專利名稱：一種能補償多普勒效應的自適應陣列天線系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于天線工程技術(shù)領域，特別涉及一種能補償多普勒效應的自適應陣列天線系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著高速鐵路的大范圍建設，能滿足高速通信要求的通信方式和系統(tǒng)的需求也越來越迫切。在通信過程中，高速移動的終端接收到的信號會產(chǎn)生多普勒頻移，其對通信的影響主要體現(xiàn)在1、引起載頻的偏移；2、由于多徑產(chǎn)生的多普勒擴展。在下一代移動通信系統(tǒng)(LTE、Wimax等)中，為提高通信信道的利用率，廣泛采用正交頻分復用(OFDM)技術(shù)，OFDM技術(shù)對頻偏變化較為敏感。因此，補償高速通信中的多普勒效應成為亟需解決的問題。
傳統(tǒng)的補償多普勒效應引起的頻偏的方法是通過算法估計多普勒頻移量，然后通過在信道估計中進行估計、跟蹤和補償。如中興公司提出的，專利申請?zhí)?00810104654. 3的中國專利“一種頻偏補償?shù)姆椒ê脱b置”通過基站對上行信號的多普勒頻移進行估計，并將其作為下行信號多普勒頻移補償?shù)膮⒖肌５壳暗膶＠念l偏補償算法均是在基站端完成，需要對現(xiàn)有通信系統(tǒng)進行升級或重新設計。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能補償多普勒效應的自適應陣列天線系統(tǒng)，在射頻前端即對多普勒頻移進行補償，并可以抑制產(chǎn)生多普勒擴展的多徑。本發(fā)明的原理是由于自適應陣列天線是一種能根據(jù)工作環(huán)境要求，能靈活調(diào)整天線波束及零陷位置的天線系統(tǒng)，通過控制陣列天線各通道的幅度和相位實現(xiàn)?；诟咚偕漕l開關(guān)的時間調(diào)制陣列能綜合出自適應陣列天線進行波束控制的幅度和相位，實現(xiàn)天線波束的自適應控制。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下—種能補償多普勒效應的自適應陣列天線系統(tǒng)，特點在于其構(gòu)成包括多個天線陣列，用于接收移動臺發(fā)來的無線信號并輸入射頻帶通濾波器或者用于接收射頻帶通濾波器發(fā)出的信號并輻射給基站；高速射頻開關(guān)，用于決定信號被接收或者發(fā)射后，載頻相對于接收或者發(fā)射前的偏移量;控制電路，用于周期性控制高速射頻開關(guān)的控制頻率fp，實現(xiàn)天線陣列的波束指向和用于調(diào)節(jié)射頻開關(guān)的控制周期來補償多普勒頻移。本發(fā)明還包括射頻帶通濾波器、雙工器、低噪放大器、合路器、下變頻器、中頻濾波器、本振、中頻放大器、功率分配器、射頻放大器和上變頻器；上述元件的連接關(guān)系如下當所述的雙工器處于接收狀態(tài)時，由多個天線陣元接收移動臺發(fā)來的無線信號后分別依次輸入對應的射頻濾波器和高速射頻開關(guān)、雙工器和低噪放大器進入合路器，各陣元支路信號合成一路中頻信號后經(jīng)過下變頻器下變頻至中頻段，再被中頻濾波器濾波后進入信號處理模塊；當所述的雙工器處于發(fā)射狀態(tài)時，天線處于發(fā)射狀態(tài)，中頻信號經(jīng)中頻放大器放大后，由上變頻器上變頻至射頻段進入功率分配器，經(jīng)功率分配器分配給各射頻放大器放大后，各射頻信號分別依次輸入到對應的雙工器、高速射頻開關(guān)和射頻濾波器后，各天線陣元分別接收對應的信號并輻射給基站。所述的控制電路包括信號收集器，用于獲取移動物體的速度和位置信息并將信息傳輸給控制模塊；控制模塊，用于周期性地控制高速射頻開關(guān)的狀態(tài)；數(shù)字頻率合成器，用于控制高速射頻開關(guān)工作的參考時鐘源；
