of signals from both sequences 204 and 205. The measured value was the ratio of the powers of the signals received by the same receiver from each of the sequences 204 and 205. During the experiments it was found that with the calculated ratio of the powers of the received signals up to 6 dB, the deviation of the measured value from the calculated one did not exceed 0.2 dB, and with a calculated power ratio of up to 20 dB (at the minimum DP for one of the sequences), the deviation of the measured value from the calculated value was less than 3 dB. This deviation is explained by errors in the manufacture of antenna arrays 61 and 62 and a slight discrepancy in the gains of the FDN blocks 51 and 52 of the antenna module 5 PPU.
Результаты третьей серии экспериментов показывают, что с помощью антенной системы 6, состоящей из двух решеток, подключенных к независимым каналам аналоговой (каналы 401 и 402 на фиг. 6) и цифровой (каналы 201 и 202 на фиг. 3) обработки сигналов, в свободном пространстве возможно до 2 раз увеличить скорость передачи данных в системе связи, такой как система связи 700 на фиг. 15, за счет одновременной передачи данных двум пользователям в одной и той же полосе частот. The results of the third series of experiments show that with the help of antenna system 6, consisting of two arrays connected to independent channels of analog (channels 401 and 402 in Fig. 6) and digital (channels 201 and 202 in Fig. 3) signal processing, in free space, it is possible to up to 2 times the data rate of a communications system, such as communications system 700 in FIG. 15, by simultaneously transmitting data to two users in the same frequency band.
Таким образом, даже на предварительно изготовленном макете были получены достаточно высокие показатели точности формирования ДН как в вертикальной, так и горизонтальной плоскостях, что подтверждает реализуемость заявляемого ППУ и достижимость характеристик дальности, скорости и надежности связи, предсказываемых теоретическими расчетами и численным моделированием. Thus, even on a pre-fabricated prototype, fairly high accuracy indicators of pattern formation were obtained in both the vertical and horizontal planes, which confirms the feasibility of the proposed PPU and the achievability of the characteristics of range, speed and communication reliability predicted by theoretical calculations and numerical modeling.

