可实现移动台天线智能化的数字空间窄波束跟踪滤波器 【技术领域】
本发明涉及一种滤波器，尤指一种可实现移动台天线智能化的数字空间窄波束跟踪滤波器。
背景技术
无线移动通信网络一般分为两大类型：一类是公用的无线移动通信网，如目前的GSM无线移动通信网，CDMA无线移动通信网，以及未来的第三代(3G)无线移动通信网；另一类是专用的无线移动通信网，如公安、交通运输无线局域网以及军事通信等专用的无线移动通信网。这些无线电移动通信网主要由无线交换系统、基站系统、操作和维护系统及移动终端几大部分所组成。
目前，在无线电移动通信系统中，如GSM系统，CDMA系统以及专用移动网中的移动台(如手机)天线的电波是以全方位(即360度范围)方式辐射的，但移动台与基站的通信是以点对点的方式进行的，这样移动台辐射在空间中的大部分电磁能量都浪费掉了，并形成了对其他通信体的干扰，从而对空间环境形成了电磁污染。人们在使用手机时，手机贴近人耳，其天线离人脑最近，近乎一半的电磁能量要通过使用者地头部，使用手机给人体，尤其是头部的电磁辐射的影响，愈来愈引起人们的关注。
【发明内容】
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种可实现移动台天线智能化的数字空间窄波束跟踪滤波器，该滤波器能够随着移动台的位置变动自适应地调整发送和接收空间波束的方位，使移动台能够自动跟踪与其通信的基站。为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种可实现移动台天线智能化的数字空间窄波束跟踪滤波器，其结构由数字空间窄波束接收滤波器模块、数字空间窄波束跟踪控制器和数字空间窄波束发送滤波器所组成；数字空间窄波束接收滤波器模块与数字空间窄波束跟踪控制器之间以总线方式连接，数字空间窄波束跟踪控制器与数字空间窄波束发送滤波器之间以总线方式连接；
所述数字空间窄波束接收滤波器模块由参数加权电路、零陷波电路和功率最小化波束合成及四/六路选一路信号输出电路构成；
所述数字空间窄波束跟踪控制器由闪存、专用处理器和I/O接口构成；
所述数字空间窄波束发送滤波器由参数加权电路、零陷波电路和功率最小化波束合成电路构成。
所述数字空间窄波束接收滤波器模块和数字空间窄波束发送滤波器所接收和发送的波束的水平方向空间方位划分是以移动台为中心将整个空间垂直划分为人脑占用空间和自由空间，在自由空间内以移动台为中心沿水平方向将整个自由空间均匀划分为四或六个夹角相同的扇形波束区；其垂直方向的空间方位划分是以移动台为中心，在自由空间内沿水平面向上的一个波瓣宽度为90度的空间范围。
所述数字空间窄波束跟踪滤波器在移动台中的硬件位置可位于射频部分或中频部分或基带部分。
所述数字空间窄波束接收滤波器模块是由并联在自由空间内指向不同扇区的空间滤波器所构成，这些空间滤波器覆盖了整个自由空间内沿水平面向上仰角小于90度的空间范围。
一种采用数字空间窄波束跟踪滤波器自适应地调整发送和接收的空间波束的方法，具体包括以下步骤：
1)数字空间窄波束接收滤波器模块对输入信号进行加权、零陷波、阵列输出功率最小化和波束合成处理，从输出信号中选取出一路最佳有用信号送入数字下变频或基带处理器，同时将接收有效基站信号的空间滤波器的空间方位序号数据送到与数字空间窄波束跟踪控制器相连接的数据总线上；
2)数字空间窄波束跟踪控制器将数字空间窄波束接收滤波器模块所检测到的有效信号波束的空间方位信息实时地送到与数字空间窄波束发送滤波器相连接的数据总线上，自适应地控制数字空间窄波束发送滤波器的发送波束的空间方位，使得当移动台空间方位改变时，移动台发送的电磁波波束会自适应地瞄准已激活的基站方位；