存儲器，用于存儲聞速射頻開關(guān)的控制時序、聞速射頻開關(guān)的狀態(tài)切換周期和射頻帶通濾波器的截止頻率。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點是在射頻前端對由于高速移動產(chǎn)生的多普勒效應進行補償和抑制，使得傳統(tǒng)的應用在低速系統(tǒng)的通信方式和系統(tǒng)在應用于高速環(huán)境時能直接應用，而無需改進其內(nèi)部算法。具有更低的硬件復雜度。


圖I為本發(fā)明能補償多普勒效應的自適應陣列天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為移動臺與基站發(fā)射和接收的射頻信號的載頻關(guān)系示意圖。其中(a)表示移動臺和基站在收發(fā)時由于相對運動產(chǎn)生的多普勒效應，(b)表示在收發(fā)狀態(tài)下經(jīng)過射頻開關(guān)后信號頻譜的相對關(guān)系。圖3為具有多普勒效應補償功能的自適應陣列天線系統(tǒng)的工作流程圖。圖4a為實施例I中一個控制周期內(nèi)各高速射頻開關(guān)的各個開關(guān)打開的時序圖。圖4b為在這種打開時序控制下整個天線的波束方向圖。圖5為實施例I中基站端接收到的信號的功率譜。圖6a為實施例2中一個控制周期內(nèi)各聞速射頻開關(guān)打開/關(guān)閉的時序圖。圖6b為在這種開關(guān)狀態(tài)下天線陣列的方向圖。圖7為實施例2中基站端接收到的經(jīng)過時間調(diào)制的16QAM信號的功率譜。圖8為實施例2中基站接收到的16QAM符號與移動臺發(fā)射的16QAM符號的比較關(guān)系圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明，但不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。請先參閱圖1，圖I為本發(fā)明能補償多普勒效應的自適應陣列天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，一種能補償多普勒效應的自適應陣列天線系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)組成包括天線陣列
I、射頻帶通濾波器2、高速射頻開關(guān)3、雙工器4、低噪放大器5、合路器6、下變頻器7、中頻濾波器8、本振9、中頻放大器10、功率分配器11、射頻放大器12、上變頻器17和控制電路，該控制電路由信號收集器13、控制模塊14、數(shù)字頻率合成器15和存儲器16構(gòu)成。當所述的雙工器4處于接收狀態(tài)時，由多個天線陣元I接收移動臺發(fā)來的無線信號后分別依次輸入對應的射頻濾波器2和高速射頻開關(guān)3、雙工器4和低噪放大器5進入合路器6，各陣元支路信號合成一路中頻信號后經(jīng)過下變頻器7下變頻至中頻段，再被中頻濾波器8濾波后進入信號處理模塊(圖中未示)；當所述的雙工器4處于發(fā)射狀態(tài)時，中頻信號經(jīng)中頻放大器10放大后，由上變頻器17上變頻至射頻段進入功率分配器11，經(jīng)功率分配器11分配給各射頻放大器12放大后，各射頻信號分別依次輸入到對應的雙工器4、高速射頻開關(guān)3和射頻濾波器2后，各天線陣元I分別接收對應的信號并輻射給基站。圖3為具有多普勒效應補償功能的自適應陣列天線系統(tǒng)的工作流程圖，本發(fā)明的工作過程如圖3所示，通過信號收集器13獲取移動物體的位置/速度信息，并傳輸給控制模塊14，控制模塊14計算所需補償?shù)亩嗥绽疹l移值，再用該頻移值計算數(shù)字頻率合成器15的頻率控制值，改變高速射頻開關(guān)的控制周期，實現(xiàn)多普勒頻移的補償。同時控制模塊14 根據(jù)位置信息計算移動臺與天線載體之間的角度信息，將角度信息作為查找表的尋址值，在存儲器16中讀取該角度對應的各高速射頻開關(guān)的控制時序，使得移動臺的運動過程中波束方向始終對準天線載體，以抑制從其他角度入射的多徑，從而達到抑制多普勒擴展的目的。