專利名稱：具有寬空位的天線射束圖的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及相控陣天線，特別是使用數(shù)字射束形成產(chǎn)生寬空位天線圖的方法和裝置。
常規(guī)多射束衛(wèi)星或地面通信系統(tǒng)的容量經(jīng)常受到其頻率再用或代碼再用能力的限制。在該系統(tǒng)中，由射束之間的角距決定一批同時射束范圍內(nèi)的頻域信道化或代碼分配的等級。為通過射束圖旁瓣來減小同信道干擾，角距是必須的。在射束范圍內(nèi)相異頻道和代碼分配的數(shù)量被稱為頻率或代碼再用系數(shù)。
例如，衛(wèi)星通信系統(tǒng)可采用12信道或12代碼再用方案以便在相同信道射束中實現(xiàn)角距。這樣做是為了保證足夠的信道抑制。該再用等級是通過12單元(cell)再用構造實現(xiàn)的。因此，12射束構造中的每個射束能夠傳送1/12的潛在容量。由于競爭用戶產(chǎn)生的干擾可能相當高，在常規(guī)系統(tǒng)中很難達到更大的系統(tǒng)容量或?qū)崿F(xiàn)比12小得多的再用系數(shù)。
衛(wèi)星通信系統(tǒng)使用相控陣天線通過多個天線射束與多個用戶通信。通常，有效的帶寬調(diào)制技術與多址聯(lián)接技術和頻率分隔法相結合來增加用戶數(shù)量。由于電子環(huán)境變得愈加稠密，需要將更尖端的技術用于無線通信系統(tǒng)。例如，由于所有用戶爭用有限頻譜，在各種系統(tǒng)中減輕干擾是向各種系統(tǒng)分配頻譜的關鍵。
射束轉(zhuǎn)向和成空系統(tǒng)(beam steering and nulling system)主要是由軍用通信和雷達操作發(fā)展起來的。然而，該系統(tǒng)僅能用于少量的射束和有限數(shù)量的窄空位(null)。這些限制的一個原因是潛在的信號處理的高計算成本。
需要一種增加通信系統(tǒng)中頻率再用系數(shù)的方法和裝置。還需要一種在通信系統(tǒng)中提供更有效的天線射束圖處理的方法和裝置。另外，這些需求對包括非同步衛(wèi)星和同步衛(wèi)星的衛(wèi)星通信系統(tǒng)特別有意義。
在結合附圖考慮的同時通過參考詳細的說明書和權利要求書可得到對本發(fā)明更全面的理解，其中在整個附圖中相同的參考標號表示相同部件。


圖1示出其中可實施本發(fā)明的方法和裝置的衛(wèi)星通信系統(tǒng)的簡化方框圖；圖2示出根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例包括增強的數(shù)字射束形成器的收發(fā)信機子系統(tǒng)的簡化方框圖；圖3表示來自不同信號源的K個全向天線元件和J個入射平面波的線性陣列；圖4表示根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的增強數(shù)字射束形成(EDBF)過程的流程圖；圖5示出使用EDBF技術產(chǎn)生的射束寬角圖和一串空位(寬空位)；圖6示出根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例在天線射束圖中靠近空位的區(qū)域的更詳細的示意圖；圖7表示根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例在接收機中使用EDBF技術的過程的流程圖；和圖8表示根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例在發(fā)射機中使用EDBF技術的過程的流程圖。
本發(fā)明提供一種提高通信系統(tǒng)中頻率和代碼再用系數(shù)的方法和裝置。本發(fā)明的方法和裝置還在通信系統(tǒng)中提供更有效的天線射束圖處理。另外，本發(fā)明的方法和裝置對衛(wèi)星通信系統(tǒng)中使用的非同步衛(wèi)星特別顯著。本發(fā)明將增強的數(shù)字射束形成算法與基于數(shù)字信號處理器(DSP)的系統(tǒng)組合，以便明顯改善當前和未來通信系統(tǒng)的容量，同時保持與現(xiàn)有調(diào)制技術兼容。在本發(fā)明中，通過用一串空位代替單個空位等技術來增強標準數(shù)字射束形成技術。
圖1示出其中可實施本發(fā)明的方法和裝置的衛(wèi)星通信系統(tǒng)的簡化方框圖。圖1表示在一個典型的頻譜共用方案中帶有數(shù)字射束形成器的三顆衛(wèi)星110、120、和130。如圖所示，在衛(wèi)星110、120、和130與基于地面的通信設備115、125、和135之間有數(shù)條通信路徑。如所希望的信號路徑117所示，在衛(wèi)星110和基于地面的通信設備115之間可建立一條鏈路。所希望的信號路徑127存在于衛(wèi)星120和基于地面的通信設備125之間。此外，另一個希望的信號路徑137存在于衛(wèi)星130和基于地面的通信設備135之間。
衛(wèi)星110、120、和130可駐留在同步或非同步軌道上。在同步軌道中，衛(wèi)星與地球表面上任何給定的點保持相對靜止。在非同步軌道中，衛(wèi)星可相對于地球表面上任何給定的點高速移動。在非同步軌道中，衛(wèi)星還可相對于同步軌道中的衛(wèi)星高速移動。這表明這些衛(wèi)星可在不同時間相對于同步衛(wèi)星和/或地球表面上的一點進入視野?；诘孛娴耐ㄐ旁O備115、125、和135位于地球表面附近。
當兩個或多個通信路徑占用共用頻譜段時，這些路徑中兩個或多個通信信道之間可能出現(xiàn)干擾。干擾路徑是大多數(shù)通信系統(tǒng)中的問題。不希望的信號路徑140存在于衛(wèi)星110、120、和130與基于地面的通信設備115、125、和135之間。另外，不希望的信號路徑150存在于衛(wèi)星110、120、和130之間，不希望的信號路徑160存在于基于地面的通信設備115、125、和135之間。