3)数字空间窄波束发送滤波器根据数字空间窄波束跟踪控制器送来的数据设置其加权参数、零陷波参数和阵列输出功率最小化参数，然后将上变频或基带处理器输出的数字信号进行加权、零陷波、阵列输出功率最小化处理，形成一个瞄准通信基站的数字空间窄波束信号后送D/A变换器作为数字空间窄波束发送滤波器的输出信号。
在所述步骤1中若并行的输出信号中有两路以上不同基站的信号时，则选取信噪比最优者作为通信的激活基站，其它列为邻近基站，同时将接收激活基站信号的该空间滤波器的有关空间方位序号的数据送到与数字空间窄波束跟踪控制器相连接的数据总线上。
由于本发明采用了以上技术方案，故具有以下优点：
1)采用了本发明可以使移动台使用者完全避免了移动台天线对人体(特别是头部)的电磁辐射，实现了移动台与基站间以窄波束方式点对点的自适应跟踪通信，从而实现了天线辐射的强方向性；
2)采用本发明可获得10分贝以上的信噪比增益，可降低移动台的发射功率或增大移动台与基站之间的通信距离，可以净化空间的电磁干扰，提高无线电波在空间中的利用率，其技术性能和环保性能都优于目前市场上的现有产品。
【附图说明】
图1A、图1B、图1C为本发明采用的空间波束水平面区域划分方式的示意图
图2为数字空间窄波束跟踪滤波器的电路结构示意图
图3A、图3B为数字空间窄波束接收滤波器模块和数字空间窄波束发送滤波器的二维空间形成逻辑电路图
图4为数字空间窄波束接收滤波器模块的四/六路选择电路和逻辑运算电路的逻辑电路图
图5为数字空间窄波束接收滤波器模块的功率最小化波束形成电路和四/六路选一路信号输出电路的逻辑电路图
图6为数字空间窄波束跟踪滤波器的基站选择示意图
图7为数字空间窄波束跟踪滤波器位于移动台硬件系统射频部位的结构方框图
图8为数字空间窄波束跟踪滤波器位于移动台硬件系统中频部位的结构方框图
图9为数字空间窄波束跟踪滤波器位于移动台硬件系统中基带部位的结构方框图
【具体实施方式】
如图1A所示，本发明以移动台1为中心以YY′和ZZ′所形成的面为切面，将整个空间垂直划分为两个子空间：其中移动台使用者的头部2所在的一侧，既X轴的负半轴所在的空间称为人脑占用空间，另一个子空间既X轴的正半轴所在的空间称为自由空间。如图1B所示，在自由空间内垂直于移动台的水平面上，以该移动台为一中心点，将该水平面均匀划分为四或六个夹角相同的扇形，即将整个自由空间均匀划分为四或六个夹角相同的扇形波束区。如图1C所示，无线电磁辐射的空间方向性图常采用水平方向图和垂直方向图来描述，按上述方法形成的是一个强方向性窄波束的空间信号，该波束的垂直面方向图是以移动台为中心点，从水平面向上的一个波瓣宽度为90度的一个波束。与移动台相通信的基站可能位于自由空间内的任一扇形空间波束区内，数字空间窄波束跟踪滤波器就是使该移动台所接收和发送的电磁波束能相应地位于该波束区，例如当基站5位于图1B中的扇形波束区42内时，移动台就将其接收和发送的电磁波束相应地对应在扇形波束区42内，当移动台位置发生移动时，基站所在的扇形波束区就要相应的发生变化，移动台接收和发送的电磁波束也相应的变动到其对应的空间扇形波束区内。
如图2所示，数字空间窄波束跟踪滤波器是由数字空间窄波束接收滤波器模块101，数字空间窄波束跟踪控制器102和数字空间窄波束发送滤波器103三部分组成。数字空间窄波束接收滤波器模块101是由四/六路并列的指向不同方向空间扇区的空间滤波器所构成，它们覆盖了自由空间水平面的全部方位范围。数字空间窄波束接收滤波器模块101主要负责将A/D变换器输出的数字信号进行加权、零陷波、阵列输出功率最小化处理和波束合成，从中搜索出一路最佳有用信号，送到数字下变频或基带处理器。同时，当移动台变化方位时，它会自动跟踪该波束的方位，调整自身参数值，将波束方位的变动信息实时通知数字空间窄波束跟踪控制器102。数字空间窄波束接收滤波器模块101具有对通信基站发送的电波自适应地搜索和跟踪的功能。
数字空间窄波束接收滤波器模块101由三个部份组成，它们是参数加权电路104、零陷波电路105和功率最小化波束合成及四/六路选一路信号输出电路106。