本發(fā)明能補償多普勒效應的自適應陣列天線系統(tǒng)的信號處理流程是對于上行鏈路，本發(fā)明的系統(tǒng)處于發(fā)射工作狀態(tài)，移動臺將待傳輸?shù)男畔⒔?jīng)基帶調(diào)制并進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，將中頻信號上變頻至射頻信號，并經(jīng)過功率分配器饋送至每個天線單元對應的功率放大器。同時，根據(jù)信號收集器測量得到的位置/速度信息值調(diào)整高速射頻開關(guān)的控制周期和開關(guān)時序，以使得射頻信號被調(diào)制到f>fd上，即預先在發(fā)射機上附加一個多普勒頻移量，并使得陣列天線的波束對準基站。這樣，對于基站端，接收信號的載頻仍是f。。對于下行鏈路，基站此時作為發(fā)射機，本發(fā)明的系統(tǒng)處于接收工作狀態(tài)，基站發(fā)射信號的載頻為f。，由于相對運動產(chǎn)生的多普勒頻移，在移動臺接收到的信號的載頻為f；+fd。經(jīng)過高速射頻開關(guān)、低噪放大、合路并進行下變頻，可將接收信號的載頻變換到與發(fā)射信號的中頻上。在通信過程中，發(fā)射信號的中頻和接收信號的中頻是一致的。由于在高速移動臺預先對多普勒頻移量進行補償，基站端處理的方式與移動臺靜止或慢速移動時是一致的。移動臺和基站端處理的信號的載頻以及天線陣列的波束指向關(guān)系如圖2所示。本發(fā)明提出的具有多普勒效應補償功能的自適應陣列天線系統(tǒng)，其相應的算法如下I、多普勒頻移補償設高速射頻開關(guān)的控制周期為Tp，控制頻率fp = 1/Tp。由于信號的周期性，其頻譜成分包括直流以及以fp為間隔的各次諧波。實現(xiàn)多普勒頻移補償通過改變fp實現(xiàn)(通過改變數(shù)字頻率合成器的頻率控制字)。對于上行鏈路，設系統(tǒng)工作的中頻載頻為fm，本振頻率為。，射頻信號的載頻為f。。移動臺運動速度為V，光速為C，根據(jù)移動臺的位置信息獲得的移動臺與基站的連續(xù)與移動方向的夾角為Θ，并加上移動性與基站之間是處于相向運動關(guān)系。則由于移動臺運動產(chǎn)生的多普勒頻移量為Γπvsin^ 廣fd=-fc
c射頻信號在經(jīng)過上變頻后，其載頻為t+fV。。再經(jīng)過高速射頻開關(guān)后，信號的頻譜成分包括fm+f1()，以及以fp為重復周期的各次諧波。本實施例選擇正第一邊帶的諧波分量fm+f1()+fp，用射頻帶通濾波器過濾掉其他的諧波分量。為實現(xiàn)多普勒頻移的預先補償，應滿足如下關(guān)系fc-fd = fm+fi0+fp由上式可以計算出射頻開關(guān)的控制頻率
I， ι π O fp = fc -fd-fm-flo =-fm-flo
C類似的，對于下行鏈路(這里我們討論收發(fā)方式為時分雙工的方式，即TDD，該方式也是目前LTE中占主導的雙工方式)。設接收的射頻信號的載頻為f。，下變頻的本振頻率為fioJ中頻為乙，則可以導出射頻開關(guān)的控制頻率/ =X +Jd - Jm — Jio = (I + ~~)fc -fm — fd
C若要使用頻分雙工的方式(即FDD)，則可在收發(fā)通路上分別使用高速射頻開關(guān)，通過控制射頻開關(guān)的控制周期，實現(xiàn)收發(fā)過程中多普勒頻移的補償。2、波束指向控制本實施例選擇高速射頻開關(guān)產(chǎn)生的第一邊帶諧波進行波束指向控制?？紤]具有N個陣元通道的均勻線性天線陣列，第一邊帶的輻射方向圖表示為=
κ=0其中，An為第η個單元上的激勵的復系數(shù)，β為自由空間中的波數(shù)，d為陣元間距，α ln為第一次諧波分量的系數(shù)，可表示為
.wJ-,
I2 sill ~ - lU^hn^ =丄 e^d{=——丁
rP 1PwP其中tln，t2n為第η個單元通道上的高速射頻開關(guān)打開和閉合的時間，5 =ψ，Tn
P
為控制每個開關(guān)脈沖的寬度，若 ；=&，則α1η可以簡化為
w Tπ
^ ■ P η “