衛(wèi)星110、120、和130最好采用增強的數(shù)字射束形成器(EDBF)。另外，基于地面的通信設備115、125、和135最好采用增強的數(shù)字射束形成器。可將衛(wèi)星110、120、和130以及基于地面的通信設備115、12、和135看作是衛(wèi)星通信系統(tǒng)100中的節(jié)點。下面討論的本發(fā)明優(yōu)選實施例的特性可在衛(wèi)星通信系統(tǒng)100的任何節(jié)點或其它射頻(RF)通信系統(tǒng)的任何節(jié)點實現(xiàn)。
基于地面的通信設備115、125、和135使用在如由希望的信號路徑117、127、和137所示的希望的信號方向中建立的RF通信鏈路與通信衛(wèi)星110、120、和130通信?；诘孛娴耐ㄐ旁O備115、125、和135使用基于地面的鏈路(未示出)與象通信設備115、125、和135一樣的其它基于地面的通信設備通信，衛(wèi)星110、120、和130使用交叉鏈路(未示出)與象衛(wèi)星110、120、和130一樣的其它衛(wèi)星通信。
在接收模式，增強的數(shù)字射束形成器的接收部分設定衛(wèi)星的天線射束，以便最好將其主要通信射束指向一個特定的基于地面的通信設備，同時最好在任何干擾信號發(fā)射機的方向在天線的接收圖中提供寬空位。因此，明顯減小了在不希望的信號路徑上接收的任何干擾。最好是，衛(wèi)星的接收機天線圖中的寬空位對準并跟蹤在該衛(wèi)星視野內(nèi)發(fā)射的每個干擾信號。
為實現(xiàn)這一目的，定期調(diào)節(jié)增強數(shù)字射束形成器的控制矩陣，以便隨著衛(wèi)星和/或干擾信號發(fā)射機的移動而使空位保持在干擾信號發(fā)射機的方向。因此，動態(tài)地控制接收模式寬空位而不使用連續(xù)的更新策略。寬空位允許更新速度從連續(xù)更新速度減緩到定期更新速度。
在發(fā)射模式，增強的數(shù)字射束形成器的發(fā)射機部分設定衛(wèi)星的天線射束，以便最好將其主要通信射束指向一個特定的基于地面的通信設備，同時最好在任何已知的干擾信號接收機的方向在發(fā)射的天線圖中提供寬空位。因此，明顯減小了在不希望的信號路徑上可由干擾信號接收機接收的任何信號能量。最好是，天線的發(fā)射圖中的寬空位對準并跟蹤該衛(wèi)星視野內(nèi)的每個干擾信號接收機。
為實現(xiàn)這一目的，定期調(diào)節(jié)增強數(shù)字射束形成器的控制矩陣，以便隨著衛(wèi)星和/或干擾信號接收機的移動而使空位基本保持在干擾信號接收機的方向。另外，還動態(tài)地控制發(fā)射模式寬空位而不使用連續(xù)的更新策略。在發(fā)射模式中建立的寬空位允許更新速度從連續(xù)更新速度減緩到定期的更新速度。
在一個優(yōu)選實施例中，在指向干擾信號發(fā)射機或接收機的任何天線圖中放置寬空位。通常，僅當視線路徑存在于兩個節(jié)點之間時在RF通信系統(tǒng)中的兩個節(jié)點之間建立通信信道。對于移動節(jié)點，建立視野。在衛(wèi)星到地面通信信道的情況下，衛(wèi)星在頭上時通常出現(xiàn)視野中心。
因此，可根據(jù)其它節(jié)點來接通和斷開一個節(jié)點的發(fā)射和接收天線圖中的任何或所有寬空位。在RF通信設備(節(jié)點)的接收和發(fā)射天線圖中定位一個寬空位允許兩個或更多通信系統(tǒng)更有效地共用頻譜。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，在相似的方向放置發(fā)射和接收寬空位。
當在基于地面的通信設備115、125、和135中采用時，增強的數(shù)字形成器最好調(diào)節(jié)其發(fā)射和接收天線射束特性，以使其主要天線射束指向希望的衛(wèi)星，同時使寬空位對準干擾信號方向。可使用與基于地面的通信設備的位置有關的信息及其它信息確定到達方向。
當在衛(wèi)星110、120、和130中采用時，增強的數(shù)字形成器最好調(diào)節(jié)其發(fā)射和接收天線射束特性，以使其主要天線射束指向希望的基于地面的通信設備，同時使寬空位對準其它基于地面的通信設備的干擾方向?？墒褂门c衛(wèi)星的位置有關的信息等信息確定到達方向。
圖2示出包括根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的增強數(shù)字射束形成器的收發(fā)信機子系統(tǒng)的簡化方框圖。收發(fā)信機子系統(tǒng)200包括陣列天線220，多個接收機模塊226，多個模擬數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器228，多個數(shù)字模擬(D/A)轉(zhuǎn)換器244，多個發(fā)射機模塊246，數(shù)據(jù)處理器250，和增強的數(shù)字射束形成器210。增強的數(shù)字射束形成器210包括一個接收數(shù)字射束形成(RDBF)網(wǎng)絡232，發(fā)射數(shù)字射束形成(TDBF)網(wǎng)絡240，和控制器242。
增強的數(shù)字射束形成器210實現(xiàn)了形成具有希望特性的天線射束圖所需的射束轉(zhuǎn)向和控制功能。來自RDBF網(wǎng)絡232的數(shù)字數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理器250。TDBF網(wǎng)絡240從數(shù)據(jù)處理器獲得數(shù)字數(shù)據(jù)。數(shù)字數(shù)據(jù)包括發(fā)射數(shù)據(jù)以及控制數(shù)據(jù)。