参数加权电路104是由二维空间(M*S)形成电路141、四/六路选择电路142和逻辑运算电路143所组成。输入并行的N位一维空间的数据信号，首先经过N个二维空间(M*S)形成电路141，通过二维空间形成电路141将一维空间并行的N位数据信号转换为N位并行的二维空间的数据信号，这些信号经四/六路选择电路142，形成了四或六路N位并行的二维空间的数据信号，供逻辑运算电路143进行逻辑加权运算，其目的是将接收到的信号进行空间波束分割，即空间滤波，其输出的信号将是四或六路不同空间方位的窄波束信号，以四路为例，输出的信号分别是0-45度，45-90度，90-135度，135-180度四个不同空间方位的窄波束信号。
零陷波电路105是由四/六路N位参数加权逻辑运算电路151构成，其目的是滤掉本空间方位外的所有信号，即滤掉本空间波束外的信号。
功率最小化波束合成及四/六路选一路信号输出电路106是由四/六路N位功率最小化波束合成电路161和一个四/六路选一路信号输出电路162构成，从零陷波电路105输出的四/六路N位二维(M*Y)信号，经功率最小化波束合成电路161对自身空间波束内的有用信号进行逻辑运算，即进行参数加权逻辑运算，其目的是使本空间波束内的信号获得最大的信噪比，四/六路选一路信号输出电路162是从其输入的四或六路不同空间方位的窄波束信号中，选取一路信噪比最佳者，作为数字空间窄波束接收滤波器模块101的输出信号，以N位并行数据的方式输出。
数字空间窄波束接收滤波器模块101与数字空间窄波束跟踪控制器102以总线BUSA方式连接，数字空间窄波束接收滤波器模块101受数字空间窄波束跟踪控制器102中的CPU的控制，以确定数字空间窄波束接收滤波器模块101的不同空间方位的扇区数，同时负责对各加权电路的参数值进行控制及设置，CPU可从数字空间窄波束接收滤波器模块101中实时获知其输出的信号是属于那一路空间方位的信号。
数字空间窄波束跟踪控制器102是由闪存RAM1 121、专用处理器CPU122、存储器RAM2124、I/O1接口123和I/O2接口125所组成。数字空间窄波束跟踪控制器102定时从数字空间窄波束接收滤波器模块101中读取数据，该数据包含有通信基站在自由空间内的波束方位区号等有关信息，当它从获取的数据中分析出基站发送的波束空间方位有所变动时，就会实时地通知数字空间窄波束发送滤波器103变更其发送波束的空间方位，即数字空间窄波束跟踪控制器102是根据数字空间窄波束接收滤波器模块101的有效波束的方位，自适应地控制数字空间窄波束发送滤波器103，使得当移动台的位置发生变化时，发送波束会自动地瞄准基站方位，以保证移动台与基站的正常通信，数字空间窄波束跟踪控制器102可根据实际需要修改窄波束的宽度，如由45度变为30度，或反之。
数字空间窄波束发送滤波器103是由参数加权电路109、零陷波电路108和功率最小化波束合成电路107构成。输入的N位并行的一维空间数据信号，首先进入加权电路109的二维空间(M*S)形成电路192，将一维空间数据信号转换为二维空间(M*S)的数据信号，二维空间形成电路192共有N个二维空间形成器，N位并行的二维空间的数据信号再经N个逻辑加权电路191进行逻辑加权运算，完成空间窄波束的滤波功能，形成一个空间窄波束信号，该信号送入零陷波电路108中的零陷波逻辑加权电路181进行参数加权逻辑运算，滤掉本空间窄波束外的多余信号，再经过功率最小化波束合成电路107的逻辑参数加权求乘求和电路171，最终形成一个信噪比最佳的空间窄波束信号，作为数字空间窄波束发送滤波器103的输出信号。数字空间窄波束发送滤波器103与数字空间窄波束跟踪控制器102之间以BUSB总线方式通信，数字空间窄波束发送滤波器103通过BUSB接收指令，决定发送信号的空间窄波束的空间方位，以及是采用几路的方式发送。