Claims

Формула изобретения Claim
Пункт 1. Программно-определяемое приемо-передающее устройство, содержащее процессор с включенными в него блоком цифровой обработки сигнала (ЦОС), сконфигурированным для цифровой обработки передаваемых и/или принимаемых сигналов, блоком управления и конфигурирования, а также подключенное к процессору хранилище, сконфигурированное для хранения инструкций для процессора, многоканальный приемо-передающий блок, подключенный к процессору и сконфигурированный для аналоговой и/или радиочастотной обработки передаваемых и/или принимаемых сигналов, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит решетки антенных элементов, блоки формирования диаграммы направленности, подключенные и к решеткам антенных элементов, и к многоканальному приемо-передающему блоку, и к процессору, причем многоканальный приемо-передающий блок содержит порты, каждый из которых подключен к одному блоку формирования диаграммы направленности, а каждый блок формирования диаграммы направленности также подключен к одной решетке антенных элементов, и процессор сконфигурирован с возможностью изменения диаграммы направленности решеток антенных элементов. Пункт 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок формирования диаграммы направленности содержит устройство деления мощности, сконфигурированное для разделения мощности передаваемых сигналов между антенными элементами решетки, подключенной к блоку формирования диаграммы направленности и/или для суммирования мощности сигналов, принимаемых от элементов антенной решетки, подключенной к блоку формирования диаграммы направленности, а также цепи радиочастотной обработки принимаемых и/или передаваемых сигналов, причем каждая цепь подключена к устройству деления мощности и к одному антенному элементу решетки, которая подключена к данному блоку формирования диаграммы направленности. Пункт 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что, по крайней мере, одна цепь радиочастотной обработки принимаемых и/или передаваемых сигналов выполнена с возможностью регулировки фазы принимаемых и/или передаваемых сигналов с помощью конфигурирующей информации, поступающей от процессора Clause 1. A software-defined transceiver device containing a processor with a digital signal processing (DSP) unit included in it, configured for digital processing of transmitted and/or received signals, a control and configuration unit, as well as a storage unit connected to the processor, configured for storage of instructions for the processor, a multi-channel transceiver unit connected to the processor and configured for analog and/or radio frequency processing of transmitted and/or received signals, characterized in that the device additionally contains arrays of antenna elements, beamforming units connected to the arrays antenna elements, and to a multi-channel transceiver unit, and to a processor, wherein the multi-channel transceiver unit comprises ports, each of which is connected to one beamforming unit, and each beamforming unit is also connected to one array of antenna elements, and the processor is configured to change the radiation pattern of the arrays of antenna elements. Claim 2. The device according to claim 1, characterized in that the beamforming unit contains a power division device configured to divide the power of transmitted signals between antenna elements of the array connected to the beamforming unit and/or to sum the power of signals received from the elements an antenna array connected to a beamforming unit, as well as a radio frequency processing circuit for received and/or transmitted signals, each circuit connected to a power division device and to one antenna element of the array, which is connected to this beamformer. Clause 3. The device according to claim 2, characterized in that at least one radio frequency processing circuit of received and/or transmitted signals is configured to adjust the phase of received and/or transmitted signals using configuration information coming from the processor
Пункт 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что ЦОС, включающий блок цифровой обработки передаваемых сигналов, в котором последовательно с конвейером ЦОС передатчика соединен комбинатор сигналов передатчика, и блок цифровой обработки принимаемых сигналов, в котором последовательно с конвейером ЦОС приемника соединен комбинатор сигналов приемника, также содержит блок оценки характеристик канала связи, подключенный к блоку цифровой обработки принимаемых сигналов, и блок расчета диаграмм направленности, подключенный к блоку оценки характеристик канала связи, параметры работы которых определяются конфигурирующей и статусной информацией, поступающей от алгоритмов блока управления и конфигурирования, выполняемых процессором. Clause 4. The device according to claim 1, characterized in that a DSP, including a digital processing unit for transmitted signals, in which a combinator of transmitter signals is connected in series with the transmitter DSP pipeline, and a digital processing unit for received signals, in which a combinator is connected in series with the receiver DSP pipeline signals of the receiver, also contains a block for estimating the characteristics of the communication channel, connected to the block for digital processing of received signals, and a block for calculating the directional patterns, connected to the block for estimating the characteristics of the communication channel, the operating parameters of which are determined by the configuring and status information coming from the algorithms of the control and configuration block, executed by the processor.
Пункт 5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что многоканальный приемо-передающий блок выполнен с возможностью обработки сигналов, содержащих синфазную и квадратурную компоненты. Clause 5. The device according to claim 1, characterized in that the multi-channel transceiver unit is configured to process signals containing in-phase and quadrature components.
Пункт 6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что процессор сконфигурирован для обмена с многоканальным приемо-передающим блоком, по крайней мере, первым и вторым сигналами, имеющими синфазные и квадратурные компоненты, для обработки, соответственно, первым и вторым каналом многоканального приемо-передающего блока, причем синфазная и квадратурная компоненты второго сигнала представляют собой линейную комбинацию синфазных и квадратурных компонент первого сигнала. Clause 6. The device according to claim 1, characterized in that the processor is configured to exchange with the multi-channel transceiver unit at least the first and second signals having in-phase and quadrature components, for processing, respectively, the first and second channels of the multi-channel reception -transmitting unit, wherein the in-phase and quadrature components of the second signal are a linear combination of the in-phase and quadrature components of the first signal.
Пункт 7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что процессор сконфигурирован для обработки, по крайней мере, одного цифрового сигнала, имеющего синфазную и квадратурную компоненты, процессор также сконфигурирован для обмена с многоканальным приемо-передающим блоком, по крайней мере, первым и вторым сигналами, имеющими синфазные и квадратурные компоненты, для обработки, соответственно, первым и вторым каналом многоканального приемо-передающего блока, причем синфазная и квадратурная компоненты первого сигнала представляют собой первую линейную комбинацию синфазных и квадратурных компонент по крайней мере одного цифрового сигнала, а синфазная и квадратурная компоненты второго сигнала представляют собой вторую линейную комбинацию синфазных и квадратурных компонент по крайней мере одного цифрового сигнала. Clause 7. The device according to claim 1, characterized in that the processor is configured to process at least one digital signal having in-phase and quadrature components, the processor is also configured to exchange with the multi-channel transceiver unit at least the first and second signals having in-phase and quadrature components, for processing, respectively, by the first and second channel of the multi-channel transceiver unit, wherein the in-phase and quadrature components of the first signal are a first linear combination of the in-phase and quadrature components of the at least one digital signal, and the in-phase and quadrature components of the second signal are a second linear combination of the in-phase and quadrature components of the at least one digital signal.
Пункт 8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что процессор сконфигурирован для обработки, по крайней мере, одного цифрового сигнала, имеющего синфазную и квадратурную компоненты, процессор также сконфигурирован для обмена с многоканальным приемо-передающим блоком, по крайней мере, первым и вторым сигналами, имеющими синфазные и квадратурные компоненты, для обработки, соответственно, первым и вторым каналом многоканального приемо-передающего блока, причем синфазная и квадратурная компоненты, по крайней мере, одного цифрового сигнала представляют собой линейную комбинацию синфазных и квадратурных компонент, по крайней мере, первого и второго сигналов. Clause 8. The device according to claim 1, characterized in that the processor is configured to process at least one digital signal having in-phase and quadrature components, the processor is also configured to communicate with a multi-channel transceiver unit, at least the first and second signals having in-phase and quadrature components for processing, respectively, by the first and second channels of the multi-channel transceiver unit, wherein the in-phase and quadrature components of at least one digital signal are a linear combination of the in-phase and quadrature components of at least first and second signals.
PCT/RU2022/000131 2022-04-18 2022-04-18 Software-defined transceiving device WO2023204723A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2022/000131 WO2023204723A1 (en) 2022-04-18 2022-04-18 Software-defined transceiving device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2022/000131 WO2023204723A1 (en) 2022-04-18 2022-04-18 Software-defined transceiving device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023204723A1 true WO2023204723A1 (en) 2023-10-26