陣列天線220包括最好以線性二維陣列排列的元件222；然而，其它陣列構造也適用。在該元件一級檢測和數(shù)字化接收的射頻(RF)信號。
響應接收的信號，接收機模塊226產(chǎn)生模擬基帶信號。接收機模塊226對功率電平進行下變頻、濾波、和放大到與A/D轉(zhuǎn)換器228相匹配的功率電平。使用同相(I)和正交(Q)A/D轉(zhuǎn)換器將模擬基帶信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字數(shù)據(jù)。I和Q分量分別表示復數(shù)模擬信號包絡的實部和虛部。在元件222與接收機模塊226之間最好存在一一對應的關系。
A/D轉(zhuǎn)換器228對模擬基帶信號取樣并將其數(shù)字化以產(chǎn)生數(shù)字I和Q信號。每個A/D轉(zhuǎn)換器最好專用于處理其相應陣列元件產(chǎn)生的信號。A/D轉(zhuǎn)換后，由RDBF網(wǎng)絡232處理數(shù)字I和Q信號。
通過利用帶有陣列天線的EDBF可實現(xiàn)增加容量、減少干擾、和改善性能。通常，數(shù)字射束形成是指在通過數(shù)字信號處理控制的基帶產(chǎn)生多個、同時的、單獨控制的射束。在上面標出的相關發(fā)明No.5-8的待審美國專利申請中描述了數(shù)字射束形成的實施。
通過增強的數(shù)字射束形成能力，通信系統(tǒng)可采用將射束分配給信號源以優(yōu)化服務總?cè)萘亢头召|(zhì)量的資源分配策略。設計射束具有根據(jù)業(yè)務密度改變的射束寬度和空位寬度。使用頻率分配和EDBF技術使同信道干擾最小。
在優(yōu)選實施例中，由許多可控制的接收/發(fā)射元件構成的陣列天線與增強的數(shù)字射束形成技術一起使用。通過跨越陣列應用線性相位加權可操縱來自陣列的射束圖。通過對單個元件的輸出進行幅度和相位加權可以整形該陣列圖。
加權值以矩陣形式通過控制器242傳送到RDBF網(wǎng)絡232。RDBF網(wǎng)絡232使用適當?shù)乃惴ㄗ赃m應地確定每個輻射元件222的適當加權。與天線系統(tǒng)的整個數(shù)據(jù)通過量相比，這可以以相對慢的速度進行。控制器242以取決于系統(tǒng)動態(tài)性的速度進行下面討論的過程和處理。
RDBF網(wǎng)絡232向數(shù)據(jù)處理器250提供表示從每個輻射元件222接收的信號的數(shù)字I和Q信號。數(shù)字信號包括表示由每個元件接收的信號的幅度和相位信息的同相(I)和正交(Q)信息。數(shù)據(jù)處理器250轉(zhuǎn)換該數(shù)字I和Q數(shù)據(jù)供其它子系統(tǒng)使用。
數(shù)據(jù)處理器250向TDBF網(wǎng)絡240和控制器242提供數(shù)字數(shù)據(jù)?？刂破?42以矩陣形式向TDBF網(wǎng)絡240提供發(fā)射射束加權。TDBF網(wǎng)絡240使用適當?shù)乃惴ㄗ赃m應地確定每個輻射元件222的適當加權。最好與陣列天線220的每個發(fā)射輻射元件222對應提供發(fā)射射束加權?？刂破?42使用如下面討論的過程自適應地確定發(fā)射和接收處理二者的適當加權。
D/A轉(zhuǎn)換器244把TDBF網(wǎng)絡240的每個輻射元件的數(shù)字輸出信號轉(zhuǎn)換成每個輻射元件222的對應模擬信號。發(fā)射機模塊246產(chǎn)生適合于由輻射元件222發(fā)射的信號。發(fā)射機模塊246最好執(zhí)行上變頻、濾波、和放大操作。
由于其自適應地調(diào)節(jié)射束圖和響應干擾數(shù)據(jù)產(chǎn)生寬空位等，圖2所示的收發(fā)信機子系統(tǒng)200具有優(yōu)于帶有固定射束天線的常規(guī)系統(tǒng)的優(yōu)點。另外，收發(fā)信機子系統(tǒng)200響應通信服務的要求提供天線射束圖，并且提供不想要的RF信號的改善空位。這些特性是通過控制器242和數(shù)據(jù)處理器250中植入的適當軟件實現(xiàn)的。
可采用一個或多個處理器實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理器250。數(shù)據(jù)處理器250存儲作為其指令的數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)處理器250執(zhí)行時使收發(fā)信機子系統(tǒng)200執(zhí)行下面討論的過程。
數(shù)據(jù)處理器250提供管理和控制功能。數(shù)據(jù)處理器250最好還為收發(fā)信機子系統(tǒng)200之間的鏈路提供頻率分配和時隙分配。
控制器242也可采用一個或多個并行處理器實現(xiàn)?？刂破?42還存儲作為其指令的數(shù)據(jù)，并在控制器242執(zhí)行時使增強的數(shù)字射束形成器210執(zhí)行下面討論的過程。也可采用數(shù)字信號處理器實現(xiàn)控制器242?？刂破?42也可使用包括對數(shù)轉(zhuǎn)換器、反對數(shù)轉(zhuǎn)換器、和并行處理器的特殊處理器實現(xiàn)。