数字空间窄波束跟踪控制器102的CPU122负责控制数字空间窄波束发送滤波器103的参数加权电路109、零陷波电路108和功率最小化波束合成电路107内所有参数值的设置和更改等。数字空间窄波束发送滤波器103首先根据数字空间窄波束跟踪控制器102给定的数据，对其各类参数进行设置，然后对基带处理器或数字上变频输出的数字信号进行加权、零陷波、输出功率最小化处理及波束合成等等，形成一个瞄准基站的数字窄波束送D/A变换器。当移动台方位变动时，根据数字空间窄波束跟踪控制器102通知的方位数据，数字空间窄波束发送滤波器103会实时修改其相应的参数，使得发送的窄波束自适应地跟踪通信基站的方位。
图3A、图3B为数字空间窄波束接收滤波器模块101和数字空间窄波束发送滤波器103的二维空间形成逻辑电路图，图3A是单端输入信号(不对称信号)构成的二维空间形成逻辑电路，图3B是平衡输入信号(对称信号)构成的二维空间形成逻辑电路。在数字空间窄波束接收滤波器模块101和数字空间窄波束发送滤波器103的电路中，都有一个二维空间(M*S)形成电路141和192，这两个电路是本发明的一个核心电路，这两个逻辑电路在硬件方面是完全相同的，不同之处仅是外接信号，因此可通过对一个逻辑电路图的描述来进行概括。
在图3A中并行的N位一维空间数据信号，同时送到与之相对应的并行的N个二维空间(M*S)形成逻辑电路71、72、7N等的输入端，每个二维空间形成电路的矩阵(M*S)都是由相同的基本时延单元Z-1构成的，当Z-1用于数字空间窄波束接收滤波器模块中时，其移位速率是接收信号载频fCR的2倍频，即2fCR，用于数字空间窄波束发送滤波器中时，其移位速率是发送信号载频fCT的2倍频，即2fCT，即数字空间窄波束接收滤波器模块中的Z-1的移位时钟为1/2fCR，数字空间窄波束发送滤波器中的Z-1的移位时钟为1/2fCT。每个二维空间形成电路共有M*S个基本时延单元Z-1，可提供M*S个空间方位的数据输出信号，用这些数据信号与加权参数电路进行逻辑运算。时钟和BUS总线选取电路70负责进行时钟fCR或fCT的选取，四/六路具体数值的选取等。图3A与图3B相对应的逻辑关系图是：71对应于81，72对应于82，7N对应于8N，70对应于80。
图4为数字空间窄波束接收滤波器模块101的四/六路选择电路142和逻辑运算电路143的逻辑电路图，数字空间窄波束接收滤波器模块101的四/六路选择电路142是由四组并行的N个与门和两组并行的N个三态门组成，由四/六选择信号决定该接收滤波器模块是工作在四路空间波束方式还是六路空间波束方式，当四/六选择信号为1时，该数字空间窄波束接收滤波器模块工作在四路空间波束方式，当四/六选择信号为0时，该数字空间窄波束接收滤波器模块工作在六路空间波束方式。该数字空间窄波束接收滤波器模块的逻辑运算电路143是由六个独立的电路144、145、146、147、148和149构成，这六个独立电路的硬件逻辑电路完全相同，不同之处仅是它们中的加权网络的参数值不等，这些参数都在它们各自的闪存RAM中存放，由这六组或四组不同的参数值，决定了它们的空间滤波器的不同空间方位。以第一路144为例，它由矩形(M*S)加权参数控制电路1440、闪存RAM1441、矩形(M*S)加权求积电路1442和驱动输出电路1443构成，闪存RAM1441内存储有四路方式和六路方式中第一路的两组相关加权参数值，CPU通过总线BUSA通知该电路，将内存RAM中四路方式中或六路方式中的相关参数值，送矩形(M*S)加权参数控制电路1440，然后将这些参数值设置在相应的位置中，所谓的设置，即控制矩形(M*S)加权参数控制电路1440的门输入信号是“1”或是“0”，矩阵(M*S)加权求积电路1442是由M*S个逻辑与门组成，它们的输入信号分为两类信号，一类是二维空间(M*S)的数据信号，另一类是已设置的加权参数信号，求积之后的信号经驱动输出电路1443以同步的方式输出N位M*S1信号。