Γ πI hnZSin^^ -r hn^hn SlH-,.碼=丄e^dt =-2_^—- 丁二巧了
Tp Τ,Ρπ由第一次諧波的方向圖函數(shù)，假定不進行幅度控制，即Αη=1，為使波束指向Θ，則β ι sin θ - wp ^ln ; ‘ = 2kn, k^Z考慮d= β d = π，wp = 2 π fp，簡化上式
權(quán)利要求
1.一種能補償多普勒效應的自適應陣列天線系統(tǒng)，特征在于其構(gòu)成包括 多個天線陣列(1)，用于接收移動臺發(fā)來的無線信號并輸入射頻帶通濾波器(2)或者用于接收射頻帶通濾波器(2)發(fā)出的信號并輻射給基站； 高速射頻開關(guān)(3)，用于決定信號被接收或者發(fā)射后，載頻相對于接收或者發(fā)射前的偏移量; 控制電路，用于周期性控制高速射頻開關(guān)(3)的控制頻率，實現(xiàn)天線陣列(I)的波束指向和用于調(diào)節(jié)射頻開關(guān)的控制周期來補償多普勒頻移。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的能補償多普勒效應的自適應陣列天線系統(tǒng)，其特征在于，還包括射頻帶通濾波器(2)、雙工器(4)、低噪放大器(5)、合路器(6)、下變頻器(7)、中頻濾波器(8)、本振(9)、中頻放大器(10)、功率分配器(11)、射頻放大器(12)和上變頻器(17)； 上述元件的連接關(guān)系如下 當所述的雙工器(4)處于接收狀態(tài)時，由多個天線陣元(I)接收移動臺發(fā)來的無線信號后分別依次輸入對應的射頻濾波器(2)和高速射頻開關(guān)(3)、雙工器(4)和低噪放大器(5)進入合路器(6)，各陣元支路信號合成一路中頻信號后經(jīng)過下變頻器(7)下變頻至中頻段，再被中頻濾波器(8)濾波后進入信號處理模塊； 當所述的雙工器(4)處于發(fā)射狀態(tài)時，中頻信號經(jīng)中頻放大器(10)放大后，由上變頻器(17)上變頻至射頻段進入功率分配器(11)，經(jīng)功率分配器(11)分配給各射頻放大器(12)放大后，各射頻信號分別依次輸入到對應的雙工器(4)、高速射頻開關(guān)(3)和射頻濾波器(2 )后，各天線陣元(I)分別接收對應的信號并輻射給基站。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的能補償多普勒效應的自適應陣列天線系統(tǒng)，其特征在于所述的控制電路包括 信號收集器(13)，用于獲取移動物體的速度和位置信息并將信息傳輸給控制模塊(14) 控制模塊(14)，用于周期性地控制高速射頻開關(guān)的狀態(tài)； 數(shù)字頻率合成器(15)，用于控制高速射頻開關(guān)工作的參考時鐘源； 存儲器(16)，用于存儲高速射頻開關(guān)的控制時序、高速射頻開關(guān)的狀態(tài)切換周期和射頻帶通濾波器的截止頻率。
全文摘要
一種能補償多普勒效應的自適應陣列天線系統(tǒng)，包括多個天線陣列，用于接收移動臺發(fā)來的無線信號并輸入射頻帶通濾波器或者用于接收射頻帶通濾波器發(fā)出的信號并輻射給基站；高速射頻開關(guān)，用于決定信號被接收或者發(fā)射后，載頻相對于接收或者發(fā)射前的偏移量；控制電路，用于周期性控制高速射頻開關(guān)的控制頻率，實現(xiàn)天線陣列的波束指向和用于調(diào)節(jié)射頻開關(guān)的控制周期來補償多普勒頻移。本發(fā)明實現(xiàn)對多普勒頻移的補償?shù)耐瑫r，實現(xiàn)對天線陣列波束的控制，抑制多徑信號，尤其適用于高鐵、飛機等高速移動臺的通信。
文檔編號H04B7/08GK102868435SQ20121032721
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月6日
發(fā)明者賀沖, 陳維明, 李維蒙, 張錦輝, 張曉鈞, 熊發(fā)田, 連文昭, 金榮洪, 耿軍平, 梁仙靈 申請人:中國鐵路通信信號股份有限公司