在優(yōu)選實施例中，在收發(fā)信機子系統(tǒng)200中使用許多增強的數(shù)字射束形成器210。收發(fā)信機子系統(tǒng)200加入到通信系統(tǒng)100中的至少一個低地軌道(LEO)衛(wèi)星(圖1)。然而，本發(fā)明可應用到包括具有低地球、中地球或高地球軌道衛(wèi)星的系統(tǒng)，或包括在不同高度的衛(wèi)星的系統(tǒng)。另外，它可應用到具有任何傾斜角度的軌道。本領域的技術人員可以理解，在收發(fā)信機子系統(tǒng)200和增強的數(shù)字射束形成器210中可采用許多不同結構。
在優(yōu)選實施例中，在基于地面的通信設備中也使用一些增強的數(shù)字射束形成器210。隨著越來越多的衛(wèi)星投入服務，要求基于地面的通信設備在越來越密的干擾環(huán)境中工作。在某些情況下，這些衛(wèi)星是同一個通信系統(tǒng)中的一部分，在其它情況下，衛(wèi)星是不同通信系統(tǒng)的一部分。
由于窄空位，標準數(shù)字射束形成在射束中增加隔離使之超出旁瓣結構的隔離中是有效的。通常，每個形成的射束可對干擾射束的預定面對方向呈現(xiàn)單個空位。然而，若考慮到對指向誤差、帶寬、和軌道動態(tài)性的靈敏度，特別是在粘滯(sticky)射束的情況下，標準數(shù)字射束形成受到了限制。粘滯射束是衛(wèi)星在頭頂移動時有一端基本上保持固定在地球表面上的射束。當所分配的射束方向偏離實際射束方向時，很尖空位會與實際方向不一致。這是因為分配的射束方向不再是以射束為中心而出現(xiàn)的。結果是，標準數(shù)字射束形成提供了邊際益處(marginal benefit)。
在優(yōu)選實施例中，通過增強產(chǎn)生更寬空位的基礎算法消除標準射束形成的窄空位的有限效用。在某些情況下，這些更寬的空位是射束寬度的若干分之一，在其它情況下它們更寬。所得到增強數(shù)字射束形成技術更能容許與射束指向、掃描、和帶寬有關的誤差。
已在標準DBF應用中使用的一種算法是一種最佳線性無偏估算量(BLUE)。該算法調(diào)節(jié)陣列的加權系數(shù)，以便在所希望的信號估算中達到最小變化。BLUE算法迫使深空位在每個射束的所有其它用戶的方向，因而對指向誤差比較靈敏。EDBF技術可與BLUE算法一起使用以增加其有效性。
下面為線性天線陣列列出增強的數(shù)字射束形成算法的公式。給出一組所希望的面向方向，得到一個復數(shù)值轉(zhuǎn)換矩陣T，該轉(zhuǎn)換矩陣的行是關于天線元件的加權。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，優(yōu)化T矩陣以便沿所希望的方向產(chǎn)生射束，同時在它們當中互相呈現(xiàn)寬空間點上的光偏振都在其中某一個方向上。于是出現(xiàn)了偏振方向不確定的問題。由于對于給定的運動方向來說，兩種偏振方向會使兩個正交的偏振探測器給出相反的相位差，所以在需進行方向探測的系統(tǒng)中使用VCSEL將會出現(xiàn)問題。
根據(jù)圖19D所示的布局，假定光源的偏振方向為620或垂直于620(來示出)。則在沒有波片612的情況下，例如偏振器614將或者擋住或者透過本地振蕩光。于是根據(jù)不同的光源偏振方向，探測器522的輸出將或者是高的，或者是低的，這個探測器輸出可能被用來控制信號相對相位與運動方向之間的轉(zhuǎn)換(例如作為一個確定零點交叉計數(shù)值正負號的旗標)。
除了用于探測運動的探測器之外，只需使用一個這樣的偏振探測器(根據(jù)偏振方向輸出高或低)就夠了。不過，如果使用兩個探測器(522和520)，則不論是哪個偏振方向總有一個探測器輸出是高的，而另一個探測器將測量表面反射光，可以用于Er2成份補償在上述方案中，另加的探測器被有來解決VCSEL的偏振方向不確定問題。或者，也可以讓VCSEL相對于它的“最佳”偏振方向稍微旋轉(zhuǎn)一下。假定VCSEL偏振的“最佳”方向為α，從而優(yōu)勢偏振方向為α或α+π/2，則兩個探測器的直徑電壓的比值Rp為
于是，對于α+π/4的最佳VCSEL取向(例如沿626方向)，則不論VCSEL的偏振方向如何，例如圖19D中的兩個正交偏振探測器所探測到的直流成份都將是相同的。
然而，如果α+π/4+β(弧形)，則當VCSEL的輸出在一個偏振方向上時Rp≌1+2β，在另一個偏振方向上時Rp≌1-2β。于是當VCSEL以一個偏振方向發(fā)光時Rp＞1，以另一個偏振方向發(fā)光時Rp＜1。所以，如果把VCSEL相對于“最佳”取向旋轉(zhuǎn)，用于平移測量的兩個探測器直流電壓之間的比較結果就可指明偏振的方向，而不再需要額外的專在K個天線元件上造成的相位陰影。
數(shù)字射束形成的目的是得到對接收信號矢量
操作以產(chǎn)生入射信號矢量s的優(yōu)化估算值的轉(zhuǎn)換矩陣T。換句話說，必須獲得給定的r，滿足適當優(yōu)化標準的s的估算值。具體地說，一個適合的估算值s是將使下列量度最小的的值。E(s)=||Rnn-1/2(As-r~)||2.---(4)]]>設定(4)的梯度為零▿sE(s)=A*TRnn-1(As-r~)=0---(5)]]>產(chǎn)生所希望的估算值s^=(A*TRnn-1A)-1A*TRnn-1r~---(6)]]>其中，定義J×K轉(zhuǎn)換矩陣為T=(A*TRnn-1A)-1A*TRnn-1---(7)]]>產(chǎn)生s^=Tr~,---(8)]]>入射信號矢量的優(yōu)化估算值。(6)中的估算值有時被稱為最佳線性無偏估算量(BLUE)。這種情況下，最佳指的是最理想的；線性指的是該估算值包含在(8)中所看到的線性算子，無偏突出了誤差量度(4)由噪聲協(xié)方差歸一化的事實。