图5为数字空间窄波束接收滤波器模块101的功率最小化波束形成电路161和四/六路信号选一路信号输出电路162的逻辑电路图，数字空间窄波束接收滤波器模块101的功率最小化波束形成电路161由六个在硬件上相同的并行电路610、611、612、613、614和615构成，以第一路610为例，它是由M*S1个矩阵加权参数控制电路6101、闪存RAM6103、矩阵加权求积再求和的波束形成电路6102和驱动输出电路6104构成，这六个并行电路的硬件相同，仅其闪存RAM中设置的加权参数值不相等，这样就决定了四个或六个不同空间波束的方位。
四/六路信号选一路信号输出电路162是由六个相同的误码率计算电路620、621、622、623、624、625，最佳一路信噪比判决电路627和最佳一路信号选通输出电路626所构成。误码率计算电路以第一路620为例，它是由数据缓冲器RAM6201、帧块识别电路6202和帧块误码计数电路6203所构成。输入的数据并行分为三路，第一路数据至缓冲器RAM6201，第二路数据到帧块识别电路6202，该电路能从输入数据中识别出帧字头和块间隔，并将该信息送帧块误码计数电路6203，第三路数据到帧块误码计数电路6203，该电路按帧、按块计算误码率，并将计算结果告知最佳一路信噪比判决电路627，它首先将第一路和第二路信号的误码率比较，从中选取出误码率小的一路，再与第三路信号的误码率相比较，这样逐次比较，淘汰误码率大的路数信号，直到六路信号比较完，将最佳信噪比的一路信号选出，并通知最佳一路信号选通输出电路626，将该路信号作为数字空间窄波束接收滤波器模块101的输出信号输出，同时最佳一路信号信噪比判断电路627将数字空间窄波束接收滤波器模块101输出信号所在的空间方位信息通过BUSA总线通知CPU，CPU根据该信息通过BUSB总线，通知数字空间窄波束发送滤波器103其发送信号的空间窄波束应该处的空间方位。
数字空间窄波束接收滤波器模块101中的逻辑运算电路143、参数加权逻辑运算电路151和数字空间窄波束发送滤波器的零陷波逻辑加权电路181、逻辑加权电路191的硬件电路都由相同的基本单元构成，数字空间窄波束接收滤波器模块中的142、151是由六个基本单元并列工作，数字空间窄波束发送滤波器中的181、191是由一个基本单元完成的，它们的不同之处仅在其参数值的设置方面，由该电路的参数值决定其功能特性。
数字空间窄波束接收滤波器模块101的功率最小化波束合成电路161的基本硬件电路与数字空间窄波束发送滤波器103的功率模块的逻辑参数加权求乘求和电路171的硬件电路相同，仅其设置的参数值不同。
为了移动台的使用者免受电磁辐射的影响，采用本发明后，移动台与基站的通信的可选范围由原来的360度范围缩小到180度范围，即减少了一半空间范围内的基站的可选性。在这种情况下，有可能出现下面的情况：参照图6，以移动台为中心面划分，如果基站A506处于使用者所占空间范围内，并且离移动台较近，但该基站A506不在移动台天线波束所接收和发送的范围，如果该基站A506发射的电磁波的反射波信号在自由空间内，并且该反射波信号比自由空间内其它基站(如B507)的信号强，那么，该移动台与最近的基站A506的反射波通信，如果该基站A506的反射波信号小于自由空间内的基站B507的信号，则移动台与自由空间内的基站B507通信。
采用本发明使天线服务空间的范围减少了一半，使得有时不能与其距离最近的基站通信，而要与其距离远的基站通信，这完全靠智能化天线的强方向性，因为其强方向性，可以获得约10分贝以上的信噪比增益。