Family

ID=88420222

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2022/000131 WO2023204723A1 (en) 2022-04-18 2022-04-18 Software-defined transceiving device

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2023204723A1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5838268A (en) * 1997-03-14 1998-11-17 Orckit Communications Ltd. Apparatus and methods for modulation and demodulation of data
US20020144134A1 (en) * 2001-02-16 2002-10-03 Koji Watanabe Software defined radio and radio system
US8081045B1 (en) * 2008-08-08 2011-12-20 Lockheed Martin Corporation Beamformer power divider/combiner with transmission lines distributed between MMIC and associated PC board
WO2018102326A1 (en) * 2016-11-29 2018-06-07 AMI Research & Development, LLC Super directive array of volumetric antenna elements for wireless device applications
US20220109458A1 (en) * 2019-02-27 2022-04-07 Hitachi Kokusai Electric Inc. Software-defined radio equipment

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5838268A (en) * 1997-03-14 1998-11-17 Orckit Communications Ltd. Apparatus and methods for modulation and demodulation of data
US20020144134A1 (en) * 2001-02-16 2002-10-03 Koji Watanabe Software defined radio and radio system
US8081045B1 (en) * 2008-08-08 2011-12-20 Lockheed Martin Corporation Beamformer power divider/combiner with transmission lines distributed between MMIC and associated PC board
WO2018102326A1 (en) * 2016-11-29 2018-06-07 AMI Research & Development, LLC Super directive array of volumetric antenna elements for wireless device applications
US20220109458A1 (en) * 2019-02-27 2022-04-07 Hitachi Kokusai Electric Inc. Software-defined radio equipment

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4457120B2 (en) Wide angle antenna lobe
JP4468816B2 (en) Mobile radio base station
US9661506B2 (en) Transceiver architecture for multiple antenna systems
CN110235382B (en) Transmitter and method for transmitting symbols over a wireless communication channel
US7450066B2 (en) Phased array antenna system with adjustable electrical tilt
EP3213371B1 (en) Antenna apparatus supporting adjustability of an antenna beam direction
US6016124A (en) Digital beamforming in a satellite communication system
US6304214B1 (en) Antenna array system having coherent and noncoherent reception characteristics
EP3320627A1 (en) Analog beamforming devices
RU132285U1 (en) MULTI-PURPOSE AUTOMATED RADIO COMMUNICATION NODE
WO1994009568A1 (en) Adaptive co-channel interference reduction system for cellular telephone central base stations
JP2020536448A (en) Remote radio head, beamforming method and program
US6999794B1 (en) Transmission of a common pilot channel from a beamforming transmit antenna array
EP2719016B1 (en) Multi-beam multi-radio antenna
Khan et al. Antenna beam-forming for a 60 Ghz transceiver system
CN110380763B (en) Transmitting-receiving directional diagram non-reciprocal all-digital beam forming antenna array and implementation method thereof
RU2475958C2 (en) Automated transceiving system of short-wave communication
CN113852402B (en) IRS (intelligent communications system) -assisted NOMA-MIMO (non-multiple input multiple output) high-capacity access method
EP1320146B1 (en) Multistandard multiband intelligent antenna system for cellular communications in multioperator environments
US10763940B2 (en) Digital port expansion for hybrid massive MIMO systems
WO2023204723A1 (en) Software-defined transceiving device
Cavalcante et al. Efficient hybrid A/D beamforming for millimeter-wave systems using butler matrices
CN114006641A (en) Millimeter wave asymmetric large-scale MIMO transceiving system architecture
JP2007503783A (en) Phased array antenna system with adjustable electrical tilt
Saranya Hybrid Digital Beamforming Design for Massive planar antenna array for 5G communication

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22937682

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1