當假設與天線元件有關的噪聲矢量分量是統(tǒng)計獨立、零平均、和等方差(equal variance)，σ2n，噪聲協(xié)方差矩陣變?yōu)镽nn=σn2I---(9)]]>通過(6)可將轉(zhuǎn)換矩陣簡化成T=(A*TA)-1A*T.---(10)]]>這樣導出s^=Tr~]]>＝(A*TA)-1A*T(As+n)＝s+Tn (11)表示估算值中的誤差是Tn。該估算誤差的相關幅度明顯與估算值的質(zhì)量有關。在適當?shù)慕y(tǒng)計假設下，例如假設T中的行與n不相關，可以表示該估算值由下式近似給出s^=s+nK---(12)]]>值得注意的是，在無噪聲的情況下，估算值與實際的入射信號矢量s相同。鑒于(2)和(8)，這樣導出s＝Tr，(13)其中r是接收的信號矢量
無噪聲的情況。很顯然，T的作用象一個濾波器，能夠從接收的信號矢量r，入射信號矢量分量的復數(shù)組合提取入射信號矢量s。最好是，一行T和r的每個標量積提取對應的入射信號，同時完全濾除所有其它信號。這等于說T的J行沿對應的到達角度φ形成空間帶通濾波器，或射束，同時在它們中互相保持空位。
在帶有大天線陣列的通信衛(wèi)星上的增強數(shù)字射束形成需要來自星載數(shù)字信號處理(DSP)子系統(tǒng)的充分計算支持。軌道的動態(tài)性和快速移動的需求或粉滯射束可能明顯增加了計算負擔。隨著衛(wèi)星在其軌道中行進，可能希望在地球表面上的一個特定點保持射束。希望向與希望的和不希望的信號有關的角度(方向)加入適合的行進相位增量(progressive phase increments)來實現(xiàn)。
在優(yōu)選實施例中，通過用以原始角度為中心的密集角度簇(cluster)替換原始到達角度φ來實現(xiàn)互寬空位。這樣迫使多個緊密隔開的空位，并且這樣圍繞原始角度有效地達到了更寬的角度抑制。這些簇(cluster)最好包括三個到達角度，第二個到達角度與原始角度中的一個相同。通常，連續(xù)簇的角度之間的角距是一個陣列的射束寬度的一小部分，雖然不需要該間隔一致。使用所有簇的角度集合作為到達角度的合法集合，形成具有寬互空位的射束。
對基本成簇方案的一種小改進可實現(xiàn)寬空位。在優(yōu)選實施例中，第一個原始到達角度φ1與所有其它原始到達角度有關的簇組合到一個到達角度Ψ的表中。然后，將標準DBF技術應用到該放大的到達角度表，由于在此不存在一個串，在原始方向(φ1)產(chǎn)生了一個良好的射束。稱之為增強的數(shù)字射束形成(EDBF)。對每個原始到達角度重復該過程對稱地產(chǎn)生具有寬互空位的所需射束。
圖4說明了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的EDBF過程的流程圖。過程400在步驟402開始。
在步驟404，確定到達角度。到達角度描述為
在步驟406，為每個到達角度生成一簇空位。該簇空位被描述為
在步驟408，將增強的轉(zhuǎn)換矩陣設定到空表，如下面所示Te＝{}.
在步驟410，將計數(shù)變量(N)初始化成1。在步驟412，使用第N個到達角度和來自所有其它信號的角度串生成一個展開表。換句話說，第一個原始到達角度與除第一角度串外的全部角度串組合表示如下
其中L＝(J-1)(2I-1)-1。
在步驟414，使用下式計算轉(zhuǎn)向矩陣(steering matrix)A={{τjejπkcosχj}k=1K}j=1J,]]>在步驟416，從下式計算標準轉(zhuǎn)換矩陣的第一行Ts＝(A*TA)-1A*T.
在步驟418，將第一行添加到增強的轉(zhuǎn)換矩陣Te。在步驟420，將計數(shù)變量N加1。
在步驟422，進行詢問以確定是否要計算附加的希望信號。當已計算了所有希望的信號時，過程400分路到步驟430并結束。換句話說，如果φ＝{}，返回Te并結束該過程。當仍未計算所有希望的信號時，過程400則分路到步驟424。
在步驟424，轉(zhuǎn)動該簇。這表明去掉φ的第一元素并向左轉(zhuǎn)動x。在步驟424之后，過程400返回步驟412并如圖4所示重復。
如上所示，增強的轉(zhuǎn)換矩陣Te以一個空表開始，并在φ中為每個原始到達角度循環(huán)地一次建立一行。對于步驟412-424的每個循環(huán)，把標準DBF矩陣Ts的第一行添加到Te，去掉φ的領示元素(leading element)，向左轉(zhuǎn)動角串表φ。因此，當已使用φ中的所有元素時，過程400返回一個增強的轉(zhuǎn)換矩陣，該算法過程結束。
圖5示出使用EDBF技術產(chǎn)生射束510的寬角視圖和一簇空位(寬空位)520。使用EDBF和標準DBF對16元素的線性陣列和兩個到達角度進行計算。在該實例中，所希望的射束(信號)在45度，不希望的信號在135度。
圖6示出根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例在天線射束圖中空位附近的區(qū)域的更詳細示意圖。圖6中，示出四個刻度的區(qū)段(來自圖5)以進一步說明使用本發(fā)明的EDBF技術獲得的寬空位610的有效性。示出窄空位620用于比較。窄空位620是使用標準DBF技術的結果。如圖所示，窄空位620僅在一個單一的角度有效。窄空位620跨越一度的一小部分；就是說，它在一個唯一的點達到了-60分貝的等級。從EDBF技術得到的寬空位610為數(shù)十度寬；就是說，它在一個較寬的范圍達到-60分貝等級。可更有效地使用寬空位610以使不希望的信號產(chǎn)生的干擾最小。
已進行了附加計算，其中用0.5度來掃描相同的16元素陣列實例的兩個預形成的射束。該模擬結果表明寬空位跟蹤0.5度相同量的射束。這些結果還表明增強的數(shù)字射束形成相比常規(guī)可掃描射束的范圍能提供性能裕量。