采用这种智能化天线后，基站控制器在与移动台交换信息时，应告知移动台所在位置区内360度范围内的所有基站的相关信息，移动台应将其使用者占有空间范围内的一些基站列为其邻近基站的名单内，以供移动台转向或漫游时进行切换。
由于在移动台中采用了数字空间窄波束跟踪滤波器，实现了移动台与基站的点对点的定向通信，移动台的接收机大约可提高10dB以上的信噪比增益，因此提高了接收机的灵敏度和抗干扰能力。对于该移动台的发送天线，由于是定向窄波束发射，其发射天线可获得约10dB以上的增益，因此可降低移动台的发射功率，由于其功耗降低了，移动台电池的待机时间也就延长了；同时，由于发射信号的定向辐射，使移动台使用者完全避免了移动台天线的电磁辐射影响。
本发明的数字空间窄波束跟踪滤波器在移动台的接收和发送系统硬件中的位置可以是在射频，中频或基带部分，分别示于图7，图8和图9中，选用哪种方案，由实现的技术可行性和经济性等决定，一般选用在中频或基带位置。
图7所示是数字空间窄波束跟踪滤波器200位于移动台硬件系统射频部位的方框图，它的数字空间窄波束接收滤波器模块205位于射频A/D变换器204之后，数字下变频206之前；数字空间窄波束发送滤波器210位于射频D/A变换器211之后，数字上变频209之前。其余部件分别是数字空间窄波束跟踪控制器207，双工器201，接收滤波器202，接收放大器203，基带处理器208，功放212，发送滤波器213。
图8所示是数字空间窄波束跟踪滤波器300位于移动台硬件系统中频部位的方框图，移动台从天线接收的信号，首先经双工器301输出到接收端滤波器302，接收端滤波器302的输出信号送入放大器303，放大后的信号送下变频器304，变频之后的信号经放大器305到带通滤波器306，带通滤波器输出为中频模拟信号，该中频信号经A/D变换器307，转换为数字中频信号，该数字中频信号输入到数字空间窄波束接收滤波器模块308，该数字空间窄波束接收滤波器模块308有两路输出，一路是从接收的信号中提取出所需的有用信号，送到数字下变频器309，另一路是与移动台通信的基站空间方位数据，送至数字空间窄波束跟踪控制器310，数字下变频的输出送到基带处理器311，基带处理器311将接收信号分别分解还原为信令，语音或数据信号。移动台用户发送的信息(含信令，语音和数据)经基带处理器311处理后，送到数字上变频器312，它的输出送到数字空间窄波束发送滤波器313，经加权、波束形成等形成直对通信基站的窄波束数字信号送D/A变换器314，数字空间窄波束发送滤波器313还受数字空间窄波束跟踪控制器310的控制，它根据数字空间窄波束跟踪控制器310的指令随时修改其各种参数，使发送的窄波束自适应地跟踪基站的方向。D/A变换器314输出为模拟中频信号，该信号经中频滤波器315，再经放大器316，输出到上变频317，该信号与本振318产生的高频信号混频，转换为射频信号，输出到功放319，功放之后的信号经发送滤波器320至双工器301，再经天线以窄波束方式发送至基站。
图9所示是数字空间窄波束跟踪滤波器400位于移动台硬件系统中基带部位的方框图，它的数字空间窄波束接收滤波器模块409位于数字下变频408之后，基带处理器411之前，数字空间窄波束发送滤波器412位于数字上变频413之后，基带处理器之前，接收支路的主要部件还有接收滤波器402，接收放大器403，接收变频器404，接收中频放大器405，接收中频滤波器406，中频A/D变换器407。发送支路的主要部件还有发送中频D/A变换器414，中频滤波器415，中频放大器416，上变频器417，功放419，发送滤波器420，公共部件是双工器401，本振器418，数字空间窄波束跟踪控制器410。
无线电移动通信领域中的公用网和专用网的移动台都可以采用本发明的数字空间窄波束跟踪滤波器，首先要根据具体网络对数字空间窄波束跟踪滤波器的有关参数值进行优化，然后实现微型化集成化。