已為單一的工作頻率(預假設為通信系統(tǒng)工作帶寬的中心頻率)推導出數(shù)字射束形成公式。對于窄帶寬系統(tǒng)，帶寬B是載頻fc的一小部分，所以能在整個頻帶內(nèi)安全地應用在fc的DBF公式，而只在頻帶邊緣產(chǎn)生非常小的性能降低。然而，隨著分數(shù)帶寬B/fc的增加，空位移動增加，性能降低進一步明顯。這是一個不幸的現(xiàn)象，因為這對于具有大分數(shù)帶寬的系統(tǒng)，降低了標準DBF的性能。
EDBF減小因帶寬造成的性能降低。通過提供寬互空位以減輕干擾，EDBF增加了衛(wèi)星通信系統(tǒng)的有效性。對于更大的帶寬，信道化技術可與EDBF技術一起使用。這種情況下，將工作頻帶分成足夠小的子頻帶以支持可接受的EDBF性能。
由增強的數(shù)字射束形成算法形成的射束圖同樣適用于接收和發(fā)射操作，并可根據(jù)要求使它們數(shù)字地轉(zhuǎn)向。如果轉(zhuǎn)向范圍限制在射束寬度的一部分，寬空位將因此而全部轉(zhuǎn)向，從而繼續(xù)抑制不希望的同信道干擾。這表明增強的數(shù)字射束形成器的T矩陣不必象標準DBF的T矩陣那樣經(jīng)常更新。
增強的數(shù)字射束形成算法還可用于產(chǎn)生窄和寬互空位的組合，或者更一般地說所希望寬度的互空位的組合。這種靈活性允許具有不同射束寬度和不同空位寬度的射束共存。
圖7說明了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例在接收機中使用EDBF技術的過程的流程圖。過程700以步驟702開始。
在步驟704，識別所希望信號的數(shù)量，并確定每個所希望信號的到達方向。在某些情況下，考慮單個所希望信號。在其它情況下，考慮許多所希望信號。
在步驟706，識別不希望信號的數(shù)量，確定這些不希望信號中每一個的到達方向。在某些情況下，考慮單個不希望的信號。在其它情況下，考慮許多不希望的信號。
在此公開的增強數(shù)字射束形成算法需要到達方向信息來有效運轉(zhuǎn)。在優(yōu)選實施例中，使用GPS輔助定位系統(tǒng)來得到到達方向。在替換實施例中，可用一個方向查找子系統(tǒng)來提供到達角度信息，該方向查找子系統(tǒng)使用部分或所有現(xiàn)有陣列來查明定位入射信號源方向。在優(yōu)選實施例中，可二維地確定到達角度。在替換實施例中，可三維地確定到達角度。
在步驟708，為接收模式確定成空策略。成空策略包含特性化寬空位。寬空位包括空位簇。建立覆蓋范圍。覆蓋范圍確定寬空位的寬度。對每個不希望的信號來說，覆蓋范圍可能不同。
另外，還確定用于建立寬空位的窄空位的數(shù)量。在優(yōu)選實施例中，一簇內(nèi)窄空位的最少數(shù)量是三。在某些情況下，每個不希望的信號具有一個與其有關的寬空位。在其它情況下，某些不希望的信號沒有與其有關的寬空位。
在某些實施例中，在發(fā)展成空策略時涉及到量化問題。射束數(shù)量和其相關位置也可能是成空策略中的因素。
成空策略還可能受到不知道的干擾信號源數(shù)量的影響。如果漏掉或不了解一個方向或干擾源，增強的數(shù)字射束形成器不為該方向建立不希望的信號。這種情況下，EDBF在其其它射束圖中在該方向不呈現(xiàn)空位。這種情況可能在一個爭用系統(tǒng)提供一個或多個射束形成器不知道并被忽略的入射信號時發(fā)生。在優(yōu)選實施例中，EDBF在這些外部信號源中形成空位，當其方向變?yōu)橐阎獣r。在替換實施例中，可展寬空位以覆蓋猜想的干擾信號。
在步驟710，使用圖4中給出的過程確定增強的轉(zhuǎn)換矩陣。在步驟712，確定天線陣列的加權系數(shù)。從增強的轉(zhuǎn)換矩陣確定加權系數(shù)。
在步驟714，由接收機接收所希望的和不希望的信號并處理。使所希望信號的電平最大，并使用寬空位使至少一個不希望信號的電平最小。
圖8說明了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例在發(fā)射機中使用EDBF技術的過程的流程圖。過程800以步驟802開始。
在步驟804，為一些所希望信號確定信號電平和方向。在某些情況下，使用單個射束，在其它情況下，需要許多射束以支持許多所希望的信號。
在步驟806，為許多不希望的信號確定信號電平和方向。為這些不希望的信號中的每一個確定發(fā)射方向。在發(fā)射機的情況下，不希望的信號表示受該信號不利影響的已知接收機。還確定在這些已知接收機建立可接受的干擾電平的信號電平。在某些情況下，考慮單個不希望的信號。在其它情況下，考慮許多不希望的信號。
在此公開的增強數(shù)字射束形成算法還需要發(fā)射方向信息來有效地運行。在優(yōu)選實施例中，使用GPS輔助定位系統(tǒng)來得到發(fā)射方向。在替換實施例中，可由基于地面的子系統(tǒng)提供發(fā)射角度的信息。
在優(yōu)選實施例中，可二維地確定發(fā)射角度。在替換實施例中，可三維地確定發(fā)射角度。
在步驟808，建立成空策略。成空策略涉及特性化寬空位。寬空位包括空位簇。為每個不希望的信號建立覆蓋范圍。該覆蓋范圍確定每個寬空位的寬度。對每個不希望的信號來說，覆蓋范圍可能不同。覆蓋范圍也可根據(jù)發(fā)射機的相對位置而改變。例如在基于空間的發(fā)射機上的寬空位的覆蓋范圍隨其相對位置的變化而改變。
另外，還確定用于建立每個寬空位的窄空位的數(shù)量。在優(yōu)選實施例中，一個簇內(nèi)的窄空位數(shù)量最少是三。在某些情況下，每個不希望的信號具有一個與其有關的寬空位。在其它情況下，某些不希望的信號沒有與其有關的寬空位。
在某些實施例中，為發(fā)射機發(fā)展成空策略時涉及到量化問題。射束數(shù)量和其相關位置也可能是成空策略中的因素。
成空策略還可能受到嘗試向在位置不明確的接收機給出空位的影響。如果不了解接收機的方向，增強的數(shù)字射束形成器不在該方向形成寬空位。這可能在多于一個的系統(tǒng)試圖共用頻譜時出現(xiàn)。在優(yōu)選實施例中，由于不知道接收機的準確位置，EDBF不在這些未識別的接收機方向形成空位。在替換實施例中，可展寬空位以覆蓋猜想的干擾信號。
在步驟810，使用圖4給出的EDBF過程以發(fā)射角度替代到達角度來確定增強的轉(zhuǎn)換矩陣。在步驟812，為天線陣列確定加權系數(shù)。從增強的轉(zhuǎn)換矩陣確定加權系數(shù)。
在步驟814，在所需的方向發(fā)射主射束并且寬空位朝向不希望的信號接收機。使在所需信號方向發(fā)射的信號電平最大，并使用寬空位使在至少一個不希望的信號方向發(fā)射的信號電平最小。過程800在步驟806結束。
除了其它原因外，由于在射束中需要更大的間隔以確保足夠的隔離，在當前的系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)更低的頻譜效率。由于寬互空位，本發(fā)明中使用的增強數(shù)字射束形成技術在增加射束中的隔離方面是有效的。在發(fā)明的優(yōu)選實施例中，由于由寬互空位提供的增加的隔離強度，同信道射束的位置被定位得更靠近。
增強的數(shù)字射束形成實質(zhì)上是開環(huán)概念。所要求的到射束形成器的輸入是將要形成射束的希望面向的方向的集合。因此，如果這些方向不準確，射束的指向?qū)⒁虼似x實際的信號源。更重要的是，互空位將從其理想位置偏移，使整個性能降低。由于更寬的空位，采用增強的數(shù)字射束形成技術建立的天線圖更能容許不準確性。
這些天線圖在存在指向誤差和其它不準確性的情況下具有抑制干擾信號的能力。干擾抑制量以空位的覆蓋范圍的程度和覆蓋范圍內(nèi)提供的窄空位數(shù)量為基礎。改變覆蓋范圍和空位的數(shù)量以便在射束圖中建立寬空位，并把這些寬空位定位在干擾信號的方向。
根據(jù)需要進行增強的數(shù)字射束形成計算。更新速度取決于包括與所希望的和不希望的發(fā)射機和接收機相關的衛(wèi)星位置中變化的許多因素。例如，如果仰角的改變速度是0.0569°/秒，假設一幀長度為90毫秒，則對應于0.005°/幀。當每0.5°需要校正射束形成器時，每隔100幀需要更新AOA信息。這可使用數(shù)字信號處理器進行。然而，這些計算僅用于形成轉(zhuǎn)換矩陣T。為形成射束，必須對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換。該運算比計算線性轉(zhuǎn)換簡單，但由于其必須更頻繁地進行因而支配著對處理速度的要求。在優(yōu)選實施例中，使用專用的并行處理器實現(xiàn)該處理速度。不管用于為EDBF提取線性轉(zhuǎn)換的方法和標準是什么，這都是這樣。
在優(yōu)選實施例中，處理器采用對數(shù)數(shù)字系統(tǒng)(LNS)運算。由于用加法器代替乘法器可實現(xiàn)乘法運算，基于LNS的運算可提供益處。數(shù)字加法器電路比同等的乘法器電路小得多。因此，通過引入基于LNS的計算單元可減小射束形成處理器陣列的尺寸。
基于LNS的處理器可包括對數(shù)轉(zhuǎn)換器、加法電路、加權電路、和反對數(shù)(log-1)轉(zhuǎn)換器?？刹捎蒙厦鏄顺龅南嚓P發(fā)明No.1-4的待審美國專利申請中描述的任何一種轉(zhuǎn)換來實施對數(shù)轉(zhuǎn)換器和反對數(shù)轉(zhuǎn)換器。
增強的數(shù)字射束形成器算法可與天線孔徑錐度一起使用或不一起使用，射束分辨率可依據(jù)錐度改變。通常，展開式天線陣列具有孔徑錐度以控制和保持足夠的低旁瓣結構，但這以等量的射束展寬為代價。作為抵抗預料之外的旁瓣干擾的措施，在常規(guī)的陣列設計中采用孔徑錐度。
在優(yōu)選實施例中，孔徑錐度與增強的數(shù)字射束形成一起使用。模擬已經(jīng)表明，除略微展寬的射束和更低的旁瓣結構外，孔徑錐度對增強的數(shù)字射束形成幾乎沒有不利影響。在替換實施例中，各種孔徑錐度技術有利于與增強數(shù)字射束形成器組合。
本發(fā)明的方法和裝置通過采用具有寬空位的天線圖可大大增加衛(wèi)星通信系統(tǒng)的能力。對于各種任務，可優(yōu)化所采用的寬空位以使干擾信號的影響最小，使用本發(fā)明的方法和裝置的系統(tǒng)可產(chǎn)生附加的成本利益。
上面已參考優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明。然而，本領域技術人員將會認識到，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下可在優(yōu)選實施例中做出變化和改進。例如，雖然已根據(jù)使用射束形成器的具體方框圖描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，可以想象使用不同方框圖的其它系統(tǒng)。因此，對于本領域技術人員很明顯的這些和其它變化和改進包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種減輕來自K個不希望信號的干擾的方法，其中K是整數(shù)，所述方法包括步驟識別第一數(shù)量的希望信號；識別第二數(shù)量的不希望信號，所述第二數(shù)量的不希望信號包括所述的K個不希望信號；和通過提供對準所述K個不希望信號的寬空位來減輕來自所述K個不希望信號的所述干擾，所述寬空位是空位簇。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述減輕步驟進一步包括步驟確定所述第一數(shù)量的希望信號的方向；和確定所述K個不希望信號的空位方向。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中所述減輕步驟進一步包括步驟使用到達角度在二維中確定所述射束方向和所述空位方向。
4.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中所述減輕步驟進一步包括步驟使用到達角度在三維中確定所述射束方向和所述空位方向。
5.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中所述減輕步驟進一步包括步驟確定有關所述空位方向的覆蓋范圍；和在覆蓋范圍內(nèi)提供第三數(shù)量的空位。
6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其中所述減輕步驟進一步包括步驟使用增強的數(shù)字射束形成(EDBF)算法和增強的轉(zhuǎn)換矩陣提供所述第三數(shù)量的空位。
7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其中所述EDBF算法進一步包括步驟a)生成具有零元素的增強轉(zhuǎn)換矩陣；b)確定為所述第一數(shù)量的所希望信號內(nèi)的N個所希望信號識別到達角度的N個射束方向；c)識別第J個射束方向，所述第J個射束方向識別N個所希望信號內(nèi)的第J個所希望信號的到達角度；d)確定為所述第二數(shù)量的不希望信號內(nèi)的所述K個不希望信號識別到達角度的K個空位方向；e)構成K個角度簇，為一個空位方向構成一個簇；f)通過將所述第J個射束方向的所述到達角度與所述第K個角度串組合構成展開表(flattened list)；g)使用所述展開表計算轉(zhuǎn)向矩陣；h)使用所述轉(zhuǎn)向矩陣計算標準轉(zhuǎn)換矩陣；i)將所述標準轉(zhuǎn)換矩陣的第一行添加到所述增強轉(zhuǎn)換矩陣；j)除去所述第J個射束方向；k)向左轉(zhuǎn)動所述展開表；l)遞增J；m)當J不大于N時返回步驟c)，并重復步驟c)至m)；和n)當J大于N時結束。
8.一種操作接收機以減輕來自多個不希望信號的干擾的方法，所述方法包括步驟在所述接收機接收信號，所述信號包括第一數(shù)量的希望信號和第二數(shù)量的不希望信號，所述第二數(shù)量的不希望信號包括所述數(shù)量的不希望信號；為所述第一數(shù)量的所希望的信號確定射束方向；和為所述數(shù)量的不希望信號確定空位方向，其中一個所希望的信號定義一個射束方向，一個不希望的信號定義一個空位方向，其中使用到達角度在二維中確定所述射束方向和所述空位方向；由所述接收機通過對準所述數(shù)量的不希望信號提供空位簇來減輕來自所述數(shù)量的不希望信號的所述干擾。
9.一種操作發(fā)射機以使用適合與陣列天線一起使用的增強的數(shù)字射束形成器減輕干擾的方法，所述陣列天線具有多個輻射元件，用于提供多個可轉(zhuǎn)向的天線射束圖，所述增強的數(shù)字射束形成器提供至少一個用于控制所述多個可轉(zhuǎn)向天線射束圖的控制矩陣，所述方法包括步驟發(fā)射至少一個可轉(zhuǎn)向的射束圖，所述至少一個可轉(zhuǎn)向的射束圖在一個所希望的信號方向包括至少一個在第一電平的射束和多個不希望的信號，其中所述多個不希望的信號確定干擾電平；使用所述增強的數(shù)字射束形成器和所述至少一個控制矩陣減少所述干擾電平；調(diào)節(jié)所述至少一個控制矩陣以增加所述第一電平；重新調(diào)節(jié)所述至少一個控制矩陣以提供至少一個空位簇，其中所述至少一個空位簇減少所述干擾電平；和重復所述調(diào)節(jié)步驟和所述重新調(diào)節(jié)步驟若干次以便增加所述第一電平和減少所述干擾電平。
10.一種收發(fā)信機子系統(tǒng)，包括一個適合與陣列天線一起使用的增強的數(shù)字射束形成器，所述陣列天線具有多個輻射元件，用于提供多個可轉(zhuǎn)向的天線射束圖，所述收發(fā)信機子系統(tǒng)包括一個陣列天線；多個耦合到所述陣列天線的接收機模塊；多個耦合到所述多個接收機模塊的模擬數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器；多個耦合到所述陣列天線的發(fā)射機模塊；多個耦合到所述多個發(fā)射機模塊的數(shù)字模擬(D/A)轉(zhuǎn)換器；一個耦合到所述多個A/D轉(zhuǎn)換器并耦合到所述多個D/A轉(zhuǎn)換器的增強的數(shù)字射束形成器，其中所述增強的數(shù)字形成器用于在所述多個可轉(zhuǎn)向天線射束圖的至少一個中產(chǎn)生寬空位；和一個耦合到所述增強的數(shù)字射束形成器的數(shù)據(jù)處理器。
全文摘要
提供一種在收發(fā)信機子系統(tǒng)(圖2,200)中使用的增強的數(shù)字射束形成器(EDBF)(圖2,210),以減輕通信系統(tǒng)中的干擾和提高頻率再用系數(shù)。EDBF用來在至少一個可轉(zhuǎn)向的天線射束圖中產(chǎn)生寬空位(圖5,520)。通過將寬空位對準不希望的信號,EDBF在通信系統(tǒng)中提供更有效的天線射束圖處理。該EDBF在同步衛(wèi)星,非同步衛(wèi)星,和地面通信設備中使用。該EDBF將唯一算法、專用處理器、和陣列天線組合以便明顯改善當前和未來通信系統(tǒng)的容量,同時保持與現(xiàn)有調(diào)制技術兼容。
文檔編號G01S7/28GK1256803SQ98802271
公開日2000年6月14日 申請日期1998年11月3日 優(yōu)先權日1997年11月3日
發(fā)明者薩姆·莫德查·丹尼爾, S·治洪·馬, 基思·瓦克拉·瓦伯爾, 潘少為, 世平·T·王 申請人:摩托羅拉公司